LTE 마이크로 컨트롤러 및 라우터를 사용하여 신속하게 원격 산업용 IoT 셀룰러 종단점 구현

사물 인터넷(IoT) 응용 제품이 확장되면서 연결된 네트워크의 범위도 확장되어야 합니다. Wi-Fi, Bluetooth 및 Zigbee는 산업 시설 주위 또는 내부에서 편리한 무선 네트워킹을 위해 사용할 수 있습니다. 그러나 일부 산업용 IoT(IIoT) 네트워크를 사용하려면 몇 마일 이상 떨어져 있거나 널리 분산된 현장, 유지 관리 기술자가 도달하기 어렵거나 도달하는 데 많은 시간이 소요되는 위치에 있는 시스템은 원격으로 모니터링하고 제어해야 합니다. 이러한 경우 셀룰러 네트워킹이 가장 적합한 무선 솔루션입니다.

이 기사에서는 몇 마일 이상 떨어져 있는 일부 IIoT 응용 제품에서 셀룰러를 통해 원격으로 데이터를 모니터링 및 제어해야 하는 필요성을 설명하고 최소한의 유지 관리만으로 또는 유지 관리 없이 전력을 절약할 수 있는 원격 IIoT 노드의 이점을 살펴봅니다. 그런 다음 LTE 네트워크를 통해 Phoenix Contact의 DIN 레일 실장 셀룰러 라우터에 데이터를 전송할 수 있는 Nordic Semiconductor의 셀룰러 마이크로 컨트롤러를 소개합니다.

IIoT 네트워킹 확장

기존 IIoT 네트워크는 제조 시설, 자동화된 웨어하우스, 야외 공원 등과 같은 단일 위치에 설치됩니다. 허브에 대한 네트워킹은 유선(예: 산업용 이더넷) 또는 무선(예: Wi-Fi 또는 Zigbee)으로 연결될 수 있습니다. IIoT 네트워크의 종단점 위치에 즉시 액세스하여 효과적으로 유지 관리 또는 교체할 수 있는 중앙 위치에서 허브 네트워킹을 쉽게 관리할 수 있습니다.

IIoT가 확산되면서 사용 사례도 확장되고 있습니다. 네트워크의 효율성 향상과 즉각적인 제어를 위해 시설 관리자는 원격 시스템과 본사 허브 사이에 대기 시간을 최소화하면서 원격 시스템을 능동적으로 모니터링하고 제어해야 합니다. 기차, 지하철, 주간 트럭 등과 같은 교통 시스템은 연료 및 에너지 소비, 속도, 거리, 위치 추적을 위한 GPS 포지셔닝, 목적지까지의 예상 시간과 함께 엔진 또는 전기 모터의 다양한 센서에 대한 모니터링을 통해 이점을 얻을 수 있습니다. 이 데이터는 주요 시설 또는 회사 본사로 전송되어 분석됩니다. 데이터를 즉시 사용하여 효율성을 높이고, 오류를 방지하고, 비용을 줄이고, 신뢰성을 높임으로써 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

석유 및 가스 파이프라인은 파이프라인 내부의 부피와 압력을 모니터링하고 온도, 기압계 판독, 습도 등과 같은 환경 조건을 모니터링하여 IIoT 네트워킹을 유용하게 활용할 수 있습니다. 정밀 GPS 위치 모니터링 기능을 진동 및 자이로스코프 센서와 함께 사용하여 지진과 같은 외부 힘에 의한 파이프라인 이동을 감지할 수 있습니다. 경우에 따라 감지된 비상 상황(예: 지진)에 대응하여 파이프라인을 통한 흐름을 원격으로 제한하거나 중지할 수 있습니다. 장비에서 자체 진단을 실행한 후 분석을 위해 결과를 공장으로 전송할 수 있습니다. 북극권과 같은 열악한 환경에서는 이러한 파이프라인이 본사에서 수천 마일 떨어진 위치에 배치될 수 있으므로 완벽하게 신뢰할 수 있는 통신 네트워크를 종단점에 구축해야 합니다.

셀룰러 IoT 입력

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 IIoT 네트워킹은 기존 LTE(장기적 진화) 셀룰러 네트워크를 통해 데이터를 전송하도록 확장되었습니다. 따라서 전원을 지속적으로 공급할 수 있다면 LTE 연결이 제공되는 전 세계 어디서나 IIoT 종단점을 배치할 수 있을 뿐 아니라, 셀룰러 네트워크 유지 관리 비용과 업무를 이동통신사에서 담당한다는 추가적인 이점이 있습니다. 이러한 시스템은 모니터링되지 않고 도달하기 어려운 원격 위치에 배치될 수 있으므로, 원격 셀룰러 IIoT 종단점은 신뢰할 수 있고 해킹 또는 물리적 변조에 내성을 가집니다.

IIoT를 위한 신뢰할 수 있는 내장형 시스템을 구축하기 위한 첫 번째 단계는 전력을 최소화하면서 시스템을 간단하게 유지하는 것입니다. 시스템을 간단하게 유지하면 오류 지점이 감소합니다. 전력 소비를 줄이면 열이 감소하여 신뢰성이 향상되고, 대부분의 반도체 장치에서 수명이 연장되고 배터리 구동 IIoT 종단점의 배터리 수명이 향상됩니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 Nordic Semiconductor는 nRF9160 LTE 셀룰러 IoT 마이크로 컨트롤러를 도입했습니다. nRF9160은 최신 IoT 및 사물 지능 통신(M2M) 데이터 표준을 준수하는 완벽한 온칩 LTE 모뎀을 통합하여 셀룰러 IIoT 종단점 개발을 간소화합니다(그림 1).

<그림 1: Nordic Semiconductor nRF9160 LTE 셀룰러 마이크로 컨트롤러는 Arm® Cortex®-M33 코어를 기반으로 합니다. 또한 LTE 모뎀과 GPS 모듈을 비롯하여 셀룰러 IoT 종단점을 구축하는 데 필요한 모든 주변 장치를 제공합니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductor nRF9160은 저전력 IoT 응용 분야를 위해 특별히 고안된 64MHz Arm Cortex-M33 프로세서 코어를 기반으로 합니다. Cortex-M33은 단일 주기 증식 누산기(MAC) 연산을 지원하며 단정밀도 부동 소수점 처리 장치(FPU) 명령어, 하드웨어 분배 및 단일 명령어 다중 데이터(SIMD) 연산을 제공합니다. 이 제품은 센서 융합 계산처럼 센서 데이터를 빠르게 처리하는 데 유용합니다. Cortex-M33은 실시간 연산을 지원하여 저전력 모드를 시작하거나 종료할 때에도 매우 결정적입니다.

nRF9160 마이크로 컨트롤러에는 응용 제품 펌웨어를 위한 1MB의 온칩 플래시와 256KB의 저누설 RAM이 탑재되어 있습니다. 또한 AES 암호화, 난수 생성기(TRNG), 보안 비밀번호 관리 등 암호화 작업을 위한 Arm TrustZone 서브 시스템이 있습니다. 따라서 암호화된 데이터 통신을 확인하고 펌웨어 변조를 감지하는 데 유용합니다. 표준 온칩 직렬 인터페이스에는 외부 센서 및 액추에이터 연결을 위한 SPI, I²C 및 UART 포트가 포함되어 있습니다. 8채널 네이티브 12비트(오버샘플링을 포함할 경우 14비트) 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 아날로그 센서를 판독하는 데 유용합니다.

또한 nRF9160에는 저전력 IoT 종단점에 최적화된 온칩 GPS 수신기가 있습니다. 이 기능은 트럭, 기차와 같은 모바일 종단점에 특히 유용합니다. 또한 지진 활동으로 인해 위치가 의도치 않게 변경될 수 있는 시스템이나, 로봇 장비와 같은 이동식 장치에 종단점이 실장된 경우에 의도된 이동을 감지하는 데에도 유용합니다. GPS 수신기는 온칩 RF 트랜시버를 LTE 모뎀과 공유합니다. LTE 모뎀과 GPS 수신기가 모두 활성화된 경우 공유 RF 트랜시버는 GPS 모듈 및 LTE 모뎀과 함께 시분할 멀티플렉싱되며, LTE 모뎀에 우선권이 주어집니다.

nRF9160의 LTE 모뎀은 전용 플래시와 RAM 메모리가 탑재된 호스트 제어 프로세서, 기저대역 프로세서, 외부 50Ω 안테나 핀이 탑재된 RF 트랜시버, SIM 카드 인터페이스로 구성됩니다. 통신의 신뢰성 향상을 위해 LTE 모뎀은 자체 진단 및 고장 감지 기능을 제공합니다. LTE 모뎀은 Cat-M1, Cat-NB1, Cat-NB2를 비롯한 저전력 M2M 및 IoT 데이터 통신 프로토콜을 지원합니다.

LTE 네트워크를 통해 데이터를 교환하려면 무선 네트워크, 전화 번호 및 가입자 정보가 포함된 표준 SIM 카드가 LTE 모뎀에 필요합니다. nRF9160 LTE 호스트 프로세서에는 LTE-M 또는 Narrowband IoT(NB-IoT) 데이터 전송 표준과 호환되는 활성화된 SIM 카드에 연결하기 위한 외부 범용 집적 회로 카드(UICC) 인터페이스(SIM 카드 인터페이스라고도 함)가 있습니다.

각 nRF9160 LTE 종단점은 이동통신사를 통해 적절한 데이터 요금제로 SIM 카드를 구매해야 합니다. 네트워크 IoT 장치를 위한 SIM 카드 및 셀룰러 데이터 요금제는 DigiKey에서 편리하게 구매할 수 있습니다. 요금제는 월별 데이터 용량(300KB ~ 5GB)에 따라 제공됩니다.

nRF9160은 3.0V ~ 5.5V에서 작동할 수 있으므로 3.7V 리튬 배터리를 탑재한 배터리 구동 IIoT 종단점용으로 적합합니다. 대부분의 장치 사양은 3.7V 공급 전압을 기준으로 하므로 3.7V에서 작동할 것을 권장합니다. nRF9160의 주변 장치 및 프로세서 모듈을 위한 전력 영역은 대부분 구성 가능하며 펌웨어 제어를 통해 전원을 켜고 끌 수 있습니다. 따라서 개발자는 특정 응용 분야 요구 사항에 맞게 전류 소모를 세부 조정할 수 있습니다.

nRF9160에는 코어를 유휴 상태(코어 레지스터 상태 유지)로 전환하고, LTE 모뎀과 대부분의 주변 장치를 끄는 절전 모드(PSM)가 있습니다. 시간을 지속적으로 추적해야 하는 IIoT 종단점의 경우 PSM의 RTC를 사용하면 nRF9160에서 2.35µA의 전류만 소비하며 이는 배터리 구동 장치로는 획기적으로 낮은 전류 소모량입니다.

GPS 모듈은 지속적으로 추적할 경우 47mA의 많은 전류를 소비합니다. 하지만 PSM에서 GPS를 실행하면 추가적으로 소비되는 전류가 12mA에 불과하므로 더 실용적입니다. 따라서 실시간 위치를 지속적으로 모니터링해야 하는 기차 또는 트럭에 적합합니다. 더 경제적인 모드에서는 2분마다 한 번 싱글샷 수정을 실행하도록 GPS를 구성합니다. 그러면 1.3mA의 전류만 필요합니다. 이 모드는 간헐적인 움직임만 감지하면 되는 고정 노드에 적합합니다.

LTE-M 프로토콜을 사용하여 통신할 경우 nRF9160은 데이터를 375kbps의 속도로 전송할 수 있습니다. 낮은 데이터 전송률 NB-IoT 프로토콜의 속도는 60kbps입니다. 이러한 낮은 데이터 전송률은 종단점과 허브 간에 안정적인 통신을 유지하면서 전력을 절감합니다. 또한 LTE 모뎀은 암호화된 보안 통신을 통해 중간자 공격을 차단하거나 전송된 데이터를 무단으로 가로채지 못하도록 도와주는 TLS(전송 계층 보안)를 지원합니다.

nRF9160은 -40°C ~ +85°C 온도 범위에서 작동하므로 극한 저온 환경과 고온 환경에 적합합니다.

LTE 무선 통신은 1mW(dBm)의 출력 전력에 상응하는 23dB을 안테나에 제공합니다. LTE 무선 통신은 IPv4 및 최신 IPv6와 호환되므로 IPv4 제한 없이 새 IP 주소로 쉽게 확장할 수 있습니다. 또한 LTE 모뎀은 SMS 문자 메시지를 지원합니다. “안녕”이라고 말하는 대신 메시지를 사용하여 센서 데이터를 수신하고 작업 명령을 보낼 수 있다는 점만 제외하고 IIoT 종단점에서 휴대 전화와 비슷한 방식으로 문자 데이터를 보내고 받을 수 있습니다.

LTE 종단점 개발

nRF9160 개발을 지원하기 위해 Nordic Semiconductor는 nRF6943 Nordic Thingy:91 셀룰러 개발 기판을 공급합니다(그림 2). 이 기판은 빠른 구현을 위해 거의 그대로 배포될 수 있도록 연한 주황색 상자에 편리한 키트로 패키징됩니다.

그림 2: Nordic Semiconductor nRF6943 Thingy:91은 외부 장치를 연결할 수 있도록 많은 센서와 핀을 탑재한 모든 기능을 갖춘 셀룰러 개발 키트입니다. 또한 가입자 SIM 카드를 위한 SIM 카드 소켓이 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

nRF6943 개발 키트는 사용 가능한 USB 포트를 통해 충전되는 충전식 1400mAh 리튬 폴리머 배터리와 함께 제공됩니다. USB 포트는 펌웨어 개발, 프로그래밍 및 디버깅을 위해 nRF6943을 PC에 연결하는 데에도 사용됩니다.

nRF6943 Thingy:91 개발 키트는 저전력 가속도계, high-G 가속도계, 조명 및 컬러 센서, 전류 측정 포트를 비롯한 많은 기판 실장 센서와 함께 제공됩니다. 환경 센서는 온도, 습도, 대기질 및 기압을 감지합니다. 개별 포트 핀을 사용하여 추가 외부 센서에 연결할 수 있습니다. 또한 nRF9160은 소형 DC 모터 또는 고전류 LED를 구동하는 데 사용할 수 있는 4개의 전력 MOSFET을 구동합니다. 자기 버저와 세 RGB LED는 개발 중에 오디오 및 시각 피드백을 제공합니다. 또한 애플리케이션 펌웨어를 통해 프로그래밍 가능한 두 개의 푸시 버튼이 있습니다.

본사 허브에 연결

IIoT nRF9160 종단점은 LTE 연결을 사용할 수 있는 전 세계 어디에나 배치될 수 있습니다. IIoT 셀룰러 종단점은 본사 허브를 사용하여 이동통신사의 셀룰러 네트워크를 통해 셀룰러 라우터(예: Phoenix Contact 1010464 4G LTE 라우터)에 데이터를 전송할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: Phoenix Contact 1010464 셀룰러 라우터는 통합 방화벽 및 가상 사설망(VPN)을 지원하는 산업용 4G LTE 라우터입니다. (이미지 출처: Phoenix Contact)

이 Phoenix Contact 1010464 4G LTE 라우터는 열악한 산업 환경에 맞게 설계되었으며 AT&T 미국 셀룰러 네트워크에 연결됩니다. 가입자 SIM 카드를 위한 SIM 슬롯이 후면에 있습니다. 최소한의 하드웨어 구성으로 기존 DIN 레일 시스템에 쉽게 통합할 수 있도록 라우터에 DIN 레일이 실장되어 있습니다. 라우터의 위치에서 이 라우터를 통해 선명한 셀룰러 신호를 수신할 수 있어야 합니다. IIoT 종단점 펌웨어와 이 셀룰러 라우터는 안전하고 효과적으로 통신할 수 있도록 각 SIM의 전화 번호로 구성해야 합니다. LTE 라우터는 보안 강화를 위한 방화벽이 있으므로 승인되지 않은 전화 번호의 무단 LTE 액세스와 승인된 번호에서 발생된 의심스러운 패킷을 쉽게 차단할 수 있습니다. VPN은 보다 안전한 데이터 통신을 지원할 수 있습니다. LTE 셀룰러 라우터는 전면에 4포트 스위치가 있고 이더넷을 통해 로컬 네트워크와 통신합니다.

이 저전력 IIoT 종단점 및 LTE 셀룰러 라우터 조합을 사용하면 셀룰러 네트워크의 가용 대역폭에 의해서만 제한되는 통신 속도로 본사 허브와 산업용 종단점 간에 쉽게 통신할 수 있습니다.

결론

위에서 살펴본 바와 같이 IIoT 네트워크는 전 세계 어디에서나 종단점을 포함하도록 쉽게 확장할 수 있습니다. 통합 LTE 셀룰러 모뎀에서 저전력 마이크로 컨트롤러를 사용하면 시간 및 설계 비용이 절약되며, 적절한 구성을 통해 본사 허브에서 셀룰러 라우터에 24시간 데이터를 전송할 수 있습니다.