커넥티드 ML 인사이트를 위해 Bluetooth 시스템 온 칩을 활용하는 스마트 비콘

오늘날의 제품 개발 및 지원 주기는 빠르게 변화하고 있습니다. 소프트웨어 및 하드웨어 결합을 감지하고 사용자 동작에 대한 인사이트를 제공하는 임베디드 제품은 엔지니어가 장비를 계속적으로 작동 및 향상시키는 데 필요한 데이터를 공급합니다.

그러나 모든 산업용 장비가 이러한 임베디드 제품을 손쉽게 연결하거나 지원하도록 설계된 것은 아닙니다. 사물 인터넷(IoT)을 위해 설계된 제품이라도 전자기 간섭(EMI), 제한된 대역폭, 긴 케이블 길이와 같은 연결 문제를 겪을 수 있습니다.

Bluetooth 지원 시스템 온 칩 기술의 등장으로, 엔지니어들은 온보드 머신 러닝(ML)을 지원하는 마이크로 프로세서 성능과 함께 원활한 연결성을 동시에 구현할 수 있게 되었습니다. 연결성과 스마트 분석과의 이러한 결합은 사후 대응적이 아닌 사전 대비적 설계 및 지원 주기에서 중요한 도구입니다.

스마트한 데이터 수집으로 제품 개발 및 지원 혁신

성공적인 제품 개발 및 지원을 구현하려면 사용 데이터가 필요합니다. 고객이 제품을 어떻게 사용하는지(즉, 고객이 어떤 기능을 신뢰하고 어떤 기능이 불편하거나 결함이 있는지) 잘 모르는 설계자는 사용자가 요구하는 방향으로 제품을 개선하는 데 어려움을 겪을 것입니다. 마찬가지로, 지원을 담당하는 직원이 문제가 발생하기 바로 전 또는 문제 발생 중의 사용자 행동, 시스템 상태, 환경 조건 및 기타 중요 데이터를 파악하지 못하면 문제를 적절하게 해결할 수 없습니다.

최신 온보드 연결성 및 분석을 지원하는 제품은 설계 개선 과정과 지원을 더욱 효과적으로 만들 수 있습니다. 임베디드 제품 및 스마트 비콘은 온도, 습도, 기압과 같은 환경 조건을 감지할 뿐만 아니라 다중 축 가속도, 주변 광, 자기장도 감지할 수 있습니다. 실시간 클록(RTC)의 타임스탬프를 통해, 온보드 분석 기능을 사용하거나 Bluetooth를 통해 클라우드 서버로 브로드캐스팅될 때 데이터를 다른 시스템 이벤트와 연관시킬 수 있습니다.

예를 들어, 산업 환경의 선형 모션 시스템에 부착된 스마트 비콘은 습도가 올라갈 때 진동이 증가하는 것을 감지할 수 있습니다. 그런 다음 온보드 프로세서는 유지보수 엔지니어에게 추가 윤활제가 필요함을 알리는 경보를 브로드캐스팅할 수 있습니다. 이러한 유형의 사전 대응적 문제 해결은 장비의 다운타임과 유지보수 비용을 줄여줍니다.

제품 설계자는 또한 기록된 진동 및 환경 데이터를 사용하여 미래의 선형 모션 시스템을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 습한 조건에서 더 오래 지속되는 다른 윤활제를 권장할 수 있습니다. 다양한 요소로부터의 보호를 향상시키기 위해 윤활 시스템을 재설계할 수도 있습니다.

구현 과제 및 솔루션

IoT 환경에서 개선된 데이터 수집의 이점을 실현하기 위해, 엔지니어는 데이터 수집 및 분석을 최적화해야 합니다. 분석을 위해 정보를 클라우드에 전송하는 과정에서 내재적 지연이 발생하며 데이터 보안 수준이 떨어집니다. 임베디드 시스템 및 스마트 비콘은 AI 및 ML 기능을 장치 자체에 포함하여 이러한 문제를 해결합니다. 이러한 에지 AI 및 TinyML 시스템에는 수신되는 실세계 데이터를 기반으로 프로세서가 지능적 추론을 구축할 수 있도록 하는 축소된 소프트웨어 모델이 포함되어 있습니다.

온보드 ML 기능은 진동 데이터, 환경 데이터, 글로벌 타임스탬프를 매칭하는 수준일 정도로 간단하거나, 데이터 동향에 기반해 유지보수 필요성을 예측하기 충분할 정도로 복잡할 수 있습니다. 복잡하든 간단하든 ML 모듈은 네트워크 리소스를 활용하지 않고도 실시간 데이터를 수신하고 처리하여 시기 적절한 인사이트를 제공하고 에너지 사용을 최소화할 수 있습니다.

여전히, 스마트 비콘 및 임베디드 시스템은 궁극적으로 네트워크를 통해 다른 장치 또는 서버에 상태를 전달해야 합니다. 레거시 시스템 대부분은 PROFIBUS, DeviceNet, CANOpen, Modbus RTU 등의 프로토콜을 사용하는 유선 직렬 연결을 위해 설계되었습니다. 최신 장비는 PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP 또는 Ethernet POWERLINK과 같은 저지연 이더넷 기반 프로토콜을 기반으로 합니다. 그러나, 직렬 및 이더넷 통신 모두에는 공장 현장에 데이터와 전력을 전달하기 위한 케이블이 필요하며, 이로 인해 EMI, 긴 케이블 선에서의 신호 저하, 발을 헛디딜 위험을 줄이고 운전 또는 자율 주행 차량을 위한 경로를 제공하는 데 필요한 설비 투자와 같은 문제가 발생합니다.

Bluetooth 프로토콜을 사용하는 단거리 무선 주파수(RF) 통신은 이러한 과제 중 많은 부분을 해결합니다. Bluetooth Low Energy(BLE)와 같은 일부 버전은 버튼 배터리에서 제공되는 전력으로 최대 150m의 강력한 신호를 브로드캐스팅하도록 설계되었습니다.

BLE 신호는 일부 셀룰러 및 Wi-Fi 네트워크도 지원하는 2.4GHz 대역에서 작동합니다. 공유 대역은 네트워크 간섭 및 신호 무결성 저하를 일으킬 수 있지만, 벽과 장비 같은 가시선 장애물을 극복할 수 있는 가장 신뢰할 수 있는 대역이기도 합니다. 가시선 및 간섭 문제를 극복하기 위해, 많은 BLE 시스템은 메시 네트워크 형태로 구성되어 인터넷 프로토콜 버전 6(IPv6)을 활용하여 BLE 장치 간에 그리고 BLE 장치를 클라우드에 연결할 수 있습니다(그림 1). 전략적으로 배치된 Bluetooth 핫스폿은 메시 네트워크 내에서 신호의 강도와 무결성을 향상시킬 수도 있습니다.

그림 1: 스마트 비콘 및 기타 장치는 Bluetooth를 사용하여 페어링 과정 없이 가장 가까운 핫스폿에 연결할 수 있습니다. 핫스폿은 Bluetooth 메시 네트워크를 활성화하거나 Wi-Fi를 통해 클라우드 서비스에 연결할 수 있습니다(이미지 출처: Blecon LTD).

분석 기능과 네트워킹을 함께 제공하는 스마트 비콘

데이터 수집, AI 및 ML 추론 엔진, 네트워크 연결성을 통합한 Bluetooth 지원 스마트 비콘은 임베디드 시스템용으로 설계되지 않은 장비에서도 제품 작동, 사용자 행동, 예측 유지보수와 관련된 인사이트를 제공합니다. 한 예로 Blecon LTD의 L02S-BCN을 들 수 있습니다(그림 2).

그림 2: L02S-BCN 스마트 비콘은 BLE 연결, 여러 감지 옵션, 고가시성 LED, IP67 인클로저 내의 현장 교체 가능 배터리를 제공합니다(이미지 출처: Blecon LTD).

L02S-BCN 스마트 비콘은 Nordic Semiconductor의 nRF54L15 계열 다중 프로토콜 SoC(그림 3)로 구동됩니다. 이 칩은 최대 4Mbps의 데이터 전송 속도로 Bluetooth 버전 5.4, IEEE 802.15.3-2020, 2.4GHz 프로토콜을 지원하는 다중 프로토콜 2.4GHz 무선과 265KB RAM에서 실행되는 128MHz Arm® Cortex®-M33 프로세서를 결합합니다. 1.5MB의 비휘발성 메모리는 네트워크 연결을 사용할 수 없는 경우 센서 판독값과 분석을 저장할 수 있습니다.

그림 3: nRF54L15 계열 다중 프로토콜 SoC는 다중 기능 무선 통신, PSA 레벨 3 보안, 256KB RAM을 사용하는 128MHz 프로세서, 에지 AI 및 ML을 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어 주변 장치를 제공합니다(이미지 출처: Nordic Semiconductor).

nRF54L15 칩에는 IoT 시스템용으로 설계된 보안 기능이 내장되어 있습니다. TrustZone 분리, 사이드 채널 보호, 훼손 감지 프로토콜을 통해 해당 장치는 플랫폼 보안 아키텍(PSA) 레벨 3인증을 획득했습니다. 이러한 시스템은 L02S-BCN 비콘에서 전송되는 데이터 페이로드가 안전한 전송을 위해 암호화되도록 보장하며, 양방향 통신을 통해 클라우드에서 네트워크 노드의 식별자가 검증되도록 합니다.

nRF54L15 칩은 또한 L02S-BCN 스마트 비콘이 IoT 시스템의 데이터를 수집, 분석, 공유할 수 있도록 하는 주변 장치가 내장되어 있습니다. 14비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)는 온도, 습도, 기압, 가속도, 감광 센서의 신호를 디지털 데이터로 변환하고, 글로벌 RTC는 각 판독값에 대해 타임스탬프를 생성합니다. 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI), 2선식 인터페이스(TWI), 범용 비동기 수신기/송신기(UART)를 포함한 5개의 직렬 인터페이스가 처리 및 감지 부품을 연결합니다.

이러한 물리적 센서 옵션 외에도, L02S-BCN 비콘은 오픈 표준 RISC-V(감산 명령어 집합 컴퓨팅 버전 5) 코프로세서에 사전 통합된 Memfault 소프트웨어를 사용하여, 임베디드 장치로서 충돌, 소프트웨어 오류, 배터리 상태, 사용자 동작을 감지하고 이를 클라우드로 보고합니다. Memfault는 또한 무선(OTA) 업데이트를 관리하므로 배포된 장치를 회수할할 필요가 없습니다.

L02S-BCN 비콘은 에지 AI 플랫폼인 Edge Impulse이 네트워크 리소스를 사용하지 않고도 ML을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 에지 AI는 지연을 제거하고, L02S-BCN 비콘이 현장에서 교체 가능한 1000mAh CR2477 코인형 배터리로 동작할 수 있도록 합니다. 69.9mm 높이 x 46.7mm 폭 x 18mm 두께의 L02S-BCN 비콘은 먼지를 차단하고 1m 깊이의 물 속에서도 최대 30분간 견딜 수 있는 IP67 등급의 인클로저를 갖추고 있습니다. 이 비콘은 양면 접착제, 나사 또는 케이블 타이를 사용하여 장비에 실장할 수 있습니다.

결론

Bluetooth 스마트 비콘은 산업 및 IoT 응용 분야에 감지, 연결, 에지 AI 및 ML을 제공합니다. 데이터 수집, 지연 없는 분석, OTA 업데이트를 지원하는 SoC(예: Nordic Semiconductor의 nRF54L15)로 구동되는 스마트 비콘(예: Blecon의 L02S-BCN)은 연결에 대한 장애물을 극복하여 산업 장비를 ML 기능을 갖춘 임베디드 제품으로 전환합니다.