산업 IoT 설계에서 저전력 소비, 통신 및 보안

전력 소비와 보안은 특히 IoT 센서 명령 및 제어 응용 분야에서 내장형 시스템 설계자에게 가장 중요한 두 가지 우려 사항입니다.

산업 IoT 설계에서는 마이크로 컨트롤러가 평균 전력을 가능한 한 최소한 소비하는 동시에 설계의 나머지 부분에서도 전력 소비를 최소화하는 기능을 제공하는 것이 중요합니다.

저전력 또는 배터리 전력 전용 응용 분야의 경우, PIC24F 마이크로 컨트롤러 제품군에 채용된 Microchip의 XLP(eXtreme Low-Power) 기술은 BLE(Bluetooth^® LE) 연결을 통해 IoT 센서가 매우 적은 에너지로도 기본 명령 및 제어 통신을 가능하게 해주며 통합된 하드웨어 암호화 엔진으로 보안도 강화합니다.

초저전력

저전력 또는 배터리 전력이 필요한 전자 응용 분야가 증가하면서 에너지 보존의 중요성이 무척 높아졌습니다. 오늘날의 응용 제품은 극소량의 전력만 소비해야 하며, 극단적인 경우 배터리 하나가 20년 이상 지속되어야 합니다. 이러한 응용 제품을 현실화하기 위해, Microchip의 XLP(eXtreme Low-Power) 기술을 채용한 제품은 초저전력 응용 제품의 운영 시간 중 90% ~ 99%를 차지하는 절전 모드에서의 전류 소비량이 극히 낮습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯, 16비트 XLP 기술을 이용하면 절전 전류를 40nA로, 가동 전류를 180μA/MHz로 낮출 수 있습니다.

그림 1: 다양한 절전 모드에서 PIC24FJ128GB204의 전류 소비량

Microchip PIC24FJ128GB204 마이크로 컨트롤러는 이 초저전력 장치 유형의 좋은 예입니다. 최대 절전과 같은 유연한 절전 해소 리소스 및 극단적인 전력 감소를 위한 다양한 전력 관리 옵션이 있으므로, 환경 센서가 비동기/주기적 판독을 해야 할 때처럼 내부 또는 외부 트리거에 의한 절전 해제 기능을 통해 전력을 거의 완전하게 차단할 수 있습니다. 절전 및 유휴 모드는 보안 카메라나 동작 감지기처럼 더 중요한 응용 분야 인터럽트를 위해 주변 장치 및/또는 코어를 선택적으로 종료함으로써 빠른 절전 해제 및 전력 감소를 제공합니다. 도즈(Doze) 모드에서는 CPU가 주변 장치보다 느린 클럭 속도로 실행되며, 대체 클록 모드에서는 선택적 전력 감소를 위해 더 낮은 클럭 속도로 즉각 전환할 수 있습니다. 또 다른 절전 모드로는 별도의 저전압 조정기에서 전원이 공급되는 필수 회로를 갖춘 저전력 보존 절전이 있습니다. 그 외에도 장치가 실시간 클럭/캘린더에 대한 전력 소비를 최저화하기 위해 백업 배터리로 전환할 수 있는 Vbat 핀도 있습니다.

이처럼 유연한 절전 및 절전 해제 모드로 전력을 극단적으로 낮출 수 있는 마이크로 컨트롤러는 전력이 제한된 응용 분야에 매우 중요합니다. 또한 저전력은 통신과 같은 모든 시스템 기능에서도 중요합니다.

저에너지 통신

응용 제품에서 데이터를 감지하고 코드를 실행할 때는 배터리 수명을 최적화하기 위해 정보를 최대한 빠르고 효율적으로 처리 및 전송한 후 다시 절전 모드로 돌아가야 합니다. 많은 응용 제품에는 간단한 명령 및 제어 또는 센서로부터의 빠른 상태 업데이트만 필요합니다. 이러한 필요를 충족하기 위해 Bluetooth Low-Energy(LE)는 새롭게 이러한 저듀티 사이클 응용 제품을 지원합니다. Bluetooth SIG 사양 페이지에 따르면 "Bluetooth LE는 장거리 무선 연결의 숏 버스트를 허용하므로 지속적인 연결이 필요하지는 않으나 배터리 수명이 길어야 하는 사물 인터넷(IoT) 응용 분야에 적합합니다."라고 되어 있습니다. BLE는 클래식 Bluetooth 기술과 동일한 스펙트럼 대역(2.400GHz ~ 2.4835GHz ISM 대역)에서 작동하지만 다른 채널 집합 및 다른 변조 기술을 사용합니다. Bluetooth SIG 웹 사이트의 사양 아래에서 BLE 4.x 사양을 자세히 확인할 수 있습니다.

Microchip에서는 저전력 무선 기능을 제품에 간편하게 추가하려는 설계자를 위해 완전히 인증된 Bluetooth 버전 4.1 저에너지 모듈인 RN4020을 통해 BLE를 지원합니다. 소형 폼 팩터의 표면 실장형인 이 모듈에는 완전한 Bluetooth 스택이 온보드되어 있으며 UART 인터페이스를 통해 간단한 ASCII 명령으로 제어됩니다. RN4020(그림 2)에는 모든 Bluetooth SIG 프로파일과 맞춤 설계를 위한 MLDP(Microchip Low-energy Data Profile)가 포함되어 있습니다. 또한 Microchip에는 다양한 응용 분야에서 간편하게 구현할 수 있도록 설계된 BM71 Bluetooth(4.2) 저에너지 모듈과 같은 이후 버전의 BLE 사양을 지원하는 제품도 있습니다. 최신 Bluetooth 표준을 지원하는 이 제품은 Bluetooth 4.1 기반 제품보다 더 안전한 환경을 제공하고 처리량도 최대 2.5배 높습니다.

그림 2: Microchip의 RN4020 Bluetooth 저에너지 모듈

저전력 WAN(Wide Area Networks)의 경우, LoRaWAN™ 프로토콜 스택을 온보드 Microchip의 LoRa® 모듈에서 사용할 수 있습니다. LoRaWAN 프로토콜이 LoRa 게이트웨이 및 네트워크 서버에 손쉽게 연결되므로 스마트 장치 간에 원활한 상호 운용이 가능합니다.

많은 응용 분야에는 저에너지 인터넷 연결 외에도 데이터 보안 전송 및 저장이 필요합니다.  

통합 하드웨어 암호화로 데이터를 보호

보안 데이터 저장은 데이터 로깅이 중점 기능인 응용 제품, 데이터를 썸 드라이브에 저장하는 응용 제품 또는 여러 구성 파일에서 로드해야 하는 응용 제품을 포함한 여러 응용 제품의 중요 기능입니다. 데이터가 특정 유형의 외부 메모리(예: EEPROM)를 사용하여 보드의 MCU 근처에 저장되는 경우나 USB를 통해 전송되거나 무선으로 다른 장치로 전송되는 경우 모두, 데이터 무결성을 보호하고 통신에 보안을 적용하려면 암호화가 필수입니다.

Microchip PIC24FJ128GB204 마이크로 컨트롤러 제품군에는 AES, DES 및 Triple DES에 대한 지원을 비롯하여 완전한 기능을 갖춘 통합 하드웨어 암호화 엔진이 포함되어 있습니다. 무작위 숫자 생성기가 포함되어 있어서 이를 사용하여 데이터 암호화/암호 해독 및 인증용 키를 만들며, 키의 재현을 어렵게 만들어 더 높은 수준의 보안을 제공합니다. OTP(One-Time-Programmable) 키 저장소는 소프트웨어에서 암호화 키를 읽거나 덮어쓰는 것을 방지합니다.

이러한 기능이 소프트웨어가 아닌 하드웨어에서 구현되기 때문에 소프트웨어 오버헤드 및 처리 대역폭이 감소합니다. 통합 하드웨어 AES는 소프트웨어 AES보다 최대 10배 더 빠릅니다. 이러한 속도의 장점을 통해 MCU를 더 낮은 주파수로 작동할 수 있으므로 전력 소비량이 줄어듭니다. 하드웨어 지원 보호는 보안 카메라, 도어록 및 패널, 스마트카드 판독기, POS 단말기 및 투표 기계 등과 같은 저전력 내장형 보안 응용 분야 또는 저듀티 사이클 응용 분야에 적합합니다. 

PIC24FJ128GB204 제품군에 적용된 통합 하드웨어 암호화 엔진은 CIP(Core Independent Peripheral)로 간주됩니다. 시스템에서 초기화되면 CIP는 MCU의 코어로부터의 간섭 없이 안정 상태 폐쇄형 루프 내장형 제어를 제공할 수 있습니다. 결과적으로, 복잡한 제어 시스템의 구현을 간소화하고 설계자에게 혁신을 위한 유연성을 제공합니다.

이 내장형 보안을 구현하는 방법의 한 가지 예는 보안 센서 데이터를 사용하는 PIC24 XLP 장치에서 찾아볼 수 있습니다.

IoT의 센서

IoT 응용 제품에는 감지해야 하는 이벤트의 특성에 따라 여러 유형의 센서가 사용될 수 있습니다. 센서 범주에는 환경, 동작, 조명, 물리적, 화학적 및 전기가 포함되지만, 이 범주보다 훨씬 더 확장되어 내비게이션, 광학, 압력, 힘 및 근접 등의 여러 분야도 포함됩니다. 최종 목표는 데이터를 캡처하거나 액추에이터를 제어하는 내장형 시스템 및 기계와 최종 사용자 간의 상호 작용을 만드는 것입니다. Bluetooth를 응용한 제품에서는 사용자 인터페이스로 모바일 기술을 선택하는 것이 자연스럽습니다.

Microchip에서는 이러한 기본적인 센서 기능을 보여주는 PIC24 XLP Bluetooth LE IoT 데모(그림 3)를 개발했습니다. 데모는 Explorer 16 보드, PIC24FJ128GB204 PIM(프로세서 플러그인 모듈) 및 Bluetooth LE PICtail Plus 도터 카드를 비롯한 Microchip의 표준 개발 도구를 사용하여 개발되었습니다. 이러한 도구를 사용하면 이 데모를 손쉽게 직접 복제할 수 있습니다. 데모는 MCU 펌웨어 및 Android 휴대전화나 태블릿에서 실행되는 앱에서 지원됩니다. 첫 번째 응용 제품은 태블릿의 터치 버튼을 사용하여 LED를 켜거나 끔으로써 기본적인 양방향 명령 및 제어를 보여 줍니다. 또한 앱에서 보드 스위치의 켜짐/꺼짐 상태도 표시할 수 있습니다. 데모에는 PIC24FJ128GB204 MCU에 통합된 암호화 엔진을 사용한 데이터 보안도 포함되어 있는데, 이는 마이크로 컨트롤러의 A/D 채널 중 하나에 연결된 Microchip TC1074A 아날로그 출력 열 센서와 최대 128비트 AES를 사용합니다.

그림 3: Microchip PIC24F XLP Bluetooth LE IoT 데모

보안 IoT 센서 데이터를 클라우드에 적용할 경우의 많은 이점에 대해 살펴보겠습니다.

클라우드에 연결

IoT 장치의 경우 클라우드에 연결하면 많은 이점이 있습니다. 그 예로는 원격 명령 및 제어, 원격 진단 및 현장 재프로그래밍 기능, 프로파일 및 상태, 푸시 알림 등이 포함됩니다. IoT 제품을 클라우드에 연결하는 경로도 다양합니다. 몇 가지 구성을 예로 들면 1) 라우터를 통한 Wi-Fi^®, 2) 셀 연결을 통한 Bluetooth, 3) 라우터를 통한 이더넷, 4) 게이트웨이를 통한 LoRa, 5) 게이트웨이 및 라우터를 통한 MiWi 등이 있습니다. 다양한 무선 솔루션, 센서 및 eXtreme Low-Power 마이크로 컨트롤러를 갖춘 Microchip 제품을 활용하면 내장형 시스템을 성공적으로 클라우드에 연결하는 데 도움이 되는 필수 연결 및 최종 제품을 포함한 종단간 IoT 솔루션의 구현이 가능합니다.  

결론

전력 소비 및 보안은 마이크로 컨트롤러뿐만 아니라 IoT 설계의 나머지 부분에서도 내장형 시스템 설계자의 중요한 두 가지 우려 사항입니다. Microchip은 저전력 또는 배터리 전력 응용 제품을 위해 이러한 응용 분야에 이상적인 제품군을 갖추고 있으며, 여기에는 전류 소비가 매우 낮은 XLP(eXtreme Low-Power) 기술 마이크로 컨트롤러, 통합 하드웨어 암호화 엔진이 적용된 보안 및 클라우드에 연결하기 위한 통신 경로가 포함됩니다.