매터(Matter)는 CSA(Connectivity Standards Alliance)가 스마트 홈을 위해 개발한 오픈소스 연결 표준이다. 이는 와이파이, 스레드, 이더넷, 그리고 기기의 네트워크 등록(커미셔닝)을 위한 블루투스 LE 등과 같은 기존의 스마트 홈 무선 연결 기술 위에 구축되는 인터넷 프로토콜(IP) 기반 기술이다.

 

기본적으로, 매터 기기의 전력소모는 사용하는 네트워킹 기술에 따라 다르지만, 이 글에서는 스레드 기반 매터(Matter over Thread) 네트워크 솔루션에 중점을 두고 살펴보고자 한다. 스레드 기반 매터는 최적화된 전력소모를 필요로 하는 배터리 기반 기기에 적합한 솔루션이다. 기본적인 전력소모가 네트워킹 기술에 의해 결정된다 하더라도, 개발자들은 기기의 동작 시간과 빈도를 줄이고, 대부분의 시간을 초저전력 절전 상태로 유지하도록 함으로써 전력소모를 최소화할 수 있다.

 

하지만, 이 경우 한 가지 절충이 필요하다. 일반적으로 기기의 동작 시간을 제한하면, 전력소모는 줄일 수 있지만, 그만큼 응답성과 처리량이 저하된다. 따라서 개발자는 응답성과 전력소모를 모두 고려하여 특정 적용사례에 가장 적합한 최적의 구성을 찾아야 한다. 매터의 경우, 엔지니어가 최적의 구성에 부합하도록 스택을 구성할 수 있다.

 

 

스레드 기반 매터 기기

 

매터 사양 1.4.1 버전에서는 네트워크와 항상 연결된 온라인 상태가 아닌, 간헐적으로 연결이 중단되는 기기를 ‘ICD(Intermittently Connected Devices)로 정의하고 있다. 이러한 기기의 동작은 짧은 유휴 시간(SIT) 또는 긴 유휴 시간(LIT) 설정으로 구성되었는지에 따라 전력소모에 상당한 영향을 미친다. (자세한 내용은 하단의 박스기사 ‘ICD 구성은 무엇인가?’ 참조)

 

SIT 기기는 빠른 응답성을 필요로 하기 때문에 수 초 정도만 절전 모드로 전환된다. LIT 기기는 15초 이상, 경우에 따라 수십 분 동안 절전 모드로 유지되도록 구성되지만, 보고할 사항이 있으면 다시 활성화될 수 있다. 일반적으로 SIT는 액추에이터, LIT는 센서에 해당한다.

 

SIT와 LIT 구성은 애플리케이션 계층에서 이뤄지지만, 기기가 SED(Sleepy End Device)로 동작하든, 또는 SSED(Synchronized Sleepy End Device)로 동작하든, 기기의 무선 기능이 활성화되는 방식과 시기를 관리하는 하위 계층의 동작에도 영향을 미치게 된다. SED는 일정 시간 절전 모드로 있다가 주기적으로 데이터를 요청하는 폴링을 통해 부모 노드에 데이터를 요청한다. 부모 노드는 데이터 버퍼에 전송할 데이터가 있을 경우 이를 전송한다. 반면, SSED는 수신 데이터를 위해 동기화된 타임 슬롯에서 대기하고, 부모 노드는 SSED의 데이터 요청 시기를 미리 알고 있다.

 

SED는 데이터 전송이 이뤄지지는 않는 경우에도, 잦은 폴링으로 인해 에너지 소모를 유발할 수 있다. 반면에 개념이 간단하고, 신뢰성이 높기 때문에 오류 발생 가능성이 매우 낮다. SED의 전력소모를 예측하는 것은 어려운 일이지만, 모든 스레드 인증 기기에서 널리 지원되고 있기 때문에 이를 예측하는 것은 매우 중요하다.

 

SSED는 예정된 통신 시간에만 무선을 활성화하여 불필요한 무선 사용을 줄일 수 있지만, 매우 정확한 타이밍이 요구된다. 타이밍이 정확하지 않으면 자식 노드 기기의 수신 대기 시간이 길어지고, 배터리 소모가 증가하게 된다. 즉, 부모 노드의 타이밍 정확도에 따라 전력소모가 달라지는데, 실제 현장 환경에서 이를 예측하기는 어렵다.

 

 

nRF 커넥트 SDK를 활용한 개발

 

노르딕 세미컨덕터의 nRF 커넥트 SDK는 저전력 매터 기기 개발을 지원하는 노르딕의 핵심 개발 툴이다. 이 SDK에는 매터 도어락(SIT 및 스레드 SED 사용), 매터 조명 스위치(SIT, 스레드 SED), 일산화탄소 경보기(LIT, 스레드 SED), 매터 차양 장치(SIT, 스레드 SSED) 등 다양한 매터 샘플이 포함돼 있다. 또한, 이러한 모든 샘플은 에너지 최적화 작업을 거쳐 제공된다.

 

개발자들은 이 SDK에 포함된 샘플을 이용해 애플리케이션 개발을 시작할 수 있으며, SDK 내에서 LIT, SIT, SED, SSED 애플리케이션을 직접 구성할 수도 있다. 또한, SDK 문서에는 특정 애플리케이션의 전력소모를 줄일 수 있는 최적의 방법에 대한 정보도 포함되어 있다. 이러한 전력소모 데이터는 해당 애플리케이션의 배터리 수명을 예측하는데 활용할 수 있다.

 

nRF54L15 및 nPM PMIC를 활용한 개발

 

노르딕의 nRF54L15 SoC는 저전력 매터 애플리케이션에 이상적인 하드웨어 솔루션이다.(물론, nRF5340 및 nRF52840을 이용해 매터 애플리케이션을 개발하는 것도 가능하다.) nRF54L15 SoC는 스레드, 블루투스 LE, 그리고 기타 2.4GHz 무선 프로토콜을 지원하는 첨단 멀티프로토콜 SoC이다.

 

nRF54L15는 널리 사용되는 nRF52 시리즈에 비해, 유사한 작업부하에서 전반적으로 더 뛰어난 성능과 훨씬 낮은 전력소모를 제공한다. 예를 들어, 동일한 유형의 애플리케이션에서 nRF54L15의 전력소모는 nRF52 시리즈의 30% ~ 40% 수준에 불과하지만, 프로세싱 성능은 약 두 배에 달한다.

 

nRF54L15의 성능 향상의 가장 큰 요인은 기존 칩보다 두 배 더 빠른 클록 속도로 동작하는 Arm Cortex-M33 프로세서와 22nm 공정 기술이 적용되었기 때문이다. 또한, 매터 애플리케이션 구현 시 nRF54L15와 노르딕의 전력관리 IC(PMIC)인 nPM 시리즈를 함께 사용하면, 전력소모를 최적화할 수 있다. 이 PMIC는 DC 전원이나 배터리 전원의 출력을 조절하고, 관리할 수 있으며, 매터 기기에 충전식 배터리가 탑재된 경우, 배터리 충전 기능도 관리할 수 있다.

 

이외에도, nPM1300에서 제공되는 연료 게이지(Fuel Gauging) 기능과 같이 첨단 시스템 관리 기능도 지원된다. 또한, 1차 전지용으로 개발된 nPM2100도 제공된다. 이 제품은 AA나 AAA 배터리로 구동되는 매터 무선 기기와 같은 초저전력 1차 전지 애플리케이션에 매우 유용하며, 배터리 셀에서 최대한의 에너지를 추출할 수 있도록 보장한다.

 

전력소모 최소화

스레드 기반 매터는 초저전력 스마트 홈 애플리케이션을 위해 설계되었다. 하지만 성능을 극대화하면서도 전력소모를 최소화하기 위해서는 이상적인 하드웨어와 개발 툴 선택이 필수적이다. 또한, 전원공급장치 측면에서도 혁신적인 PMIC를 사용하면, 성능 향상에 기여할 수 있다. 노르딕의 nRF54L 시리즈와 nRF 커넥트 SDK 및 nPM 시리즈 PMIC, 그리고 노르딕의 스레드 기반 매터 분야에서의 탁월한 전문성은 이러한 과제에 대한 해법을 제시하는 최적의 솔루션이 될 것이다.

 

박스기사 - ICD 구성은 무엇인가?

 

간헐적으로 연결이 중단되는 기기, 즉 ICD(Intermittently Connected Device)는 짧은 유휴 시간(SIT) 또는 긴 유휴 시간(LIT) 등 두 가지 구성 중 하나로 설정된다. 어떠한 구성으로 설정되었는지에 따라 기기의 동작 및 전력소모에 상당한 영향을 미치게 된다. 예를 들어, SIT는 일반적으로 15초 미만의 절전 상태를 유지하기 때문에 응답성이 좋다.

 

 

이러한 구성은 보통 도어락과 같은 액추에이터 애플리케이션에 사용된다. 이 경우, 컨트롤러가 스레드 보더 라우터(Thread Border Router)를 통해 통신을 시작하는 것이 효과적이다. 그림 1은 ICD의 SIT 통신 패턴에 대한 예시를 나타낸 것이다.

 

LIT는 15초 이상, 심지어 최대 몇 시간동안 절전 상태를 유지할 수 있다. 최대 설정 시간은 18시간이다. 이 기기들은 응답성이 없으며, 매터 컨트롤러는 스레드 보더 라우터를 통해 서버 기반 통신이 수행된 이후에야 접근할 수 있다. 일반적인 적용사례로는 일산화탄소(CO) 경보기와 같은 센서가 있다. 그림 2는 ICD의 LIT 통신 패턴에 대한 예시를 보여준다.

 

 

SIT와 달리, LIT 기기는 추가적인 ICD 기능도 지원해야 한다. LIT가 통신이 가능한 상태임을 클라이언트 장치에 알리는데 사용되는 체크인 프로토콜(CIP)과 사용자가 구성 변경 등을 위해 활성 모드를 강제로 적용할 수 있도록 하는 사용자 활성 모드 트리거(UAT) 등이 있다.

 

헬로티 서재창 기자 |