Technical Focus
웨어러블 디바이스 시장을 위한 성공적인 디자인 전략

스마트 워치부터 피트니스 추적기에 이르기까지, 웨어러블 디바이스는 일상 생활의 많은 부분을 변화시키고 있다. 또한 손목 위의 혁명은 휴대형 전자 제품의 디자인 계획을 새롭게 쓰고 있다. 여기서는 일부 웨어러블 제품 제작에 사용되는 사용자 환경 중심 디자인 방법론의 기본 개념을 짚어 보고, 디자인 요구 사항을 충족시키는 마이크로컨트롤러의 선택을 포함해 제품의 에너지 예산 및 컴퓨팅 요구 사항을 결정하는 기능도 살펴본다.

Raman Sharma  Silicon Laboratories Inc.






1980년대에 나타난 데스크톱 혁명은 정보화 시대를 맞이하면서 전대미문의 개인 생산성 시대가 도래했음을 알리는 계기가 되었다. 1990년대에는 노트북 등장과 함께 인터넷 확장 추세가 합쳐지면서 전원 코드와 이더넷 케이블의 한계에서 벗어나게 되었다. 그 후 휴대폰과 스마트폰 사용이 폭발적으로 증가함에 따라, 사용자들은 이전과 비교할 수 없는 수준의 이동성과 무선 연결 기능을 누리게 되었다. 그리고 오늘날 나타나고 있는 ‘손목 위의 혁명’은 사물 인터넷(IoT : Internet of Things)의 성장세와 맞물려 웨어러블 컴퓨팅이라는 새로운 차원의 이동성을 실현하고 있다.

손목 위 혁명의 새로운 현실

스마트 워치, 활동 추적기, 웨어러블 GPS 디바이스, 심박동 모니터, 스마트 안경은 웨어러블 제품의 핵심적인 예라고 할 수 있다. 시장조사 업체인 퓨처소스 컨설팅(Futuresource Consulting)에 따르면 이들 제품의 2013년도 전 세계 시장 규모가 80억 달러에 이를 것으로 추정된다. 정교한 기능, 사용하기 편리한 연결 기능, 슬림한 폼 팩터, 초저전력 처리 성능, 무선 연결 기능이 새롭게 조합된 웨어러블 디바이스는 개인의 건강을 유지하고 풍부한 정보를 활용하며, 다양한 기능을 수행하는 데 도움이 되는 완전히 새로운 유형의 개인용 전자 기기로 떠오르고 있다.
몇 년 전 여러 주요 스마트폰 제조업체들이 기존 핸드셋 제품의 부피가 큰 손목 착용 버전으로 실험에 착수했었다. 그러나 손목 위의 혁명이 본격적으로 촉발된 것은 페블 스마트워치(Pebble Smartwatch) 같이 급부상한 혁신 기업들이 2012년 초, 최종 사용자들이 이미 소유한 스마트폰을 보다 손쉽게 활용할 수 있도록 하는 경량의 손목 위 디바이스로 스마트폰 제조업체들을 앞서면서부터였다.
가민(Garmin), 삼성, 소니, 핏빗(Fitbit), 마젤란 에코(Magellan Echo. 그림 1 참조)를 비롯한 다른 소비자 전자 기기 제조업체들도 저마다 스마트 워치, 활동 추적기, 기타 웨어러블 제품을 선보이며 손목 위의 혁명 대열에 속속 합류했다. 이처럼 분열적인 특성의 시장 환경으로 인해 민첩한 대처가 가능한 소규모 신생 업체들이 등장하게 되었으며, 미스핏 샤인(Misfit Shine) 피트니스 추적기(그림 2 참조)와 같은 혁신적인 제품은 이미 시장에서 자리잡은 업체들과 점유율을 놓고 성공적으로 경쟁하고 있다.
성공적인 웨어러블 디바이스는 가격, 성능, 기능, 배터리 수명이 적절한 조화를 이뤄야 하는 것은 물론, 경쟁 제품과 차별화된 독특한 느낌과 외관, 그리고 동작을 갖춰야 한다. 또한 손목이나 신체 아무 부위에나 편리하게 착용할 수 있도록 작은 설치 공간에 MCU, 센서, 무선 전자 부품, 매력적인 사용자 인터페이스를 모두 집어넣어야 한다. 이러한 폼 팩터로 인해 배터리를 위한 여유 공간이 거의 없으므로, 웨어러블 시스템은 배터리 교체 또는 충전 사이의 작동 기간을 극대화하도록 에너지 효율이 매우 뛰어나야 한다.

성공적인 디자인을 이끄는 사용자 환경

이처럼 다양한 요소를 인기있는 스타일의 제품에 통합하려면 전력, 성능, 기능, 폼 팩터 간 균형 유지를 위해 디자인 과정에서 복잡한 절충 노력을 수행해야 한다. 여러 제조업체들은 임베디드 개발자의 기존 우선 순위와 업무 관행을 상당 부분 바꿔 놓은 이른바 ‘사용자 환경 중심’의 디자인 방법론을 통해 이처럼 생소한 영역을 성공적으로 개척해 왔다.
임베디드 시스템의 디자인 프로세스는 일반적으로 기능과 성능을 정의하는 일부터 출발한다. 이는 프로젝트의 최상위 수준을 결정짓는 역할을 하게 된다. 이와 반대로 웨어러블 제품의 디자인은 구현해야 하는 ‘사용자 환경’을 정의하는 일부터 시작되는 경우가 빈번하다. 이러한 요구 사항에서는 외관, 형태, 사용자와의 상호 작용 방식을 비롯해 제품이 표현하는 느낌과 감성을 기준으로 제품을 정의한다. 디자인 프로세스의 다음 단계는 제품의 하드웨어 및 소프트웨어 요소를 정의하는 데 사용되는 일련의 최상위 기능 요구 사항인 ‘사용 사례’로, 이러한 사용자 환경을 변환한다.
애플은 이와 같은 전략의 초기 개척자 중 하나였는데, 이 전략을 매우 성공적으로 활용하여 새로운 시장을 정의하는 동시에 기존 시장을 압도했다. 잘 구현된 사용자 환경의 중요성에 대해 의구심이 든다면 애플이 iPod의 독특한 컨트롤 휠, 보석 같은 케이스 디자인, 사용하기 편리한 iTunes 소프트웨어를 통해 어떻게 디지털 음악 플레이어 시장을 변화시키고 궁극적으로 지배하게 됐는지 떠올려 보면 될 것이다.

사용자 환경 정의

웨어러블 제품의 사용자 환경을 정의하는 요구 사항은 다음과 같은 두 가지 범주로 나뉜다.
•‌기능 : 웨어러블 제품을 차별화하는 독특한 모양, 느낌, 기능
•‌사용 편의성 : 손쉬운 설치, 직관적인 작동, 최소화된 유지 관리를 실현하는 일련의 요구 사항
웨어러블 디바이스를 며칠마다 한 번씩 다시 충전해야 한다면 번거로울 뿐 아니라 사용자가 제품 사용을 중단할 수도 있기 때문에, 긴 배터리 수명은 사용 편의성 측면에서 중요한 역할을 담당한다.
이러한 요소는 모두 제품 디자인의 토대를 구성하는 사용 사례로 쉽게 변환할 수 있는 사용자 환경을 정의한다. 애플리케이션에 따라 다르지만, 사용자 환경을 정의하려면 멋있는 구성, 인체공학적인 모양, 구체적인 느낌이 있는 디자인 요소를 갖춘 웨어러블 케이스를 디자인해야 할 수도 있다.

사용 사례 정의

제품의 사용자 환경이 명확하게 정의되고 나면, 기능의 요구 사항에 따라 웨어러블 제품의 디자인이 결정되는 사용 사례로 변환해야 한다. 세부적인 사용 사례에서는, 웨어러블 디자인의 거의 모든 측면에 대한 정확한 절충 관련 연구를 쉽게 수행할 수 있도록 하는 중요한 정보를 확인할 수 있다.
사용 사례에는 웨어러블 디바이스를 통해 수행할 것으로 예상되는 작업, 필요한 리소스, 예상되는 작동 조건이 포함되어야 한다. 이러한 세부 사항에는 일반적으로 디바이스에서 수집할 데이터의 유형, 사용자 및 다른 디바이스와의 상호 작용 방식, 예상되는 작동 환경(온도, 방수, 내충격성 등), 작동 모드(데이터 수집 및 분석, 사용자와의 상호 작용, 통신 등), 다른 디바이스와의 동기화 빈도 등이 포함된다.
디자인 팀은 이러한 지침을 바탕으로 애플리케이션의 요구 사항에 가장 적합한 감지, 컴퓨팅 및 통신 부품을 파악하기 시작한다. 그러는 동안 자재 명세서(BOM) 비용과 에너지 예산이 예비 디자인 요구 사항과 함께 개발되며, 이를 통해 디자인 팀은 최적의 디자인 방식에 집중하는 데 필요한 파라미터를 얻게 된다.

에너지 관리를 지원하는 사용 사례

웨어러블 디자인에서는 배터리 수명이 이처럼 중요한 역할을 담당하므로, 사용자 사례 중심의 디자인 프로세스에서 에너지와 관련된 부분을 좀 더 자세히 살펴본다.
선택한 디자인이 웨어러블 디바이스의 배터리 수명에 어떤 영향을 주는지 정확하게 모델링하기 위해, 사용 사례에는 다음과 같은 에너지 소비에 영향을 주는 요인에 대한 자세한 설명이 포함되어야 한다.
•‌디바이스가 외부 영역에서 수집해야 하는 데이터 유형과 수집해야 하는 빈도
•‌사용자와 디바이스 간 상호 작용이 앱의 터치 디스플레이나 버튼(또는 둘 다)을 통해 이루어지는지의 여부. 이에 해당할 경우 통신에 사용되는 정보의 유형과 빈도
•‌디바이스가 다른 웨어러블 디바이스, 스마트폰, 로컬 네트워크 또는 인터넷과 통신하는 방식. 전력 요구 사항은 무선 인터페이스의 종류(예를 들면 Bluetooth, Wi-Fi 또는 ZigBee)와 무선 인터페이스의 구현 방식에 따라 달라질 수 있다.
•‌디바이스가 인접 시스템, 호스트 시스템과 동기화되거나 데이터를 교환하는 빈도. 스마트폰 같은 호스트 시스템과 자주 동기화하면 배터리 수명이 짧아질 수 있다.
최종적으로 취합된 사용 사례에서는 시스템의 다양한 작동 모드와 디바이스가 각각의 모드에서 소비하는 시간을 세부적으로 확인할 수 있어야 한다. 이는 시스템 에너지 예산의 토대가 될 뿐만 아니라 이를 통해 배터리 수명을 극대화하는 데 필요한 디자인상의 절충 요소를 확인할 수 있다.

MCU 선택 및 최적화를 지원하는 사용 사례

사용 사례의 에너지 관련 부분에는 웨어러블 디바이스가 수행할 감지, 컨트롤 및 컴퓨팅 작업에 관한 내용은 물론, 작업 도중 MCU 또는 해당 주변장치 중 하나에서 수행하는 작업에 대해 최대한 많은 정보가 포함되어야 한다. 이는 웨어러블 애플리케이션의 요구 사항에 가장 적합한 MCU 제품군을 선택하는 과정뿐 아니라 대부분의 MCU를 에너지에 친화적인 사양으로 만드는 전략 개발에도 도움이 된다.
웨어러블 애플리케이션이 수행해야 하는 소프트웨어 기능과 알고리즘, 그리고 이러한 요소의 작업 수행 빈도를 식별하면 초기 예측 또는 웨어러블 애플리케이션의 컴퓨팅 요구 사항을 효과적으로 마련할 수 있다. 예를 들어 MCU가 다중 축 가속도계를 통해 사용자의 신체 활동을 감지하고, IR 근접 센서를 사용하여 심장 박동을 모니터링하며, 추가 센서를 사용하여 온도, 습도, 혈중 산소 농도, 자외선(UV) 노출을 감지하는 피트니스 모니터를 떠올려 보자(그림 3 참조). 이 경우 MCU는 실제 단계 수 또는 빈도를 확인하기 전에 원시 센서 데이터를 필터링하여 잡음 및 기타 인위적인 요소를 제거해야 하거나, 이를 심박수 데이터와 통합하여 특정 유형의 활동과 다른 생체 입력을 구분해야 한다.
첨단 MCU에 사용되는 32비트 프로세서 아키텍처 가운데 ARM Cortex 32비트 RISC CPU 제품군은 효율적인 아키텍처, 확장이 용이한 명령어 세트, 대규모 개발 툴 및 코드 라이브러리 기반 덕분에 임베디드 디자인을 위한 프로세싱 코어로 널리 사용되고 있다. ARM은 지난 수년 간 자사 Cortex CPU의 여러 가지 시리즈를 제작했는데, 이들은 모두 특정 요구 사항을 중심으로 최적화되어 있는 것이 특징이다. 예를 들어 고도의 임베디드 MCU를 위해 특별히 개발된 ARM Cortex-M 프로세서 코어 시리즈는 에너지 효율과 낮은 솔루션 비용에 대해 성능의 균형을 맞춰야 하는 애플리케이션에 사용된다. Cortex-M 시리즈는 가격, 배터리 수명, 프로세싱 요구 사항, 디스플레이 유형 같은 다양한 웨어러블 디자인 특성을 다루는 코어 옵션을 갖추고 있다(표 1 참조).
Cortex-M 시리즈에 포함된 M3 및 M0＋ 코어는 낮은 동적 및 정적 전력 소비량으로 실제 이벤트에 대해 고성능 컴퓨팅을 수행하고 빠른 시스템 응답을 나타내야 하는, 비용에 민감한 애플리케이션에 최적화되어 있다. 더 복잡하고 성능이 뛰어난 M4 코어는 생체 모니터링 애플리케이션에 자주 사용되는 컴퓨팅 집약적인 알고리즘을 훨씬 빠른 속도로 완료할 수 있다. 또한 향상된 명령어 세트에는 강력한 디지털 신호 프로세싱(DSP) 함수 라이브러리가 포함되어 있다. M4 코어의 단정밀도 부동 소수점 장치(FPU)는 실행 시간을 대폭 단축하여 MCU 작동 상태 유지 시간을 줄이고, 그에 따라 전반적인 에너지 풋프린트를 최소화할 수 있도록 한다.

긴 수명을 위한 딥 슬립 모드

웨어러블 플랫폼의 에너지 예산에 MCU가 미치는 영향을 줄이려면, 저전력 슬립 모드에서 작동을 재개하는 데 필요한 작업 빈도와 시간을 최소화해야 한다. 그에 따라 사용 사례에는 MCU의 다양한 작업이 수행될 것으로 예상되는 빈도와 작업 실행의 기반이 이벤트인지 아니면 스케줄인지에 대한 정보가 포함되어야 한다.
저전력 임베디드 디자인을 최적화하는 데 주로 사용되는 방법 중 하나는, 실시간 이벤트에 대해 적절히 응답하는 최저 슬립 모드를 확인하는 것이다. Cortex-M 프로세싱 코어를 사용하는 대부분의 MCU는 여러 슬립 모드를 지원한다.
예를 들어 실리콘랩스의 EFM32 Gecko 제품군에서는 표준 32비트 ARM Cortex-M 코어와 에너지에 최적화된 주변장치 및 클로킹 아키텍처를 함께 사용한다. EFM32 아키텍처는 처음부터 에너지에 민감한 애플리케이션을 특별히 고려하여 디자인되었다. 이 아키텍처는 개발자가 웨어러블 제품에 요구되는 최적의 에너지 효율을 달성할 수 있도록 다양한 전력 모드를 갖춘 것이 특징이다(표 2 참조).
•‌슬립/스탠바이(EFM32 MCU의 EM1 모드) - 약간 높은 전력을 소비하여 능동 모드로 신속히 돌아올 수 있다(대부분 인터럽트를 통해). 이 모드에서 EMF32의 전력 소비량은 45㎂/MHz이며 이에 해당하는 일반적인 32비트 MCU의 경우 200㎂이다.
•‌딥 슬립(EFM32의 EM2 모드) - MCU의 주요 소자를 능동 상태로 유지하며 고주파 시스템 클록 및 기타 중요하지 않은 부하를 비활성화한다. 이 모드에서 EMF32의 전력 소비량은 900nA에 불과할 정도로 낮으며, 이에 해당하는 일반적인 32비트 MCU는 10㎂∼50㎂이다.
•‌스톱(EFM32의 EM3 모드) - 제한된 자율 주변장치 작동 및 신속한 작동 재개 상태를 유지하면서 절전 효과를 추가로 높이는 상위 버전의 딥 슬립 모드이다. 이 모드에서 EFM32의 전력 소비량은 0.59㎂/MHz이며 이에 해당하는 일반 32비트 MCU의 경우 10㎂∼30㎂이다.
•‌오프(EFM32의 EM4 또는 셧오프 모드) - 종료 상태에 가까운 이 상태에서는 외부 자극으로부터 작동 재개를 트리거하는 데 필요한 기능을 최소한으로 유지한다. 이 경우 에너지를 절감하기 위해 작동 재개 시간이 훨씬 긴 것이 특징이다. 이 모드에서 EFM32의 전력 소비량은 20nA(RTC 실행 시 420nA)이며 이에 해당하는 일반적인 32비트 MCU의 경우 1.5㎂이다.
•‌백업 배터리 모드 - 셧오프 모드의 대안으로 활용할 수 있는 독특한 EFM32 사양으로, 몇 가지 중요 기능을 유지하고 훨씬 빠른 속도로 작동을 재개할 수 있게 한다.

스마트한 주변장치가 만드는 스마트한 디자인



많은 MCU에는 CPU를 저전력 슬립 모드 중 하나로 유지하면서 일상적인 타임키핑, I/O 및 하우스키핑 작업을 수행하는 몇 개 이상의 주변장치가 탑재된다. 또한 일부 MCU에는 CPU 개입 없이 여러 기능(예를 들면 카운터/타이머, ADC, DAC, GPIO, 직렬 트랜시버)을 수행하는 자율 주변장치가 탑재된다. 일례로 EFM32 Gecko MCU에서 지원하는 모든 온칩 주변장치는 자율적으로 작동하며, 하나 이상의 디바이스 슬립 모드에서 능동 상태를 유지한다. 이는 최저 에너지 절약 모드에서 GPIO 작동 재개 및 실시간 클록(RTC) 작동 같은 매우 기본적인 킵 얼라이브(keep-alive) 기능만 지원하는 다른 MCU와 크게 대조되는 부분이다.
다른 MCU에서 제공하는 카운터/타이머, ADC, DAC, GPIO 및 직렬 통신 소자 외에도 EFM32 MCU 제품군에는 다음과 같은 일련의 주변장치가 포함되어 있다.
•‌CPU 개입 없이 터치패드 접촉을 감지하고 n×n 그리드(최대 16개 포인트) 내에서 조화롭게 작동하는 정전식 감지 컨트롤러. CPU는 EM2 에너지 모드까지 능동 상태로 유지된다.
•‌CPU 개입 없이 메모리에서 DMA를 통해 숫자 LCD 또는 TFT 디스플레이를 구동할 수 있는 LCD 드라이버
•‌CPU 개입 없이 경고/알람 조건에 대해 임계 전압을 모니터링할 수 있도록 하는 아날로그 비교기
•‌CPU의 작동을 재개하지 않고 대용량 데이터를 수신하면서 EM2로 유지할 수 있는 저전력 UART(LEUART. DMA 포함)
•‌저항성, 유도성 및 정전식을 비롯한 최대 16개의 아날로그 센서와 함께 작동하여 자율 상태 머신을 생성할 수 있는 저에너지 센서(LESENSE) 인터페이스
직렬 통신, 카운터/타이머, 아날로그 및 디지털 비교기, 상위 레벨 I/O 같은 대부분의 주변장치 기능의 작동은 별도의 저전력 리플렉스 버스(주변장치 리플렉스 시스템 또는 PRS라고 한다)를 통해 조정된다. 특정 주변장치의 이벤트와 신호는 다른 주변장치에서 타이밍이 중요한 작동을 유지하고, 소프트웨어 오버헤드를 줄이기 위한 입력 신호 또는 트리거로 사용할 수 있다. EFM32 Gecko MCU는 이러한 고급 사양을 통해 탁월한 32비트 컴퓨팅 성능을 제공하는 동시에 에너지 소비가 극도로 낮은 웨어러블 디자인과 긴 배터리 수명을 실현할 수 있다.

소프트웨어 성능을 통한 에너지 소비량 최소화

웨어러블 제품 디자이너는 개발 프로세스를 간소화하고 출시 시간을 단축하며 에너지 효율을 최적화하기 위해, 해당 MCU 벤더에서 제공하는 개발 에코시스템의 유효성과 사용 편의성을 고려해야 한다. 개발 프로세스의 용이성, 속도, 효율을 높이려는 개발자는 초기 개념부터 최종 제품 단계에 이르기까지 프로젝트를 완료하는 데 필요한 모든 사항을 제공하는 포괄적이면서도 단순한 플랫폼을 활용해야 한다. 이와 마찬가지로, 에코시스템에서는 개발자가 제품의 에너지 소비량을 최적화할 수 있도록 하는 툴을 제공해야 한다.
예를 들어 실리콘랩스의 심플리시티 스튜디오(Simplicity StudioTM) 개발 플랫폼(www.silabs.com/simplicity-studio에서 개발자에게 무료로 제공)에는 전력 소비량을 추정하고 성능과 에너지 효율 간의 균형을 유지할 수 있도록 하는 실시간 에너지 프로파일링 및 분석 툴이 포함되어 있다. 개발자는 심플리시티 스튜디오 에너지어웨어 배터리 계산기(Simplicity Studio energyAware Battery Calculator)를 활용하여 전력 소비량과 배터리 수명을 쉽게 추정할 수 있다.
개발자는 EFM32 MCU 에너지 모드 및 배터리 구성을 선택하고 코드를 작성하기 전에 전력 소비량을 추정할 수 있다. 에너지어웨어 프로파일러(energyAware Profiler. 그림 4 참조)는 전력 소비량을 실시간으로 분석하여, 개발자가 전력 소비량이 너무 높을 경우 최적화해야 하는 코드 영역을 식별할 수 있도록 한다. 개발자는 그래픽 형태로 출력된 전력 소비량을 확인하는 것만으로도 소비량이 급격히 증가하는 경우를 한눈에 파악할 수 있다. 나아가, 애플리케이션의 그래프와 프로필에서 특정 지점을 클릭하여 현재 전력 소비 상태와 관계된 C 코드의 해당 줄을 표시하는 기능을 제공한다면 개발자에게 매우 유용할 것이다. 이 경우, 개발자는 현재 전력 소비 상태에서 갑작스러운 소비량 증가 현상을 보이는 특정 코드 줄을 추적하여 최적화 작업을 수행할 수 있다. 궁극적으로, 이러한 ‘에너지 효율성’ 기능은 마이크로암페어, 심지어 나노암페어의 전력도 낭비할 수 없는 배터리로 작동하는 웨어러블 애플리케이션에서 매우 중요하다.
손목 위의 혁명에 알맞은 제품을 디자인하려면 웨어러블 애플리케이션 요구 사항의 새로운 현실, 그리고 복잡한 기술 및 고성능 부품을 공간과 전력이 제한적인 디자인에 통합하기 위한 새로운 접근 방식에 대해 깊이 이해해야 한다. 스마트 워치, 휴대형 피트니스 추적기, 스마트 안경을 비롯한 그 밖의 웨어러블 컴퓨팅 디바이스는 오늘날 우리가 휴대형 전자 기기의 디자인에 관해 알고 있는 모든 것을 변화시키고 있다.
웨어러블 애플리케이션은 정교한 감지, 컴퓨팅, 디스플레이 및 무선 기술을 합리적인 가격대의 초슬림 디자인에 긴밀하고 원활하게 통합시켜야 하는 디자인 엔지니어를 위한 규칙을 새롭게 써 나가고 있다. 이러한 디자인은 교체 가능한 배터리 또는 기타 제한적인 에너지 소스 하나로 웨어러블 디바이스를 몇 개월 동안 작동할 수 있도록 한다. 새로운 웨어러블 컴퓨팅 제품은 보다 빠른 속도로 시장에 등장하고 있으며, 저마다 혁신적인 디자인을 통해 최종 사용자 환경에 대한 사람들의 기대치를 새롭게 설정하고 있다. 이러한 손목 위의 혁신은 이제 시작에 불과하다고 할 수 있다.