견고하고 안전한 Bluetooth 센서 네트워크로 산업 자동화 효율성 향상

사물 인터넷(IoT) 센서 네트워크는 실시간 데이터를 활용하여 산업 자동화, 재생 에너지, 스마트 조명 시스템에서 그 효율성을 높이고 예측 유지보수를 통해 가동 중단 시간을 줄임으로써, 업계에 혁신적인 전환점을 선사했습니다. 그러나 시스템에 점점 더 많은 무선 센서 노드가 장착됨에 따라, 설계자는 구현 및 운영 비용을 최소화하고 네트워크 과밀화를 해결하며 보안을 보장하는 동시에 열악한 환경에서도 이러한 산업용 IoT(IIoT) 네트워크를 안정적으로 확장해야 하는 과제에 직면하게 되었습니다.

이 기사에서는 설계자가 IIoT 네트워크를 확장할 때 직면하는 문제에 대한 개요를 제공합니다. 그런 다음 Bluetooth Low Energy(BLE) 모듈과 Digi의 개발 키트를 소개하고, 이들을 사용하여 이러한 문제를 빠르고 효율적으로 해결할 수 있는 방법을 안내합니다.

무선 IIoT 인프라 확장의 과제

IIoT는 광범위한 응용 분야를 포괄하는데, 데이터 수집을 필수로 하여 이를 통해 효율성과 예측 가능성이 개선되는 분야들입니다. 예를 들어 스마트 조명의 경우, 무선 센서가 주변 조명과 재실 데이터를 수집하여 실시간으로 사용량을 조정함으로써 에너지 및 이와 관련된 비용을 절감합니다.

마찬가지로, 재생 에너지 응용 분야에서는 장거리 IoT 센서 네트워크를 사용하여 태양열, 풍력 등 다양한 에너지원을 모니터링하며, 시스템 상태와 성능을 모니터링하여 문제를 예측하고 전력 공급을 동적으로 조정합니다.

산업 자동화를 사용하는 다른 분야에서와 마찬가지로, 움직이는 부품에서 수집된 데이터는 예측 유지보수를 구현하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 산업 시스템 전체에 수백 개의 무선 센서를 설치한다면, 세분화된 데이터 인사이트를 통해 프로세스를 최적화하고 유지보수 노력을 줄이며 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 그러나 센서 네트워크가 확장됨에 따라, 다음과 같이 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 문제들이 발생합니다.

• 전파 방해: 산업 환경은 모터, 스위치 모드 전원 공급 장치 및 아크 용접 장치에서 발생하는 높은 수준의 전자파 장해(EMI)로 인해 부담이 발생되는 경우가 많습니다. 이 EMI는 신호의 간헐적인 끊김과 데이터 전송률 저하를 초래하여, 효율적인 데이터 전송을 방해할 수 있습니다.
• 네트워크 과밀화: 여러 대의 무선 장치를 서로 가까운 거리에서 작동하는 경우, 네트워크가 포화되어 대기 시간이 길어지고 연결이 끊어져 실시간 모니터링에 방해가 되고 전력 소비가 증가할 수 있습니다.
• 보안: 해킹은 에너지나 물류와 같은 핵심적인 인프라에서 매우 중요한 문제이므로, 센서 네트워크는 강력한 보안을 제공해야 합니다. 그러나 엔드포인트의 수가 증가하면 취약점도 늘어나게 됩니다.

또 다른 과제는 무선 센서를 표준 산업 프로토콜과 통합하는 것입니다. 이러한 통합에는 네트워크 트래픽을 줄이기 위한 데이터 재구성 및 압축이 포함될 수 있습니다. 그러나 이러한 과정은 장치 내 처리를 필요로 하며, 센서와 프로토콜의 수가 늘어남에 따라 비용과 전력 소모가 급격하게 증가할 수 있습니다. 또한 현장의 센서가 많아질수록 고장이나 단순한 배터리 교체 등 예측 불가능한 작업들도 요구되므로, 유지보수 작업은 점점 더 복잡해집니다.

대규모 IIoT를 위한 Bluetooth의 이점

많은 IIoT 무선 프로토콜 중에서 Bluetooth는 센서 네트워크가 확장됨에 따라 나타나는 다양한 문제를 해결할 수 있는 강력한 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 적응형 주파수 호핑(AFH)을 사용하여 전파 방해에 대한 높은 내성을 제공합니다. AFH는 데이터를 작은 패킷으로 분할하여 여러 주파수를 통해 전송하고 수신 측에서 재결합합니다. 손실된 데이터 패킷은 분실 신고 시 다시 전송되어, 안정적인 통신을 보장하고 EMI로 인해 긴 메시지가 손실되는 것을 방지합니다.

네트워크 과밀화를 방지하기 위해, Bluetooth는 연결이 설정되면 수신기를 기준으로 송신 전력 제어를 지원합니다. 이 접근 방식은 AFH와 함께 사용되면 전력을 절약하는 동시에 EMI를 최소화하여 수백 개의 무선 장치가 같은 공간에서 작동할 수 있도록 합니다. 또한 Bluetooth는 강력한 암호화와 탄력적인 인증 프로토콜을 사용하여 보안 취약성을 완화합니다.

IIoT 배포에서, 대규모 Bluetooth 센서 네트워크는 주로 여러 장치와 페어링하도록 설계된 게이트웨이를 통해 통신합니다. 개발자는 Bluetooth를 중심으로 센서 노드를 구축함으로써, 스마트폰 및 태블릿과의 원활한 상호 운용성을 제공하여 설정 및 진단 작업을 간소화하여 유지관리 효율성을 개선할 수 있습니다.

그러나 무선 네트워크가 IIoT에 적합하기 위해서는 열악한 배포 조건을 안정적으로 견뎌야 하고 저전력, 비용 효율적이며 유지 관리가 쉬워야 합니다.

IIoT 네트워크에 산업용 등급 BLE 모듈 활용하기

Digi의 XBee 3 BLU BLE 5.4 모듈 및 개발 키트는 설계자에게 무선 IIoT 네트워크를 배포하기 위한 빠르고 간단한 경로를 제공합니다. 이 모듈은 -40°C ~ +85°C의 산업 등급 온도 허용 오차 범위와 유휴 및 절전 작동 모드의 사용을 통해 신뢰성과 전력 요구 사항을 충족합니다. 각각 7.5mA 및 8µA의 전류 소모량을 가진 XBee 3 BLU 장치는 접근이 힘든 위치에서 장기간 원격 센서 설치를 지원할 수 있으므로, 배터리 교체를 위해 정기적으로 액세스할 필요 없이 중요한 인사이트를 얻을 수 있습니다.

기타 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 복잡한 기계로부터의 상세한 인사이트를 위한 최대 2Mbits/s의 데이터 전송률
• 고품질 통신을 위해 최대 송신 전력은 1밀리와트 기준 +8dBm으로 설정되며, 실내에서는 15미터까지, 실외에서는 직선 가시거리 조건에서 300미터까지 고품질 통신이 가능함
• 다양한 장비 및 센서 인터페이스와의 유연한 통합을 위한 13개의 디지털 I/O 및 4개의 10비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 입력
• 유연한 전력 옵션을 위한 1.71V ~ 3.8V 공급 장치
• 보안 부팅, 보호형 하드웨어 포트 및 장치 인증을 포함하여 장치와 네트워크를 보호하기 위한 Digi TrustFence Security
• 장치 내 데이터 처리 및 의사 결정 시스템의 신속한 개발을 위한 고급 MicroPython 프로그래밍 기능
• 북미(FCC, IC) 및 유럽(ETSI)의 규제 승인 완료

XBee 3 BLU 모듈 옵션 살펴보기

Digi는 다양한 설계 요구 사항과 센서 폼 팩터에 적합한 여러 XBee 3 BLU 모델을 제공합니다. XB3-24B5UM-J(그림 1)는 외부 안테나 연결을 위한 U.FL 커넥터를 갖춘 표면 실장 솔루션입니다. 칩 및 RF 패드 안테나 옵션이 포함된 유사한 모델들도 제공됩니다.

그림 1: XB3-24B5UM-J는 산업 환경에서의 강력한 BLE 통신을 위한 저높이 솔루션을 제공합니다(이미지 출처: Digi).

13mm × 19mm × 2mm 크기의 이 폼 팩터는 스마트 조명 기구와 같은 고집적 산업 환경을 위해 설계된 저높이 센서에 매우 적합합니다. 인쇄 회로 기판(PC 기판)에 직접 납땜하면 공장 조립 라인과 같은 열악한 환경에서도 센서의 내구성과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

이에 대한 대안으로, XB3-24B5PT-J(그림 2)는 XBee 3 BLU 모듈의 스루홀 변형입니다. 이 폼 팩터에는 U.FL 옵션이 있는 PC 기판 추적 안테나가 있습니다.

그림 2: XB3-24B5PT-J는 스루홀 모듈로, 다양한 무선 프로토콜을 지원하는 대체 XBee 모듈로 쉽게 교체할 수 있어 설계의 유연성이 향상됩니다(이미지 출처: Digi).

이 스루홀 폼 팩터는 24.38mm × 27.61mm의 큰 실장 면적에도 불구하고 다양한 기타 응용 분야를 위한 IoT 센서를 설계하는 개발자에게 장점을 제공합니다. 범용 캐리어 기판에 헤더를 설치하면, 동일한 센서 설계가 더 넓은 XBee 생태계의 다른 모듈로 교체됨으로써 서로 다른 무선 프로토콜에서도 사용할 수 있습니다. 이를 통해 개발자의 설계 노력이 줄어들고 IIoT 인프라에 유연성이 더해집니다.

XBee 개발 키트로 BLE 기반 IIoT 시스템 개발 간소화

설계자는 프로젝트 구현을 가속화하기 위해 XK3-B5M-WBT XBee 3 BLU 개발 키트로 시작할 수 있습니다(그림 3). 이 제품은 XBIB 인터페이스 기판과 주요 주변 장치를 갖추고 있어 즉각적인 무선 센서 시제품 제작을 지원하며 다음을 포함합니다.

• 전류 모니터링 헤더
• 온도/습도 센서
• 타사 센서용 그로브 커넥터
• 프로그래밍 가능한 사용자 버튼
• USB 또는 배터리 전력 옵션

그림 3: XK3-B5M-WBT 개발 키트는 BLE 기반 IIoT 센서 네트워크를 개발하기 위한 최적의 솔루션입니다(이미지 출처: Digi).

이 키트는 Digi XBee Studio에 대한 액세스도 제공합니다. 이 무료 멀티 플랫폼 애플리케이션은 완전한 BLE 5.4 소프트웨어 스택과 추가 문서 및 예제를 포함한 광범위한 개발 도구를 통해 시장 출시 기간을 단축할 수 있도록 해 줍니다. 간단한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(그림 4)를 통해 여러 XBee 장치를 단계별로 쉽게 구성하고 동시에 관리할 수 있습니다.

그림 4: XBee Studio는 XBee IIoT 노드의 개발 및 테스트를 가속화하도록 설계된 포괄적인 소프트웨어 환경입니다(이미지 출처: Digi).

XBee Studio와 함께 Digi XBee 모바일 앱을 사용하면, 현장에서 직접 문제를 해결할 수 있도록 로컬 구성 및 무선(OTA) 펌웨어 업데이트를 수행할 수 있습니다. Digi Mobile SDK는 iOS 및 Android 시스템용 앱 개발을 지원함으로써, 개발자가 XBee 기반 센서 네트워크와의 최종 사용자 상호 작용을 간소화하여 보다 쉽고 효율적으로 장치를 관리할 수 있도록 합니다.

결론

개발자가 데이터 수집을 위한 대규모 IIoT 센서 네트워크를 설계하는 경우, 전파 장해, 보안, 통합 및 유지관리와 관련된 여러 문제에 직면할 수 있습니다. Digi XBee 3 BLU 모듈은 데이터 관리를 간소화하는 내장형 에지 컴퓨팅 기능을 포함하는 저전력, 산업용 등급 BLE 솔루션을 제공합니다. 유연한 통합 옵션과 완전한 개발 리소스를 갖춘 이 모듈은 고급 센서 네트워크 시스템을 빠르고 효율적으로 구축하고 확장할 수 있는 안정적인 플랫폼을 제공합니다.