여러 프로토콜과 호환되는 메시 네트워크 장치를 신속하게 제작

연결된 장치는 네트워크 견고성, 영역 범위, 저전력을 강조하는 여러 메시 토폴로지 중 하나를 이용해 네트워크에 연결되는 경우가 많습니다. 설계자는 이러한 상충되고 호환되지 않는 프로토콜 중 하나를 선택하고, 선택한 하드웨어 플랫폼에 소프트웨어 스택을 구현해야 하는 것이 보통입니다. 두 작업 모두 까다롭지만 이제 모두 불필요할 수 있습니다.

통합 기술의 발전 덕분에 개발자는 Thread, Zigbee, Bluetooth 저에너지(BLE)를 포함한 상충되는 여러 표준을 지원하는, 실장 면적이 작은 기존의 저가형 메시 네트워크 컨트롤러를 선택할 수 있게 되었습니다. 이 옵션은 다음과 같은 유연성을 제공합니다.

• 이 옵션을 이용하면 개발자는 먼저 설계를 진행하고 설계 주기의 후반부에 프로토콜을 선택할 수 있습니다.
• 이 방식을 통해 개발자는 경험적으로 단일 장치와 개발 플랫폼을 이용해 응용 분야에 가장 적합한 프로토콜을 테스트하고 선택할 수 있습니다.
• 여러 응용 제품 및 지리적 영역에서 단일 플랫폼을 사용할 수 있습니다.
• 이 방식을 통해 장치는 단일 프로토콜로 배포된 후 나중에 펌웨어 업그레이드를 통해 다른 프로토콜로 변경될 수 있습니다.

이 기사에서는 무선 메시 네트워크의 기본 사항에 대해 설명한 다음 Silicon Labs의 Mighty Gecko 무선 SoC(시스템온칩) 제품군과 관련 개발 도구에 대해 소개합니다. 그런 다음 설계자가 이를 플랫폼으로 이용해 경쟁적인 다양한 네트워크 프로토콜을 토대로 효과적인 메시 네트워크를 빠르게 구성할 수 있는 방법을 소개합니다.

무선 메시 네트워크란?

무선 메시 네트워크는 원래의 Bluetooth 사양에 따른 Wi-Fi 또는 지점 간 프로토콜 등의 익숙한 스타 토폴로지 네트워크와는 다릅니다. 메시 네트워크에서는 데이터 패킷이 목적지에 도달할 때까지 연결된 한 장치에서 다른 장치로 "홉"할 수 있습니다(그림 1). 또한 각 개별 장치가 동일한 네트워크의 다른 모든 장치와 통신하기 위해서는 네트워크의 다른 한 장치의 범위 내에만 있으면 됩니다. 예를 들어 두 장치 모두 서로에게 직접 도달하기에 충분한 RF 에너지를 보유하고 있지 않더라도 지하에 있는 한 장치가 다락에 있는 다른 장치와 통신할 수 있습니다. 우수한 메시 프로토콜은 응용 제품의 요구 사항에 따라 경로를 최적화합니다.

그림 1: 스타 네트워크(상단)에는 모든 노드가 통신해야 하는 중앙 라우터 또는 액세스 포인트가 있는 반면 메시 네트워크(하단)에서는 모든 노드가 협력해 네트워크에 데이터를 분산시킵니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

메시 네트워크의 모든 장치는 메시지를 해당 목적지로 전달하는 방식으로 협력하므로 네트워크가 누락되거나 결함이 있거나 전력 공급이 차단된 노드를 감당할 수 있습니다. 각 노드가 하나 이상의 다른 노드의 범위 내에 있다고 가정하면 이 호핑 및 라우팅 기능은 메시 네트워크를 매우 견고하고 결함을 견딜 수 있는 구조로 만듭니다. 이 개념은 인터넷 자체의 기저를 이루는, 언제나 직접 경로를 통하지는 않더라도 결국 데이터 패킷이 목적지를 찾아내는 TCP/IP 프로토콜 제품군과 유사합니다.

상충 관계에 있는 몇몇 메시 네트워킹 프로토콜이 있으며 이들은 유사한 기저 원칙을 기반으로 하고 있지만 모두 상호 호환되지 않습니다. Zigbee, Thread, BLE가 그러한 프로토콜의 세 가지 예입니다. 모두 동일한 2.4GHz 대역에서 작동하지만 다른 메시 프로토콜을 사용하므로 상호 운용되지 않습니다.

각 무선 메시 프로토콜에는 장점과 단점이 있으며 가장 적합한 표준을 결정하는 것은 개발자의 몫입니다. 경우에 따라 개발자는 표준 중 하나를 채택하는 것보다 독자적인 무선 메시 네트워크를 구성하는 것을 선호할 수도 있습니다. 보안상의 이유나 제품 차별화를 위해서나 또는 고유한 기능 세트를 구현하기 위해서 일 수 있습니다.

Mighty Gecko 소개

유연성을 극대화하고 설계 및 개발 시간을 단축하기 위해서는 여러 표준을 지원하는 무선 네트워크 컨트롤러를 선택하는 것이 좋습니다. 그러면 개발자는 네 가지 측면에서 유연성을 누릴 수 있게 됩니다. 첫째, 더 구체적인 고객 피드백이나 시장 정보를 입수할 수도 있는 설계 주기의 후반부까지 네트워크 표준 선택 결정을 미룰 수 있습니다. 둘째, 개발자가 실험실에서 다양한 네트워크 표준을 테스트하고 경험적 근거를 토대로 최상의 표준을 선택할 수 있습니다. 셋째, 단일 플랫폼을 다양한 네트워크 표준을 이용해 여러 제품에 배포할 수 있습니다. 이는 전 세계 여러 지역의 시장에 서비스를 제공할 경우 특히 유용할 수 있습니다. 넷째, 지원하는 네트워크를 변경해 현장의 장치나 플랫폼을 변경, 향상 또는 업그레이드할 수 있습니다.

설계자에게 이 유연성을 제공하기 위해 Silicon Labs는 Mighty Gecko 메시 네트워킹 무선 SoC 장치 제품군을 개발했습니다(그림 2). 이 제품군(내부적으로 EFR32MG라 불림)에는 모두 동일한 40Mhz Arm® Cortex®-M4 32비트 프로세서 코어를 토대로 하는 여러 관련 제품이 포함되어 있습니다.

그림 2: Arm Cortex-M4 기반의 Mighty Gecko SoC 제품군은 무선 메시 네트워크 컨트롤러에 필요한 거의 모든 것을 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

온칩 플래시 메모리 크기(256Kbytes, 512Kbytes, 1024Kbytes), 내부 SRAM 크기(32Kbytes, 64Kbytes, 128Kbytes, 256Kbytes), 패키지 유형 및 온도 범위를 선택할 수 있습니다. 모든 Mighty Gecko SoC는 산업용 온도 범위(-40°C ~ +85°C)에 대해 사양이 지정되었으며 일부 제품은 확장된/자동차용 온도(-40°C ~ +125°C) 인증을 받았습니다.

Mighty Gecko는 SoC로서 무선 네트워크 컨트롤러에 필요한 거의 모든 것을 갖추고 있습니다. 제품 구성도의 왼쪽 상단에 있는 무선 섹션에서는 두 개의 별도 RF 섹션을 볼 수 있습니다. 하나는 Thread, Zigbee, BLE에 사용되는 최대 19dBm 송신 전력의 2.4Ghz 대역용이며 나머지 하나는 독점 네트워크 구현을 위한 최대 20dBm 송신 전력의 Ghz 미만 대역용입니다.

또한 칩에는 광범위한 온칩 전력 관리 기능, 1.8V ~ 3.8V 작동 전압 범위, 통합 DC/DC 컨버터, 무선 패킷을 받을 때까지 전체 칩이 저전력 대기 모드에서 절전 모드로 유지될 수 있는 “무선 통신 시 절전 모드 해제” 기능이 있습니다. 또한 내장된 신호 강도 감지, 프리앰블 패턴 감지, 프레임 감지, 타임아웃 등의 기능이 있어 모든 무선 트래픽이 아닌, 관련 있는 무선 전송에만 절전 모드가 해제되도록 칩을 설정할 수 있습니다.

처음부터 Mighty Gecko 기반 기판을 설계하기보다 기성품 평가 및 개발 키트로 시작할 수 있어 훨씬 간편합니다. SLWSTK6000B 메시 시험용 키트에는 소규모 메시 네트워크를 설정 및 테스트하는 데 필요한 모든 하드웨어 및 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

이 키트에는 각각 기본 기판과 선택한 플러그인 무선 기판으로 구성된 3개의 동일한 기판 세트가 포함되어 있습니다(그림 3). 단일 세트는 초기 평가 또는 소프트웨어 개발 단계에 유용할 수 있지만 네트워크를 테스트하는 데에는 최소한 두 개가 필요하며 메시 기능을 테스트하는 데에는 세 개 이상이 필요합니다. 따라서 SLWSTK6000B 키트에는 모든 것이 세 세트로 제공됩니다.

그림 3: 1개의 SLWSTK6000B 시험용 키트에는 기본 기판과 플러그인 무선 기판으로 구성된 세 개의 동일한 세트가 포함되어 있어 소규모 메시 네트워크를 구성할 수 있습니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

기본 기판 중앙에 커다란 IC로 보이는 것은 실제로 LCD 디스플레이입니다(그림 4). 128 × 128 픽셀 모노크롬 디스플레이는 매우 소량의 전력을 소모하며 내부적으로 픽셀 데이터를 저장하므로 새로 고칠 필요가 없습니다. Mighty Gecko 마이크로 컨트롤러 칩은 더 작은 플러그인 무선 기판에 있습니다.

그림 4: SLWSTK6000B 메시 시험용 키트의 기본 기판/무선 기판 쌍. 중앙의 커다란 장치는 비트매핑된 LCD 디스플레이입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

플러그인 무선 기판은 각 기본 기판에서 분리 및 교체 가능하며 키트는 각 기본 기판을 위해 두 가지의 다른 유형으로 제공됩니다(총 6개의 무선 기판). 키트의 기판은 모두 2.4GHz 대역에서 Zigbee 및 Thread를 지원하지만 독점 네트워크를 위한 GHz 미만 주파수 대역을 지원하는 기판을 포함한 다른 RF 특성과 주파수를 지닌 다른 기판도 사용 가능합니다.

소프트웨어 IDE를 설치 및 실행하기 전에 하드웨어를 조립하고 전력을 공급하는 것이 좋지만 의무 사항은 아닙니다. 무선 기판을 선택하고 이를 기본 기판의 일치하는 헤더에 밀어 넣어도 됩니다. 전력은 다양한 방법(예: 배터리, AC 어댑터 또는 USB)으로 공급할 수 있지만 USB 케이블이 가장 간편하며 몇몇 장점을 추가로 제공합니다. USB 연결은 무선 기판 반대 편인 기본 기판의 왼쪽 가장자리에서 이루어집니다.

기판에 전력이 공급되면 USB 커넥터 근처의 파란색 LED에 불이 들어 오며 중앙의 정사각형 LCD가 켜집니다. 짧은 일시 중지 후에 녹색 “심박” LED도 켜집니다.

다음 단계를 위해 하드웨어를 USB 케이블로 개발 시스템에 연결해 두는 것이 가장 좋습니다. 또한 작은 3위치 전원 스위치(기본 기판의 왼쪽 아래 코너 근처)를 맨 오른쪽의 “AEM” 위치로 전환하는 것이 좋습니다.

소프트웨어 설치

Simplicity Studio는 Silicon Labs의 Mighty Gecko를 비롯한 수많은 다른 마이크로 컨트롤러를 위한 일체형 IDE(통합 개발 환경)입니다. 무료 소프트웨어를 다운로드하려면 해당 회사의 Simplicity Studio 다운로드 페이지를 방문하십시오. 계속 진행하기 전에 Simplicity Studio를 설치 및 실행하십시오.

Simplicity Studio를 실행하고 프롬프트에 따라 개발 키트 하드웨어 및 원하는 소프트웨어에 특정된 몇몇 추가 구성 단계를 수행하십시오. 이 공정은 간단하지만 몇 가지 결정을 내려야 하며 하드웨어 등록을 위한 추가 단계가 있을 수도 있습니다.

위에서 권한대로 기본 기판이 여전히 개발 PC에 연결된 상태라면 Simplicity Studio가 설치 과정 중에 하드웨어의 USB 인터페이스를 감지하여 자동으로 몇몇 하드웨어 특정 기능을 다운로드해 구성할 것입니다.

다음 단계는 이 개발 키트를 위한 하드웨어 특정 소프트웨어를 다운로드하는 것입니다. Simplicity Studio는 두 가지 옵션, “Install by Device"(장치별 설치) 또는 “Install by Product Group”(제품 그룹별 설치)을 제공합니다(그림 5). 두 옵션 모두 결국 동일한 결과를 가져오지만 앞의 옵션을 선택하는 것이 더 간편하므로 커다란 녹색의 “Install by Device” 옵션을 클릭하십시오.

그림 5: Simplicity Studio는 장치별 또는 제품 그룹별로 설치되는, 프로젝트 특정 소프트웨어 지원 로딩을 위한 두 가지의 경로를 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

Simplicity Studio는 개발 기판을 자동으로 감지해야 하지만 감지하지 못하는 경우 필요한 소프트웨어 패키지를 수동으로 쉽게 찾을 수 있습니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 검색 상자에 “SLWSTK6000B”를 입력하기만 하면 됩니다. 제안하는 소프트웨어 지원 패키지를 두 번 클릭한 후 Next(다음)를 클릭합니다.

그림 6: 검색 상자에 SLWSTK6000B를 입력해 필요한 소프트웨어를 신속하게 찾을 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

그 다음에는, Simplicity Studio가 이 하드웨어 구성에 사용할 수 있는 추가적인 소프트웨어 지원을 강조 표시합니다. 이 소프트웨어 중 일부는 Silicon Labs에 등록한 사용자 또는 하드웨어를 등록한 사용자만 액세스가 가능합니다. 따라서 그림 7에서 볼 수 있듯이 몇몇 옵션은 회색으로 표시되며 일시적으로 사용이 불가능할 수 있습니다.

그림 7: 일부 소프트웨어에 대한 액세스는 하드웨어 구매 증빙에 따라 조건부로 허용됩니다. (이미지 출처: DigiKey)

Thread, Zigbee 및 다른 몇몇 프로토콜을 위한 소프트웨어 스택은 SLWSTK6000B 개발 키트와 같은 메시 지원 하드웨어 구매 증빙에 따라 사용 가능하므로 계속 진행하기 전에 다음 등록 단계를 완료하는 것이 중요합니다.

먼저 Mighty Gecko 시험용 키트 상자 외부에 찍힌 10자리 16진수 코드를 찾으십시오. 10자리 키를 찾는 데 도움이 필요한 경우 Silicon Labs Zigbee 및 Thread 지식 기반의 “Silicon Labs 무선 메시 스택에 액세스”를 참조하십시오. 그런 다음 Thread 또는 EmberZNet(Zigbee) 옵션 중 하나의 “Register Kit”(키트 등록) 링크를 클릭합니다. 그렇게 하면 하드웨어 등록이 완료되고 메시 네트워크 프로토콜 스택의 잠금이 해제됩니다. 계속하려면 Next를 클릭하십시오.

마지막으로, Simplicity Studio는 하나 이상의 C 컴파일러, 실시간 운영 체제(옵션), 프로파일링 도구, 다른 수많은 옵션 등, 설치를 권장하는 모든 소프트웨어 옵션을 포함한 긴 목록을 표시합니다(그림 8). 특정 옵션은 원하는 경우 수동으로 활성화 또는 비활성화할 수 있지만 일반적으로 제안하는 소프트웨어 로드아웃은 수락하는 것이 가장 좋습니다. 준비가 되면 Next를 클릭합니다.

그림 8: Simplicity Studio를 위한 최종 소프트웨어 목록은 하나 이상의 C 컴파일러, 실시간 운영 체제(옵션), 프로파일링 도구 등, 설치를 권장하는 모든 소프트웨어 옵션을 표시합니다. (이미지 출처: DigiKey)

마지막 단계로, Simplicity Studio는 곧 설치할 모든 소프트웨어 구성 요소를 포괄하는 마스터 소프트웨어 라이센스 계약을 표시합니다. 이 라이센스를 읽고 수락한 후 마지막으로 Next를 클릭합니다.

소프트웨어 설치에는 수 분 정도가 소요됩니다. 완료되면 Simplicity Studio가 닫히고 다시 시작됩니다. 이제 Thread, Zigbee, Bluetooth 또는 맞춤형 독점 프로토콜을 이용해 메시 네트워크 응용 제품 제작을 시작할 모든 준비가 완료되었습니다. Simplicity Studio에는 사전 구성된 단순한 데모 프로그램 몇 개와, 수정 가능한 예제 코드가 포함되어 있으며 이 모든 것은 개발자가 올바른 첫걸음을 시작하는 데 도움이 됩니다.

결론

사전 구성된 호환 하드웨어 및 사전 테스트를 거친 소프트웨어 키트 덕분에 메시 네트워크를 사용하는, 무선으로 연결된 장치를 제작하는 일이 간편해졌습니다. 하드웨어의 유연성은 Zigbee, Thread, BLE 등의 다양한 네트워크 프로토콜의 경험적 평가를 빠르게 수행할 수 있게 지원하는 한편, 향후 프로토콜 간에 변경할 수 있도록 지원합니다 이러한 변경은 설계 및 개발 단계 중이나 최종 제품이 배포된 후에도 수행이 가능합니다.