보다 친환경적인 스마트 빌딩 구현하기
(출처: jamesteohart - stock.adobe.com)
사무실, 병원, 학교, 공장에서는 스마트한 일이 자주 발생하지만 정작 이 같은 상업용 건물은 그다지 스마트하지 않은 경우가 많다. 에너지 효율성 문제를 해결하고, 자원을 추적하고, 조명 사용을 향상시킬 때 의사 결정의 기반이 되는 데이터가 거의 없으며 학습을 실행하는 자동화 방법도 많지 않은 편이다. 그러나 EU 온실가스 배출량의 약 1/3이 상업용 건물과 관련되어 있으며(유럽환경청: European Environment Agency, EEA), 유지 관리 비용을 줄이고 건물 관리를 향상시키고자 하는 움직임으로 인해 스마트 빌딩과 스마트 조명 솔루션의 활용이 증가하고 있다.
당연한 이야기이지만, 최첨단 조명, 아키텍처와 함께 필요한 케이블, 접속이 도면 보드에 정의된 새로운 빌드에서는 배포가 단순해진다. 하지만 기존 자산에 축적되어 있던 막대한 재고로 개조하는 방법도 가능하며, 이를 통해 에너지와 비용을 절감할 수 있다.
오늘날에는 다양한 스마트 빌딩 솔루션이 등장하고 있지만, 향후 10년 또는 20년 서비스를 제공해야 하는 시스템을 구축하기 위해서는 지원 기간, 공급사의 안정성, 강력한 기술 구현이 필수적이다. KNX 협회는 전 세계적으로 성공적인 배포를 수행한 500개의 제조사들과 8,000개의 인증 제품을 자랑하는 스마트 빌딩 기술에 대한 표준을 제공한다. 온세미(onsemi) NCN5140 평가 보드의 출시로, 스위치 애플리케이션을 위한 탁월한 출발점을 제공하는 KNX 인증 제품을 개발하는 것이 용이해졌다(그림 1).
NCN5140S를 기반으로 하는 이 SiP(시스템 인 패키지)는 Arm Cortex-M0+ 마이크로컨트롤러를 KNX 송수신기와 통합한다. KNX 노드를 개발하기 위해, SiP는 필터 커패시터, Tx 저항기 및 팬인 저항기만 있으면 트위스티드 페어 배선에서 도출된 노드의 전류 등급을 정의할 수 있다.
이 평가 보드는 8개의 버튼을 갖춘 두 가지 제품으로 제공되며, 하나는 기계식이고 다른 하나는 정전식 터치 방식이다. 사전 인증된 애플리케이션 코드는 버튼 또는 터치 패드를 밝힐 수 있는 8개의 RGB LED를 제어하여 밝기를 조절한다. 이 평가 보드는 스마트 조명, 셔터, 블라인드, 환기 제어에 적합한 인증된 물리적 계층과 KNX 소프트웨어 스택에서 지원되며 완벽하게 인증된 KNX 스위치 애플리케이션을 제공한다.
그림 1: KNX 8버튼 스위치 평가 보드는 온세미 NCN5140S SiP를 기반으로 한다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
빛이 있으라
백열등의 시대는 이미 오래 전에 지나갔으며, 요즘에는 형광등도 보기 힘들다. 그 자리를 대신하는 LED는 특유의 작은 크기 덕분에 탁월한 조명 성능뿐만 아니라 다양한 형태와 혁신적인 모양을 갖춰 제공된다. 그러나 최적의 성능을 얻으려면 조명의 수명과 함께 필요한 스마트 기능을 제공하는 고품질 드라이버가 필요하다. NCL31000, 그리고 함께 제공되는 NCL31001은 지능형 조명 통신과 실내 포지셔닝도 지원하는 지능형 LED 드라이버를 제공한다(그림 2).
그림 2: NCL3100X LED 드라이버의 블록 다이어그램(출처: 마우저 일렉트로닉스)
이 제품들의 주요 특징은 고효율, 44.4kHz~1MHz의 조정 가능한 스위칭 주파수를 가진 이중 동기식 벅 LED 드라이버와 제로 전류까지 PWM 디밍이 지원된다는 것이다. 스펙트럼 확산 제어를 사용하면 전도된 EMI를 향상시킬 수 있다. 전류 감지 저항기 덕분에 인덕터를 통과하는 전류를 모니터링할 수 있으며, 이는 해당 디바이스의 계측 기능 중 하나이다. 수집할 수 있는 다른 데이터에는 내부 전압, 전류 및 LED 전압이 포함된다. 100ms마다 샘플링되는 이러한 정보는 상태, 경고 및 오류 데이터와 함께 중앙 집중식 건물 관리 시스템과 공유될 수 있다. NCL31001은 내부의 보조 컨버터나 3.3V 벅 컨버터가 탑재되지 않았다는 점이 NCL31000과의 차이점이다.
접속은 선택한 디바이스에 따라 SPI 또는 I2C를 통해 이루어진다. 이를 통해 마이크로컨트롤러를 쉽게 시작할 수 있다. NCL31000ASGEVB 평가 보드 (그림 3)는 최대 100W의 LED 스트링을 지원하는 Arduino 호환 실드이다. 그러나 다른 마이크로컨트롤러 개발 플랫폼은 SPI 또는 I2C 핀에 직접 연결되어 간편하게 지원된다.
그림 3: Arduino 호환 NCL31000ASGEVB 평가 보드 (출처: 마우저 일렉트로닉스)
자산 추적하기
병원이나 연구실과 같이 리소스를 공유하는 환경에서 근무하는 사람들에게 드는 가장 큰 좌절감은 아마도 장비를 추적할 때 발생할 것이다. 하지만 이제는 이러한 품목들을 '이동시키기' 위해 그리 마음고생할 필요가 없을 것이다. 자산 추적은 중요한 과제로, 하나의 배터리에서 수년 동안 작동할 수 있는 무선 기술이 필요한 경우가 많다. 엔지니어들이 활용 가능한 무선 기술은 다양하지만, 저전력 배터리 작동에서 가장 효과적인 기술은 BLE(블루투스 저에너지, Bluetooth Low Energy)이다.
온세미의 RSL10은 이 같은 애플리케이션의 저전력 요구 사항이 타겟이며 Bluetooth 5.2 연결도 제공하는 고도로 통합된 시스템 온 칩 제품이다. 2.4GHz 무선 송수신기는 다른 저전력 무선 프로토콜에도 사용 가능하다. Arm Cortex-M3 프로세서가 탑재된 이 디바이스는 1.25V 배터리 전압, 8kB RAM 보존에서 50nA 또는 300nA의 딥 슬립 전류를 소모한다. 펌웨어는 OTA(Over The Air)로 업데이트할 수도 있다. 이 디바이스는 이미 많은 병원의 다양한 자산 추적 애플리케이션에서 사용되어 장비 비축과 도난을 방지한다(그림 4). 이를 통해 직원들은 의료 기기를 추적하는데 있어 시간을 상당히 절약할 수 있으며, 이를 통해 환자들도 효과적으로 치료하고 예산도 아낄 수 있다. 이를 백엔드에서 머신 러닝과 결합하면, 직원들의 요구 사항이나 장비 활용, 예측 유지보수에 대해 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
그림 4: 이 SECO-RSL10-TAG-GEV 자산 태그 평가 키트의 RSL10 기능. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
이더넷 전원 공급 장치
무선 기술만으로 충분한 애플리케이션들도 다수 존재하지만, 컨퍼런스룸이나 회의실용 디지털 사이니지, PTZ 카메라 또는 조명 시스템과 같이 요구되는 전력 소모량이 큰 솔루션들도 존재한다. 후자의 경우 조명 제어에 PIR과 같은 점유 센서를 활용, 이를 통해 빈 방에서 불을 꺼 효과적으로 전력 소비를 최소화할 수 있다. 이 같은 디바이스들은 PoE(Power over Ethernet)를 통해 건물 관리 시스템에 연결하여 로컬 전원 공급 장치 없이 에너지 모니터링 및 점유 데이터를 제공할 수 있다.
Powered Devices (PD)의 경우, PoE에서 전류를 소비하는 부품인 온세미의 NCP1095는 IEEE 802.3af/at 및 -3bt를 준수하는 장비를 개발하는 데 필요한 모든 것을 제공한다. 감지 서명, 분류 핸드쉐이킹(Classification Handshaking), 돌입 전류 제한, 과전류 보호 기능을 제공하는 이 디바이스는 최대 90W를 소비하는 애플리케이션에 적합하다. 또한 MPS(Maintain Power Signature) 펄스도 지원되기 때문에 개발 시 매우 낮은 대기 전력 모드로도 PoE 노드를 구축할 수 있다. NCP1095에는 BOM을 최소화하기 위한 보조 전원 감지 핀도 통합되어 있다. 이를 통해 별도의 전원 어댑터를 사용하여 장치를 비 PoE 네트워크에 간단하게 연결할 수 있다(그림 5).
그림 5: NXP1095는 보조 전원 공급 장치를 통해 비 PoE 설치를 지원하면서 PoE 애플리케이션에 대해 최대 90W의 전력 수준을 제공한다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
에너지 효율적인 상업용 건축물을 설계하고자 하는 건설사들과 건축가들의 움직임 속에서 건물 자동화의 추진은 이에 대한 일환이라고 볼 수 있다. 건물 관리인들은 이를 통해 전력 소비를 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 적절한 소프트웨어를 사용하여 추가적인 효율성을 어떻게 달성할 수 있는지 살펴볼 수 있다. KNX, NCN5140S와 같은 솔루션은 오늘날의 솔루션과 향후 지속적인 제품 개발에 있어 표준을 뒷받침하는 데 필요한 업계 지원을 제공한다. NCL31000/1과 같은 인텔리전스 및 모니터링 기능이 내장된 LED 드라이버는 효율성 향상에 필요한 에너지 모니터링 기능을 구현한다.
점점 더 스마트해지는 건물들
RSL10과 같은 저전력 SoC는 블루투스를 사용하여 건물 내 고가의 장비를 추적하고 사용 효율성을 높일 수 있으며, 병목 현상이 생기는 위치에 대한 향상된 통찰력을 제공한다. 마지막으로, NCP1095 PoE 디바이스는 보다 많은 전력이 필요할 경우 전력 공급이나 데이터 연결을 위해 이더넷을 사용할 수 있도록 해준다.
저자
스튜어트 코딩(Stuart Cording)은 반도체 산업, 특히 임베디드 시스템에 중점을 둔 전자 공학자이자 기술 저술가이다. 그는 2020년부터 마우저 EMEA에 글을 기고 중이다.
저자 소개
온세미(onsemi)는 큰 변화를 주는 혁신을 추진하여 보다 나은 미래를 구축하는데 도움을 주고 있다. 자동차 및 산업 최종 시장에 초점을 두고 있는 이 회사는 차량 전기화 및 안전, 산업 자동화, 지속 가능한 에너지 그리드, 5G 및 클라우드 인프라와 같은 메가트렌드에서 변화를 가속화하고 있다. 온세미는 혁신적인 제품 포트폴리오를 통해 복잡한 문제를 해결하고 보다 깨끗하고 안전하며 스마트한 세상을 위해 지능형 전력 및 감지 기술을 개발한다. 온세미는 대응력이 뛰어나고 안정적인 공급망과 품질 프로그램, 강력한 ESG 프로그램을 운영하고 있으며 주요 시장에 제조 시설, 영업 및 마케팅 사무소, 엔지니어링 센터의 글로벌 네트워크를 보유하고 있다.