인터넷이 세상을 바꾼 것처럼, IoT도 변화에 대해 커다란 잠재력을 갖고 있다. IoT 기술이 발전함에 따라 사람이 개입하지 않아도 장치들끼리 정보를 공유하고 결정을 내릴 수 있게 되었다. 그에 따라 전력과 시간, 인적 자원을 절약할 수 있게 되었다. 그리고 스마트 센서와 BLE는 장치에 감지 및 통신 기능을 추가해 복잡한 결정을 내릴 수 있도록 했다. 여기서는 ST마이크로일렉트로닉스의 제품 및 솔루션을 통해 이러한 변화들을 살펴본다.

사물인터넷이란?

그림 1. IoT 아키텍처

전자 기기는 이제 우리 생활의 일부가 되었다. 가전제품, 조명, 선풍기, 전력 계량기, 체중계, TV는 물론 휴대폰, 태블릿 PC, 시계 및 의료 장비와 같은 기기들도 계속해서 전자 제품화되고 있다. 사물인터넷(IoT ; Internet of Things)은 바로 이러한 전자 기기들을 연결하고 상호 작용하도록 하는 기술이다.
디바이스들은 기계 판독이 가능한 독자적인 식별 부호를 갖추고 있어, 인간과 상호 작용 없이도 네트워크상에서 데이터를 전송할 수 있다. 이러한 IoT는 모션 센서 및 환경 센서와 같은 스마트 센서들과 블루투스 저전력(BLE), 서브기가헤르츠(subGhz) 무선 대역과 같은 초저전력 무선 기술에 의해 구현된다.
여기서는 우리 생활을 변화시키고 있는 센서 기반 IoT의 개념과 혁신적인 기술들에 대해 자세히 살펴본다.

IoT 아키텍처

그림 2. 0.25% 정확도의 배터리 모니터링 IC, STC3115

일반적인 IoT의 아키텍처는 다음과 같은 요소들로 구성되어 있다.

1. 기본 시스템
가전, 조명, 전력 계량기, TV 등과 같이 정해진 작업을 실행하는 일반적인 기기를 가리킨다.

2. 무선 기술
무선 기술은 베이스 시스템을 다른 장치나 인트라넷 또는 클라우드에 연결시킨다. 이를 통해 베이스 시스템을 원격으로 모니터링 및 컨트롤할 수 있게 된다. 현재 블루투스, 블루투스 스마트(Bluetooth Smart), 지그비(Zigbee), 서브기가헤르츠(subGhz,), 와이파이(Wi-Fi)를 포함해 다양한 무선 기술들이 사용되고 있다.

3. 제어 시스템
제어 시스템 장치는 무선 기술을 이용해 베이스 시스템을 모니터링하는 데 사용된다. 단순한 리모컨과 같은 제품을 비롯하여 스마트폰, 태블릿 PC가 이에 해당한다. 스마트폰과 태블릿 PC 덕분에 IoT 기기를 통합하는 것이 훨씬 더 쉬워졌다.

4. 게이트웨이와 인터넷
게이트웨이는 로컬 IoT 시스템과 외부 세계 사이의 창문 역할을 담당한다. 전용 홈 게이트웨이나 스마트폰도 이를 수행할 수 있으며 GSM, GPRS, 광섬유, 기타 유선 인터넷과 같은 다양한 기술들이 게이트웨이에 적용된다.

5. 스마트 센서
스마트 센서는 IoT 시스템이 성장하는 데 있어서 매우 중요한 동력으로 떠오르고 있다.
센서 덕분에 모션, 환경 및 기타 파라미터들을 원격으로 모니터링하고, 무선 기술로 제어 시스템이나 게이트웨이로 전송할 수 있게 되었다. 이를 통해 사람들의 생활이 크게 변모했을 뿐만 아니라, 기존의 제품들을 더욱 스마트하게 만들 수 있게 되었다.

6. 신호 컨디셔닝과 배터리 관리
배터리로 동작하는 IoT 기기의 수가 증가하면서 혁신적인 저전력 성능, 정밀 OP 앰프 및 콤퍼레이터는 센서와 컨트롤러 간 신호 연결에서 매우 중요한 요소가 되었다. 또한 배터리 성능을 최적화하고 수명을 극대화하기 위해 정확한 충전 상태를 알 필요가 생겼다.

스마트 센서

그림 3. ‌초소형, 고성능의 전자 컴퍼스 : 3D 가속도 센서와 3D 지자기 센서 모듈

센서는 일반 IoT 시스템에서 널리 사용되고 있다. 이들은 또한 혁신적인 웨어러블 장치의 확산도 견인하고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 센서는 다음과 같다.

1. 가속도 센서
g-센서라고도 불리는 가속도 센서(Accelerometer)는 선형 가속, 진동, 기울어짐, 자유낙하 등의 감지에 사용할 수 있어 수평 맞추기, 도난 방지, 진동 경고, 만보기, 성인 및 아동의 원격 모니터링 등과 같은 기능들을 구현하는 데 사용되고 있다.

2. 자이로스코프
자이로스코프(Gyroscope)는 각속도(Angular Velocity)를 측정하며 게임, 3D 마우스, 운동선수 훈련 등의 용도로 사용되고 있다.

3. 지자기 컴퍼스
지자기 컴퍼스(Magnetic Compass)는 지구의 자장을 감지함으로써 장치에 방향 감각을 부여할 수 있다. 휴대폰의 실내 내비게이션 및 맵 내비게이션에 널리 사용되고 있다.

4. 압력 센서
압력 센서(Pressure Sensor)는 지구의 대기압을 감지할 수 있다. 이 기능은 기압계와 고도계 구현에 사용된다.
ST마이크로일렉트로닉스의 LPS25H 압력 센서의 경우 건물의 층수까지 정확하게 알아낼 수 있을 정도로 정밀하다. 이 기능은 실내 내비게이션, 증강현실 및 3D GPS 구현에 사용할 수 있다.

5. 온도 및 습도 센서
온도 및 습도 센서(Temperature and Humidity Sensor)는 온도 및 습도 파라미터를 감지할 수 있으므로 이를 이용해 웨어러블 기기를 비롯한 다양한 장치의 성능을 컨트롤하는 데 활용할 수 있다.

6. MEMS 마이크
MEMS 마이크는 음향 신호를 전기 신호로 변환해 주는 오디오 센서다.
MEMS 마이크는 보다 높은 신호대잡음비(SNR), 소형 폼팩터, 디지털 인터페이스, 적은 RF 간섭, 진동에 대한 높은 견고함을 제공하므로 기존의 마이크보다 선호도가 점점 높아지고 있다.

그림 4. MEMS 압력 센서 : 2.5×2.5 mm의 고정밀 기압계

블루투스 스마트

그림 5. ‌아날로그 MEMS 마이크 : 높은 대역폭과 전방향성, 높은 SNR을 갖춘 바닥면 포트

블루투스 스마트(Bluetooth Smart), 혹은 블루투스 저전력(Bluetooth Low Energy ; 이하 BLE)은 저전력 장치 및 센서의 커넥티비티를 가능하게 하는 표준이다. 이 표준은 2.4GHz 대역과 같은 짧은 파장의 무선 전송을 이용한다.
블루투스 스마트를 이용하면 다양한 기기 간 쌍방향 통신을 무선으로, 그것도 뛰어난 배터리 수명을 보장하며 구현할 수 있다.
BLE 기능이 탑재된 기기들은 호환되는 스마트폰과의 동작이 매끄러우며, 사용자 인터페이스가 풍부하다. 스마트폰은 GPRS와 같은 다른 인터넷 접속 서비스를 이용해 클라우드상에서 데이터를 전송할 수도 있다.
BLE 기술은 기존의 블루투스 기술과 동일한 스펙트럼에서 동작한다. 그러나 예전에는 전력 소모에 제한이 있었던 애플리케이션에서 초저전력으로 연결할 수 있고 기본 데이터를 전송할 수 있다.

IoT의 애플리케이션

그림 6. ST마이크로일렉트로닉스의 블루투스 스마트 IC, BlueNRG의 다층 아키텍처

1. 스마트 홈
BLE를 통해 조명, 가전, 도어록, 차고 문, 에어컨, 히터 등을 제어할 수 있다. 블루투스 스마트와 맞는 제품이라면 블루투스 스마트가 탑재된 스마트폰이나 태블릿 PC와 통신할 수 있는 것이다. 필요에 따라 스마트 홈의 다양한 요소를 컨트롤하는 혁신적인 앱도 개발할 수 있다. 블루투스 스마트는 보안 무선 통신을 제공하므로 가정에서 보다 정확한 미터링과 전기 소비 제어를 가능하게 한다.

2. 산업 자동화
산업 장비는 주요 성능 및 안전 정보를 블루투스 스마트인 휴대폰, 태블릿 PC 또는 컴퓨터로 케이블 없이 직접 전송할 수 있다. 따라서 기계를 탄력적으로 설치할 수 있으며, 네트워크 통합도 쉬워진다.
이러한 개념을 이용해 기계들은 사람이 개입하지 않아도 자신들의 주요 파라미터, 교체 요구, 연료 부족 또는 원자재 주문에 대한 정보를 자동으로 알릴 수 있다.

3. 의료 및 피트니스
BLE를 활용하면 스포츠 시계, 심장박동 모니터, 포도당 모니터, 맥박 산소 측정기, 만보기를 스마트폰에 무선으로 연결할 수 있다.
그뿐 아니라, 스마트폰을 통해 인터넷과도 연결할 수 있다. 이 경우, 정보를 클라우드에 저장하여 의사나 가족과 공유할 수 있다. 이러한 제품들을 신발, 손목과 같은 위치에서 쓸 수 있게 된 것도 BLE 덕분이다. BLE는 포도당 측정기, 심박동 모니터링, 체온계, 혈압계 등과 같은 건강 관련 제품에 많이 사용되고 있다.

4. 근접 감지 및 도난 방지 액세서리
소형 BLE 액세서리 태그를 붙인 애완동물이나 아이들이 일정한 거리 밖으로 벗어나면 스마트폰을 통해 경보가 울린다. BLE가 지원되는 자동차 키는 연결된 스마트폰으로 쉽게 찾을 수 있다. 또한 BLE 태그가 붙은 지갑이나 수하물 가방을 누가 훔치려고 하면 스마트폰으로 경보 메시지가 전송된다.

Vishal Goyal   ST마이크로일렉트로닉스