메시 네트워킹을 사물 인터넷에 연결하는 Bluetooth®

메시 네트워킹은 사물 인터넷(IoT)의 핵심 아키텍처입니다. IEEE804.15 ZigBee와 같은 표준은 산업 자동화에서의 성공과 함께 지난 20년 동안 메시 네트워킹을 구현해 왔습니다. 즉, 네트워크의 각 노드에서 데이터를 받아서 인접 노드에 전달할 수 있으므로 단지 새 노드를 추가하는 방법으로 네트워크를 보다 쉽게 확장할 수 있습니다. 이는 추가 게이트웨이 장치 또는 액세스 포인트를 사용해야 하는 경우(주파수 충돌을 방지하기 위해 더 포괄적인 계획이 필요할 수 있음)보다 비용 효율적이고 쉬운 방법입니다.

그에 비해 Bluetooth^®는 본질적으로 단자(예: 스마트폰) 또는 액세스 포인트(예: iBeacon 또는 Eddystone)에 연결하는 P2P 연결입니다. 따라서, 스마트폰에 다시 연결하고 그 스마트폰에서 넓은 인터넷으로 연결하는 방식으로 웨어러블 기술에서 대단히 성공적이었습니다. 이로 인해 점차적으로 인터넷에 직접 연결하고 메시 네트워킹에 대한 수요를 촉진하는 광범위한 응용 분야에서 Bluetooth 기술을 사용할 수 있게 되었습니다.

그림 1: 가장 가까이에 있는 노드 간에 연결을 제공함으로써 메시 네트워크에서 Bluetooth 장치의 범위를 각 방으로 쉽게 확장 가능

Bluetooth Smart 4.0 이상의 최신 버전에서는 전력 소비와 설정 시간이 획기적으로 감소되고 데이터 전송률이 향상되었습니다. 이는 메시 네트워크의 영향이며, 네트워크의 각 추가 단계에서 데이터 전송률이 2배로 빨라졌습니다.

그러나 Cambridge Silicon Radio와 같은 일부 Bluetooth 전문가들은 Bluetooth를 사용하여 자신만의 메시 네트워킹 버전을 작업하고 있습니다. CSRmesh는 Bluetooth 저에너지 장치를 위한 소프트웨어 오버레이로서, 이러한 장치가 메시지를 수신하고 이에 따라 작동할 뿐만 아니라 수신된 메시지를 주변 장치에 계속 전달하도록 합니다. 이런 방식으로 Bluetooth Smart의 범위가 확장되고 IoT에 간단한 임시 메시 네트워크가 제공됩니다.

CSRmesh는 한국의 SK Telecom을 통해 최초로 배포될 예정입니다. SK Telecom은 소매 환경에서 Bluetooth Smart 비콘으로서 역할을 수행하는 세계 최초의 스마트 LED 전구를 개발했습니다. 이를 통해 상점 내에서 거의 무제한의 스마트 전구를 간편하게 제어하고 네트워크로 연결할 수 있을 뿐만 아니라, 스마트폰 사용자를 대상으로 위치 기반 특가를 제공할 수도 있습니다.

그림 2: 지능형 조명 제어 응용 분야를 위한 CSRmesh 개발 기판

현재 매장 내 비콘 시스템의 경우 매장 주위에 많은 무선 센서를 설치해야 합니다. 이는 많은 비용과 시간이 들고 지속적인 유지 관리가 필요한 공정입니다. CSRmesh 접근법을 사용하면 건물의 인프라를 점검할 필요 없이 비콘 시스템을 제공할 수 있습니다. LED 스마트 비콘을 사용하면 매장 전체에 고르게 분포된 건물의 기존 조명 기구를 통해 전체 범위를 망라할 수 있습니다. 또한 LED 비콘은 영구적 주 전원 공급 장치를 사용하므로 더 이상 서비스 공급업체에서 수많은 배터리 구동식 장치를 관리할 필요가 없습니다.

이 시스템은 기존 조명 기구에 맞는 LED 전구를 사용하며 메시 내의 각 전구가 이웃하는 전구와 통신합니다. 스마트 전구는 비콘 기능을 지원하는 CSR1010 칩셋 및 CSRmesh v1.2 프로토콜 계층과 iOS 및 Android 모바일 지원을 기반으로 하여 사전 인증된 모듈이 장착되어 있습니다.

CSRmesh 개발 기판(그림 2)은 설계자가 표준 Bluetooth 소프트웨어를 기반으로 하여 메시 프로토콜을 구현할 수 있도록 지원합니다. 이제 Bluetooth Smart 제품의 네트워킹 시제품을 빠르게 제작하여 메시 구현 기능을 테스트하려는 제품 설계자를 위한 간소화된 플랫폼을 통해 여러 Bluetooth Smart 장치에서 메시지를 전달할 수 있습니다.

이를 위해 키트에는 개발 기판, CSR xIDE 소프트웨어 개발 환경, USB 프로그래밍 장치 및 인터페이스 케이블, 개발 기판을 위한 예제 CSRmesh 애플리케이션, 예제 호스트 애플리케이션, Android 및 Apple iOS 스마트폰을 위한 소스 코드를 비롯하여 평가 및 소프트웨어 개발을 위한 전체 도구 세트가 제공됩니다.

개발 기판은 일반적으로 두 개의 AA 배터리로 구동되지만 호스트 USB 연결을 통해 실행될 수도 있습니다. 또한 큰 네트워크를 구축하는 데도 손쉽게 사용될 수 있습니다.

이 모두는 메시 기반 스마트 조명 비콘을 지원하는 경기장과 같이 넓은 공간에서 수많은 Bluetooth Smart 사용 비콘을 관리하는 문제를 해결하기 위한 과정의 일부입니다.

또 다른 칩 제조업체인 Nordic Semiconductor에서도 초저전력 Bluetooth Smart 장치에서 메시 네트워킹을 사용하여 저가형의 완벽한 ULP 무선 메시 네트워킹 솔루션을 대상 IoT 응용 분야에 제공하기 위해 노력하고 있습니다.

Wirepas Pino는 Wirepas가 Nordic의 nRF51822 Bluetooth 칩에서 작동하도록 개발한 전자동, 자가 최적화, 다중 홉 메시 네트워킹 프로토콜 스택입니다. Wirepas Pino는 지속적인 자가 최적화로 노드 간 네트워크 데이터 트래픽의 균형을 유지하고 작동 환경의 변화(예: RF 간섭 발생)에 맞게 조절되는 네트워크 토폴로지를 통해 높은 노드 밀도와 이론적으로 무제한적인 네트워크 크기(노드 수)를 지원합니다.

그러므로, 한 노드가 실패할 경우 주변의 다른 노드를 통해 통신을 다시 라우팅하여 네트워크가 자동으로 '복구'되므로 네트워크 신뢰성이 크게 향상됩니다. 또한 새 노드를 추가하면 네트워크가 자동적으로 계속 재구성되어 최적의 네트워크 성능을 유지하므로 모든 노드에 대해 네트워크 효율성이 향상되고 전력이 절감됩니다.

그림 3: 핀란드 신생 기업 Wirepas의 대형 건물에서 Bluetooth를 연결하는 무선 메시 네트워킹

이러한 모든 관심에 힘입어 Bluetooth Special Interest Group(SIG)은 메시 네트워킹을 Bluetooth 사양에 통합하여 이러한 유형의 기능을 표준으로 제공함으로써 모든 Bluetooth 인증 장치를 메시 네트워크에 추가할 수 있도록 했습니다. Bluetooth Smart 센서가 가정으로 확산됨에 따라, 메시 네트워킹은 소비자의 Bluetooth 지원 스마트 잠금 장치, 조명, HVAC 시스템, 소비자 가전을 연동시켜 완벽하고 스마트한 가정 환경을 제공하는 데 필수적인 부품이 될 것입니다.

Bluetooth Smart Mesh Working Group은 Bluetooth Smart 기술을 지원하는 표준화된 메시 네트워킹 기능을 위한 아키텍처를 구축하고 있습니다. 이러한 움직임이 널리 퍼지면서 최고의 SIG 실무 그룹 중 80개 이상의 회원사가 이미 그룹에서 자발적으로 일하고 있습니다.

이 그룹은 자동차, 휴대 전화/모바일, 산업 자동화, 가정 자동화, 소비자 가전, 컴퓨팅 등 광범위한 산업의 기업들을 통합합니다. 하나의 특정 사용 사례에 주력하는 것이 아니라 모든 회원사가 개발할 수 있는 공통 플랫폼을 구축하는 것이 그룹의 목적입니다. 따라서 조명, HVAC 제어, 자산 추적, 보안을 비롯하여 메시를 활용할 수 있는 다양한 사용자 시나리오를 평가하고 있습니다.

이러한 기능을 쉽게 구현하는 한 가지 방법은 BLE113(Silicon Labs)과 같은 모듈을 사용하는 것입니다. 이 모듈은 소형 저전력 센서 및 부속품을 대상으로 하며, 무선 통신 트랜시버, 소프트웨어 스택 및 프로파일부터 배터리 관리, 단극 칩 안테나까지 Bluetooth Smart 응용 분야에 필요한 모든 기능을 통합합니다. 이로써 이 모듈의 유연한 하드웨어 인터페이스를 통해 기존 설계에 쉽게 포함하고 해당 설계에서 메시 네트워크에 쉽게 액세스할 수 있습니다. 표준 3V 동전형 전지 배터리 또는 AAA 배터리 쌍으로 모듈에 직접 전력을 구동할 수 있습니다. 이 모듈은 초저 전력 절전 모드에서 500nA만 소비하며 수백 마이크로초 내에 절전을 해제합니다.

그림 4: Silicon Labs의 BLE113 Bluetooth 모듈

메시 접근법의 장점 중 하나는 사용자에게 Bluetooth가 거의 보이지 않게 할 수 있다는 것입니다. 설계가 더욱 긴밀하게 통합되어 Bluetooth Smart 트랜시버(예: Dialog Semiconductor의 DA14580)를 장비에 내장하고 메시 내 다른 인접 노드에 자동으로 연결할 수 있습니다. 이로써 스마트 홈 및 IoT 응용 제품을 매우 쉽게 설정하여 실행할 수 있습니다.

DA14580은 Bluetooth Smart 4.1을 위한 완벽하게 통합된 무선 통신 트랜시버 및 기저대역 프로세서를 제공하며 독립형 응용 프로세서 또는 호스트된 시스템의 데이터 펌프로 사용 가능합니다. 이 트랜시버는 Bluetooth 프로파일 및 맞춤형 응용 코드를 저장할 수 있는 유연한 메모리 아키텍처를 지원합니다. 이 메모리 아키텍처는 무선으로(OTA) 업데이트할 수 있으므로 차후에 메시 프로토콜을 구현할 수 있습니다. 인증된 Bluetooth Smart 프로토콜 스택은 전용 ROM에 저장되고 모든 소프트웨어가 단순 스케줄러를 통해 16MHz ARM Cortex-M0 프로세서에서 실행됩니다. 이 장치는 설계에 문제를 일으키지 않고 조립되도록 저전력의 소형 크기로 최적화되었습니다.

Bluetooth Smart 펌웨어에는 L2CAP 서비스 레이어 프로토콜, 보안 관리자(SM), 속성 프로토콜(ATT), 일반 속성 프로파일(GATT), 일반 액세스 프로파일(GAP) 및 맞춤형 프로파일이 포함되어 있으며, 메시 구현이 포함될 수 있습니다.

IoT에서 Bluetooth 기술에 대한 가치 제안은 타의 추종을 불허하며, 오늘날 IoT를 지원하는 이 최저가의 가장 광범위하게 사용되는 무선 솔루션은 최저 전력을 소비한다고 SIG는 말합니다. 가장 중요한 사항은 Bluetooth 사양에 메시 네트워킹을 적용함으로써 이 기술을 완전히 새로운 시장 부문으로 확장할 수 있다는 것입니다.

Smart Mesh Working Group은 2015년 후반에 시제품 테스트를 위한 사양 준비를 마칠 것으로 예상하고 있으며, SIG는 2016년에 프로파일을 공식적으로 채택할 수 있기를 기대하고 있습니다.