스마트 에너지 및 유틸리티를 위한 안전하고 강력한 무선 연결을 배포하는 방법

로컬 네트워킹 및 클라우드 연결을 포함한 무선 통신은 에너지 계량기, 중요 인프라, 친환경 에너지 시스템, 전기 자동차, 전력망 현대화, 스마트 그리드, 스마트 시티 등 다양한 스마트 에너지 및 유틸리티 시스템에서 필수적인 요소입니다. 이러한 응용 분야에서는 에지 연결이 포함되는 경우가 많으며 IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth 및 기타 프로토콜을 사용하여 지원할 수 있는 지연 시간이 짧고 예측 가능하며 안전한 통신이 필요합니다. 대략 옥외 300미터 이내에서 고속 데이터 전송률의 네트워크 액세스를 제공하는 IEEE 802.11 g/n 표준과 같은 저전력, 고처리량 무선 프로토콜의 이점을 누릴 수 있습니다.

또한 이러한 무선 장치는 미국 연방 통신 위원회(FCC) 표준, 유럽 전기통신 표준 협회(ETSI) 요구 사항, 유럽의 EN 300 328 및 EN 62368-1, 캐나다의 혁신과학경제개발부(ISED), 일본 총무성(MIC) 등의 규정을 충족해야 합니다. 무선 연결을 설계하고 필요한 인증을 획득하는 데는 많은 시간이 소요될 수 있으며, 이로 인해 비용이 증가하고 출시 기간이 길어질 수 있습니다. 그 대신 설계자는 스마트 에너지 및 유틸리티 장치에 쉽게 통합할 수 있는 사전 엔지니어링 및 인증된 무선 통신 모듈과 개발 플랫폼을 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 우선 유선 및 무선 네트워킹 옵션을 포함하여 로컬 네트워크 및 클라우드 연결을 위한 몇 가지 통신 옵션과 아키텍처를 검토합니다. 그런 다음, 설계 프로세스를 가속화하기 위한 개발 환경을 포함하여 스마트 에너지 및 유틸리티를 위한 안전하고 강력한 무선 연결을 배포할 수 있도록 Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon, STMicroelectronics의 다양한 무선 플랫폼을 소개합니다.

위기가 곧 기회

위기가 곧 기회가 되는 경우가 많습니다. 스마트 시티 인프라에 스마트 에너지 및 유틸리티를 배포할 때도 마찬가지입니다. 우선, 기존 인프라 및 노후화된 인프라를 효과적으로 통합해야 합니다. 그런 다음, 지리적으로 분산되어 있고 기술적으로 이질적인 네트워크를 효율적이고 견고하게 배포해야 합니다. 마지막으로, 이러한 네트워크는 스마트 및 커넥티드 차량의 출현과 같은 미래 기술 발전에 유연하게 대처할 수 있어야 합니다.

예를 들어, 첨단 자동 교통 관리 시스템은 안전을 강화하고 에너지 사용을 개선하며 환경에 대한 자동차, 버스 및 기타 차량의 영향을 줄일 수 있습니다. 이 경우 중앙 집중식 트래픽 관리 시스템은 고대역폭 광섬유 및 무선 백홀 통신을 통해 네트워크에 연결됩니다. 다른 시스템 요소에는 다음이 포함될 수 있습니다(그림 1).

• 로컬 수준에서 IP 지원 장치를 지원하는 이더넷 및 셀룰러 라우터. 경우에 따라 네트워크 유틸리티를 확장하고 비용을 제어하기 위해 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 추가하기도 합니다.
• 레거시 장비는 전용 연결 및 직렬 포트를 통해 통합할 수 있습니다.
• 로컬 Wi-Fi 및 Bluetooth 장치는 익명화된 데이터로 교통 밀도와 보행자를 모니터링할 수 있습니다. 그 결과 데이터는 로컬에서 분석 후 중앙 교통 관리 시스템으로 전송하여 의사 결정 및 상위 수준의 제어 기능을 수행할 수 있습니다.
• 교통 카메라, 레이더 또는 라이더와 같은 센서, 기타 데이터 소스의 조합은 로컬 첨단 고체형 교통 컨트롤러(ASTC)에서 사용되며 중앙 관리 센터로 전송되어 교통 흐름을 실시간으로 최적화합니다.

그림 1: 스마트 시티의 자동화된 교통 관리는 보행자와 차량의 Wi-Fi 감지부터 교통 카메라, ASTC 컨트롤러, 중앙 집중식 교통 관리 및 제어 센터에 이르기까지 다양합니다. (이미지 출처: Digi)

다음을 통해 전반적인 에너지 효율성, 공공 안전, 환경에 대한 도시 도로의 영향 등을 개선할 수 있습니다.

• 로컬 및 중앙 집중식 제어를 결합하여 거의 실시간으로 교통 흐름과 신호 타이밍을 수정하여 혼잡을 감지하고 최소화합니다.
• 신호 타이밍을 조정하여 버스 및 기타 대중 교통 수단이 정시에 효율적으로 운행되도록 지원합니다.
• 응급 구조 대원에게 실시간으로 최적화된 경로를 제공하여 도착 시간을 단축하고 공공 안전에 미치는 전반적인 영향을 최소화할 수 있습니다.

미래의 스마트 시티

스마트 시티는 여전히 많은 부분이 개발 중인 분야이며 개선과 개발의 여지가 무궁무진합니다. 미래의 스마트 시티는 통합 에너지 효율성과 삶의 질 향상에 점점 더 초점을 맞출 것이며, 전기 자동차(e-차량)와 스마트 또는 자율 주행 차량이 표준이 될 것입니다. 스마트 주택, 스마트 충전 인프라, 스마트 배송 시스템, 기차, 경전철 및 버스, '라스트 마일 이동'을 위한 전기 로봇 택시 등 엔드투엔드 교통 시스템에 통합될 것입니다.

주민들은 버스 및 철도 티켓 구매, 프로세스 속도 향상, 교통 수단의 환경 영향 감소 등 점점 더 다양한 용도로 스마트폰을 사용할 것입니다. 운송 분야가 계속해서 전기 자동차의 주요 용도가 되겠지만, 다양한 분야로 그 용도가 확대되어 나갈 것입니다.

Infineon에 따르면 트럭, 버스, 화물 및 배달용 밴, 건설 장비와 같은 상업용 차량은 한 도시에서 배출되는 CO₂ 양의 약 1/4, 전체 온실 가스(GHG) 배출량의 약 5%를 차지합니다. 승용차와 전기 자전거를 충전하는 것 외에도 이러한 상용차의 대형 배터리를 수용할 수 있는 통합 충전 인프라를 개발해야 합니다. 다양한 유형의 차량과 사용 사례에 맞게 충전 속도를 극대화하려면 충전 인프라를 상호 연결하고 중앙에서 제어할 수 있어야 합니다.

환경에 미치는 영향을 줄이고 삶의 질을 개선하며 에너지를 효율적으로 사용하려면 분산된 재생 에너지원, 마이크로그리드, 에너지 저장 장치의 작동을 모니터링하고 에너지 활용을 최적화하며 상하수도 사용을 관리하고 광범위한 운송 및 기타 시스템을 관리하는 복잡한 실시간 무선 네트워크가 필요합니다. 이러한 실시간 네트워크는 견고해야 하며 지연 시간이 최소화되어야 합니다(그림 2). 스마트 시티 인프라를 지원하기 위해 설계자는 복잡한 통신 네트워크와 연결된 디바이스를 빠르게 개발, 배포 및 업데이트할 수 있는 도구가 필요합니다

그림 2: 스마트 시티 서비스는 다양한 애플리케이션을 연결하기 위해 강력한 실시간 무선 네트워크에 의존하게 될 것입니다. (이미지 출처: Infineon)

무선 모듈을 통한 안전한 네트워킹

설계자는 보안 네트워킹을 신속하게 배포하기 위해 80MHz ARM Cortex-M33 코어 및 통합 보안 서브 시스템을 포함하는 Silicon Labs의 EFR32MG21B020F1024IM32-BR 무선 단일 칩 시스템(SoC)을 기반으로 하는 Digi의 XBee RR 무선 모듈을 활용할 수 있습니다. XBee 모듈은 Zigbee, 802.15.4, DigiMesh, 저전력 Bluetooth(BLE)와 같은 다양한 무선 프로토콜과 주파수 대역을 활용하여 광범위한 네트워크 아키텍처를 지원합니다. DigiMesh는 P2P 메시 네트워킹 프로토콜로, 점대다중점 구성에 Zigbee를 사용할 때 발생하는 복잡성을 줄여줍니다. 이러한 모듈은 BLE 및 다른 BLE 장치와의 연결을 지원합니다.

스마트폰 연결은 XBee 모바일 앱을 사용하여 모듈을 구성하고 프로그래밍하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 개발자는 Windows, MacOS 및 Linux와 호환되는 XCTU 구성 플랫폼을 사용할 수 있습니다. XCTU는 그래픽 네트워크 보기를 사용하여 무선 네트워크 구성을 간소화하고, API 프레임 빌더 개발 도구를 사용하여 XBee API 프레임을 빠르게 빌드할 수 있습니다. 기타 모듈의 기능 및 옵션은 다음과 같습니다.

• 패키징 옵션: XBRR-24Z8UM과 같은 13밀리미터(mm) x 19mm 마이크로 실장 장치, XBRR-24Z8PS-J와 같은 표면 실장 모듈, XBRR-24Z8ST-J와 같은 스루홀 구성 등(그림 3)
• PRO 버전은 북미에서 사용할 수 있도록 FCC 인증을 받았으며, 표준 버전은 유럽에서 사용할 수 있도록 ETSI 표준을 충족
• 저전력 및 고전력 모듈 구성
• 조건에 따라 최대 90미터(300피트)의 실내/도시 거리
• 조건에 따라 최대 3200m(2마일)의 실외 가시거리
• 통합 IoT 보안 앱으로 장치 보안, 장치 ID, 데이터 개인 정보 보호의 통합 간소화

그림 3: Digi XBee 무선 모듈의 패키징 옵션에는 마이크로 실장(왼쪽), 표면 실장(가운데) 및 스루홀(오른쪽)이 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

스마트 게이트웨이

453-00084R과 같은 Laird Connectivity의 Sterling LWB+ 모듈은 무선 IoT 장치 및 스마트 게이트웨이용으로 설계된 고성능 2.4GHz WLAN 및 Bluetooth 콤보 모듈입니다. Infineon의 AIROC CYW43439 단일 칩 무선 IC를 기반으로 하며 -40°C ~ +85°C의 작동 온도 범위를 갖추고 있어 다양한 스마트 유틸리티, 스마트 시티 및 에너지 응용 제품에 적합합니다. Sterling LWB+ 모듈은 FCC, ISED, EU, MIC, AS/NZS 등의 글로벌 인증을 받았습니다.

Sterling LWB+ 모듈에는 MAC(매체 액세스 제어), 기저대역 및 무선 통신과 Bluetooth 인터페이스를 위한 독립적인 고속 UART가 포함되어 있습니다. Laird Connectivity와 Infineon은 최신 Android 및 Linux 드라이버를 지원합니다. 통합 칩 안테나는 디튜닝에 강하고 시스템 설계 및 제조를 간소화합니다. Sterling LWB+ 계열은 시스템 인 패키지(SIP)이며 트레이스 핀, 통합 칩 안테나 또는 MHF4 커넥터와 함께 제공되며 WPA/WPA2/WPA3 암호화도 포함되어 있습니다. 이러한 모듈은 다양한 시스템 설계 및 응용 요구 사항을 충족하기 위해 4가지 패키지 스타일로 제공됩니다(그림 4).

그림 4: 기본 Sterling LWB+ SIP(왼쪽), MHF 커넥터가 있는 모듈(왼쪽에서 두 번째), 통합 안테나가 있는 모듈(왼쪽에서 세 번째) 및 카드 에지 커넥터(오른쪽). (이미지 출처: Laird Connectivity)

Sterling-LWB+에는 모든 Linux 또는 Android 기반 시스템과의 손쉬운 통합을 지원하는 안전한 고성능 보안 디지털 입력 및 출력(SDIO)이 포함되어 있습니다. 무선 IoT 장치 및 스마트 게이트웨이의 개발 속도를 높이기 위해 설계자는 453-00084-K1 개발 키트를 사용할 수 있으며, 여기에는 통합 MHF 커넥터가 있는 453-00084R 모듈이 포함되어 있습니다(그림 5).

그림 5: MHF 커넥터가 통합된 Laird의 453-00084R Sterling LWB+ 모듈이 포함된 개발 기판(이미지 출처: Laird Connectivity)

산업용 무선 센서 노드

무선 센서 노드는 스마트 시티의 스마트 에너지 및 유틸리티에서 중요한 부분을 차지합니다. 설계자가 고급 무선 센서 노드를 간편하고 빠르게 설계, 시제품 제작, 테스트할 수 있도록 STMicroelectronics가 STEVAL-STWINKT1B SensorTile 개발 키트 및 참조 설계를 제공합니다. 여기에는 IoT 장치 인증 및 보안 데이터 관리를 지원하는 X-NUCLEO-SAFEA1A 확장 기판, BLUENRG-M2SA Bluetooth 트랜시버 모듈, IMP23ABSUTR MEMS 마이크가 포함됩니다. MEMS 마이크는 초저전력 온보드 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하도록 설계되어 35Hz부터 초음파까지 광범위한 진동 주파수에서 9자유도(DoF) 모션 감지 데이터의 진동 분석을 수행합니다. 또한 가속도계, 자이로스코프, 습도 센서, 자력계, 압력 및 온도 센서가 포함되어 있습니다.

SensorTile 개발 키트에는 다양한 소프트웨어 패키지, 펌웨어 라이브러리 및 클라우드 대시보드 애플리케이션에 대한 액세스가 포함되어 있어 포괄적인 엔드투엔드 IoT 센서 시스템을 빠르게 개발할 수 있습니다. 통합 모듈은 BLE 연결을 제공하고, RS484 트랜시버는 유선 연결을 지원하며, STEVAL-STWINWFV1 플러그인 확장 기판은 Wi-Fi 연결을 제공합니다. 메인 기판에는 STM32 마이크로 컨트롤러 제품군을 기반으로 하는 소형 폼 팩터 도터 보드를 추가할 수 있는 STMod+ 커넥터가 포함되어 있습니다. 마지막으로 개발 기판은 480mAh 리튬 폴리머 배터리, STLINK-V3MINI 독립 실행형 디버깅 및 프로그래밍 프로브, 플라스틱 상자로 구성됩니다(그림 6).

그림 6: STEVAL-STWINKT1B SensorTile 개발 키트 및 참조 설계에는 포괄적인 환경 센서 제품군과 여러 연결 옵션에 대한 지원이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

요약

스마트 시티의 스마트 에너지 및 유틸리티 시스템의 요구 사항을 지원하려면 다양한 무선 연결 프로토콜이 필요합니다. 이러한 시스템은 에너지 효율을 높이고, 공공 안전을 개선하며, 보다 효율적인 물과 에너지 사용을 지원하고, CO₂ 및 온실가스 배출을 줄일 수 있습니다. 살펴본 바와 같이 스마트 시티 인프라의 스마트 에너지 및 유틸리티에 필요한 안전하고 강력한 연결을 제공할 수 있는 Wi-Fi, Zigbee 및 저전력 Bluetooth 무선 프로토콜을 위한 다양한 무선 모듈과 개발 환경이 있습니다.