Wi-Fi 기반 무선 센서를 통한 원격 모니터링

현대의 공장은 디지털 시스템이 점점 복잡해지고 다양한 벤더의 장치와 소프트웨어가 상호 연결되어 있습니다. 이 복잡성으로 인해 독점 인터페이스는 점점 멀어지고 이더넷, Wi-Fi®와 같은 일반 표준으로 대체되고 있습니다. 디지털 통신 표준화는 사물 인터넷(IoT) 기술을 통해 다른 장치 연결을 크게 간소화하는 4차 산업 혁명(Industry 4.0)의 일부로 간주될 수 있습니다(그림 1). 이 기사에서는 가장 일반적인 형태의 Wi-Fi 기반 센서 네트워킹과 일반적인 응용 분야를 검토합니다.

그림 1: Wi-Fi 기반 감지는 산업 설정에서 점점 더 일반화되고 있습니다.

Wi-Fi의 역사와 버전

Wi-Fi는 IEEE 802.11을 기반으로 하는 무선 네트워킹 프로토콜이지만, 장치의 상호 운용성을 보장하기 위해 표준화되었습니다. Wi-Fi 표준은 Wi-Fi® Alliance에 의해 유지 관리되며, 이 표준을 준수하는 것으로 인증된 제품만 이 상표를 사용할 수 있습니다.

802.11 표준은 무선 LAN 응용 분야에 적합하게 규정되었습니다. 이 표준은 1997년 IEEE(전기 전자 기술자 협회)에서 802.11-1997로 발표했으며, 이후 시간순으로 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac에 주요 릴리스가 포함되었습니다. IEEE 802.11은 Wi-Fi에 대한 기술적 기반을 제공하지만, IEEE는 어떠한 인증이나 테스트를 거치지 않아 초기 장치에서 상호 운용성 문제가 발생했습니다.

1999년에 IEEE 802.11을 처음 채택한 기업 중 일부가 Wi-Fi Alliance를 결성했습니다. 이 협회는 회원사에서 생산 중인 장치 간의 상호 운용성을 개선하는 것을 목표로 했습니다. 설립 회사에는 3Com과 Nokia가 포함되어 있습니다. 표 1에 표시된 대로 Wi-Fi 세대는 IEEE 802.11 표준의 주요 릴리스와 일치합니다.

표 1: 연도별 Wi-Fi 표준

범위, 속도, 주파수

Wi-Fi는 다양한 주파수에서 작동할 수 있으며, 경우에 따라 다른 주파수를 사용하도록 장치를 구성할 수 있습니다. 가장 일반적인 주파수는 2.4GHz 및 5GHz입니다.

일반적으로 주파수가 높을수록 더 빠른 데이터 전송 속도를 제공합니다. 하지만 특히, 단단한 물체를 통과할 때 주파수가 높을수록 분산되기 쉽습니다. 따라서 주파수가 낮을수록 일반적으로 더 우수한 범위를 제공합니다.

다른 장치와 동일한 주파수 범위에서 작동할 경우 Wi-Fi는 전파 방해의 영향을 받기 쉽습니다. 예를 들어 2.4GHz의 경우 전자레인지, 무선 전화 및 Bluetooth 장치에서 Wi-Fi 전파 방해가 발생할 수 있습니다. 즉, 특정 환경에서는 5GHz가 실제로 2.4GHz보다 더 나은 범위를 제공할 수 있습니다. 특정 주파수에서 문제가 발생할 경우 다른 채널 또는 대역을 사용해 보는 것이 가장 쉬운 방법입니다.

주파수 범위는 특정 채널이 정의되는 대역입니다. 예를 들어 2.4GHz는 14개 채널로 분할됩니다. 채널 1은 2401MHz ~ 2423MHz, 채널 2는 2406MHz ~ 2428MHz 이런 식으로 진행됩니다. 5GHz 대역에서는 상당히 많은 채널을 사용할 수 있습니다.

Wi-Fi HaLow 또는 확장 범위라고 하는 IEEE 802.11ah는 약 900MHz의 더 낮은 주파수 대역에서 작동하며, 좁은 1MHz RF 채널과 결합합니다. 이러한 좁은 저주파 채널은 프로토콜 변경과 결합하여 Bluetooth 저에너지보다 훨씬 더 낮은 전력을 소비합니다. 범위는 2.4GHz의 약 2배이며 단일 스트림의 경우 150kbps에서 40m 이상, 더 복잡한 이중 스트림 칩의 경우 80m 이상입니다. IEEE는 802.11ah 표준을 이미 발표했지만 Wi-Fi Alliance는 아직 장치 인증을 시작하지 않았습니다.

스펙트럼의 반대쪽에 있는 IEEE 802.11ad 또는 WiGig는 약 60GHz의 더 높은 주파수 대역에서 작동하여 일반적으로 약 7Gbit/sec의 높은 데이터 전송 속도를 지원합니다.

Wi-Fi 네트워크 토폴로지

네트워크 토폴로지는 장치 간 연결의 기본 구조입니다(그림 2). 예를 들어 스타 토폴리지에서 한 장치는 허브이고 모든 다른 장치는 허브에 연결됩니다. 완전 연결식 토폴로지에서는 각 장치가 서로 다른 장치에 연결됩니다. 메시 토폴로지는 연결이 분산된다는 점에서 완전 연결식 토폴로지와 비슷하지만, 모든 쌍의 장치 간에 연결이 존재하지 않을 수 있으므로 부분 연결 메시라고도 합니다. 버스 토폴로지에서는 모든 장치가 버스라고 하는 케이블에 연결됩니다.

그림 2: 네트워크 토폴로지는 다양하지만 대부분의 Wi-Fi 네트워크는 스타 또는 메시입니다. (이미지 출처: Design World)

Wi-Fi 네트워크는 일반적으로 스타 또는 메시입니다. 메시 토폴로지는 강력하고 안전하며, 개별 링크가 더 짧을 수 있으므로 전력 소비를 줄이고 범위를 개선합니다. 많은 저전력 센서를 포함하는 대규모 IoT 네트워크의 경우 이는 중요한 이점입니다. 하지만 이러한 점에서 스타 네트워크가 이점을 제공할 수도 있습니다. 스타 네트워크에서는 개별 장치가 간헐적으로 전송할 수 있으며, Wi-Fi 신호를 대기하기 위해 허브에만 지속적인 전력이 필요합니다.

산업용 특수 Wi-Fi 구현

위에서 언급한 대로 Wi-Fi HaLow는 낮은 주파수를 사용하여 우수한 범위와 낮은 전력 소비를 실현합니다. 따라서 소형 배터리 작동 장치에 유용할 수 있습니다. 실시간 통신이 필요한 제어 및 산업 자동화 응용 분야의 경우 Wi-Fi는 매우 빠르고 대기 시간이 짧고 안정적인 연결을 제공하는 데 어려움이 있습니다. 10년 이상 실시간 Wi-Fi에 관심이 있었지만 이 기술은 널리 채택되지 않았습니다. 실시간 Wi-Fi의 가장 성공적인 구현은 프로세스 자동화를 위한 중국 산업 무선 통신 표준인 WIA-PA일 것입니다.

산업 환경에서 Wi-Fi는 동작 센서, 바코드 스캐너와 같은 까다롭지 않은 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 기계 상태 모니터링은 매우 보편화되었습니다. 회전식 기계의 경우 가속도계가 변화를 모니터링하는 데 사용됩니다. 또한 환경 모니터링은 상태 모니터링의 중요한 측면이며, 배포된 작은 온도, 압력, 습도 및 가스 농도 센서를 사용합니다.

상태 모니터링 센서는 다양한 환경에 배포됩니다. 여기에는 일반적인 공장 및 창고 기계와 트럭과 같은 고가의 상용 차량과 땅 고르기 장비, 항공기 등이 포함됩니다. 또한 상태 모니터링은 매우 체계적으로 설정되며 발전, 채굴 및 드릴링 작업에서 중요한 역할을 합니다.

교통, 오염도 및 날씨 모니터링은 무선 센서가 배포되는 응용 분야의 추가적인 예입니다.

경쟁 기술

Wi-Fi는 산업 장치 간 무선 통신을 지원하는 유일한 표준이 아닙니다. 단거리 저전력 응용 분야의 경우 Wi-Fi는 Bluetooth 및 Zigbee와 경쟁합니다. 장거리 응용 분야의 경우 Wi-Fi와 경쟁하는 주요 기술은 셀룰러 기술(3G, 4G, 5G)입니다.

엔지니어가 Bluetooth 저에너지(BLE) 및 Wi-Fi(XBee Wi-Fi 모듈 사용)를 통해 통신을 설정하도록 도와주는 저전력 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)의 한 가지 예를 고려해 보겠습니다.

Bluetooth는 체계적으로 설정된 저전력 통신입니다. Zigbee는 IEEE 802.15.4를 기반으로 하는 최신 기술이며, Bluetooth보다 경제적인 하드웨어와 낮은 전력을 사용하도록 고안되었습니다. Wi-Fi HaLow는 이 영역에서 경쟁하도록 제작되었지만 Zigbee의 초저비용과 초저전력을 실현하지 못합니다. 더욱이 5G는 LPWA(저전력 장거리 통신 기술)라는 자체 저전력 기술을 사용합니다.

이러한 많은 저전력 제품을 보완하는 것이 에너지 수확 기능입니다.

결론

많은 산업용 장치 제조업체에서는 아직도 독점 산업용 무선 기술을 활용합니다. 이는 상호 운용성을 더 어렵게 만들지만 향상된 보안과 실시간 통신을 제공할 수 있습니다. 이러한 영역에서 Wi-Fi가 지속적으로 개선됨에 따라 엔지니어는 더 많은 장치에서 이 개방형 표준을 채택할 것으로 기대합니다. 반면에 5G는 무선 IIoT 응용 분야에서 많은 잠재성을 보여주고 있습니다. 다음 몇 년 동안 최신 Wi-Fi 6 표준과 5G 표준 간에 경쟁이 더욱 치열해질 것입니다.