최소 전력을 소비하는 LoRa FOTA(무선 펌웨어 업데이트)

2018년 10월, LoRa Alliance에서는 IoT 종단점을 위한 FOTA(무선 펌웨어 업데이트) 업데이트를 표준화한 사양을 발표했습니다. 이는 LoRa 네트워크에 있어서는 좋은 소식이기는 하지만 플래시 마이크로 컨트롤러를 사용하는 저전력 IoT LoRa 종단점 설계자에게는 또다른 과제가 부여된 것입니다.

마이크로 컨트롤러 플래시 메모리에 쓰기 작업은 일시적이기는 하지만 읽기에 비해 마이크로 컨트롤러의 전력 소비를 대폭 증가시킵니다. 또한 증가한 전력을 처리하기 위해 더 큰 전압 조정기를 사용해야 합니다.

두 가지 모두 이점이라 할 수 없지만 이 기사에서는 FRAM이 포함된 마이크로 컨트롤러를 사용하는 것이 어떻게 전력 소모를 줄이면서 펌웨어를 작성하는 방법이 될 수 있는지 설명합니다. 새로운 LoRa 트랜시버와 페어링된 이 조합은 기존의 플래시 마이크로 컨트롤러 접근 방식에 비해 전력 소비가 적은 FOTA용 솔루션을 구성합니다.

LoRa란?

IoT(사물 인터넷)를 도입하는 목표 중 하나는 가능한 한 최소한의 전력을 이용해 무선으로 데이터를 전송하는 것입니다. 배터리 구동식 센서 응용 제품의 설계자는 특히 배터리 전력 사용을 최소화하면서 낮은 전송률의 센서 데이터를 무선으로 수 마일 떨어진 곳으로 전송하는 것에 대해 우려해 왔습니다. 기존 솔루션 중 Bluetooth 및 Zigbee는 단거리 응용 분야를 위해 설계되었으며 셀룰러 데이터는 비교적 전력 소모량이 많습니다. LoRa는 이 문제에 대한 인기 있는 해결책으로 등장했습니다.

LoRa는 장거리(Long Range)의 줄임말입니다. LoRa 무선 네트워킹은 낮은 데이터 전송률, 저전력, 비실시간 데이터의 장거리 전송을 위해 개발되었습니다. 데이터 전송률은 0.3Kb/s ~ 5.5Kb/s 범위이므로 주기적인 센서 데이터 전송에 적합합니다. LoRa 사양이 네트워크의 변조 및 전기적 특성을 설명하는 반면 LoRaWAN(광역 네트워크)은 LoRa 네트워크의 프로토콜과 데이터 형식을 설명합니다.

LoRa 신호는 주파수를 변경해 신호를 변조한다는 측면에서 FM과 유사합니다. 하지만 적절하게 변조된 FM 신호는 주파수를 즉각적으로 변경하지만 LoRa 변조 신호는 시간이 경과함에 따라 주파수를 느리게 증가 또는 감소시킵니다. 이 점진적인 주파수 증가 또는 감소를 처프라 부르며 그 방법을 처프 변조라고 부릅니다. 시간 경과에 따른 주파수 변경률은 ‘처피니스’라고 합니다.

LoRaWAN 네트워크는 언제나 방사형 토폴로지로 배열되며 신호 및 액세스 프로토콜은 최소 전력을 사용하고 여러 종단점의 신호 충돌을 최소화하도록 설계되었습니다. 각 LoRaWAN 종단점은 게이트웨이로 데이터를 전송하고 여기에서는 이더넷 또는 Wi-Fi 등의 다른 네트워크로 데이터를 전송합니다. 일반적으로 게이트웨이는 모든 LoRaWAN 데이터를 수신해 보관이나 추가 처리를 위해 이를 네트워크를 통해 중앙 컴퓨터로 전송합니다.

수많은 무선 통신이 이 환경에 의존하고 있습니다. 도시와 소도시에서 예상되는 LoRaWAN 전송 거리는 1마일~3마일 정도입니다. 교외 지역에서는 3마일~9마일 범위일 수 있고 가시거리의 직접 데이터 전송은 최대 131마일에 달할 수 있습니다. 기상 관측 기구의 LoRaWAN 종단점이 단 25mW의 송신 전력을 이용해 436마일 떨어진 곳에 있는 게이트웨이로 데이터를 전송할 수 있었던 사례도 있습니다.

각 LoRa 종단점에는 다음 세 개의 섹션이 있습니다.

1. 데이터 수집을 위한 하나 이상의 센서
2. 마이크로 컨트롤러
3. Semtech LoRa 무선 통신 칩

센서는 종단점이 존재하는 이유입니다. LoRa 센서 응용 분야에는 온도 및 습도 모니터링, 물과 연료의 유체 수준 및 공압과 유압이 있습니다. 이러한 유형의 센서는 시간 경과에 따라 빠르게 변동하지 않는 정적 데이터를 수집하므로 응용 제품에 영향을 미치지 않으면서 단 5.5Kb/s로 무선 전송될 수 있습니다.

무선 칩과 안테나는 LoRa 네트워크를 통해 직접적으로 통신합니다. Semtech는 LoRa 전송 스키마에 대한 특허권을 보유하고 있는 기업입니다. 현재 모든 LoRa 무선 통신은 Semtech 무선 통신 칩을 사용하거나 내부에 Semtech 무선 통신 칩이 있는 무선 통신 모듈을 사용합니다.

Semtech SX1262IMLTRT LoRa 무선 통신 트랜시버는 배터리 구동식 LoRa 응용 제품을 위해 설계되었으며 LoRaWAN 무선 전송 표준을 준수합니다(그림 1). 데이터를 전송하거나 수신할 때는 +22dBm의 RF 출력 전력으로 단 4.2mA만을 소비합니다. 저전력 버전인 SX1261의 RF 출력 전력은 +15dBm입니다. 두 가지 모두 GHz 미만 범위에서 작동하며 LoRa 및 주파수 편이 방식(FSK) 등의 일정한 엔벨로프 변조 스키마를 처리하는 반이중 트랜시버입니다. DC-DC 벅 컨버터와 선형 LDO 조정 모두 기판에서 제공됩니다.

그림 1: Semtech SX1262IMLTRT 및 Sx1261은 LoRa 응용 제품을 위한 독립형 반이중 무선 통신으로 DC-DC 벅 컨버터 및 선형 LDO 조정 모두를 기판에 포함하고 있습니다. (이미지 출처: Semtech)

LoRaWAN 종단점용 마이크로 컨트롤러 선택

LoRaWAN 종단점의 마이크로 컨트롤러는 센서 데이터를 읽고 처리하며 네트워크를 통해 데이터를 전송하기 위해 SX1262에도 연결합니다. 마이크로 컨트롤러에는 SX1262 드라이버, 센서 드라이버 및 응용 코드에 충분한 메모리가 있어야 합니다. Semtech SX1262 무선 통신 칩을 사용하는 LoRaWAN 종단점의 마이크로 컨트롤러에 대한 요구 사항은 표 1에 기재되어 있습니다.

표 1: 마이크로 컨트롤러의 최소 요구 사항은 최소한의 처리로 센서 데이터를 수집 및 전송하는 단순한 LoRaWAN 종단점에 대해 기재되어 있습니다. 더 복잡한 종단점의 경우 더 견고한 시스템을 구성하는 권장 요구 사항이 제시됩니다. (표 출처: Semtech)

표에 따르면, 기본 독립형 LoRaWAN 종단점의 최소 요구 사항은 8비트 마이크로 컨트롤러에서 구현될 수 있습니다. 이는 때때로 미가공 센서 데이터를 게이트웨이로 다시 전송하기만 하면 되는 단순한 저전력 LoRaWAN 종단점일 수 있습니다.

하지만 종단점이 막대한 양의 트래픽을 처리하거나 센서 데이터에 대한 처리 작업을 수행해야 할 경우에는 표 1의 권장 요구 사항을 따라야 합니다. 물론 LoRaWAN 종단점의 메모리 및 처리 전력이 증가함에 따라 종단점의 전력 소비도 늘어나므로 용량이 더 큰 배터리가 필요합니다. 이는 저전력 IoT 종단점을 위한 LoRaWAN의 설계 의도와는 모순됩니다.

LoRaWAN 종단점을 설계할 때는 이것이 저전력 시스템이며, 시스템을 복잡하게 하고 필요 이상의 전력을 소비하게 기능을 추가해서는 안 된다는 사실에 집중해야 합니다. LoRaWAN 종단점용 마이크로 컨트롤러를 선택할 때는 클록 속도와 메모리 크기도 전력 소모에 영향을 미치므로 이를 가능한 한 낮게 유지하는 데 주의를 기울여야 합니다.

LoRaWAN 종단점의 마이크로 컨트롤러 펌웨어 업데이트

2018년 10월, LoRa Alliance는 모든 LoRa 네트워크에 대해 LoRa 종단점을 위한 FUOTA(무선 펌웨어 업데이트)를 수행하는 방법을 표준화했습니다. 새 표준은 네트워크 전반의 클록 동기화를 제공하며 이는 손실 데이터 패킷의 수를 대폭 감소시킵니다. 또한 이는 여러 종단점에 동일한 펌웨어 업데이트를 전송할 때 필요한 멀티캐스트 전송도 표준화합니다. 클록 동기화와 멀티캐스트 전송에는 모두 정확한 시간 기반이 필요하며 이는 모든 LoRa 종단점에 1ms 수준의 RTC 정확도를 보유한 마이크로 컨트롤러가 있어야 함을 의미합니다.

LoRaWAN 종단점에서 펌웨어를 업데이트하는 것이 중요한 기능이기는 하지만 이는 새로운 문제를 야기합니다. 현장에서 펌웨어 업데이트는 보통 비휘발성 플래시 메모리인 마이크로 컨트롤러의 프로그램 메모리를 다시 프로그래밍하는 것을 의미합니다. 플래시 메모리를 프로그래밍하려면 메모리 셀에 10V 남짓의 전압을 적용해야 합니다. 따라서 플래시 메모리를 프로그래밍하는 것에만 더 큰 전압의 조정기와 관련 회로망이 필요합니다. 일부 네트워크 연결 시스템의 펌웨어 업데이트는 일 년에 몇 차례에 불과하므로 이러한 투자는 비효율적으로 비용을 높이고 추가적인 기판 공간을 사용하게 됩니다.

플래시 메모리가 있는 마이크로 컨트롤러, 즉 강유전체 임의 액세스 메모리(FRAM)가 있는 마이크로 컨트롤러에는 대안이 있습니다. FRAM 메모리가 셀을 프로그래밍하는 데에는 1.5V만 있으면 됩니다. LoRaWAN 노드의 권장 요구 사항을 충족하는 좋은 예는 Texas Instruments에서 제공하는 16비트 MSP430FR6047 FRAM 기반 마이크로 컨트롤러입니다. 여기에는 256KB의 FRAM 프로그램 메모리와 캘린더 및 경보 기능이 있는 RTC가 포함되어 있습니다. 암호화 블록은 AES-128 및 AES-256을 지원합니다. 이는 최대 4개의 SPI 포트를 지원하며 Semtech SX1262에 필요한 4개를 지원하기에 충분한 외부 인터럽트 입력을 보유하여 두 장치를 매우 손쉽게 연결할 수 있습니다. 또한, 펌웨어에서 IEEE 64비트 확장 고유 식별자(EUI) 생성이 손쉽게 구현될 수 있습니다(그림 2).

그림 2: MSP430FR6047에는 256KB FRAM, 8KB SRAM, 센서 기반 응용 제품을 위한 광범위한 주변 장치가 포함됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

MSP430FR6047은 배터리 구동식 스마트 계측기를 위해 설계되었으며 고도로 정확한 물 흐름 감지와 액체 수준 감지를 제공하는 통합 초음파 감지 주변 장치를 포함하고 있습니다. 이러한 고급 기능은 수많은 다양한 센서 응용 분야에 맞게 손쉽게 조정됩니다.

MSP430FR6047에는 권장 사양인 16KB 대신 8KB의 RAM이 탑재되어 있지만 복잡한 센서 융합 처리가 필요한 경우가 아니라면 LoRaWAN 센서 종단점에서 이는 문제가 되지 않을 수 있습니다. 또한, MSP430FR6047은 높은 수준으로 통합되어 메모리 및 기판 공간을 절감하는 동시에 성능을 향상시킵니다. 초음파 감지 응용 제품을 위한 아날로그 프론트 엔드에는 프로그래밍 가능한 펄스 생성기, 12비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 프로그래밍 가능한 이득 증폭기가 포함되며 이 모든 소자는 아날로그 센서에서 데이터를 수집할 때 매우 유용합니다.

MSP430FR6047에는 32비트 하드웨어 배율기를 비롯해 MSP430 코어와 무관하게 256포인트 FFT 계산을 수행할 수 있는 저에너지 가속기(LEA) 신호 처리 코어가 포함됩니다. LEA는 저전력 응용 제품의 신호 처리를 가속화해 배터리 수명을 연장합니다.

MSP430FR6047은 이미 저전력 장치인 8비트 및 16비트 마이크로 컨트롤러 맥락에서도 극히 낮은 전력을 소모합니다. MSP430 16비트 코어 및 이를 실행하는 주변 장치는 단 120A/MHz만을 소모합니다. RTC를 실행하는 대기 모드에서는 단 450nA만 소모됩니다. 마이크로 컨트롤러에는 단 30nA만 소모하는 종료 모드가 있지만 이는 실시간 클록(RTC)도 꺼버리므로 LoRaWAN 종단점에는 종료 모드가 권장되지 않습니다.

FUOTA용 FRAM을 포함하도록 설계

MSP430FR6047 펌웨어 개발을 위해 EVM430-FR6047 평가 기판이 제공됩니다. 이는 USB 전원 공급형이며 응용 제품의 MSP430을 평가하는 데 필요한 모든 하드웨어가 포함되어 있습니다. 평가 기판에는 기판에 추가 기능을 추가할 수 있도록 BoosterPack™ 모듈용 커넥터가 있습니다. 센서를 연결하기 위해 기판에서 추가 핀을 사용할 수 있습니다.

그림 3: Texas Instruments의 MSP430FR6047용 EVM430-FR6047 평가 기판에는 LCD 디스플레이가 있으며 MSP430FR6047의 모든 핀에 대한 액세스를 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Sx1262의 평가 및 개발을 위해 Semtech에서는 SX1262MB2CAS LoRa MBED 실드를 제공합니다(그림 4).

그림 4: SX1262용 Semtech MBED 실드는 SX1262 RF 트랜시버를 포함하는 단순한 평가 기판입니다. (이미지 출처: Semtech)

MSP430 BoosterPack 커넥터는 MSP430을 Semtech SX1262 MBED 실드에 연결하는 데 필요한 모든 신호를 제공합니다. BoosterPack 커넥터에는 필수적인 4개의 SPI 핀은 물론 MSP430에 대해 폴링된 입력으로 구성되거나 외부 인터럽트로 구성될 수 있는 3개의 추가 GPIO 핀도 있습니다. 추가적인 외부 인터럽트가 필요할 경우 BoosterPack 커넥터의 핀 4개가 MSP430 UART 중 하나에 연결됩니다. 이러한 UART 핀은 GPIO 또는 MBED 실드에 대한 외부 인터럽트로 구성될 수 있습니다. BoosterPack과 MBED 실드는 물리적으로 핀 호환이 가능하지는 않지만 손쉽게 점퍼되어 MSP430 및 SX1262 사이에 필요한 연결을 제공할 수 있습니다.

또한, Texas Instruments는 MSP430 코드의 쓰기와 디버깅을 지원하는 IDE인 Code Composer Studio™를 제공합니다.

결론

LoRa는 IoT 센서 데이터 전송을 위한 인기 있는 표준으로 등장했습니다. 이 표준은 FUOTA를 포함하도록 확장되어 긴 배터리 수명에 대한 새로운 과제를 제시하고 있습니다. 설계자는 플래시 메모리 대신 FRAM 기반 마이크로 컨트롤러를 선택함으로써 장치 메모리에 이러한 업데이트를 쓰는 데 필요한 전력을 대폭 감소시킬 수 있습니다.

또한 그림에서 볼 수 있듯이 응용 제품에 충분한 처리 전력을 제공하면서 배터리 소모를 최소화하기 위해 마이크로 컨트롤러의 선택이 더욱 중요해지고 있습니다.