[첨단 헬로티]

사물인터넷(IoT) 개발자들은 더 똑똑한 센서나 클라우드 서비스에 관계없이, 이 수익성 높은 700억 달러에 달하는 시장을 계속 쫓으며 IoT 노드를 개선 및 차별화하는데 주력하고 있다.

마이크로컨트롤러(MCU) 아키텍처의 끊임없는 발전 덕분에 임베디드 디자인의 인텔리전스가 향상됐고, 클라우드 커넥티비티는 기업과 사용자에게 탁월한 사용자 경험과 원격 작동, 자동 제어, 지능형 네트워킹과 같은 완전히 새로운 차원의 기능을 제공한다. 커넥티비티는 대부분 임베디드 시스템의 활용성과 서비스 가동성, 다양성을 크게 향상시킨다.

IoT의 가치는 상호 연결성에 있다. IoT 시스템은 대부분 양방향으로 연결되어야 할 때가 많은데, 센서나 다른 IoT 디바이스 같은 데이터 소스는 아래(Down) 방향이고, 데이터 수집기나 중앙 제어 포인트 같은 클라우드는 위(Up) 방향이다. 

데이터 소스와 연결하려면 I2C, SPI(Serial Peripheral Interface) 또는 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 같은 인터페이스를 통해 실행되는 다양한 M2M(Machine-to-Machine) 프로토콜들에 대한 지원이 필요하다. 대부분의 경우에는 산업과 애플리케이션이 시스템에 필요한 M2M 인터페이스 유형을 결정한다.

인터넷을 통해 클라우드와 연결하려면 인터넷 프로토콜(IP) 기반 인터페이스가 필요한데, 일반적으로 유선 접속용 이더넷과 무선용 와이파이(Wi-Fi)이다. 어디에나 존재하는 10/100 이더넷은 유선 제품 라인과 보안 커넥티비티가 필요할 때 설득력 있는 옵션이다. 이것의 문제는 성능이나 신뢰성을 저하시키지 않으면서 최저 비용과 전력으로 이 연결을 구현해야 한다는 것이다.

PHY 통합

기존의 이더넷 MAC(Media Access Controller)을 MCU에 통합하면 비용과 설계의 복잡성을 줄일 수 있다. 그런데 많은 애플리케이션들이 PHY 통합의 이점을 누릴 수 있음에도 불구하고 아날로그 통합 문제 때문에 PHY를 별도의 컴포넌트로 구현했다.  

텍사스 인스트루먼트(TI)의 심플링크(SimpleLink) MSP432E4 MCU가 출시됨에 따라, 이제는 MAC/PHY가 통합된 MCU의 이점을 제대로 활용할 수 있게 됐다. TI는 아날로그 통합 문제를 극복하는데 필요한 기술을 개발해 산업을 선도하는 이더넷 PHY와10/100 MAC 기술을 Arm 코어텍스(Cortex)-M4 MCU 코어와 함께 출시했다. SimpleLink MSP432E4 MCU는 시스템을 클라우드에 연결해 IoT가 제공하는 모든 기능을 최대한 활용하고자 하는 개발자에게 효과적인 솔루션이다.

[그림 1a]는 외부 PHY 주변에 구축된 기존의 이더넷 기반 시스템이다. PHY 외에도 이 시스템은 여러 가지 패시브들과 그 밖의 컴포넌트들을 필요로 한다. [그림 1b]는 통합형 PHY를 이용한 같은 시스템을 보여준다. PHY를 통합하면 많은 지원 컴포넌트들이 필요 없어지게 된다.

▲ 그림 1. 기존의 이더넷 기반 시스템은 여러 가지 패시브들과 기타 컴포넌트들을 필요로 하는 외부 PHY 주변에 구축됐다(a). 

이더넷 PHY를 심플링크 MSP432E4 MCU에 통합시키면 전력 소비와 시스템 비용 같은 보드 공간 필요성이 크게 감소한다(b).

[그림 2]에서 알 수 있듯이, PHY를 통합시키면 이더넷 MAC을 처음 MCU에 통합시켰을 때 가능했던 것과 비슷한 절감과 이점이 생긴다:

▲ 그림 2. 외부 PHY를 이용한 기존의 이더넷 구현과 달리, 이더넷 PHY를 MCU에 통합시키면 상당한 비용과 전력, 보드 공간을 절감할 수 있다.

•‌ 비용 절감 : PHY를 통합할 때 필요한 외부 및 패시브 컴포넌트들의 수가 크게 줄어든다. [그림 1b]. 이로 인해 BOM, 어셈블리 비용은 91%까지 절감된다. 

•‌ 전력 절감 : 유효 전력 절감을 최대 58mA까지 달성할 수 있다. 이는 76% 절감에 해당된다. 대기 전력 절감은 구현 방식에 크게 좌우되기 때문에 그 범위가 아무 이득 없는 수준부터 최대 10.2mA까지, 즉 74% 까지 절감할 수 있다. 전력 소비 절감은 시스템의 전력 효율을 증가시켜, 결국 라인 구동 디바이스의 운영비용은 낮추고 배터리 구동 시스템의 작동 수명은 늘릴 수 있다.

•‌ 보드 공간 절감 : MCU를 외부 충격으로부터 보호하려면 통합형 PHY는 여전히 트랜스포머와 일부 ESD(Electrostatic Discharge) 보호 같은 몇 가지 외부 컴포넌트들을 필요로 한다. 그래도 전체 보드 공간 절감은 93%~96% 수준에 불과하다. 이는 PCB 공간을 확보해 추가적인 특색과 기능을 넣을 수 있게 한다.

•‌ 소음 감소 : 외부 시스템 소음은 몇 가지 외부 신호들과 크리스탈이 없어졌기 때문에 감소된다. 이는 개발자에게 신호 여유를 주어 라우팅 제약과 설계의 복잡성을 완화할 수 있게 해준다. 

•‌ 설계의 가속화 : PHY를 통합시키면 디자인이 단순해져서 구현과 문제 해결이 더 빨라진다.

•‌ 신뢰성 향상 : 전체 인터페이스인 심플링크 MSP432E4 MCU의 통합 MAC/PHY는 신뢰할 수 있는 입증된 구현이다. 외부 컴포넌트들을 제거하면 시스템에서 발생할 수 있는 장애 지점들의 수가 줄어들어, 결국 신뢰성은 향상되고 전체 비용도 줄어든다.

[그림 2]는 디자인의 PHY 부분만을 비교한 것으로 애플리케이션과 실제 구현, 제품 규모, 기타 요소들에 따라 달라지게 된다. 사용자가 자신의 애플리케이션에서 달성 가능한 절감을 예측할 수 있도록 TI는 다음의 몇 가지 제품 평가 옵션들을 제공한다:  

•‌ HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템 컨트롤러

• 건물 구역 컨트롤러

• 건물 보안 시스템 컨트롤러

• 에너지 데이터 콘센트레이터

•‌ 산업용 HMI(Human Machine Interface) 제어 패널/디스플레이

• 네트워킹 주거·상업용 빌딩 시스템 

• 네트워킹 산업용 인버터·모터 드라이브 

• 보안 액세스 시스템

• 산업 자동화

• 네트워킹 산업용 계량기·컨트롤러·게이트웨이

• 통신 어댑터·콘센트레이터

PHY를 넘어

IoT 애플리케이션을 위한 SimpleLink MSP432E4 MCU의 장점은 PHY 절감 그 이상이다[표 1]. 결국 이더넷 인터페이스는 시스템의 한 부분일 뿐이다. 오늘날의 IoT 디바이스에는 다음의 기능을 제공하는 완전 통합형 프로세스가 필요하다:

▲ 표 1. 심플링크 MSP432E4 MCU의 장점은 PHY 절감 그 이상이다. 이 아키텍처는 여러 산업 시장들이 요구하는

지능형 게이트웨이의 대표적인 설계 시 문제들을 해결한다.

• 고급 HMI 기능

• 고속 데이터 집산

• 신뢰성 향상

• 높은 데이터 보호

• 보드 공간이 제한된 시스템에서 타깃 풋프린트 감소

• 통합형 산업 제어 기능들

IoT 네트워크를 확장하고 더 많은 센서 노드들을 게이트웨이에 연결하면, 다양한 유무선 기술 및 프로토콜들을 활용해 더 많은 인터페이스들을 확장하고 추가할 수 있는 능력을 갖출 뿐만 아니라 보완형 하드웨어 리소스에 액세스할 수 있는 능력까지 설계 시 중요한 고려사항이 됐다. [그림 3]은 높은 수준의 통합을 보여 주며 점점 증가하고 까다로워지는 지능형 산업용 게이트웨이에 대한 필요에 부응하는 MCU 구성을 강조한다.

▲ 그림 3. 심플링크 MSP432E4 MCU의 높은 수준의 통합은 견고한 이더넷 커넥티비티를 갖춘 고도로 연결된 무선 및

지능형 게이트웨이를 개발하기 위한 다양한 하드웨어 리소스를 제공한다.

하드웨어를 넘어

최신 IoT 애플리케이션에서 하드웨어는 성공의 반쪽에 불과하다. 다양한 유무선 프로토콜들을 이용해 게이트웨이를 더 많은 센서 노드들에 동시에 연결하고, 더 엄격한 보안 프로토콜들을 구현해야 하며, 클라우드 서비스는 기하급수적인 소프트웨어의 성장을 주도하고 있다. 소프트웨어 컴포넌트, 네트워킹, 보안 스택 등으로 구성된 포괄적인 소프트웨어 개발 키트(SDK)는 개발 주기와 출시 기간을 단축할 수 있다. 

[그림 4]는 지능형 게이트웨이 솔루션을 개발하고 사용자 정의할 수 있는 포괄적이고 확장 가능한 소프트웨어 프레임워크를 갖춘 SimpleLink MSP432E4 MCU를 보여 준다.

▲ 그림 4. 심플링크 MSP432E4 SDK는 여러 가지 무선, 클라우드 플러그인을 이용해 확장 가능한 포괄적인 커넥티비티와

인터넷 네트워킹 서비스 프레임 워크를 제공한다.

TI-RTOS(TI-Real- Time Operating System) 커널, TI 드라이버 및 산업 표준 POSIX(Portable Operating System Interface) 레이어 같은 기본 컴포넌트들을 이용해 강력한 기본 애플리케이션을 신속하게 개발할 수 있다.

이더넷 하드웨어 설계의 복잡성과 마찬가지로 이더넷, TCP/IP 네트워킹 소프트웨어 라이브러리는 위협적이고 시간 소모적일 수 있다. 

심플링크 MSP432E4 MCU는 통합형 TCP/IP(Transmission Control Protocol) 네트워킹 서비스뿐만 아니라 SDK 미들웨어의 일부로 mbed TLS(Transport Layer Security)를 비롯한 광범위한 커넥티비티 레이어를 통합시키고 있다. 이 완전한 통합형 스택은 견고한 인터넷 지원 기준을 제공하므로 사용자는 상위 레벨의 애플리케이션을 개발하는데 더 많은 시간을 할애할 수 있다.

심플링크 SDK 프레임워크는 와이파이, 블루투스(Bluetooth) 저에너지 또는 Sub-1GHz 802.15.4 등 SDK 플러그인을 통한 확장으로 다양한 무선 옵션들을 게이트웨이 애플리케이션에 추가할 수 있다. 

심플링크 SDK는 여러 가지 무선 MCU를 비롯해 전체 심플링크 MCU 플랫폼에서 이식 가능하기 때문에, 단 하나의 프레임워크로 게이트웨이와 여러 무선센서 노드들에서 코드 재활용을 극대화 시킬 수 있다. 

이런 일관성은 전체 네트워크에서 학습 곡선을 최소화하고 상호 작동성은 극대화한다. 그러므로 사용자는 프로젝트 전반에 걸쳐 신속하게 진입할 수 있고 궁극적으로는 제품을 더 빨리 출시할 수 있다. 

글 : 덩 당(Dung Dang) 텍사스 인스트루먼트 SimpleLink 마케팅 매니저