서론
미국에서는 상업용 빌딩이 전체 에너지 소비의 40%를 차지한다. 빌딩 서비스는 조명 모니터링/제어/유지보수, 온도 제어, 온수 시스템 등 다양한 것들을 포함할 수 있다. 1985년부터 2006년까지 전기 발전량이 58% 늘어난 것은 주로 건물의 에너지 수요를 충당하기 위한 것이었다.1 최근에는 빌딩 건축 기술이 발전하면서 빌딩 관리를 통해서 에너지 소모를 줄이도록 할 수 있게 되었다. 전력망이 대규모 정전 상태를 일으킬 수 있는 취약성이 높아짐에 따라서 건물주들이 에너지 비용을 낮출 수 있도록 빌딩 시스템 네트워크 자동화에 투자하고 있다. 이러한 시스템들은 자율적 특성을 달성함으로써 전반적인 가동 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
소형 빌딩에서 대형 빌딩에 이르기까지 모든 규모의 건물에 빌딩 자동화 시스템이 도입되고 있다. 텍사스 인스트루먼트(TI)의 Sitara™ 프로세서는 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 자동화 애플리케이션을 설계할 수 있도록 유연성을 제공한다. 새롭게 출시된 AM335x 프로세서는 300MHz부터 1GHz에 이르는 속도를 지원한다. 선택 가능한 넓은 범위의 주파수를 지원할 뿐만 아니라 핀 투 핀 호환가능한 디바이스를 제공함으로써 고객들이 다양한 유형의 혁신적인 솔루션을 개발할 수 있도록 한다.
이 글에서는 빌딩 제어 시스템을 중심으로 빌딩 자동화 솔루션에 대해서 살펴볼 예정이다. TI의 Sitara 프로세서는 제어 시스템의 지능적인 자동화를 가능하게 한다. 포괄적인 디바이스 유형을 포함하는 Sitara 프로세서 포트폴리오는 빌딩 제어 시스템 이외에도 적용할 수 있도록 플랫폼 솔루션을 구축하는 것을 가능하게 한다.
빌딩 자동화 시스템
빌딩 자동화 시스템(BAS, Building Automation System)은 다양한 빌딩 서비스를 관리하는 통신 네트워크 인프라이다. 효과적인 BAS를 달성하기 위해서는 최신 빌딩 기술과 이전 빌딩 기술 모두를 지원할 수 있고 또한 소규모 설비나 대규모 설비 모두에 도입할 수 있는 범용 시스템을 구축하는 것이 중요하다. 이와 같이 구축된 자동화 솔루션은 단지 빌딩 투 전력망 통신뿐만 아니라 빌딩 투 빌딩 통신을 통해서 뛰어난 에너지 관리를 달성할 수 있다.
빌딩 관리 서비스(BMS, Building Management Service)는 반복적인 비용이다. 자동화 시스템은 정규 빌딩 서비스들을 감시할 수 있을 뿐만 아니라 결함을 감지하고 기본적인 결함 진단을 실시하도록 설계할 수 있다. 조기의 결함 감지와 잘 기록된 시스템 데이터는 효과적으로 가동 효율을 향상시키도록 일조할 수 있다. 뿐만 아니라 네트워크로 연결된 시스템들을 통해서 수집된 데이터를 이용함으로써 더욱 더 친환경적이고, 안락하며, 안전한 사무 및 생활 환경을 제공함으로써 사용자 라이프스타일을 향상시키도록 할 수 있다.
뿐만 아니라 복잡한 장비 네트워크를 통해서 빌딩 사용자들의 편의성과 안전성을 관리할 수 있다. 이러한 디바이스들은 온디맨드 서비스를 통해서 에어 컨디셔닝이나 조명 제어 등과 같은 기본적 편의시설들을 관리할 수 있다.
토폴로지
통상적으로 복잡한 빌딩 자동화 네트워크는 일차 버스와 이차 버스를 이용해서 다음과 같이 시스템 내의 다양한 노드를 연결하고 있다.
· 빌딩 관리 서비스
· 빌딩 제어 시스템
· 구역 컨트롤러
· 엔드 노드
빌딩 관리 서비스(BMS, Building Management Service) 유닛은 애플리케이션 및 데이터 서버를 호스팅한다. 서버와 더불어서 데이터 모니터링 및 제어에 이용하기 위한 사용자 인터페이스를 제공한다.
위의 BAS 토폴로지에서 보듯이 일차 버스를 이용해서 BMS로 빌딩 제어 시스템(BCS, Building Control System)을 연결하고 있다. 이들 후위 제어 시스템은 중앙집중화되고 상호 연동되어 있는 네트워크로서 환경을 모니터링하고 제어한다. 이러한 제어 유닛은 빌딩 자동화에 이용하도록 전문적으로 설계된 것이며 단일 또는 다중의 네트워크 및 통신 프로토콜을 지원할 수 있다.
일차 버스와 이차 버스를 다음과 같은 기기들로 연결할 수 있다:
· 저수준 컨트롤러
· 단순 입/출력 디바이스
· 실내 온도 조절장치나 자국 경보 모니터링 시스템 등과 같은 최종 사용자 애플리케이션
일차 버스와 이차 버스는 RS-485, 이더넷, CAN, 무선 네트워크 등을 이용할 수 있다.
BAS에서 엔드 노드(end node) 네트워크의 애플리케이션들은 보안 감시 유닛이나 화재 경보 시스템 등일 수 있다. 또한 BMS 유닛으로 작동설정/작동해제(arm/disarm) 정보를 중계하는 경보 시스템일 수 있다. 옥내 또는 옥외 구역 컨트롤러를 이용해서는 필요에 따라서 냉방이나 난방을 필요로 하는 시스템을 모니터링하고 제어할 수 있다.
빌딩 제어 시스템
빌딩으로 디지털 제어 기술이 도입되면서부터 진정한 의미의 자동화 시스템이 시작되었다고 할 수 있다. 하지만 통신에 이용하기 위한 표준이 정립되지 않아 각기 회사들이 고유기술 통신 프로토콜을 이용하는 시스템에 투자해야 했다. 때문에 기존의 BAS 솔루션은 자동화는 되었으나 업체들 간에 상호 운용이 가능하지 않았다.
다양한 맞춤형 솔루션을 이용함으로써 빌딩 시스템이 특정 업체에 매이게 되었다. 표준화된 통신 시스템을 확립하고자 하는 노력의 결과로서 공개 통신 프로토콜을 개발하게 되었고 이제는 이들 프로토콜이 전세계적으로 도입되고 있다.
제어 솔루션
제어 시스템은 BAS 내에 분산되어 있는 기기들을 모니터링한다. 제어 솔루션은 네트워크의 우선순위 구조를 관리하고 다른 컨트롤러들로 피드백을 제공한다. 컨트롤러로서의 이와 같은 핵심적 기능에 부가적인 기능들을 결합함으로써 시스템 솔루션으로 차별화를 달성하고 부가가치를 높일 수 있다.
적응식 제어를 이용하는 BCS는 네트워크 요소들을 지속적으로 세밀하게 튜닝할 수 있다. 뿐만 아니라 다양한 노드들의 상태에 관한 실시간 데이터를 제공할 수 있다. 이 정보를 이용함으로써 유지보수 및 진단이 가능하고 결함을 사전에 예방하거나 감지할 수 있다. 구현 환경으로 유연성과 확장성이 뛰어난 아키텍처를 이용하면 애플리케이션을 맞춤화할 수 있다. 또한 이러한 애플리케이션을 사전에 프로그램된 형태로 제공함으로써 설치 시간을 단축하고 엔지니어링 개발 비용을 절감하도록 할 수 있다.
TI의 Sitara AM335x 프로세서는 BAS 프로토콜을 구현할 수 있도록 지원한다. 뿐만 아니라 풍부한 주변장치 세트를 제공하므로 유선 솔루션에서 무선 접속 솔루션으로까지 통신을 확장할 수 있는 유연성을 가능하게 한다. BCS로 무선 기술을 채택함으로써 설치 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 성능과 사용자 경험을 향상시킬 수 있다. 예를 들어서 원격 설치 및 문제해결에 블루투스 기술을 이용할 수 있다.
유연성이 뛰어난 AM335x ARM® 코어텍스™-A8 프로세서는 단일 시스템으로 다양한 프로토콜을 채택할 수 있도록 한다. 임베디드 Sitara 프로세서로 웹 서버를 호스팅하여 원격 사용자 인터페이스를 구축할 수 있다. 이 원격 사용자 인터페이스 애플리케이션을 통해서 디맨드 관리, 경보, 스케줄링 등과 같은 시스템 기능들을 관리할 수 있다. 표준적 BCS 프로토콜들을 지원하는 것과 더불어서 표준적 UDP(User Datagram Protocol)를 이용해서 이더넷을 통한 패킷 전송을 추가함으로써 프로토콜 브리징 시스템으로 사용할 수 있다.
BAS 시스템에 주로 이용되는 통신 프로토콜은 다음과 같은 것들이다:
· BACnet은 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)에서 개발하고 관리하고 있는 공개식 빌딩 자동화 제어 및 통신 표준이다. 개발된 지 수년이 지난 지금은 국제 표준인 ISO-16484-5로서 사용되고 있다.
· LonMark 표준은 고유기술 통신 프로토콜인 LonTalk를 기반으로 하였다. LonTalk 프로토콜은 디바이스들 사이의 통신을 관리하기 위한 일련의 규칙들을 정의하고 있으며, LonWorks는 이들 디바이스 사이에 교환되는 정보의 내용과 구조를 정의하고 있다. BACnet과 마찬가지로 LonWorks 역시 국제 표준 기구의 표준으로서 도입되어서 채택되고 있다(ANSI/CEA 709.1, IEEE 1473-L).
· Modbus는 진정한 공개 표준으로서 산업용 제조 환경에서 널리 이용되고 있는 프로토콜 중의 하나이다. 이 표준의 메시징 구조는 디바이스들 사이에 마스터 슬레이브(master-slave) 및 클라이언트 서버 통신을 구축한다. Modbus 인증을 받은 설치의 비중은 비교적 낮은 편이다.
Sitara AM335x 프로세서 EVM(평가 모듈)과 리눅스™ 및 안드로이드™ 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 포함하는 소프트웨어 솔루션은 BAS 개발에 이용하도록 훌륭한 토대를 제공하고 있다. 뿐만 아니라 레이아웃 및 스키매틱 레퍼런스 디자인 가이드, 진단 툴, 주요 주변장치 벤치마크, 소프트웨어 드라이버를 제공하므로 개발 시간을 크게 단축하고 출시 시간을 앞당길 수 있도록 한다.
시스템 에너지 자동화
BAS가 하는 가장 주된 역할은 특정한 설비 내의 다양한 시스템 및 장비들을 연결하는 것이다. 개별적 빌딩 요소들을 연결함으로써 중앙의 감독자가 관리할 수 있도록 중앙집중화된 코어를 제공한다. 이러한 통신 네트워크 인프라가 신뢰할 수 있는 데이터 전송 및 기록을 가능하게 한다.
BCS로 다양한 유선 및 무선 프로토콜을 지원함으로써 다양한 프로토콜에 따라서 엔드 노드를 액세스하고 제어할 수 있는 확장가능 브리징 플랫폼을 구축할 수 있다. 이러한 시스템은 가동 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성을 달성할 수 있다. 또한 데이터 로깅 및 클라우드 컴퓨팅을 이용하면 가동 비용과 에너지 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 학습 가능 애플리케이션을 도입함으로써 사용자 라이프스타일을 향상시키도록 할 수 있다. 또한 업체들이 차세대 BAS에 투자함에 따라서 사전에 프로그램된 특정 용도 애플리케이션 설치를 통해서 설치 비용을 낮출 수 있다.
Sitara 프로세서를 이용하면, BCS 애플리케이션뿐만 아니라 화재 경보 패널, 침입 경보 패널, 온도 조절장치 등과 같은 엔드 노드 애플리케이션을 개발할 수 있다. 또한 디스플레이 및 터치 컨트롤러와 내장 그래픽 액셀러레이터 등을 이용함으로써 더욱 더 향상된 사용자 경험을 달성할 수 있다. TI의 백서, “Smart thermostats are a cool addition to the connected home(홈 네트워크에 이용하기 위한 스마트 온도 조절장치)”에서는 스마트 온도 조절장치에 대해서 상세히 설명하고 있다.
확장가능 플랫폼을 제공한다.
결론
BAS 개발자들은 표준화된 공개 통신 프로토콜을 지원하면서 확장성과 경제성이 뛰어난 솔루션을 추구하고 있다. 편리하게 구현할 수 있으며 사용자 친화적인 구성으로 유연성이 뛰어난 BMS는 가동 비용을 낮출 수 있도록 매우 중요한 역할을 할 수 있다. TI의 Sitara AM335x 프로세서는 풍부한 주변장치 세트와 넓은 선택폭의 프로세서 속도를 결합한 유연한 아키텍처를 제공한다. 뿐만 아니라 핀 투 핀 호환성과 넓은 온도 범위는 교차 플랫폼 공통 코어 솔루션에 이용하기에 적합하다.
에너지 비용이 상승함에 따라서 미래의 빌딩 솔루션은 갈수록 더 친환경성을 높이면서 뛰어난 사용자 안전성과 라이프스타일 편의성을 제공하도록 요구되고 있다.
TI의 Sitara AM335x ARM 코어텍스-A8 프로세서에 관한 더 자세한 내용은 www.ti.com/dsp-arm-bldgautowp-mc-lp에서 확인할 수 있다.
참고 문헌
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/corporate/bt_stateindustry.pdf (다운로드 받기)
[글_ 푸냐 프라카시(Punya Prakash), Sitara™ 프로세서 비즈니스 매니저, 텍사스 인스트루먼트]
