1. 서 론

전 세계적으로 기후 변화에 따른 환경 문제가 심화됨에 따라, 탄소중립은 매우 중요한 국제적인 해결 과제로 부각되고 있다. 이러한 문제는 모든 국가에게 더 이상 피할 수 없는 도전 과제가 되었으며, 우리나라 또한 2020년 12월, 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다는 목표를 선언하였다. 이를 위해 에너지 전환, 산업 구조 개선, 그린 뉴딜 정책 등 다양한 분야에서 지속적인 노력이 이루어지고 있는 중이다. 특히 에너지 정책과 관련하여, 석탄 발전 비중을 줄이고 에너지 효율성을 높이기 위한 다양한 정책이 추진되고 있으며, 이에 따라 에너지를 절감할 수 있는 기술의 개발과 보급 및 활성화는 필수적인 요소가 되었다. 국제에너지기구(IEA)의 보고서에 따르면, 우리나라의 전력 사용량은 산업부문에서 약 49%, 상업 부문에서 약 32%, 주거 부문에서 약 13%를 차지하고 있으며, 전체 전력 소비량 중 조명이 차지하는 비율은 10∼15%로 큰 비중을 차지하고 있다^[1]. 에너지 소비를 줄이기 위한 방안 중 하나로 스마트조명 시스템이 주목받고 있으며, 스마트조명 시스템으로의 교체를 통해 약 70%의 조명 에너지 절감이 가능할 것으로 기대되고 있다^[2]. 스마트조명 시스템은 단순한 조명 제어를 넘어, 지능형 제어와 자동화를 통해 에너지 소비를 최소화하고, 탄소 배출을 줄이는 데 기여할 수 있다.

그러나, 국내의 스마트조명 시스템 보급률은 여러 문제점들로 인해 약 3%에 불과하며, 아직 초기 단계에 머물러 있다^[3]. 국내외의 많은 표준 단체들이 스마트조명 시스템 구축에 관련된 표준화를 진행하고 있지만, 국제표준의 경우 선진국들과 주요 기업들의 헤게모니 싸움으로 인해 대표적인 표준이 자리잡고 있지 못하고 있으며, 국내에서는 KS C 7751시리즈 제정을 통해 스마트조명 시스템의 표준화에 노력하고 있지만, 일반적인 시스템 구조와 요구기능의 제공여부만을 확인하고 있는 실정이라 산업에 즉각 적용하기 어려운 문제가 있으며 산업체, 공공기관 및 협단체 등 수요처에서 동 표준을 인용하지 않고 서로 다른 기술, 표준 및 규격을 채택하고 있는 실정이다.

이처럼 미비한 표준화로 인한 표준의 부재는 스마트조명 시스템의 보급 및 활성화에 큰 걸림돌로 작용하고 있으며, 각 지자체가 별도로 구축한 시스템은 상호운용성이 부족하고, 유지보수에 어려움을 초래하고 있다. 이러한 시스템 간의 상이한 표준과 프로토콜은 스마트조명 시스템의 효율적 운영을 방해하고, 장기적인 시스템 신뢰성을 저해하는 요소로 작용한다. 예를 들어, 다른 지자체나 기관 간의 통합이 필요한 경우, 각기 다른 기술 표준으로 인해 추가적인 비용과 시간이 소요되며, 이는 시스템 확장성에도 부정적인 영향을 미친다.

이러한 문제를 해결하고 스마트조명 시스템의 성공적인 보급과 활성화를 위해서는 우선적으로 표준화된 API(Application Programming Interface)와 데이터 모델의 도입이 필수적이다. 표준화된 API는 다양한 장치와 시스템 간의 원활한 상호운용성을 보장하며, 데이터 모델은 일관된 데이터 구조를 통해 다양한 응용 프로그램에서 효율적인 데이터 처리를 가능하게 한다. 이는 시스템의 확장성과 유연성을 높일 뿐만 아니라, 유지보수 비용을 절감할 수 있는 중요한 요소가 된다.

추가로 API와 데이터 모델의 표준화는 스마트시티(Smart City)와 같은 대규모 시스템 구축에 있어서도 필수적인 기반이 된다. 국내에서 이러한 표준화 작업이 신속히 이루어질 경우, 스마트조명 시장의 활성화는 물론 글로벌 시장에서도 경쟁력을 강화할 수 있는 중요한 발판이 될 것이다.

위에서 서술한 문제점들을 해결하기 위해, 한국전자통신연구원(ETRI)에서 스마트조명 시스템을 위한 open API 규격과 데이터모델 규격을 개발하였으며, 한국산업표준(KS)으로의 제정을 추진중에 있다.

본 눈문에서는, 2장에서 전세계적으로 많이 사용되는 스마트조명 시스템 네트워크 프로토콜의 특징을 비교하였으며, 3장에서는 KS C 7751 시리즈의 스마트조명 시스템 구조와 한국전자통신연구원에서 개발한 스마트조명 시스템의 open API 및 데이터모델 구조를 분석한다. 4장에서는 스마트조명 시스템의 open API 및 데이터모델의 시험절차를 정의하고 규격에 따라 개발된 국내기업의 스마트조명 시스템을 시험하여 상호운용성이 보장되는지 검증함으로서 규격의 적합성을 확인하였다.

2. 스마트조명 시스템 네트워크 프로토콜

스마트조명 시스템은 다양한 계층별 프로토콜을 통해 통신을 수행한다. 각 프로토콜은 고유의 장단점과 특징을 가지고 있으며, 프로토콜 선택의 기준은 스마트조명 시스템의 사용 환경과 사용자의 요구사항에 따라 적합한 프로토콜을 선택한다. 이 장에서는 스마트조명 시스템에 사용되는 계층별 주요 프로토콜을 설명하고, 장단점과 사용 환경을 비교한다.

물리 계층 및 데이터 링크 계층은 통신을 위한 주파수 신호의 물리적 전송과 데이터 프레임의 전송 오류 검출 등을 담당한다. 스마트조명 시스템에서 사용되는 대표적인 물리 계층 및 데이터 링크 계층 프로토콜은 다음 Table 1과 같다.

네트워크 계층은 주소 지정과 라우팅을 통해 데이터 또는 제어명령을 목적지로 정확하게 전달한다.

전송 계층은 데이터의 신뢰성과 전송 제어를 담당하며, 데이터의 전달이 정확하게 이루어지도록 한다. 스마트조명 시스템에서 사용되는 대표적인 네트워크 및 전송 계층 프로토콜은 다음 Table 2와 같다.

어플리케이션 계층은 사용자와 직접 상호작용하며, 응용 프로그램 간 데이터 교환을 관리한다. 스마트조명 시스템의 기능성과 효율성을 높일 수 있으며 대표적으로 사용되는 어플리케이션 계층 프로토콜은 다음 Table 3과 같다.

2장에서는 스마트조명 시스템에 전세계적으로 많이 사용되는 각 계층별 프로토콜의 장점, 단점 및 사용 환경을 분석하였다. 산업, 상업, 공공, 주거, 도로, 시설물 등 환경에 따라 각각 스마트조명 시스템의 요구사항이 달라질 수 있으며, 사용 환경과 사용자의 요구에 적합하게 프로토콜이 사용되어 전력 등 자원 소모를 최소화하는 것이 중요하다.

3. 스마트조명 시스템의 구조

KS C 7751-2:2024(스마트 조명 시스템 – 제2부: 시스템 구조)의 4장 스마트 조명 시스템의 구조에 따르면 스마트조명 시스템은 스마트 등기구, 스마트 센서, 제어기, 사용자 입력장치, 관제장치 및 게이트웨이로 구성되며 일반 구조, 타 시스템 연동 구조, 타 조명 제어 시스템 연동 구조로 Fig. 1과 같이 세가지로 분류된다^[4].

Fig. 1. (a) General architecture of smart lighting system (b) Other system server interconnection architecture (c) Interconnection architecture with other lighting control systems

일반 구조를 살펴보면 로컬 조명 네트워크는 스마트 등기구, 스마트 센서, 제어기, 사용자 입력장치로 구성되어 있으며 백본 네트워크는 사용자 입력장치와 관제 장치로 구성되어 있고, 게이트웨이를 통해 백본 네트워크와 로컬 조명 네트워크를 연결한다. 사용 환경과 스마트조명 시스템의 구축 목적에 따라 관제장치, 사용자 입력장치 등이 로컬 또는 백본 네트워크에 구축될 수 있으며, 백본 네트워크 없이 BLE 등의 프로토콜을 통해 로컬 네트워크만으로 구성할 수도 있다.

한국전자통신연구원에서 개발한 ‘스마트조명 디바이스의 L-SLP(Local – Smart Lighting Profile) API(Application Programming Interface) 규격’^[5] 및 ‘스마트조명 통합 게이트웨이 B-SLP(Backbone – Smart Lighting Profile) API(Application Programming Interface) 규격’^[6]에서의 API 연동 구성은 Fig. 2와 같다. 전체 네트워크의 물리, 데이터 링크, 네트워크 계층은 Ethernet, PLC, Wi-Fi, PLC, BLE, Zigbee로 구성되어있으며, 로컬 네트워크에서의 전송, 어플리케이션 계층은 UDP/IP - CoAP API, 백본 네트워크에서의 전송, 어플리케이션 계층은 TCP/IP - REST 및 MQTT API로 통신한다. 로컬 네트워크와 백본 네트워크를 연결하는 게이트웨이의 경우 모든 프로토콜 지원이 가능해야 하며, 타 조명 네트워크 또한 API와 데이터모델이 동일한 경우 게이트웨이를 통해 연결이 가능하여 KS C 7751-2:2024의 세가지 시스템 구조로 구성이 가능하다.

Fig. 2. Configuring the open API integration of a smart lighting system

데이터모델의 경우 스마트 등기구, 스마트 인지센서, 스마트 도어센서, 스마트 온도센서, 스마트 조도센서, 스마트 게이트웨이에 장치들에 대한 기본정보, 수용능력정보, 모듈정보, 상태정보, 그룹정보 등의 데이터모델을 정의하여 일관된 데이터 구조를 통해 다양한 응용 프로그램에서 효율적인 데이터 처리를 가능하도록 한다. 스마트 등기구의 데이터모델과 그 설명은 아래 Table 4와 같으며, 그 데이터구조는 Table 5와 같다^[7].

4. 스마트조명 시스템 시험

한국정보통신기술협회에서는 스마트조명 시스템의 open API 연동 구성에 따라 백본 네트워크와 로컬 조명 네트워크의 API 및 데이터모델 시험 환경과 절차 및 방법을 수립하고 시험기를 개발하였다. 본 논문에서는 백본 네트워크에서 게이트웨이에 제공되는 REST API 시험에 대하여 설명한다. 시험 환경 구성의 경우 Fig. 3과 같으며 시험 방법 및 절차는 아래와 같다.

Fig. 3. Test environment for smart lighting system gateway REST API(Server Side)

1) IP공유기에서 IP를 할당 받은 후 게이트웨이를 통해 논리 주소(DID)를 할당 받아 연결을 요청

2) 디바이스(조명, 센서 등) 게이트웨이 등록

3) Test Server에서 게이트웨이(DUT)로 REST API 관련 attribute 요청

4) 게이트웨이(DUT)로부터 응답 수신

5) 게이트웨이(DUT)에서 CoAP API를 통해 3)에서 요청한 attribute에 알맞게 디바이스(조명, 센서 등)의 동작을 변경하거나 정보를 제공하는지 확인

사전 환경 설정으로 IP공유기를 통해 DUT와 제어 디바이스(조명, 센서 등)에 IP를 할당한 후 DID가 적절히 등록되어 연동되는지 확인한다. 사전 환경 설정이 끝나면 게이트웨이(DUT)로 규격에 맞게 REST API를 통해 제어, 정보 요청 등의 관련 attribute 요청을 실행하고, 게이트웨이(DUT)에서 요청한 내용에 따른 적합한 응답을 하는지 확인함으로서 시험을 완료한다. 도식화하면 아래 Fig. 4와 같다.

Fig. 4. Test procedure for smart lighting system gateway REST API

위와 같이 한국전자통신연구원에서 개발한 스마트조명 open API 구성에 따른 모든 시험절차 및 시험 방법을 개발하였으며, 시험 자동화를 위한 시험기를 개발하였다. 시험기가 수행 가능한 시험 항목과 구동 화면은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5. (a) Test items for smart lighting system API conformance tester device (b) Tester device operation

데이터모델 시험의 경우 스마트조명 시스템의 관리 및 제어장치(게이트웨이 등)가 규격에 맞는 속성 명, 유형, 길이, 단위, 범위, 접근 권한 객체를 보유 또는 디바이스에 할당하는지 확인한다.

본 연구에서는 한국전자통신연구원의 ‘스마트조명 백본 네트워크의 B-SLP(Backbone – Smart Lighting Profile) API(Application Programming Interface) 규격’에 적합하게 개발된 국내 제조업체의 스마트조명 시스템 게이트웨이 4개 제품 각각에 대해서 총 95가지 항목을 시험하였으며 결과는 아래 Table 6과 같다.

A사와 B사 제품의 경우 게이트웨이 공장초기화 및 부속장치 정보 조회, 제어 기능을 구현하지 않아 해당되는 각 6가지 시험항목을 수행하지 않았으며, 추가로 A사는 디바이스 공장초기화 기능을 구현하지 않아 시험항목에서 제외되었다. C사와 D사의 경우 시스템적인 게이트웨이 공장초기화 기능과 디바이스 공장초기화 기능을 구현하지 않았으며 C사의 경우 장면 등록 관련 2개 항목과 그룹 등록 기능을 구현하지 않았다. D사의 경우 개별 그룹 삭제 기능과 전체 장면 삭제 기능을 구현하지 않아 시험항목에서 제외하였다.

N/A 항목을 제외한 나머지 시험항목은 기본적인 게이트웨이, 사용자 입력장치, 디바이스, 조명, 센서, 그룹화 기능의 정보 조회와 제어 기능이 있으며 시험결과 스마트조명 시스템의 백본 네트워크와 로컬 네트워크에서 원활한 통신 및 데이터모델 교환을 확인하였다. 상세한 시험항목은 한국전자통신연구원의 ‘스마트조명 백본 네트워크의 B-SLP(Backbone – Smart Lighting Profile) API(Application Programming Interface) 규격’의 2.3.1 자원별 API 목록에서 확인이 가능하다.

5. 결 론

본 연구에서는 스마트조명 시스템에 사용되는 통신 프로토콜과 스마트조명 시스템의 구조를 분석하였다. 또한, 한국산업표준 규격에서 제시하는 스마트조명 시스템의 구조를 기반으로한 한국전자통신연구원의 스마트조명 open API 규격에 따라 국내 업체의 스마트조명 시스템 제품이 적합하게 개발되었는지 검증하였으며 상호운용성을 확인하였다.

API는 데이터모델에 정의된 구조와 규칙을 준수하여 데이터를 교환하고, 데이터모델은 API가 처리해야 할 데이터의 구조를 정의한다. 서론에서 제시한 문제점과 같이, 국내 스마트조명 시스템의 상호운용성과 유지보수성 문제 해결과 보급 및 활성화를 위해서는 API와 데이터모델의 표준화가 시급하다. 한국정보통신기술협회는 KS C 7751 시리즈에 기반한 요구사항들의 구체적인 시험 표준을 정보통신단체표준인 TTAK.KO-04.0234^[8]를 통해 표준화하였으며, KS C 7751 시리즈의 2024년 제정내용 또한 분석하여 개정 작업을 진행중이다. 추가로, 한국전자통신연구원을 주관으로한 연구 컨소시엄에서 산업, 상업, 주거, 실외공간에 대한 실증을 통해 에너지 절감형 스마트조명 시스템의 규격과 관련 제품을 개발중이며 시스템 전 분야에 대한 규격화와 제품 개발 및 시험의 연구가 진행 중이다. 이러한 연구의 결과물들이 국내 스마트조명 시스템의 개발 및 검증에 적절히 활용되어 스마트조명 시스템의 신뢰성 향상에 이바지하고, 보급 및 활성화에 더해 국내기업의 스마트조명 시스템 기술 경쟁력 향상에도 도움이 되길 기대한다.