LPWAN RF 모듈로 저전력 무선 IoT 감지를 빠르게 시작하는 방법

개발자가 사물 인터넷(IoT) 센서에 무선 연결을 고려할 때 일반적으로 가장 먼저 Wi-Fi, Zigbee 또는 Bluetooth를 떠올립니다. 하지만 응용 분야에는 장거리, 저전력이 요구되는데, 이러한 기술에서 제공하는 것보다 데이터 전송률이 더 낮은 다른 모델을 사용하는 경우도 종종 있습니다. 설계자는 무선 인터페이스를 자체적으로 새롭게 설계하여 비용, 잠재적인 지연 및 재작업을 감수하는 대신, 상대적으로 새롭고 광범위한 저전력 광역 네트워크(LPWAN)를 위한 기성 모듈을 선택할 수 있습니다.

Sigfox, LoRaWAN, 최신 RIIoT(Radiocrafts Industrial IoT)를 비롯한 LPWAN은 모두 적당한 샘플링 속도로 작동하는 상대적으로 간단한 센서를 연결하도록 설계되었으며, 50km 이상의 긴 거리에서 짧고 빈번하지 않은 데이터 버스트를 감지합니다. 그런 응용 분야에서는 원격 위치나 불편한 장소에서 센서의 배터리 수명을 최대화하기 위해 전력 제약 조건을 매우 엄격하게 지정합니다. 그런 위치에 실장된 센서는 동전형 전지 배터리 또는 AAA 배터리로 최대 10년 동안 안정적으로 작동하는 것이 좋습니다.

이 기사에서는 일반적인 장거리 IoT 감지의 설계 요구 사항과 Sigfox, LoRaWAN 및 RIIoT의 특성을 설명합니다. 그런 다음 Pi Supply, Sigfox 및 Radiocrafts의 적합한 모듈을 소개하고 모듈을 사용하는 방법을 보여줍니다.

LPWAN 특성

LPWAN의 좁은 대역폭은 저전력 작동을 위한 비결입니다(그림 1). 정보 이론 원리에 따르면 신호 대역폭 및 신호 대 잡음비(SNR)는 정보 전송의 오류율과 밀접한 관련이 있습니다. SNR이 크거나 대역폭이 좁을수록 오류율은 더 낮습니다.

그림 1: LPWAN의 좁은 대역폭을 활용하여 장거리에서 저전력으로 작동할 수 있습니다. (이미지 출처: Peter R. Egli, Slideshare)

LPWAN은 이 관계를 활용하여 장거리에서 낮은 출력 전력으로 매우 안정적인 정보 전송을 실현합니다. 또한 LPWAN 시스템은 상대적으로 낮은 데이터 전송률을 채택하여 신호 대역폭 요구 사항을 줄입니다. 그 결과 LPWAN 시스템은 수 킬로미터의 거리에서도 통신할 수 있습니다.

LPWAN 시스템의 두 번째 핵심 요소는 국제적으로 허가되지 않은 산업, 과학 및 의료(ISM) 주파수 대역(886MHz ~ 906MHz)에서 기가헤르츠(GHz) 미만의 주파수를 사용한다는 것입니다. 이러한 주파수에서 더 긴 파장으로 작동하면 가용 공간의 경로 손실이 감소하여 방정식 1에 따라 지정된 송신 전력에 대한 유효 범위가 확장됩니다.

방정식 1

여기서,

d = 거리

λ = 파장

낮은 주파수에서 낮은 무선 주파수(RF) 에너지가 벽, 빌딩 등의 장애물에 흡수되므로 도시 환경에서 LPWAN 시스템은 침투 성능이 탁월합니다.

ISM 기반 설계는 라이선스가 필요하지 않지만 ISM 대역 작동을 위한 글로벌 전력 및 전자기 호환성 규정을 준수해야 합니다.

LPWAN의 예

선택 가능한 다양한 LPWAN 옵션이 있지만, 센서 기반 IoT 응용 제품을 빠르게 개발하려는 개발자의 경우 LoRaWAN, Sigfox 및 최근에 도입된 RIIoT가 적합한 옵션입니다. 각각은 미리 구성된 무선 및 센서 인터페이스 모듈과 신속한 설정 및 응용 제품 개발을 도와주는 개발 키트를 지원하기 때문에 개발자가 설계 시 간단하게 적용할 수 있습니다.

LoRaWAN은 LoRa Alliance에서 관리하는 개방 표준과 Semtech Corp에서 소유하고 라이선스를 부여하는 전용 확산 스펙트럼 무선 기술을 기반으로 합니다. 개별 노드가 여러 게이트웨이와 통신하여 로밍할 수 있도록 네트워크에서는 star-of-stars 토폴로지를 활용합니다. 또한 게이트웨이와 노드 간의 양방향 통신을 지원하여 노드의 메시지를 다른 노드나 클라우드 기반 서버로 중계할 수 있습니다.

LoRaWAN은 300bits/s ~ 50kbits/s의 데이터 전송률을 허용하고, 최대 243바이트의 메시지 페이로드를 처리하며, 125kHz 또는 250kHz 신호 대역폭을 사용합니다. 또한, 적응형 데이터 전송률을 지원하여 변화하는 조건에서 신호 신뢰성을 유지하고 도시 환경에서 5km 범위와 최대 20km 가시거리(LoS)를 실현할 수 있습니다. 사용자는 노드를 개발하고 상용 네트워크를 활용하거나 자체 게이트웨이와 백홀 네트워크를 활용하여 개인 네트워크를 구축할 수 있습니다.

Sigfox는 Sigfox에서 개발하고 관리하는 전용 프로토콜입니다. Sigfox는 칩 개발자에게 이 기술의 라이선스를 부여하고 사용자에게 전 세계의 게이트웨이 기지국을 통해 네트워크에 액세스할 수 있도록 권한을 제공합니다. 100Hz의 신호 대역폭에서 600bits/s의 데이터 전송률을 유지하여 Sigfox는 범위를 최대화할 수 있습니다. 또한 LoS 조건에서 40km, 도시 환경에서는 10km 범위를 실현할 수 있습니다. 경량 프로토콜은 송신기가 잠시 동안만 가동하도록 업링크 메시지 패킷을 26바이트(최대 12바이트의 사용자 데이터 포함)로 제한합니다. 노드에서는 1일 140개의 메시지만 전송할 수 있고, 게이트웨이에서는 업링크 메시지를 수신한 후 다운링크 메시지를 노드에 1일 4회만 전송할 수 있습니다. 따라서 노드에서는 매우 짧은 시간 동안만 무선을 활성화한 상태로 유지하고 대부분의 시간은 절전 모드로 유지하여 전력 소비를 최소화합니다.

LPWAN 무선은 저전력이지만, 실제 환경에서 저전력은 상대적인 용어입니다. 예를 들어 Radiocrafts는 Sigfox 모듈 제품을 위한 두 가지 고유한 전력 옵션을 제공합니다. RC1692HP-SSM 고전력 센서 인터페이스 모듈은 UART 연결을 통해 호스트 마이크로 컨트롤러와 통신하고, 센서 연결을 위한 SPI, I²C, 아날로그 및 GPIO 포트를 제공합니다(그림 2). 이 모듈은 2.8V ~ 3.6V의 공급 전압으로 작동합니다.

그림 2: Full Sigfox 무선 및 센서 인터페이스 모듈(예: Radiocrafts의 RC1692HP-SSM)은 송신하지 않는 동안 20µA의 적은 전류를 소비합니다. (이미지 출처: Radiocrafts)

절전 모드에서 이 모듈은 1µA를 소비합니다. 센서를 부착한 활성 모드에서는 유휴 상태에서 20µA 미만, 송신 중에 292mA의 전류를 소비합니다.

저전력 RC1682-SSM 모듈은 유럽 시장을 대상으로 하며 송신 중에도 훨씬 적은 58mA의 전류만 소비합니다.

RIIoT는 개발자가 고려할 최신 LPWAN 옵션 중 하나입니다. 이 모듈은 처음에 스마트 계측 및 공정 제어 응용 분야를 위해 개발된 IEEE 802.15.4g/e 물리층(PHY) 표준을 기반으로 구축되었습니다. 그런 다음 낮은 전력 소비, 장거리 및 고급 보안을 지원하기 위해 RF 및 미디어 액세스 제어(MAC) 기능을 추가했습니다. 방사형 네트워크를 통해 양방향 통신을 지원하여 실시간 제어 응용 분야에서 네트워크 지연도 15ms 미만으로 예측 가능합니다.

RIIoT는 두 가지 데이터 전송률(5kbits/s 및 50kbits/s)과 두 가지 전력 레벨을 제공하므로 개발자는 배터리 수명, 데이터 전송률, 범위를 요구 사항에 맞게 최적의 상태로 조율할 수 있습니다. 저전력, 높은 데이터 전송률 설정에서 RIIoT 네트워크는 3.5ms 버스트로 송신하여 5km(LoS) 및 200m(도시) 범위를 실현할 수 있습니다. 낮은 데이터 전송률, 높은 출력 전력에서는 45ms 버스트에서 60km(LoS) 및 2km(도시) 범위에 도달할 수 있습니다. 일반 리프 노드의 유휴 전류는 0.7µA입니다.

RIIoT 네트워크를 구축하려면 노드, 게이트웨이, 네트워크 컨트롤러 소프트웨어의 세 가지 기본 요소가 필요합니다. 개별 "리프" 노드에서는 Radiocrafts RC1880CEF-SPR과 같은 모듈을 사용하여 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 GPIO, I²C, SPI 및 UART 인터페이스와 함께 통합합니다. 이러한 노드에서는 확장 슬롯에 삽입 가능한 기판에 실장된 호환 RC1880CEF-GPR 모듈이나, USB 포트 중 하나에 연결된 USB 동글을 사용하는 Linux PC와 무선으로 통신합니다.

PC를 RIIoT 게이트웨이로 완전히 변환하기 위해 개발자는 세 번째 요소인 RIIoT 네트워크 컨트롤러 미들웨어를 설치해야 합니다. 이 소프트웨어는 리프 노드에 대한 무선 펌웨어 업데이트를 비롯한 네트워크 관리를 수행할 뿐 아니라, 데이터 및 명령을 JSON 개체로 변환하여 클라우드 연결을 간소화합니다.

그림 3: 전체 RIIoT 네트워크는 리프 노드, 게이트웨이 모듈을 호스팅하는 Linux PC, 컨트롤러 소프트웨어를 포함합니다. (이미지 출처: Radiocrafts)

데이터 전송 시 엔드 투 엔드 보안을 구현하는 기능은 RIIoT가 기본 IEEE202.15.4 표준이 되는 데 기여한 주요 추가 기능 중 하나입니다. Sigfox는 암호화를 지원하지 않고 LoRaWAN은 노드와 게이트웨이 사이의 무선 링크에서 암호화를 지원하는 반면에 RIIoT는 보안을 한 단계 더 발전시킵니다.

RIIoT를 사용하면 각 노드의 고유한 보안 키를 통해 시스템에서 노드의 메시지를 상호 작용하는 클라우드 기반 응용 프로그램까지 암호화된 상태로 유지할 수 있습니다. 게이트웨이에서는 콘텐츠에 액세스할 필요 없이 암호화된 메시지를 전달하기만 하면 됩니다.

모듈 및 키트를 사용하여 설계 가속화: RIIoT

LPWAN IoT 네트워크를 구현하려는 개발자는 다양한 네트워크에서 사용 가능한 많은 미리 구성된 RF 및 센서 인터페이스 모듈 중 하나를 사용하여 설계에서 앞서 나갈 수 있습니다. 그런 모듈에서는 RF 설계, 전력 최소화 및 프로토콜 구현과 관련한 모든 까다로운 문제를 이미 해결하여 호스트 프로세서에 대한 드롭인 통신 장치로 사용될 수 있습니다. 또한 이러한 모듈은 ISM 대역에 대한 규제 요구 사항을 준수하여 사전 인증을 받았습니다. 개발자는 여전히 최종 제품을 인증받아야 하지만 이미 검증된 무선 소자를 채택하면 매우 쉽고 확실하게 최종 인증을 받을 수 있습니다.

또한 이러한 모듈을 사용하면 내장된 센서 인터페이스 및 제어 논리를 제공하여 신속하게 설계할 수 있습니다. 예를 들어 Radiocrafts RC1880CEF-SPR은 ADC에 대한 아날로그 입력을 위한 인터페이스, 스위치를 위한 GPIO, 호환 센서를 위한 I²C 및 SPI, 호스트 프로세서 연결을 위한 UART를 제공합니다(그림 4). 개발자는 이 모듈을 설계에 적용하여 시스템에 대한 무선 통신 요구 사항과 센서 인터페이스 요구 사항을 모두 해결할 수 있습니다. 센서 설정, 제어, 샘플링을 자체적으로 처리하여 응용 프로세서의 작업을 간소화하도록 모듈을 프로그래밍할 수 있습니다. 센서 및 통신은 응용 코드에 대한 메모리 읽기 및 쓰기와 비슷합니다.

그림 4: LPWAN 시스템의 모듈은 무선과 센서 인터페이스를 모두 포함하여 IoT 센서 시스템에 대한 설계를 간소화할 수 있습니다. (이미지 출처: Radiocrafts)

개발자는 RC1880-RIIOT-DK와 같은 개발 키트를 사용하여 실험을 위한 전체 엔드 투 엔드 RIIoT 네트워크를 빠르게 설정할 수 있습니다. 이 키트에는 전체 네트워크를 위한 리프 노드, 게이트웨이 모듈 및 시스템 소프트웨어가 포함되어 있습니다. 또한 연결된 센서를 처리하는 리프 노드를 C 언어로 프로그래밍하는 데 필요한 소프트웨어 도구가 포함되어 있습니다.

LoRaWAN 및 Sigfox를 위한 모듈 및 개발 키트

또한 쉬운 IoT 시스템 구현을 위해 미리 구성된 모듈을 LoRaWAN에서 쉽게 사용할 수 있습니다. 이에 대한 적절한 예가 Pi Supply의 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 모듈입니다(그림 5).

그림 5: Pi Supply의 PIS-1019 RAK811 LoRaWAN 모듈에는 호스트 마이크로 컨트롤러에서 표준 AT 명령을 사용하여 제어할 수 있는 내장된 센서 인터페이스와 직렬 포트가 제공됩니다. (이미지 출처: Pi Supply)

이 장치는 표준 AT 명령을 사용하여 모듈을 제어하는 호스트 마이크로 컨트롤러에 대한 직렬 포트를 제공합니다. 전체 네트워크를 쉽게 설정할 수 있도록 PIS-1019의 PIS-1037 개발 키트에는 호스트 PCIe 컨트롤러를 게이트웨이/라우터 액세스 포인트로 전환할 수 있는 게이트웨이 집선기 모듈이 포함되어 있습니다(그림 6).

그림 6: LoRaWAN 사용자는 PIS-1019용 개발 키트인 Pi Supply PIS-1037의 관련 자료를 사용하여 자체 네트워크 게이트웨이를 설정할 수 있습니다. (이미지 출처: Pi Supply)

또한 Radiocrafts에는 전체 Sigfox 개발 키트(예: RC1692HP-SSM RF 모듈용 RC1692HP-SSM-DK 키트, RC1682-SSM RF 모듈용 RC-1682-SSM DK 키트)가 있습니다. 이러한 키트를 사용하여 Sigfox 무선 모듈을 즉석에서 테스트 및 개발할 수 있습니다. 키트는 온도 및 습도 센서, 가속도계 및 홀 효과 센서와 함께 제공됩니다.

하지만 Sigfox를 사용하는 개발자는 자체 네트워크를 구축할 수 없습니다. Sigfox가 시스템 게이트웨이와 백홀을 운영 및 유지 관리하고, 사용자는 액세스 비용을 지불해야 합니다. 모듈은 미리 코딩된 ID 및 암호화 키를 포함하며 등록 후 최소한의 설정으로 Sigfox 클라우드에 데이터를 제공할 수 있습니다.

결론

낮은 데이터 전송률 센서를 원거리 IoT에 저전력으로 연결하려는 개발자를 위해 LPWAN 솔루션(예: RIIoT, LoRaWAN, Sigfox)은 Wi-Fi, Zigbee 또는 라이선스 셀룰러 네트워크에 대한 강력한 대안을 제공합니다. 솔루션마다 장점이 있으며, 모든 솔루션은 스마트 계측기부터 스마트 농업까지 다양한 응용 분야의 요구 사항을 해결할 수 있습니다.