단일 플랫폼을 통한 신속한 무선 감지 노드 디버깅 및 시제품 제작

HVAC 및 공장 자동화부터 자동차, 의료 및 소비자 가전까지 무선 연결 감지 장치 개발자는 꾸준히 증가하는 규정, 상호 운용성 및 성능 과제를 충족하는 동시에 빠르고 비용 효율적인 반복을 위해 지속적으로 도전받고 있습니다. 무선 센서 제품을 처음부터 다시 설계하여 성능 및 크기별로 차별화하고 싶은 경우도 있지만, 신속한 시제품 제작과 개발을 위해 고안되고 지원 및 확장성을 위한 에코시스템이 구축된 기성 키트를 사용하는 것이 더 빠르고 더 비용 효율적입니다.

그러한 플랫폼으로 Texas Instruments의 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 키트가 있습니다. 이 키트는 소형 콤팩트 폼 팩터에서 무선 마이크로 컨트롤러(CC1352R), 센서, 여러 무선 인터페이스, 상대적으로 우수한 성능, 낮은 전력 소비 등을 방대하고 검증된 소프트웨어 및 도구 지원 에코시스템과 결합합니다.

이 기사에서는 무선 센서 제품 설계 및 시제품 제작의 진화하는 특징을 설명하고 CC1352R SensorTag 키트를 소개하고 키트를 시작하는 방법을 살펴봅니다.

무선 센서 시제품 제작 키트를 사용하는 이유

무선 센서 장치는 설계자에게 까다로운 문제를 제시합니다. 유지 보수를 최소화하기 위해 무선 센서 장치는 배터리를 교체하기 전에 실제로 현장에서 1년 ~ 10년 동안 지속할 수 있어야 합니다. 또한 일정 수준의 기판 실장 처리 및 분석을 지원해야 합니다. 이때 사물 인터넷(IoT) 네트워크의 에지에 최대한 가까운 위치에서 작업하여 교환할 데이터를 줄입니다. 그러면 전력 소비를 줄이고 가용 무선 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있습니다.

무선 대역폭은 자체적인 문제가 있으므로, 설계자는 Bluetooth, Thread, Zigbee를 비롯하여 기가헤르츠(GHz) 미만의 주파수 또는 2.45GHz에서 작동하는 다양한 무선 스택 중에서 선택해야 합니다. 각 무선 스택은 사용 가능한 대역폭, 전력 및 처리 리소스를 사용하는 방법과 관련하여 장단점이 있습니다. 선택하려면 데이터 전송률, 범위, 예상 노드 수, 네트워크 토폴로지, 대기 시간 요구 사항, 듀티 사이클, 전력 소비, 네트워킹 프로토콜 오버헤드, 상호 운용성, 규제 요구 사항 등과 관련한 응용 분야의 요구 사항을 신중하게 분석해야 합니다.

새로운 “신규” 배포의 경우 올바른 인터페이스를 선택하는 것이 상대적으로 쉽지만, 이미 무선 네트워크가 배포되어 있는 산업용 IoT(IIoT) 응용 분야에서는 설계자가 동일한 인터페이스를 사용하여 다른 노드에 직접 연결할지, 응용 분야에 더 적합한 다른 인터페이스를 사용할지 여부를 결정한 다음 게이트웨이를 통해 이전 인터페이스를 새 인터페이스에 연결해야 하는 경우도 있습니다.

이는 설계자가 처리해야 하는 모든 응용 분야 관련 의사 결정 트리이지만, 소프트웨어 개발과 통합에 시간과 노력을 투자하는 것은 물론이고 시제품 제작과 아이디어 개발의 측면에서 인터페이스를 처음부터 다시 설계한 다음 연결된 프로세서 및 센서를 선택하는 것은 거의 가치가 없습니다. 대중 시장 설계를 위한 초대용량 제작의 경우 “직접” 설계가 유용할 수도 있습니다. 하지만 대부분의 경우 자체 공장 생산 라인을 위한 노드를 설계하는 엔지니어는 일부 모터, 생산 라인의 특정 지점 또는 온도계에서 데이터를 가져오는 데 필요한 몇 개의 노드만 있으면 되므로 대용량은 설계 요구 사항이 아닙니다. 그런 경우 기성 키트로 충분합니다.

더 높은 용량이 필요한 경우 사전 인증되고 규정을 준수하는 기성 RF 모듈을 사용할 수 있습니다. 이러한 모듈은 풍부한 펌웨어 및 소프트웨어를 지원하므로 시제품 제작을 가속화하고 개발 비용과 배포 비용을 절감할 수 있습니다. 이 경우 설계자는 각 센서와 추가 블록에 필요한 플랫폼 프로세서, 센서 및 연결된 소프트웨어 요소를 알맞게 결합해야 합니다.

사용해야 하는 무선 인터페이스를 설계자가 이미 알고 있는 경우에는 상관없습니다. 하지만 여러 응용 분야에서 여러 설계를 고려하는 단계에서 상호 운용할 수 없는 기존 인터페이스의 경우 무선 센서 시제품 제작 및 개발에 대한 더 포괄적이고 유연한 접근 방식이 필요합니다.

SensorTag: 포괄적인 무선 센서 시제품 제작 플랫폼

더 좋은 방법은 무선 지원 감지 및 처리 노드의 핵심 요소를 센서, 소프트웨어, 에코시스템과 통합하여 설계자를 지원하면서 더 높은 계층의 소프트웨어 개발 스택을 탐색하고 차별화할 수 있는 기성 플랫폼을 찾는 것입니다. Texas Instruments(TI)에서 이러한 플랫폼을 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 키트와 함께 제공합니다(그림 1).

그림 1: LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 키트에는 설계자가 무선 센서 응용 제품을 개발하고 시제품을 제작하는 데 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey, Texas Instruments 자료에 기반)

이 키트는 TI의 CC1352R 다대역 무선 마이크로 컨트롤러(MCU)를 기반으로 하며, 주위에 환경 및 동작 센서와 소프트웨어를 추가했습니다. 모든 추가 항목은 1GHz 미만의 외장형 회전식 안테나, 2선식 암-암 케이블, JTAG 연결용 10핀 플랫 리본 케이블, 빠른 시작 안내서와 함께 휴대용 인클로저에 담겨 있습니다. TI의 LAUNCHXL-CC1352R1 SimpleLink Multi-Band CC1352R 무선 MCU Launchpad 개발 키트와 두 개의 AAA 배터리는 포함되어 있지 않지만 키트와 함께 두는 것이 좋습니다. 기판 후면에 연결되는 특수 배터리 홀더를 사용하면 CR2032 동전형 전지 배터리로도 SensorTag를 작동할 수 있습니다.

SensorTag 키트의 핵심은 CC1352R 다대역 무선 MCU입니다(그림 2). 이는 TI SimpleLink MCU 플랫폼의 일부이며 보안 저전력 연결 토폴로지를 위한 모든 구성 요소를 제공하도록 설계되었습니다.

그림 2: TI의 CC1352R 다대역 무선 마이크로 컨트롤러는 2.4GHz와 1GHz 미만의 이중 대역 작동을 위한 FCC, CE 및 IC 인증을 충족하며 LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 키트의 핵심 요소입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

CC1352R 마이크로 컨트롤러는 2.4GHz와 1GHz 미만의 이중 대역 작동을 위한 FCC, CE 및 IC(Industry Canada) 인증을 받았으며, Bluetooth 저에너지(BLE), Thread, Zigbee, 스마트 개체의 6LoWPAN(IPv6 지원 저전력 무선 개인 영역 네트워크) 및 기타 IEEE 802.15.4g 물리층(PHY) 기반 독점 프로토콜(TI의 SimpleLink TI 15.4 스택(1GHz 미만 및 2.4GHz) 포함)을 포괄합니다. DMM(Dynamic Multiprotocol Manager)을 사용하여 여러 프로토콜을 동시에 실행할 수 있습니다.

무선 통신 수신기의 감도는 SimpleLink 장거리 모드에서 -121dBm(1mW에 상등하는 dB)이고, 50kbps에서 -110dBm이고, 125kbps Bluetooth에서 -105dBm입니다(LE 코딩 PHY 포함). 최대 송신 전력은 GHz 미만 대역에서 +14dBm(24.9mA 소비)이고, 2.4GHz에서 +5dBm(9.6mA 소비)입니다. 장치의 대기 전류는 전체 RAM 잔류가 유지되는 상태에서 0.85µA입니다. 또한 105˚C에서 대기 전류 11µA로 IIoT를 지원합니다. 설계자는 저전력에 최적화되도록 다양한 대기 모드 및 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 샘플링 속도로 작업할 수 있습니다. 예를 들어 1Hz(시스템에서 1µA 전류를 소비하는 지점)로 샘플링하도록 ADC를 설정할 수 있습니다.

CC1352R의 핵심이 되는 프로세서는 352Kbytes 시스템 내장형 프로그래밍 가능 플래시, 프로토콜 및 라이브러리 기능용 256Kbytes ROM, 8Kbytes 캐시 SRAM을 지원하는 48MHz Arm® Cortex®-M4F 코어를 기반으로 합니다. 이 프로세서는 무선(OTA) 업그레이드를 지원하고 AES 128 및 AES 256 가속기가 탑재되어 있습니다.

낮은 BOM에 최적화됨

RF 프런트 엔드 설계자의 경우 필터링, 임피던스 정합 및 기타 기능에 필요한 추가 수동 이산 소자 부품의 수가 문제가 됩니다. 그 수에 따라 BOM 및 레이아웃 복잡도가 증가합니다. CC1352R 구현을 간소화하기 위해 TI는 Johanson Technology와 협력하여 부품 수를 23개에서 3개로 줄인 1mm x 1.25mm x 2mm 크기의 맞춤형 집적 수동 소자 부품(IPC) 패키지를 개발했습니다(그림 3).

그림 3: TI는 Johanson Technology와 협력하여 수동 소자 부품 요구 사항을 23개에서 3개로 줄인 IPC를 개발하여 TI CC1352R 구현을 간소화했습니다. (이미지 출처: DigiKey, Johanson Technology 자료 사용)

네 개의 센서가 SensorTag 키트와 함께 제공되지만 더 많은 센서나 다른 센서가 필요할 경우 해당 센서를 선택한 후 TI의 BoosterPack LaunchPad 플러그인 모듈을 사용하여 빠르게 추가할 수 있습니다. SensorTag 키트에는 다음 네 개의 센서가 포함되어 있습니다.

• TI HDC2080 습도 및 온도 센서
• TI OPT3001 주변광 센서
• TI DRV5032 홀 효과 스위치
• TI ADXL362 가속도계

센서의 레이아웃과 연결을 보여줍니다(그림 4).

그림 4: SensorTag 키트는 습도 및 온도, 주변광, 가속 및 홀 효과 센서와 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

커넥터는 LaunchPad와 호환되므로 센서와 함께 BoosterPack 주변 장치(예: LCD 디스플레이) 또는 맞춤형 회로를 쉽게 연결할 수 있습니다.

LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 키트 시작하기

LPSTK-CC1352R LaunchPad SensorTag 키트를 시작하려면 SimpleLink CC13x2 및 CC26x2 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 다운로드합니다. 이 버전은 Rev. E 장치에서만 검증되었으므로 Rev. C 이전 장치의 경우 v2.30.00.xx 버전을 사용하십시오. 다운로드한 후 SimpleLink Academy로 이동하여 단계별 지침과 예제를 확인합니다.

샘플 데이터를 빠르게 가져오기 위해, BLE 연결을 통해 iOS 및 Android용 SimpleLink Starter 앱이 설치된 스마트폰 및 태블릿에 연결하는 Multi-Sensor라는 Bluetooth 5(BLE5) 프로젝트로 키트가 미리 프로그래밍되어 있습니다. 이 초기 연결을 통해 설계자는 OTA 다운로드(OAD) 기능을 사용하여 센서 데이터 조회, LED 전환, 버튼 상태 읽기 및 펌웨어 업데이트를 시작할 수 있습니다(그림 5). 여기서 설계자는 모바일 장치에서 클라우드로 데이터를 푸시할 수도 있습니다.

그림 5: 설계자는 BLE 연결을 통해 iOS 및 Android 플랫폼용 SimpleLink Starter 앱에 로드된 스마트폰 또는 태블릿에 연결하여 LaunchPad SensorTag 키트 실험을 시작할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

BLE와 함께 LPSTK에는 예제가 두 개 더 있습니다. 한 예제에서는 LPSTK를 Zigbee 조명 스위치로 사용하고, 다른 예제에서는 802.15.4 네트워크의 센서 노드로 사용합니다. 세 예제 프로젝트는 모두 SDK에서 다음과 같이 제공됩니다.

• Multi-Sensor:
  • <simplelink_cc13x2_26x2_sdk install location>\examples\rtos\CC1352R1_LAUNCHXL\ble5stack\multi_sensor
• TI DMM 센서 노드:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_154sensor_remote_display_oad_lpstk_app
• Zigbee 스위치:
  • \CC1352R1_LAUNCHXL\dmm\dmm_zed_switch_remote_display_oad_app

SimpleLink 및 Starter 앱을 보완하여 TI는 BLE, Zigbee, Thread 및 TI-15.4를 위한 TI 드라이버 및 스택 구성을 포함하여 다양한 SimpleLink SDK 부품을 위한 초기화 코드를 지원, 구성, 생성하는 데 사용되는 통합 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 도구인 SysConfig를 제공합니다(그림 6).

그림 6: SimpleLink를 보완하는 TI의 SysConfig는 핀, 주변 장치, 무선 통신, 서브 시스템 및 기타 부품을 구성하는 데 사용되는 간편한 그래픽 유틸리티 모음입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

시스템 설계와 마찬가지로 약간의 디버깅도 필요하지 않은 경우는 드문 일입니다. 이 단계에서 SensorTag는 LaunchPad 개발 키트의 기판 실장형 XDS110 디버거(이 경우 앞서 언급한 LAUNCHXL-CC1352R)와 함께 사용하도록 설계되었습니다. 따라서 Arm 10핀 JTAG 케이블과 2선식 UART 케이블이 포함되어 있습니다. 연결한 경우 전체 디버그, 프로그래밍 및 UART 통신이 가능합니다. 케이블을 연결하려면 아래 단계를 따르십시오.

• LaunchPad에서 분리 점퍼를 분리합니다.
• Arm 10핀 JTAG 케이블을 LaunchPad SensorTag의 XDS110 OUT 헤더에 연결합니다.
• Arm 10핀 케이블의 다른 쪽을 LaunchPad SensorTag의 JTAG 헤더에 연결합니다.
• 2핀 점퍼 케이블을 RXD 및 TXD의 상단 핀에 연결합니다(회색 전선을 RXD에, 흰색 전선을 TXD에 연결).
• 2핀 점퍼의 다른 쪽을 LaunchPad SensorTag의 12/RX 및 13/TX 핀에 연결합니다(회색을 12/RX에, 흰색을 13/TX에 연결).
• LaunchPad를 PC 또는 랩톱에 연결합니다.

전체 설정이 그림 7에 표시된 것과 비슷해야 합니다.

그림 7: 디버그를 수행하려면, SensorTag 키트에 공급된 Arm 10핀 JTAG 케이블과 2핀 UART 케이블을 사용하여 SensorTag를 LAUNCHXL-CC1352R LaunchPad 개발 키트에 연결해야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

실행 중인 이미지를 직접 업데이트할 수 없으므로 수신 중에 들어오는 OAD 이미지를 임시 위치에 저장해야 한다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 내부 플래시 또는 오프칩에 이 임시 위치를 예약할 수 있습니다. 어느 경우든 이미지 다운로드가 완료되면 SensorTag 장치에 영구히 상주하는 BIM(Boot Image Manager)을 사용하여 새 이미지가 유효한지 여부와 이미지 헤더를 기반으로 로드하여 실행해야 하는지 여부를 결정합니다.

예를 들어 BIM은 특히 유용하며 설계자가 OAD 이후에 원래의 기본 제공 이미지로 되돌릴 수 있습니다. 이렇게 하려면 전원을 켜거나 리셋 중에 BTN-1(왼쪽 버튼)을 길게 누릅니다. 그러면 BIM이 기본 제공 이미지(예: Multi-Sensor)로 되돌아 갑니다.

결론

무선 센서 노드를 구현할 때 선택할 수 있는 많은 무선 인터페이스가 있지만 개발자는 주어진 응용 분야에 가장 적합한 인터페이스를 확인하기 위해 각 인터페이스에 대한 시제품을 제작하는 데 시간과 리소스를 투입할 필요가 없습니다. 대신에 LPSTK-CC1352R SensorTag 키트 및 연결된 LaunchPad 하드웨어, 소프트웨어 및 에코시스템을 사용하여 인터페이스를 빠르고 쉽게 혼합 및 정합하고, 하나 이상의 인터페이스를 동시에 사용하고, 필요에 따라 BoosterPack 센서를 추가 및 교체할 수 있습니다.