LoRaWAN 멀티프로토콜 게이트웨이를 갖춘 기존 산업 자동화 시설의 센서 네트워킹

산업용 사물 인터넷(IIoT)이 지속적으로 확대됨에 따라 다양한 시스템을 연결하는 데 사용되는 네트워킹 기술 유형도 확대되고 있습니다. 유선 네트워킹인 이더넷(및 산업용 이더넷)은 다양한 기능을 갖추고 있으며 다양한 프로토콜에서 실행할 수 있기 때문에 가장 흔히 사용되는 인터페이스입니다. 무선 고속 데이터의 경우 Wi-Fi가 빠르고 안정적인 네트워킹의 표준으로 자리 잡았으며 Bluetooth는 일부 센서와 장비 구성에 사용됩니다.

하지만 Bluetooth는 2.45GHz 대역에서 작동하는 반면 Wi-Fi는 2.45GHz, 5GHz 대역에서 작동합니다. 따라서 기존의 건물 건축에 사용되는 무거운 벽체로 인해 하위 GHz 대역에서 작동하는 LoRaWAN과 같은 무선 통신에 비해 Wi-Fi 및 Bluetooth 전송 범위가 크게 줄어들 수 있습니다. 이로 인해 센서 연결성이 떨어져 장치의 무선 연결 손실을 방지하기 위해 액세스 또는 집계 포인트를 시설 전체에 걸쳐 배치해야 하기 때문에 비용이 증가합니다.

이 기사에서는 이미 Wi-Fi와 Bluetooth를 갖춘 산업 자동화에 LoRaWAN 센서 연결 추가가 필요할 수 있는 이유를 설명합니다. 또한 산업 자동화 및 건물 관리에 적합하도록 조정되어야 하는 오래된 건물과 기존 환경에 대한 LoRaWAN의 장점을 살펴봅니다. 마지막으로 Wi-Fi 데이터 네트워킹, LoRaWAN 센서 연결, Bluetooth 연결을 간편하게 관리하면서 반대 방향으로의 호환성을 유지하는 Multi-Tech Systems의 두 가지 LoRaWAN 게이트웨이에 대해 알아봅니다.

오래된 건물에 무선 연결을 추가하는 방법

IIoT의 확대에 따라 일부 기존 건물에 IIoT 네트워크가 필요하게 되었습니다. 하지만 이러한 오래된 건물은 무선 데이터 전송에 대한 개념이 없던 시절에 건설되었습니다. 벽, 바닥, 천장에는 강화재로 강철 메시, 철근, 무거운 강철 빔이 사용되어 고주파 무선 통신 신호가 차단되고 일부 장비로의 네트워크 액세스가 차단됩니다.

벽을 넘어 연결이 어느 정도 이루어지는 경우도 있지만 벽 가까이에 포크리프트나 기타 중장비가 있으면 일시적으로 차단됩니다. 이는 Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 고주파 무선 프로토콜에 문제가 됩니다. 이렇게 간헐적으로 발생하고 경계가 애매한 연결 문제를 진단하는 것은 네트워크 기술 담당자로에게는 매우 어렵습니다.

따라서 이러한 건물에는 시설에 추가적인 라우터, 네트워크 스위치, 게이트웨이가 필요합니다. 이로 인해 네트워크가 더 복잡해지고 비용, 유지보수, 상호 운용성 문제가 발생합니다.

이러한 상황은 게이트웨이 또는 라우터로부터 수백 피트 거리에 설치될 수 있는 원격 센서의 경우에 특히 문제가 됩니다. 하지만 환경 센서와 같은 일부 센서는 고속 무선 네트워크를 통해 상태를 계속해서 전송할 필요가 없기 때문에 네트워크 병목현상 또는 경합 상태 없이 하위 GHz 주파수를 쉽게 사용할 수 있습니다.

이러한 경우 하위 GHz 저전력 LoRaWAN 무선 프로토콜이 적합합니다. LoRaWAN은 미국에서는 902MHz ~ 928MHz, 유럽에서는 863MHz ~ 870MHz의 주파수 범위에 걸쳐 전송이 가능합니다. LoRaWAN은 지속적인 데이터 연결이 필요하지 않은 저전력, 저 데이터 속도 센서를 대상으로 합니다. 더욱 중요한 사실은 전송되는 신호가 목재, 석고판, 콘크리트, 강철을 쉽게 통과하기 때문에, 작동 주파수 대역이 낮은 LoRaWAN이 두꺼운 강화벽을 갖춘 오래된 건물에 적합하다는 점입니다.

하지만 산업 시설에서 Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN을 사용하는 경우에는 세 개의 프로토콜을 모두 안정적이고 상호 운용 가능한 방식으로 통합하는 동시에 유지보수 비용을 절감하는 것이 중요합니다.

IIoT LoRaWAN 구성

일반적으로 Wi-Fi 신호는 네트워크 스위치 또는 라우터를 통해 산업 시설의 중앙 허브로 연결되고 이러한 스위치 또는 라우터에서 유선 이더넷을 통해 데이터가 변환됩니다. Wi-Fi와 이더넷의 프로토콜은 호환되기 때문에 이러한 변환은 비교적 간단합니다. 하지만 LoRaWAN은 이더넷과 호환되지 않기 때문에 데이터가 그냥 전달될 수 없습니다. LoRaWAN 데이터가 중앙 허브에 도달하려면 무선 LoRaWAN 데이터가 우선 호환 가능한 게이트웨이에 수신되어야 합니다. LoRaWAN과 호환 가능한 게이트웨이는 백홀 연결을 통해 LoRaWAN 네트워크 서버(LNS) 애플리케이션을 실행하는 Windows 또는 Linux 중앙 허브로 데이터를 전달하도록 구성됩니다. LNS는 데이터를 처리하고 응용 소프트웨어에서 사용 가능한 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 통해 허브의 운영 체제에 노출합니다.

견고한 산업 시설을 위해 설계된 LoRaWAN 멀티프로토콜 게이트웨이는 Multi-Tech Systems의 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 멀티프로토콜 게이트웨이(그림 1)입니다. 이 게이트웨이는 산업 환경을 대상으로 하며 -30°C ~ +70°C의 온도와 최대 90%의 상대 습도(응결 없음)에서 작동 가능합니다.

MTCDT-247A-915-US-EU-GB는 LoRaWAN 미국 주파수에 적합하도록 구성되었으며 다른 지역에서는 사용할 수 없습니다. MTCDT-247A-915-US-EU-GB는 Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN을 지원합니다.

그림 1: Multi-Tech Systems의 MTCDT-247A-915-US-EU-GB 게이트웨이는 산업 환경을 위한 Wi-Fi 라우터 및 LoRaWAN 게이트웨이입니다. 미국 LoRaWAN 주파수인 902MHz ~ 928MHz에서 작동하며 Bluetooth 연결 또한 지원합니다. (이미지 출처: Multi-Tech Systems)

이 Conduit 게이트웨이는 미국 915MHz 대역에서 LoRaWAN 네트워킹을 지원합니다. 게이트웨이는 브라우저 기반 인터페이스를 사용하여 LoRaWAN 패킷 전달자가 LNS를 대상으로 하도록 구성합니다. 산업 시설 내 위치한 LoRaWAN 센서는 오래된 건물에 사용되는 강철 강화 콘크리트 벽과 바닥을 통해서도 수백 피트 거리에 있는 Conduit 게이트웨이에 쉽게 연결할 수 있습니다. 하지만 현대적인 건물에도 무선 신호가 도달하지 않는 사각지대가 있습니다. 이는 큰 건물에서 항상 불가피한 문제가 됩니다. 따라서 모든 영역을 아우르려면 최소한 2개의 LoRaWAN 게이트웨이를 갖추는 것이 좋습니다. LNS 애플리케이션은 2개 이상의 Conduit 게이트웨이로부터 동일한 데이터 패킷 수신 시 발생하는 모든 문제를 해결합니다.

브라우저 인터페이스를 사용하여 Wi-Fi 액세스 포인트를 구성할 수도 있습니다. MTCDT-247A-915-US-EU-GB는 802.11a/b/g/n 프로토콜의 2.45GHz와 5GHz에서 산업 시설에 Wi-Fi 액세스 포인트를 제공합니다. Wi-Fi 안테나는 게이트웨이에 포함되어 있습니다.

또한 브라우저 인터페이스는 호환 가능한 Bluetooth 장치에 연결하기 위한 Bluetooth 액세스 포인트를 구성할 수 있습니다. 데이터 전송률이 높은 상시 작동 Bluetooth 장치에는 Bluetooth Classic이 지원됩니다. 태블릿, 랩톱, 일부 센서 등 배터리 구동 Bluetooth 장치에는 Bluetooth LE 4.1이 지원됩니다.

메인 서버에 대한 네트워킹 연결 및 백홀은 후면의 RJ45 잭에서 유선 10/100BaseT 이더넷을 통해 연결됩니다.

MTCDT-247A-915-US-EU-GB는 GNSS(글로벌 항법 위성 시스템)도 지원합니다. 이를 글로벌 포지셔닝에 사용할 수 있지만 더욱 중요한 것은 GNSS는 메시지 동기화를 위한 LoRaWAN 표준에서 요구하는 LoRaWAN 패킷 타임스탬프의 정확한 시간축을 제공합니다.

MTCDT-247A-915-US-EU-GB는 미국 LoRaWAN, Wi-Fi, Bluetooth 허브 연결을 하나의 게이트웨이에 결합하여 세 개의 무선 프로토콜 모두를 위한 유지보수의 중심점을 제공하고 네트워크 연결을 간소화합니다. 게이트웨이는 세 개의 프로토콜이 서로를 방해하지 않도록 설계되었습니다.

유럽에서 사용하는 경우 Multi-Tech Systems는 MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 게이트웨이를 제공하며, 이는 유럽 868MHz LoRaWAN 대역인 863MHz ~ 870MHz에서 작동하고 추가적으로 백홀에 4G-LTE 셀룰러 연결을 지원한다는 점을 제외하면 미국 버전과 동일합니다. 최신 셀룰러 표준이 적용되지 않는 분야의 비용 효율적 운영을 위해, 게이트웨이는 3G-HSPA+ 및 2G-GPRS 네트워크를 통해 데이터를 전송할 수도 있습니다. Multi-Tech Systems에서는 이 게이트웨이가 모든 EU 셀룰러 네트워크와 호환되는 것으로 명시합니다.

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB는 대부분의 EU 전력 아웃렛과 호환되는 다양한 어댑터와 함께 제공됩니다. Wi-Fi 안테나, GNSS 안테나, 2개의 셀룰러 안테나도 포함하고 있습니다(그림 2).

그림 2: The Multi-Tech Systems MTCDT-247A-915-US-EU-GB 게이트웨이는 유럽 868MHz 대역에서 LoRaWAN 연결을 지원하며 4G-LTE 셀룰러 백홀 연결 또한 지원합니다. 대부분의 국가와 호환되는 다양한 AC 전력 어댑터와 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Multi-Tech Systems)

4G-LTE 네트워크를 통해 LoRaWAN 데이터를 LNS로 전송하려면 각 게이트웨이에 무선 네트워크, 전화번호, 가입자 정보가 포함된 표준 SIM 카드가 필요합니다.

MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB에는 본체 전면 명판 뒤에 SIM 카드 홀더가 있습니다. 고의적으로 주의를 기울이지 않고 교체하다가 SIM 카드가 훼손되는 것을 방지하기 위해 명판이 나사로 고정됩니다(그림 3). 추가적인 보안을 위해 게이트웨이를 무단 사용자가 접근할 수 없도록 잠금장치가 있는 장소에 보관해야 합니다. Bluetooth와 Wi-Fi 신호를 차단할 수 있는 금속 인클로저로 둘러싸인 장소가 아니어야 합니다.

그림 3: MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB 게이트웨이에는 작은 나사로 고정된 명판을 제거하여 액세스할 수 있는 SIM 카드 포트가 있습니다. (이미지 출처: Multi-Tech Systems)

4G-LTE 백홀을 지원하는 Multi-Tech Systems Conduit LoRaWAN 게이트웨이의 경우 셀룰러 회사에서 적합한 데이터 요금제의 SIM 카드를 구매해야 합니다. DigiKey에서 Conduit 게이트웨이를 위한 SIM 카드 및 IoT 셀룰러 데이터 플랜을 편리하게 구매할 수 있습니다. 요금제의 데이터 용량은 1개월에 300KB ~ 5GB로 제공됩니다.

Multi-Tech Systems Conduit 게이트웨이는 4가지 무선 연결 프로토콜 및 GNSS를 위한 하나의 간편한 중심 액세스 포인트를 하나의 기기로 제공합니다. 유지보수 담당자의 입장에서는 이를 통해 모든 무선 네트워크가 한 곳에 간편하게 구성되어 시간이 절약되고 신뢰성이 높아집니다. 또한 별도의 라우터와 게이트웨이를 사용하는 경우 발생할 수 있는 충돌이 방지됩니다.

결론

공장에서 IIoT를 도입하면서 산업 자동화에 무선 네트워킹이 더욱 많이 사용되고 있습니다. 이러한 응용 분야의 경우 다양한 응용 분야에 Wi-Fi 및 Bluetooth를 지원하는 장치가 이미 다양하게 사용되고 있으며 다른 주파수 대역에 걸쳐 작동하는 경우가 많습니다. 살펴본 바와 같이 이미 Wi-Fi와 Bluetooth를 갖춘 산업 자동화 시설의 하위 GHz에서 작동하는 LoRaWAN 센서 연결을 추가하면 특히 강철 강화재가 적용된 벽이 있는 오래된 시설에서 신뢰성을 개선할 수 있습니다. 이러한 모든 프로토콜을 지원하는 하나의 게이트웨이를 사용하면 시간과 구성 비용이 절약되면서도 호환성과 신뢰성이 높아집니다.