최근 몇 개월 사이 Sub-1GHz 및 블루투스 저에너지 기술을 모두 지원하는 듀얼 밴드 동작 기능이 탑재된 무선 시스템온칩(SoC) 디바이스가 시장에 출시됐다. 이는 무선 센서 네트워크를 더 스마트하게 만들 새로운 기회로 보인다. 

기존의 센서는 중앙 패널과 통신하거나 센서 대 센서로 직접 통신했다. 그러나 센서에 블루투스 저에너지가 추가됨에 따라 이전과 마찬가지로 통신할 수 있고 스마트폰 또는 태블릿과도 직접 통신할 수 있게 되었다.

무선 센서에 대해서는 많이 알려져 있으며, 가정과 건물에서 흔히 사용되고 있다. 최근 몇 년 동안 RF 성능 개선, 저전력 소비, 간편한 통합 및 저비용과 같은 기술이 발전함에 따라 무선 통신이 센서를 연결하는 가장 좋은 방법으로 자리잡았다. 무선 센서 네트워크는 간단하고 비용 효율적인 설비 프로세스를 제공하며, 유선 네트워크보다 확장이 더 간편하다.

Sub-1GHz는 무선 센서 통신에 흔히 사용되는 RF 기술이다. Sub-1GHz 기술은 물리적 특성 덕분에 2.4GHz 대역에 기반을 둔 다른 기술에 비해 장거리 벽 관통 능력이 뛰어나다. 또 Sub-1GHz는 센서 네트워크에 자주 선택되는 기술이다. Sub-1GHz 대역에서 IEEE 802.15.4g와 같은 표준 프로토콜을 사용한다면 개발자는 사설 프로토콜을 만들 필요 없이 중앙 장치와 통신하는, 견고하고 안전한 멀티 센서 네트워크를 구축할 수 있다.

이제 SimpleLink 듀얼 밴드 CC1350 무선 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 듀얼 밴드 무선 디바이스를 이용해 블루투스 저에너지를 손쉽게 Sub-1GHz 엔드-노드 센서에 추가할 수 있게 됐다. 이 기능은 많은 새로운 용례들과 애플리케이션에서 무선 센서와 직접 통신할 수 있는 방법이다. 그리고 무선 센서 엔드 노드는 Sub-1GHz 네트워크의 일부로, 게이트웨이나 패널에 연결되어 스마트폰과 직접 통신할 수 있다.

▲ 그림 1. 듀얼 밴드 커넥티비티로 스마트폰을 연결하는 Sub-1GHz 스타 네트워크

센서 설비

듀얼 밴드 커넥티비티가 많이 사용되는 이유는 설비가 용이하기 때문이다. 일단 센서를 설치한 후 Sub-1GHz 네트워크에 연결하기 전에, 기사는 초기 설정을 위해 자신의 전화기를 블루투스 저에너지로 이 센서에 연결한다. 센서 제품들은 소형, 저비용, 저전력으로 설계되므로 유저 인터페이스가 없으며 일반적인 기존 설치 옵션에는 PCB의 점퍼 설정, 딥스위치나 그 밖의 버튼이 필요하다.

이와 같은 방식을 이용한 구성은 그 수준이 매우 제한적이다. 블루투스 저에너지가 일단 센서와 연결되면 전화기가 유저 인터페이스로 되고, 전화기 앱을 통해 고급 구성이 가능해진다. 기사는 센서와 Sub-1GHz 네트워크 연결을 쉽게 구성할 수 있다.

네트워크 보안 자격은 동작 주파수 및 출력 파워 제약, 주파수 호핑, 디바이스 ID, 업데이트 주기 등과 같은 기타 네트워크 속성과 함께 구성될 수 있다. 이것은 제조사가 공장이 아닌 현장에서 구성되는 일반 솔루션을 만드는 데 도움이 된다.

시스템 업데이트

센서의 소프트웨어 업데이트는 블루투스 저에너지로 연결된 스마트폰에 쉽게 적용할 수 있다. 소프트웨어 업데이트는 스마트폰에서 스마트 TV, 커피 머신에 이르기까지 네트워크로 연결된 전자 디바이스에서 당연한 절차가 되었다.

네트워크와 연결된 센서는 이 기능도 사용할 수 있다. 블루투스 저에너지 연결을 통해 기사나 소유자는 클라우드에서 소프트웨어를 업데이트 받아 이를 센서로 보낼 수 있다. 버그 픽스나 제품 개선, 새로운 규정으로 인한 제품 변경 등을 모두 새로운 소프트웨어로 해결할 수 있는 것이다.

소프트웨어 업데이트 기능은 제조사로 하여금 출시 기간을 단축하고 하드웨어 플랫폼의 수명을 연장할 수 있도록 돕는다. 최종 사용자가 누릴 수 있는 이점은 문제 해결이 간편하고 제품을 항상 최신 상태로 유지할 수 있다는 것이다.

센서를 통한 블루투스 저에너지 광고

지금까지 블루투스 저에너지 연결이 어떻게 설비 과정을 개선하고 고객과 제조사에게 어떤 이점을 제공하는지 알아보았다. 

블루투스 LE 표준의 일부인 블루투스 저에너지 광고 기술은 센서에 더 많은 옵션을 제공할 뿐 아니라 더 흥미로운 용례를 가능하게 한다. 블루투스 저에너지 광고는 전화기와 연결할 필요가 없고 대상 전화기에서 어떤 동작을 실행해야 할 필요도 없으며, 간단하게 블루투스만 켜놓으면 된다.

블루투스 저에너지 광고를 이용하면 (블루투스 비컨) 센서가 글자 그대로 말할 수 있다. 센서는 근접 거리를 기반으로 직접 스마트폰에 정보를 전송할 수 있다. 이 정보는 센서 자체가 수집한 데이터를 바탕으로 구성되거나 중앙 제어 장치에서 밀어낼 수도 있다.

▲ 그림 2. 장거리 Sub-1GHz 서버를 통한 블루투스 저에너지 광고 구성

연기 감지기 네트워크와 주변 환경 센서

미국의 대다수 주에서는 상호 연결된 연기 감지기를 건물이나 가정에 설치하도록 법으로 권장하거나 강제하고 있다. 상호 연결된 연기 감지기를 사용해 한 개의 감지기가 경보를 울리면 모든 감지기가 다 경보를 울리게 된다. 이것은 조기 경고 역할을 하여 집이나 건물 어디에서든 이 경보 소리를 들을 수 있게 한다.

Sub-1GHz 기술을 이용해 무선으로 상호 연결된 연기 감지기는 이미 시중에서 구입할 수 있으므로, 설치 배선을 번거롭게 다시 할 필요가 없다. 

연기 감지기는 다른 센서가 있는 더 큰 보안 네트워크의 일부로 중앙 패널에 연결되거나 네트워크 그 자체로 구성될 수 있다.

두 가지 경우 모두, Sub-1GHz 기술에 기초해 메인 네트워크를 두는 것이 주택이나 건물 전체를 포괄하는 데 좋다. 블루투스 저에너지 기술을 이 감지기에 추가하면 더 많은 옵션과 기능이 추가된다. 호텔의 모든 객실에 연기 감지기가 있다고 가정해 보자. 알람이 울리면, 각각의 연기 센서는 비상 대피로 정보를 알려주는 블루투스 저에너지 광고 메시지를 객실로 전송할 수 있으며, 청각 장애가 있는 사람의 경우 알람은 듣지 못해도 전화기의 진동은 느낄 수 있다.

중앙 패널에 연결되지 않은 소형 연기 감지기 네트워크도 블루투스 저에너지를 추가하여 혜택을 볼 수 있다. 사용자가 자신의 전화기로 이 네트워크의 상태나 배터리를 손쉽게 확인할 수 있기 때문이다.

일산화탄소, 이산화탄소, 가연성 가스, 라돈 가스, 기타 가스 센서뿐 아니라 연기 감지 센서는 일반적으로 어떤 경계를 기준으로 단일 바이너리 표시를 실시한다. 

블루투스 저에너지를 이용하면, 이러한 센서들을 간단히 개선하여 측정 상태에 관한 세부 정보를 전송할 수 있다. 비상사태가 발생하기 전에 사용자가 주변 환경 상태에 대해 더 자세히 알 수도 있다. 소량의 가스는 알람을 울리지 않을 수도 있지만 이것이 최종 사용자에게는 중요한 정보일 수 있다.

▲ 그림 3. 블루투스 저에너지를 통해 Sub-1GHz 네트워크로 디바이스 가동

자동문

도서관이나 관공서 같은 공공시설의 자동문을 떠올려 보자. 이것은 도어 센서를 이용해 건물로 들어오는 입장객에게 메시지를 전송한다. 공공시설이 문을 닫은 경우에는 영업시간을 알려주고, 영업 중일 때는 방향 정보를 알려줄 수 있다.

이 메시지는 센서들이 연결되어 있는 Sub-1Ghz 네트워크를 통해 중앙 제어 장치에서 모든 도어 동작 센서로 보내고, 센서가 작동하면 블루투스 저에너지 광고를 이용해 센서가 이 메시지를 전송한다.

▲ 그림 4. Sub-1GHz에 연결된 자동문 센서가 블루투스 저에너지를 통해

스마트폰으로 정보 전송

주차장

각 공간마다 점유 센서를 갖춘 공공 주차장을 떠올려 보자. 어떤 공간이 비어 있고 주차되어 있는지 센서가 모니터링하여 중앙 제어 장치에 알린다. 그러면 중앙 제어 장치가 전자 간판을 이용해 운전자에게 비어 있는 공간을 안내한다.

자동차가 어느 공간에 주차되면 센서는 해당 공간의 정보와 함께 블루투스 저에너지 광고 메시지를 전송해 어디에 차를 주차했는지 운전자가 기억할 수 있게 한다. 이 사례에서도 Sub-1GHz가 장거리 통신 메인 네트워크를 구성하는 데 사용되며, 블루투스 저에너지를 추가하면 최종 사용자의 환경도 개선할 수 있다.

▲ 그림 5. 스마트폰으로 주차장 점유 센서 네트워크와 접속

건물 위치

블루투스 저에너지 비컨은 건물의 실내 위치 시스템에 널리 사용되고 있다. 이 기술은 점점 더 대중화되고 있으며, 많은 상업용 건물에서 네트워크에 추가되고 있다. 듀얼 모드 디바이스를 이용하면 기존 화재 감지기도 이 비컨 위치 네트워크의 일부가 될 수 있다. 대다수의 센서는 법적으로 건물에 설치하도록 되어 있기 때문에, 두 기능을 모두 포함할 경우 장비, 설비, 유지 관리 등의 비용을 절감할 수 있다.

엔드 투 엔드 센서 시스템과 초저전력 심플링크 무선 MCU

TI의 SimpleLink 듀얼 밴드 CC1350 무선 MCU는 같은 디바이스에서 Sub-1GHz 주파수 대역의 장거리 RF 커넥티비티 기능과 블루투스 저에너지(2.4GHz)의 단순 커넥티비티 기능을 제공하는 새로운 무선 시스템 온 칩 솔루션이다. CC1350 솔루션의 크기가 작고 전력 소모가 적기 때문에, 앞서 설명한 시스템을 구축하는 데 적합하다고 할 수 있다.

이 MCU는 ARM Cortex-M3를 통해 48MHz 클록 속도로 구동되며, 128KB 플래시와 20KB 초저 누출 RAM을 갖고 있다. 여기에는 A/D 컨버터(ADC), I2C, UART, GPIO 등 센서를 구축하는 데 필요한 모든 주변장치가 탑재되어 있다.

▲ 그림 6. 듀얼 밴드 커넥티비티 기능을 갖춘 소형 SimpleLink CC1350

무선 MCU

CC1350 디바이스에는 나머지 시스템이 꺼져 있을 때도 동작할 수 있는 고유의 센서 컨트롤러 장치가 들어 있다. 이 센서 컨트롤러는 초저전력 처리 장치로 구동되기 때문에 낮은 전류 소비로 센서를 연속 모니터링할 수 있다. 필요할 때만 메인 코어를 깨우면 되고, 이 기능을 사용하면 코인 전지 배터리로도 10년 이상 수명을 유지할 수 있다. 

CC1350 솔루션의 Sub-1GHz 부분에는 표준 스타 네트워크를 구축할 수 있는 IEEE 802.15.4 스택 전체가 함께 제공되고 있다. 이것이 미디엄 액세스, 보안, 어드레싱, 리트라이, 접수 통지 등 통신의 모든 요소를 처리한다.

TI는 802.15.4 프로토콜과 이더넷 게이트웨이를 이용한 엔드-노드 센서들과 클라우드의 연결을 보여주는 Sub-1GHz 센서 투 클라우드 레퍼런스 디자인과 함께 전체 솔루션을 선보이고 있다. 802.15.4 스택 외에도 CC1350 솔루션에는 EasyLink라 불리는 사설 스택이 있는데, 개발자는 이를 통해 간단한 API 세트를 이용하여 복잡한 무선 RF 구성에 신경 쓸 필요 없이 자체 통신 프로토콜 구축할 수 있다.

앞에서 언급한 두 개의 스택 외에도 TI는 블루투스 4.2 규격 BLE-Stack을 제공하고 있다. 이것은 CC1350 디바이스에서 블루투스 저에너지 연결이나 블루투스 저에너지 광고를 가능하게 한다. 

벤 길보아(Ben Gilboa)

텍사스 인스트루먼트