Bluetooth 메시를 사용하여 Bluetooth 저에너지 스마트 응용 제품 설계 - 1부

편집자 메모: 2부로 구성된 이 시리즈의 1부에서는 Bluetooth 메시 1.0 프로토콜의 아키텍처와 기능을 자세히 설명합니다. 이 프로토콜은 Bluetooth 저에너지 펌웨어에 대한 보완 스택으로 도입되었으며, 처음으로 Bluetooth 저에너지에 개방 표준 메시 네트워킹을 제공합니다. 또한 이 기사에서는 Bluetooth 메시의 장단점을 자세히 설명하므로, 설계자가 다른 저전력 무선 기술 대안과 비교하여 Bluetooth 메시가 해당 무선 응용 분야에 적합한지를 판단할 수 있습니다. 2부에서는 DigiKey의 파트너 제조업체에서 제공하는 IC 및 개발 키트를 사용하여 Bluetooth 메시를 Bluetooth 저에너지 설계에 통합하는 방법을 설명합니다.

메시 네트워킹은 범위 제한을 받지 않고 확장성이 용이하며 견고하게 구축되므로 스마트 홈 및 스마트 산업 응용 분야를 대상으로 하는 저전력 무선 기술의 핵심 요구 사항입니다. 하지만 Bluetooth 저에너지를 이용하려는 설계자는 최근까지 메시 네트워킹에 대한 지원 부족에 불만을 느껴왔습니다.

이러한 지원 부족으로 인해 설계자는 스마트 홈 응용 분야에 Bluetooth 저에너지가 매우 적합하며 폭넓게 지원받을 수 있는데도 불구하고 Zigbee 및 Thread와 같은 다른 기술을 사용해야 했습니다. DigiKey 기사 '저전력 무선 기술 비교'를 참조하세요.

이제 Bluetooth SIG는 보완 사양 Bluetooth 메시 1.0의 도입으로 이러한 단점을 해결했습니다. 이 사양은 추가 하드웨어가 필요하지 않으며, 모든 Bluetooth 저에너지 칩(v4.0, 4.1, 4.2, 5)에서 실행할 수 있습니다. 일부 업체는 이미 이 사양의 고유한 펌웨어 구현 및 연관된 개발 도구를 통해 Bluetooth 메시 1.0을 지원하고 있습니다.

하지만 새로운 사양을 채택한 메시 네트워크 설계에 착수하기 전에 설계자는 Bluetooth SIG의 메시 구현이 대체 기술과 어떻게 다른지 잘 알아야 합니다. 그 예로 단순성, 전력 소비, 유연성과 관련한 절충점을 들 수 있는데, 이러한 차이가 설계 선택 및 공정에 영향을 미치기 때문입니다.

이 기사에서는 사양을 다루며 설계자를 위한 Bluetooth 메시 아키텍처를 설명합니다. 또한 작동 특성을 설명하고, 스마트 조명과 같은 스마트 홈 및 스마트 응용 분야를 지원하는 방법을 설명합니다. 마지막으로 몇 가지 적합한 Bluetooth 메시 설계 도구와 지원 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 소개합니다.

메시 네트워킹의 장점

Bluetooth 저에너지는 무선 기술을 일반 배터리 용량을 가진 주변 장치로 확장하여 '클래식' Bluetooth를 보완하기 위해 처음 설계되었습니다. 주변 장치의 예로는 심박수 벨트와 같은 스포츠 센서 또는 무선 제어 장난감을 들 수 있습니다. 각 주변 장치는 독립적 채널을 통해 스마트폰과 같이 별형 네트워크 토폴로지를 형성하는 중앙 감시 장치와 통신합니다.

부분적으로 스마트폰과의 상호 운용성으로 인해, Bluetooth 저에너지는 조명 제어와 같은 응용 분야를 위한 스마트 홈을 포함하여 다른 분야로 빠르게 확장되었습니다. 이러한 유형의 응용 분야에서 별형 네트워크의 단점이 곧 명백하게 드러났습니다.

예를 들면, Bluetooth 저에너지 솔루션은 동시에 사용할 수 있는 연결 수가 제한되어 있습니다(일반적으로 8개). 제한된 수보다 더 많은 전구로 조명을 설치하면 단일 명령으로 제어할 수 없으며, 대기 시간이 발생합니다. 또 넓은 집에서는 먼 곳에 있는 전구가 중앙 컨트롤러의 범위를 벗어날 수 있습니다.

메시 네트워크에서는 개별 주변 장치와 통신하는 중앙 장치 대신, 여러 노드를 연결하는 양방향 채널에서 호핑하여 네트워크의 한 지점에서 다른 지점으로 메시지가 전달됩니다. 이러한 방식으로 메시 네트워킹은 수십 개의 연결된 장치를 동시에 제어할 수 있고, 범위 제한을 극복하며, 중복해서 구축할 수 있으므로 중요한 장점을 제공합니다(그림 1).

그림 1: 메시 네트워크 토폴로지. 여러 노드를 연결하는 양방향 채널에서 호핑하여 메시지를 네트워크의 한 지점에서 다른 지점으로 전달할 수 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

Bluetooth 메시 스택

Bluetooth 저에너지는 Bluetooth 코어 사양 버전 4.0의 일부로 도입된 이후 버전 4.1, 4.2, 5를 통해 수정되었습니다. Bluetooth 5에서는 범위, 처리량, 동보 통신 및 공존 개선 사항이 도입되었습니다. DigiKey 기사 'Bluetooth 4.1, 4.2, 5 호환 Bluetooth 저에너지 SoC 및 도구로 IoT 문제 해결'을 참조하세요.

최신 제품 소개에서 Bluetooth 메시 1.0이 Bluetooth 5에 대한 업그레이드만 형성한다고 가정될 수도 있지만 실제로는 그렇지 않습니다. 기존(4.0, 4.1, 4.2, 5)의 모든 Bluetooth 저에너지 칩은 펌웨어 업그레이드만으로도 Bluetooth 메시를 실행하도록 수정될 수 있으므로, 현장 설치를 통해 새로운 기술을 이용할 수 있습니다.

이러한 하위 호환성의 핵심은 Bluetooth 메시가 Bluetooth 저에너지 스택의 필수 요소가 아니라, 7개 층으로 구성된 별도의 새로운 엔티티라는 사실에서 기인한 것입니다(그림 2).

그림 2: Bluetooth 메시는 Bluetooth 저에너지 프로토콜을 구현한 7개 층 스택으로 구성되어 있습니다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

Bluetooth 메시 노드가 메시지를 수신하면 전달자 층을 통해 해당 메시지를 기존 Bluetooth 저에너지 스택에서 네트워크 층으로 전달합니다. 네트워크 층은 다양한 검사를 적용하여 메시지를 전송 층에 전달할지 아니면 취소할지를 결정합니다.

참고로, Bluetooth 메시 사양은 Bluetooth 저에너지 호스트 층과 몇 가지 개념을 공유하는 완전히 새로운 호스트 층을 정의하지만 이 호스트 층과 호환되지는 않습니다. 이 호스트 층은 처음부터 메시 네트워킹을 포함하도록 설계된 Zigbee 및 Thread와 같은 경쟁업체 기술과 다릅니다(그림 3).

그림 3: Bluetooth 저에너지 프로토콜(어두운 파란색) 내의 Bluetooth 메시 스택(밝은 파란색) 배열 Bluetooth 메시 사양은 Bluetooth 저에너지 호스트 층과 몇 가지 개념을 공유하는 완전히 새로운 호스트 층을 정의하지만 이 호스트 층과 호환되지는 않습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Bluetooth 메시 노드

Bluetooth 메시는 네 가지 유형의 네트워크 노드를 사용합니다.

계전기 노드는 네트워크를 통해 패킷을 받고 전달합니다. 계전기 노드는 지속적으로 알림을 유지해야 하므로 전력 소비가 크게 늘어나는 단점이 있습니다. 이런 단점은 스마트 조명과 같은 본선 전력 응용 분야에서는 문제가 되지 않지만, 네트워크에 통합되는 스위치와 같은 본선 이외의 전력 노드에서는 문제가 됩니다.

저전력 노드(LPN)는 Bluetooth 저에너지의 표준 절전 특성을 채택하므로(예: 오랜 기간 절전 상태 유지) 배터리나 에너지 수확으로 오랫동안 작동할 수 있습니다. 각 LPN은 본선 전력 친구(Friend) 노드에 연결되어 있습니다. 이 노드는 계속 깨어 있으며 LPN으로 보내진 모든 메시지를 캐시합니다. LPN이 미리 정의된 일정에 따라 수신 모드로 전환되면 캐시된 메시지를 받고, 지침에 따라 작동하며, 절전 모드로 돌아갑니다.

프록시 노드는 Bluetooth 메시 스택을 포함하지 않는 장치가 Bluetooth 메시 네트워크에 연결할 수 있도록 합니다. 이 기능은 예를 들어, 소비자가 기존 스마트폰을 사용하여 스마트 조명 네트워크를 제어하려는 경우에 유용합니다. 상호 작용은 노드와 장치의 일반 속성 프로파일(GATT) 인터페이스를 통해 수행됩니다(그림 4).

그림 4: 4가지 노드 유형을 사용하는 Bluetooth 메시 이 이미지에서 맨 왼쪽에 있는 전구를 제외한 모든 전구와 스위치는 본선 전력 계전기 노드입니다. (이미지 출처: Ericsson)

온도 센서는 배터리 구동식 LPN으로, 맨 왼쪽에 있는 전구에서 형성된 본선 전력 친구 노드에서 정기적으로 메시지를 받습니다. 스마트폰은 Bluetooth 메시 스택이 아니라 Bluetooth 저에너지 스택의 GATT 인터페이스를 사용하여 프록시 노드를 형성합니다.

새 노드가 루틴 메시 작업에 참여하려면 프로비저너(Provisioner)에서 프로비저닝되어야 합니다. 프로비저너는 네트워크에 있는 모든 노드에 액세스할 수 있는 신뢰할 수 있는 장치입니다. 새 노드에는 네트워크 및 장치 키와 함께 주소가 지정됩니다. 프로비전 후, 이 장치 키는 새 노드를 구성할 보안 채널을 설정하는 데 사용됩니다. Bluetooth 메시는 최대 32,000개 노드를 지원할 수 있습니다.

Bluetooth 메시 아키텍처

Bluetooth 메시는 ‘플러딩’ 기법을 사용하여 네트워크를 통해 메시지를 보냅니다. 모든 패킷은 대상에 도착할 때까지 네트워크의 모든 노드에 전달됩니다. 단일 노드, 노드 그룹 또는 모든 노드를 메시지 대상으로 지정할 수 있습니다.

노드 그룹 대상은 네트워크 요소를 정의한 그룹 주소를 사용하여(예: 한 방에 있는 조명) 지정합니다. 또한 이 사양은 4개의 고정 그룹 주소(All-proxies, All-friends, All-relays, All-nodes)를 정의하여 노드 유형 대상을 구체적으로 지정합니다. 참고로, LPN은 친구 노드에 대한 의존성 때문에 주소를 구체적으로 지정할 수 없습니다.

플러딩 메시 아키텍처와 그룹 주소 지정 선택은 스마트 홈 응용 분야에 대한 Bluetooth 메시의 적합성을 뒷받침합니다. 예를 들어, 플러딩 메시를 사용하면 스위치에서 'ON' 명령을 사용하여 명령을 수신하고 그에 따라 작동하는 모든 노드를 통해 스마트 조명 네트워크에 빠르게 전파할 수 있습니다. 대상 그룹의 조명은 거의 동시에 켜집니다. 네트워크에서 최소 대기 시간은 중앙 장치에서 연결된 각 조명에 개별 명령을 전송해야 하는 별형 네트워크의 최소 대기 시간보다 훨씬 짧습니다.

일반 작업에서 Bluetooth 저에너지의 어드버타이징 채널은 Bluetooth 장치의 존재를 알리고, 통신하려는 다른 장치를 검색하는 데 사용됩니다. 장치가 쌍으로 연결되면 37개의 전체 대역폭 채널 중 하나로 통신이 이동하여 처리 속도가 가속화됩니다.

반면 Bluetooth 메시는 노드가 연결되면 전체 대역폭 채널로 이동하지 않고 어드버타이징 채널을 이용하여 정보를 계속 전송하여 단순성을 유지하고 대기 시간을 줄입니다.

이 방식의 단점은 처리량이 제한된 세 개의 주파수가 모든 트래픽을 처리하므로 네트워크 대역폭이 감소하고 정체 위험이 있다는 것입니다. 정체를 처리하는 데 다음 두 메커니즘이 사용됩니다. 첫 번째 메커니즘은 특정 패킷을 전달할 수 있는 횟수를 정의하는 TTL('Time-To-Live') 카운터입니다(일반적인 값은 3단계). 두 번째 메커니즘은 메시 주변을 완전히 순환한 패킷을 캡처하는 패킷 캐시로, 이 시점에서는 추가 전송이 불필요하다고 가정합니다.

개발자는 노드가 패킷을 수신할 수는 있지만 전달할 수는 없는 계전기 기능을 유지하는 옵션 대역폭을 사용할 수 있습니다. 단점은 유연성이 없다는 것입니다.

Bluetooth 메시: 프로파일 대신 모델

Bluetooth 메시는 여러 이용 사례에서 일반 정보 구조를 공유할 수 있도록 하는 GATT 프로파일을 사용하여 Bluetooth 기술의 아키텍처를 따릅니다. 하지만 Bluetooth 메시 스택에서는 이러한 프로파일을 모델이라고 합니다.

모델은 특정 동작이나 서비스를 나타내며, 이러한 상태에서 작동하는 일련의 상태 및 메시지를 정의합니다. 표준 모델은 장치 구성, 센서 판독, 조명 제어와 같은 일반 사용 시나리오를 다룹니다. 업체에서 맞춤형 모델을 생성할 수도 있습니다.

한 노드에 포함된 모델은 요소로 배열됩니다. 각 요소는 메시에서 고유한 주소를 가진 가상 엔티티 역할을 합니다. 수신하는 각 메시지는 요소의 모델에 의해 처리됩니다(그림 5).

그림 5: 요소에 그룹화된 모델을 통합한 각 네트워크 노드. 각 요소마다 고유한 주소가 있으며, 요소의 모델이 수신 메시지를 처리합니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

모델은 '발행 및 구독' 시스템을 통해 서로 통신합니다. 발행은 메시지를 보내는 것이며, 노드는 처리를 위해 특정 주소로 전송된 메시지를 구독하도록 구성됩니다.

그림 6에서 맨 왼쪽에 있는 조명 스위치(스위치 1)는 부엌 그룹 주소로 메시지를 발행합니다. 조명 1, 조명 2, 조명 3 노드는 부엌 주소를 구독하므로 이 주소로 발행된 메시지(예: 'on' 및 'off' 명령)를 수신 및 처리하고 이에 따라 작동합니다. 참고로, 조명 3은 거실 주소도 구독하므로 스위치 1과 스위치 2에서 작동할 수 있습니다.

그림 6: 발행 및 구독 시스템을 통해 서로 통신하는 모델. 한 모델이 둘 이상의 발행자를 구독할 수 있습니다. (이미지 출처: Bluetooth SIG)

참고로, 모델은 관련된 주체입니다. 참고 자료 1에서 이 기사에 요약된 내용 이외의 세부 사항을 참조하세요.  

Bluetooth 메시를 사용하여 설계

일부 Bluetooth 저에너지 업체들은 표준 준수 Bluetooth 메시 스택을 도입했습니다. Bluetooth 메시는 설정된 Bluetooth 저에너지 프로토콜을 보완하므로 개발자가 Bluetooth 메시를 이용하기 위해 완성되고 입증된 Bluetooth 저에너지 스택을 새로운 스택으로 교체할 필요가 없습니다. 또한 Bluetooth 메시 펌웨어는 개발자가 수많은 새로운 코드를 작성하지 않아도 이 기술의 모든 기능을 새로운 설계나 기존 설계로 가져올 수 있습니다.

예를 들면, Nordic Semiconductor는 최근에 메시용 nRF5 SDK를 해당 개발 키트 라인업에 추가했습니다. 소프트웨어 개발 키트는 엄선된 드라이버, 라이브러리 및 예제를 포함하고 있으며, 여러 통합 개발 환경(IDE) 및 컴파일러(예: CMake 및 SEGGER Embedded Studio)에서 실행하도록 설계되었습니다.

컴파일된 코드는 이 회사의 nRF52832 실리콘을 기반으로 한 nRF52 DK 개발 키트에서 실행됩니다.

Nordic의 설명서에는 Bluetooth 메시 스택을 컴파일하는 방법, 메시를 지원하는 방법, 네트워크를 구축하는 방법 및 새 모델을 작성하는 방법에 대한 명확한 지침과 함께 메시 네트워크를 개발하는 방법이 자세히 설명되어 있습니다.

아래 그림 7에서는 메시용 nRF5 SDK를 사용하여 새 장치(전구)를 프로비저닝하고 구성했습니다. 이 그림에서 전구는 가입할 네트워크를 찾고 있다는 신호를 프로비저너에 보냅니다. 프로비저너는 전구의 신호를 확인하고 네트워크에 가입하도록 초청합니다. 인증에 성공하면 네트워크에 가입하고 구성하는 데 필요한 키와 주소가 장치에 제공됩니다. 그런 다음 '홈 자동화' 애플리케이션 키가 전구에 제공됩니다. 전구를 제어하는 'OnOff Server'의 발행 상태가 설정되고, 마지막으로 '조명 그룹'에 대한 구독이 추가됩니다.

그림 7: Nordic Semiconductor의 메시용 nRF5 SDK를 사용하여 메시 네트워크에 전구 프로비저닝 및 구성. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Silicon Labs는 또한 Bluetooth 메시와 함께 EFR32 Blue Gecko Bluetooth 시험용 키트를 제공합니다. 프로토타입 메시 네트워크를 구축할 경우 3개 ~ 4개의 키트를 구매할 것을 권장합니다. 이 키트는 Silicon Labs의  EFR32MG1 Bluetooth 저에너지 SoC를 기반으로 합니다. 개발자는 하드웨어 외에도, Bluetooth SDK와  Bluetooth 메시 SDK가 필요하며 둘 모두 회사 웹 사이트에서 다운로드할 수 있습니다.

Silicon Labs의 Bluetooth 메시 기술을 시작하고 실행하려면 Simplicity Studio IDE가 필요합니다. 개발 도구에는 사전 컴파일된 데모, 응용 참고 사항 및 예가 포함되어 있습니다. 스마트폰 애플리케이션에서 Android 앱을 사용하여 Bluetooth 메시 노드를 제공, 구성, 제어할 수 있습니다.

STMicroelectronics는 자사의 BlueNRG-2 Bluetooth 저에너지 SoCs를 기반으로 하는 네트워크 장치를 개발할 수 있도록 하는 SDK를 통해 Nordic Semiconductor 및 Silicon Labs와 비슷한 방식을 채택했습니다.

결론

Bluetooth 메시는 메시 네트워킹을 Bluetooth 저에너지에 적용하여, 스마트 홈 응용 분야에 전용 메시 펌웨어를 사용할 필요가 없도록 합니다.

이 기술로 인해 전력 소비가 다소 늘어나고 유연성이 향상된 반면 단순성이 감소했습니다. 주요 장점은 이 기술이 최신 Bluetooth 5 제품뿐만 아니라 모든 Bluetooth 저에너지 칩과 호환된다는 것입니다.

Bluetooth 저에너지 칩 업체는 완성된 하드웨어와 프로토콜 펌웨어 제품을 보완하기 위해 Bluetooth 메시 소프트웨어 개발 키트를 도입하기 시작했습니다.

이 기사의 2부에서는 즉시 사용 가능한 하드웨어, 펌웨어 및 개발 키트를 이용하여 Bluetooth 메시를 Bluetooth 저에너지에 통합하는 방법에 대해 자세히 다룹니다.

참고 자료

1. 'Bluetooth 메시 네트워킹/개발자를 위한 소개', Bluetooth SIG, 2017년 8월.