다중 프로토콜 무선 MCU 모듈로 고급 IoT 배포 가속화

첨단 사물 인터넷(IoT) 설계에는 이제 Wi-Fi, Bluetooth Low Energy(BLE), Thread, Matter 프로토콜을 포함한 이기종 운영 환경에서 네트워크 효율성, 최적의 성능, 상호 운용성을 보장하는 안전한 무선 연결 옵션이 필요합니다. 적합한 솔루션 플랫폼은 센서 및 주변 장치와 원활하게 통합되어야 하며, 전 세계 인증을 받은 장치의 평가부터 배포까지 신속한 개발을 가능하게 하는 에코시스템을 갖춰야 합니다.

이러한 요구 사항을 처음부터 맞춤형 솔루션으로 충족하는 것은 RF(무선 주파수), 혼합 신호 설계, 장치 인증의 복잡성으로 인해 여전히 어려운 과제입니다. 설계자에게는 보다 통합적인 접근 방식이 필요합니다.

이 기사에서는 IoT용 무선 장치 설계자가 직면하는 연결성 관련 과제에 대한 간략한 개요를 제공합니다. 그런 다음 무선 구동, 프로토콜 통합, 보안 구현, 표준 및 규제 준수와 관련된 지연을 줄여 고급 IoT 설계를 가속화하는 u-blox의 기성 무선 플랫폼을 소개합니다.

변화하는 연결성 요구가 통합 모듈로의 전환을 주도하는 방법

산업 제어 시스템, 상업용 건물 자동화, 스마트 장치 에코시스템과 같은 새로운 응용 분야는 보안이나 전력 예산을 희생하지 않으면서 하드웨어, 소프트웨어, 통신에 대한 특화된 요구 사항을 지원할 수 있는 유연한 IoT 장치 솔루션을 필요로 합니다. 점점 더 많은 응용 분야에서 IoT 장치는 여러 연결 옵션을 지원할 것으로 기대됩니다. 각 옵션은 다양한 무선 주파수 간섭(RFI)원과 전자기 간섭(EMI)원이 존재하는 점점 혼잡해지는 RF 환경에서도 신뢰할 수 있는 통신을 유지할 수 있어야 합니다.

이러한 응용 분야에서는 서로 다른 무선 프로토콜이 특정 응용 요구 사항을 충족하는 데 필수적입니다. 이중 대역 Wi-Fi 6은 밀집된 네트워크에서도 처리량을 유지하기 위해 향상된 서비스 품질(QoS) 스케줄링을 제공하고, BLE는 단거리 통신에서 저전력 작동 요구 사항을 지원하며, Thread는 장치 인증과 AES-128 암호화를 갖춘 대규모 자가 복구형 IPv6 메시 네트워크를 가능하게 합니다. 이러한 다양한 연결 옵션은 Wi-Fi 또는 Thread에서 작동할 수 있는 IP 기반 애플리케이션 계층인 Matter 프로토콜의 기반을 제공하며, BLE를 통해 장치 커미셔닝과 안전한 온보딩을 수행합니다.

이러한 모든 요구 사항을 동시에 충족하는 것은 중요한 엔지니어링 과제가 되었습니다. 기존의 개별 무선 설계에는 여러 개의 칩셋, RF 프런트엔드, 호스트 인터페이스가 필요하며, 이로 인해 레이아웃 복잡성, 전력 소비, 인증 노력이 증가합니다. 추가되는 각 인터페이스는 규정 준수 테스트 시 또는 여러 프로토콜에서 작동할 때 잠재적인 실패점이 됩니다. 개발 일정이 촉박해지고 규제 요구 사항이 확대됨에 따라, 더 많은 팀이 사전 인증된 단일 부품 내에 무선 서브시스템, 처리 자원, 통합 보안을 결합한 독립형 무선 마이크로 컨트롤러 장치(MCU) 모듈로 전환하고 있습니다.

u-blox IRIS-W10 계열 MCU 모듈은 고급 IoT 설계의 새로운 과제를 해결할 수 있도록 설계된 통합 솔루션을 제공합니다. 다중 프로토콜 공존, 네트워크 효율성, 모듈 수준에서의 코드 및 데이터 보호를 지원함으로써, IRIS-W10 계열은 엔지니어에게 프로토타입부터 인증 및 배포까지 보다 적은 불확실성으로 연결형 장치를 개발할 수 있는 신뢰할 수 있는 기반을 제공합니다.

IRIS-W10 모듈 아키텍처가 새로운 요구 사항을 충족하는 방법

IRIS-W10 계열은 고성능 처리 기능, 다중 대역 무선 서브시스템, eXecute-In-Place(XIP) 플래시 메모리, 하드웨어 기반 보안을 통합한 완전한 무선 시스템(그림 1)으로, 고급 IoT 제품을 구축하기 위한 독립형 플랫폼을 구성합니다.

그림 1: 콤팩트한 글로벌 인증 모듈 패키지의 IRIS-W10 계열은 고성능 MCU와 다중 대역 무선 기능, 플래시 메모리, 하드웨어 기반 보안, 그리고 내부 안테나(여기에 표시됨) 또는 외부 안테나용 RF 신호 출력을 결합합니다(이미지 출처: u-blox).

Arm® Cortex®-M33 코어와 다중 무선 서브시스템을 통합하는 NXP의 RW612 및 RW610 무선 MCU를 기반으로 하는 IRIS-W10 모듈은 이중 대역 Wi-Fi 6(IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax), BLE 5.4, Matter over Wi-Fi(Wi-Fi 기반 Matter)를 포함한 여러 연결 옵션과 고성능 처리 기능을 결합합니다. RW612 MCU를 기반으로 하는 변형 제품은 추가적으로 IEEE 802.15.4, Thread, Matter over Thread를 지원합니다.

IRIS-W10 계열에는 서로 다른 통합 요구 사항을 충족하는 두 가지 제품군이 있습니다. IRIS-W106 모듈은 인쇄 회로 기판(PCB) 안테나를 통합하고, IRIS-W101 모듈은 외부 안테나 구성이 필요한 설치를 위해 RF 신호를 제공합니다. 각 제품군 내에는 다음과 같이 서로 다른 메모리 및 연결 요구 사항을 지원하는 제품이 있습니다.

• RW610 기반 모듈(IRIS-W106-30B 및 IRIS-W101-30B)은 8MB(메가바이트)의 플래시 메모리를 포함합니다.
• RW612 기반 모듈은 8MB(IRIS-W106-00B, IRIS-W101-00B) 또는 16MB(IRIS-W106-10B, IRIS-W101-10B)의 플래시 메모리를 제공하며, 앞에서 언급한 IEEE 802.15.4 기반 연결도 지원합니다.

이러한 모듈의 일관된 아키텍처는 개발자가 기존 설계를 보다 쉽게 확장하여 새로운 요구 사항을 충족할 수 있도록 합니다. 실제로 이러한 모듈은 최소한의 전력 및 실장 면적을 위해 단독 호스트(그림 2a)로 작동하거나, 보다 복잡한 기능 요구 사항을 가진 설계에서는 별도의 호스트에 대한 보조 프로세서(그림 2b)로 사용할 수 있습니다.

그림 2: IRIS-W10 모듈은 전력과 실장 면적을 최소화하기 위해 단독 프로세서(a)가 필요한 응용 분야부터, 추가 기능을 위해 호스트에 대한 보조 프로세서(b)로 작동해야 하는 응용 분야까지 다양한 요구 사항을 충족합니다(이미지 출처: u-blox).

이 계열은 다양한 연결 옵션을 통해 혼잡한 RF 환경에서도 신뢰할 수 있는 통신을 보장합니다. Wi-Fi 6은 OFDMA(직교 주파수 분할 다중 접속)와 TWT(목표 깨우기 시간) 스케줄링을 사용하여 이러한 환경에서 채널 효율을 향상시키며, BLE의 AFH(적응형 주파수 호핑)는 간섭을 최소화합니다. IEEE 802.15.4 기능은 저전력 메시 및 Matter 상호 운용성을 위해 Thread 네트워크로 연결을 확장합니다. 서로 다른 RF 기술은 동시에 활성화되지 않기 때문에, 모듈의 무선 라디오는 단일 RF 체인을 공유하며 내부 RF 스위치를 사용해 무선 트래픽을 공유 안테나 또는 RF 출력으로 라우팅합니다.

다양한 연결 프로토콜 사용이 점점 더 많은 IoT 응용 분야에서 필수 요소가 되고 있으며, 이러한 응용 분야는 신뢰할 수 있는 운영 환경 내에서 통신 트랜잭션의 보안을 보장할 수 있는 기능을 점점 더 요구하고 있습니다. 이러한 보안 요구 사항을 충족하기 위해 IRIS-W10 계열 모듈은 HRoT(Hardware Root of Trust)를 갖추고 있습니다. 애플리케이션 보안은 MCU의 임베디드 읽기 전용 메모리(ROM)에 저장된 보안 부트로더를 사용해, 검증된 비휘발성 메모리 또는 USB 소스로부터 안전하게 부팅하는 것으로 시작됩니다. 애플리케이션 보안의 근간은 Arm TrustZone-M을 기반으로 한 신뢰할 수 있는 실행 환경 위에 구축됩니다.

추가적인 보안 기능에는 하드웨어 암호화 엔진, 암호화된 플래시 메모리, 보호된 디버그 인터페이스 등 보안 체인에 중요한 요소들이 포함되어 있으며, 이는 펌웨어 인증 및 운영 데이터를 보호합니다. 애플리케이션 수준에서는 WPA2/WPA3 인증, Wi-Fi 엔터프라이즈 보안, TLS(Transport Layer Security) 암호화, HTTPS, BLE 보안 연결 페어링을 실현합니다. 이러한 메커니즘은 펌웨어 무결성 및 통신 보호 모두를 위한 안전한 기준선을 제공합니다. 긴밀하게 통합된 보호 기능을 통해 이러한 모듈은 추가적인 개별 보안 장치 없이도 애플리케이션의 사이버 보안을 강화합니다

IRIS-W10 계열은 고성능 처리 다중 프로토콜 무선 기능, 하드웨어 기반 보안을 글로벌 인증 패키지에 통합함으로써, 개발자가 처리량, 상호 운용성, 규제 준수라는 통합 요구 사항을 충족할 수 있도록 지원합니다. 고급 IoT 장치 구현을 위해, 이 통합 아키텍처는 u-blox의 포괄적 평가 키트(EVK)와 개발 도구를 활용한 맞춤형 IoT 응용 제품의 신속한 개발을 위한 견고한 기술적 기반을 제공합니다.

고급 IoT 설계 개발 가속화

IRIS-W10 계열 하드웨어를 보완하도록 설계된 u-blox의 EVK와 관련 소프트웨어 리소스는 개발자가 평가부터 응용 제품 설계까지 효율적으로 진행할 수 있도록 지원합니다. 이러한 리소스를 통해 개발자는 모듈 성능을 검사하고, 무선 동작을 검증하며, 맞춤형 장치를 구축할 수 있습니다.

초기 평가와 프로토타이핑을 위해 u-blox USB-IRIS-W1 평가 도구는 IRIS-W10 모듈의 기능을 빠르게 확인할 수 있도록 합니다. 이 키트는 USB 유형 A 커넥터가 장착된 소형 폼 팩터 PCB에 IRIS-W106 모듈, 기본 사용자 인터페이스(UI) 컨트롤 및 다양한 인터페이스를 통합합니다. USB-IRIS-W1에는 Wi-Fi 명령줄 인터페이스(CLI) 애플리케이션이 사전 설치되어 있어, 개발자는 이를 워크스테이션의 USB 포트에 연결하기만 하면 모듈의 Wi-Fi 기능을 즉시 평가할 수 있습니다.

그림 3: 사전 플래시된 IRIS-W106 모듈을 기반으로 하는 USB-IRIS-W1 콤팩트 USB 유형 A 기판은 다양한 인터페이스, 기본 UI 컨트롤, 테스트 지점을 통해 모듈의 기능 평가를 빠르게 시작할 수 있도록 설계되었습니다(이미지 출처: u-blox).

USB-IRIS-W1 키트는 모듈 초기 설정 및 CLI 평가를 위한 빠른 시작 도구를 제공하고, u-blox EVK-IRIS-W1 평가 키트(그림 4)는 각 모듈을 평가하고, 해당 기능에 대한 경험을 쌓으며, 성능을 확장할 수 있는 더 포괄적인 독립형 플랫폼을 제공합니다. 이 키트에는 IRIS-W106-10B 모듈이 탑재된 EVK-IRIS-W106 기판 또는 IRIS-W101-10B 모듈이 탑재된 EVK-IRIS-W101 기판이 포함되어 있습니다. 각 기판과 함께 RJ45 이더넷 커넥터, USB 케이블, U.FL 커넥터를 갖춘 안테나(EVK-IRIS-W101 전용)도 제공됩니다.

각 기판은 UART, SPI, I²C, USB 포트를 포함한 여러 모듈 인터페이스를 갖추고 있습니다. 또한 LED, 기본 UI 컨트롤, 전력 측정 헤더, 10핀 디버그 커넥터, 기판의 기능을 확장할 수 있는 4개의 mikroBUS(MikroElektronika) 커넥터를 제공합니다.

그림 4: EVK-IRIS-W1 평가 키트는 개발을 위한 포괄적인 하드웨어 플랫폼을 제공하며, 응용 제품 개발, 전력 분석, 기능 확장을 위한 IRIS-W10 모듈 인터페이스를 갖추고 있습니다(이미지 출처: u-blox).

개발자는 다음을 포함한 4가지 5V_DC 전력 입력을 통해 전력을 제공함으로써 기판을 빠르게 가동할 수 있습니다.

• USB 주변 장치에서 제공되는 IRIS-W10 USB 포트
• 디버그/UART 포트
• MCU-LINK USB 포트
• 전력 헤더

EVK-IRIS-W106과 EVK-IRIS-W101 각각에는 사전 탑재된 데모 이미지가 포함되어 있어 전원을 넣은 후 즉시 Wi-Fi 6와 BLE를 평가할 수 있습니다. 모듈 펌웨어를 통해 엔지니어는 직렬 콘솔에서 처리량과 지연 시간을 측정하고, 전력 소비를 평가하며, 구성 레지스터를 검사할 수 있습니다. 개발자는 EVK의 전력 측정 헤더를 사용하여 다양한 통신 상태에서의 전류 소모를 정량화할 수 있어, 저전력 또는 배터리 구동 요구 사항을 충족해야 하는 설계에서 에너지와 성능 간의 절충점을 확인할 수 있습니다.

여러 소프트웨어 리소스를 통해 애플리케이션 개발 간소화 지원

맞춤형 애플리케이션 개발을 위해 IRIS-W10 계열은 오픈 CPU(Open CPU) 운영 모델을 따르며, u-blox는 EVK에서 실행할 수 있도록 설계된 오픈소스 참조 코드로 구성된 Open CPU 리포지토리를 통해 이를 지원합니다. 이 운영 모델에서는 모듈 프로세서를 사용해 NXP의 MCUXpresso 소프트웨어 개발 키트(SDK) 또는 Zephyr 기반의 맞춤형 애플리케이션을 실행할 수 있으며, NXP MCUXpresso IDE, GNU 컴파일러 컬렉션(GCC), IAR의 Embedded Workbench 등 널리 사용되는 통합 개발 환경(IDE)과 툴체인을 통해 개발할 수 있습니다.

NXP SDK는 NXP MCU 기반 애플리케이션 개발을 위한 포괄적인 라이브러리, 연결 스택, 지원 유틸리티, 레퍼런스 코드를 제공합니다. 런타임 환경에서 SDK의 모듈식 아키텍처는 하드웨어 종속 계층과 드라이버를 상위 애플리케이션 논리로부터 분리하는 데 도움을 줍니다.

Open CPU 코드 리포지토리와 SDK에 포함된 샘플 코드를 참조함으로써 개발자는 IoT 응용 제품의 고유한 요구 사항을 지원하는 맞춤형 펌웨어를 빠르게 구현할 수 있습니다. 맞춤형 펌웨어를 로드하기 위해 EVK-IRIS-W1 및 USB-IRIS-W1 평가 키트는 외부 디버거를 통한 펌웨어 플래싱을 지원합니다. 또한 EVK-IRIS-W1 키트 기판은 온보드 디버거를 통해 펌웨어 업데이트를 지원하며, USB-IRIS-W1은 NXP의 MCU 부트로더 호스트 애플리케이션을 사용하여 UART 포트를 통해 펌웨어를 업데이트할 수 있습니다. 지속적인 테스트와 디버깅을 위해 두 키트 모두 온보드 포트를 통해 표준 JTAG 및 SWD 인터페이스를 지원합니다.

모든 모듈 변형에서 하드웨어, 소프트웨어, 인증 자산이 일관되게 유지되므로, 추가 메모리나 통신 프로토콜을 지원하도록 기존 설계를 확장할 때 대규모 설계 재작업이 필요하지 않습니다. 설계가 완료되면 개발자는 동일한 IRIS-W10 모듈과 개발 환경을 사용해 생산 단계로 전환할 수 있습니다. 마지막으로, 모든 IRIS-W10 모듈이 글로벌 인증을 획득했기 때문에, 대상 지역에서의 최종 제품 통합과 규제 문서가 한층 간소화됩니다.

글로벌 인증을 받은 하드웨어, 다목적 SDK, 잘 문서화된 레퍼런스 코드를 결합한 u-blox IRIS-W10 계열 에코시스템은 개발자가 안전한 다중 프로토콜 IoT 장치를 보다 빠르게 배포할 수 있도록 지원합니다.

결론

촉박한 개발 일정 속에서 저전력 소비, 견고한 무선 성능, 글로벌 인증을 달성하면서 IoT 장치의 안전한 다중 프로토콜 연결에 대한 증가하는 수요를 충족하는 것은 여전히 큰 과제입니다. u-blox IRIS-W10 계열은 세계적으로 인증된 모듈 플랫폼 내에 임베디드 처리 기능, 다중 무선 연결, 통합 보안을 결합합니다. 개발자는 IRIS-W10 모듈에 최적화된 하드웨어 평가 키트와 소프트웨어 리소스를 사용하여 안전하고 상호 운용이 가능한 IoT 시스템을 신속하게 평가, 프로토타이핑, 배포할 수 있습니다. 다중 프로토콜 무선 에코시스템이 계속 확장됨에 따라, IRIS-W10 계열은 새로운 표준과 응용 요구 사항에 맞게 조정할 수 있는 확장 가능한 기반을 제공합니다.