모두를 위한 사물 인터넷(IoT)

작성자: Rolf Horn

DigiKey 제공

2020-10-07

요즘 기술 세계는 그 어느 때보다 빠르게 변하고 있으며 신기술도 계속해서 빠르게 무선 응용 분야에 도입되고 있습니다. 사물 인터넷(IoT)은 우리 삶의 거의 모든 부분에서 혁신의 원동력이 되고 있습니다. 단순히 이전에는 연결된 적 없는 '사물'을 연결하는 것을 통해 새로운 데이터 통찰력을 도출할 수 있으며 이는 의미 있는 변화로 해석됩니다. IoT는 기존 시스템의 내구성을 테스트할 뿐만 아니라 수많은 산업 분야의 소기업 및 대기업의 운명을 결정지을 메가 기술 트렌드입니다. IoT 연결 장치의 예상 수량은 2020년 말까지 500억 개, 2025년까지 1000억 개에 도달할 것으로 전망됩니다.

전송 표준이 변경되어 IoT 장치가 포함되면서 이제 무선 애호가는 훨씬 손쉽게 새로운 변조 체계를 직접 설계할 수 있으며 무선 링크에 연결할 센서도 다양해졌습니다. 과거와 달리 이제 누구나 이러한 기술에 더욱 쉽게 접근할 수 있습니다. 이 기사에서는 이러한 각 개발 사항 및 모든 사람들이 이 저비용의 널리 사용되는 기술을 즉시 활용할 수 있는 방법에 대해 설명합니다.

셀 방식 인프라에서는 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 무선 통신 기술을 사용할 수 있으며 이 기술이 보급된 지도 이제 몇 년이 흘렀습니다. 협대역 사물 인터넷(NB-IoT), 장기 에볼루션 기계형 통신(LTE-M 및 LTE-MTC) 및 고속 기계형 통신(eMTC)이 각광을 받고 있습니다. 이러한 기술은 음성 및 고대역폭 트래픽에 사용되어 기존 송신탑을 활용할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 보고 및 제어 기능을 아주 가끔 사용하는 장치에는 고대역폭이 필요하지 않으며 대부분 배터리로 작동되기 때문에 이러한 기술 표준을 구현할 수 있는 저전력 및 저대역폭 표준에 대한 수요가 발생했습니다.

기존의 셀 방식 네트워크를 활용하지 않고 새롭게 인프라를 구축해야 하는 기술의 몇 가지 예로는 Sigfox, LoRa/LoRaWAN, NB-Fi 등이 있습니다. 이러한 기술은 상위 인터넷에 연결하기 위한 업링크가 필요하다는 단점이 있습니다. 비록 이러한 비셀 방식의 네트워크 운영자가 서비스로 이러한 업링크를 제공하더라도, 여전히 극복해야 하는 또 하나의 컴퓨터 네트워크 시스템이라고 할 수 있습니다.

하지만 셀 방식 네트워크 운영자는 대기업이기 때문에 그들과 경쟁하는 것은 그다지 현실적이지 않습니다. 셀 방식 네트워크 운영자의 표준에 부합하는 모뎀을 채택하여 네트워크에서 활용할 '시간'을 구매하고 매월 요금제 비용을 지불하는 것이 가장 적절한 방안입니다.

보통 정도의 비용을 들여 비셀 방식 네트워크를 구축할 수는 있습니다. 단, 인터넷에 브리징을 수행하는 서버에 연결되기 전까지는 지리적 포괄 범위가 넓지 않다는 한계가 있습니다. 그럼에도 불구하고 전 세계 연결이 필요하지 않은 네트워크의 예가 많이 있습니다. 조립 및 생산 센서의 산업 공장 현장이 하나의 예입니다. 사실 이러한 응용 분야에서는 네트워크가 분리되어야만 합니다.

다행히도 셀 방식 네트워크, 칩 및 모듈을 활용하여 저전력 네트워크를 구축할 수 있으며, 네트워크 데이터 요금이 매월 3달러로 저렴해질 수 있습니다. 셀 방식 네트워크 운영자가 인증한 모뎀만 갖추면, 어떤 장치든지 전 세계에서 '온라인’으로 이용할 수 있습니다.

모듈 형태의 전자 솔루션도 꾸준히 급성장하고 있습니다. 칩 수준의 설계를 위한 전문지식을 갖추는 대신, 이제 설계자는 인증된 무선 통신 사전 구축 제품을 구할 수 있습니다. 그로 인해, RF 기술 역량에의 요구가 줄어들 뿐만 아니라 제품을 시장에 더욱 빨리 출시할 수 있습니다. 모듈에서 사용된 칩 및 어떤 유형의 고객이 각 제품을 구입했는지에 대한 최근의 조사 결과, 놀랍게도 필요한 기술 역량을 가진 업체는 모듈에서 사용되는 동일한 칩을 구매할 뿐만 아니라 모듈도 구매하고 있었고, 모듈과 칩 모두 수천 개(생산 수량)씩 구매하고 있었습니다. 이러한 사실은 처음부터 비용 최적화된 제품을 설계하는 것보다 비용 최적화가 덜 된 제품으로 조기에 시장에 진입해서 신제품의 수요를 시험해 보는 편이 더 낫다는 사실을 증명합니다. 시험해 본 시장의 규모가 크다면 그다음에는 칩 수준까지 내려가서 제품 비용을 최적화할 수 있습니다. 그러나 칩 수준보다 더 낮은 수준도 존재하는데, 이 기사에서는 파형 수준으로 표시됩니다.

개발자는 소프트웨어 기반 무선 통신(SDR)을 통해 완전히 새로운 변조 체계를 시험해 볼 수 있습니다. 고유한 요구 사항이 있으며 설계자가 전문 지식을 갖추고 있다면, 독점 무선 통신 표준을 개발할 수 있습니다. 전문 지식이 없는 경우에라도 SDR 관련 실험을 시행해 보는 것은 설계자에게 좋은 교육이 되며 재미도 있습니다. 예를 들어,이 기사 저자의 동료는 시스템을 RF에 동기화하지 않고 신호가 왼쪽 또는 오른쪽 파형과 같을 때 정확한 순간에 기저대역 신호의 값을 보간하여 FM 스테레오 방송을 디코딩하는 특허를 보유하고 있습니다. 이는 복합 신호 분해에 대한 소프트웨어 접근 방식이며, 오늘날에는 이 모두를 SDR에서 구현할 수 있습니다. 이 특허가 출원된 지 이제 거의 30년이 지났으며, 당시에는 개발이 쉽지 않았습니다. 요즘은 규격품 SDR을 이용하여 간편하게 구현할 수 있습니다.

이러한 SDR에는 Analog Devices의 Analog Devices Advanced Learning Module PLUTO(ADALM-PLUTO)가 있으며, 2020년 9월 현재 150달러 정도에 규격품으로 구매 가능합니다. 이 제품은 USB 링크를 통해 개인용 컴퓨터와 연결되고 손쉽게 재구성되는 FPGA가 내장되어 있으며 프로그래밍 언어 Python을 광범위하게 지원할 뿐만 아니라 325MHz부터 3.8GHz 범위의 신호를 송수신할 수 있습니다. 설계자가 RF에 대해 배우고 이를 사용하려 한다면 이 수준의 제품부터 시작할 수 있습니다.

제품에 관한 이야기로 다시 돌아가서, 수백 가지 형태의 칩과 모듈로 이루어진 센서가 급증하고 있습니다. DigiKey와 같은 유통업체로부터 수백, 수천 종류에 달하는 다양한 센서를 구매할 수 있으며, DigiKey에서는 210,000가지 이상의 센서를 제공합니다.

다음은 이용 가능한 다양한 형태의 센서의 예입니다.