IoT의 약속한 미래를 구현하는 기술

20년 이상 전부터 대중이 인터넷을 사용할 수 있게 되면서 새로운 비즈니스와 작업 방식이 다양하게 생겨났습니다. 그 과정에서 기존의 '오프라인 거래' 비즈니스 모델이 분열되었습니다. 사물 인터넷(IoT) 기술은 물리적 자산을 온라인으로 연결함으로써 한 단계 더 나아갈 예정입니다. 건물 상태를 모니터링하기 위해 건물에 센서가 내장됨에 따라 오프라인 거래마저도 이 기술의 영향을 받을 수 있습니다.

실제 생활에 분산 컴퓨팅 인텔리전스를 사용함으로써 IoT는 기존 비즈니스 모델을 재조명할 수 있도록 합니다. 이런 상황에서 비즈니스는 소비자가 진정으로 필요로 하는 것이 무엇인지, 그런 필요를 충족하기 위해 무엇을 할 수 있는지 질문할 수 있습니다. 우리는 항공기용 제트 엔진에서 이미 이러한 변화가 진행되고 있음을 확인했습니다. 주요 제조업체들이 IoT 모델을 조기에 채택하여 제품 서비스뿐 아니라 항공사가 제품을 구매하는 방식을 지원하는 데 통신 네트워크를 사용하고 있습니다.

이 모델은 항공 교통에서 수익성을 끌어내는 가장 중요한 부분, 즉 지상에서의 운항 중지 시간을 줄여 항공기가 최대 개수의 항로를 운항하도록 하는 것에 집중하기 때문에 항공사와 제트 엔진 제조업체의 동기가 서로 부합하게 됩니다. 엔진에 장착된 센서는 실시간 업데이트 정보와 함께 항공기가 지상의 공항 게이트에 있을 때 확보된 항공기 상태에 대한 더욱 세부적인 데이터를 제공합니다. 이러한 정보를 통해 엔진 제조업체는 엔진의 최신 상태를 파악할 수 있으므로 운항 계획에 따라 가장 적절한 시기에 엔진을 분리하여 정비하는 일정을 잡을 수 있습니다.

제트 엔진 비즈니스 모델 자체는 엔진 제조업체가 항공기를 가능한 한 오래 공중에 유지할 수 있도록 장려하기 위해 설계되었습니다. 그 결과 사실상 항공사는 엔진을 구입하기보다 항공기를 계속해서 운항하기 위해 그 능력을 활용하고 있습니다. 센서와 전 세계적 통신 기능을 통해 엔진 제조업체는 비즈니스 모델의 약속한 미래를 구현할 수 있는 능력을 갖출 수 있습니다.

이 동일한 원리는 다른 여러 시장으로 확대될 수 있습니다. 예를 들어, 자동차 제조업체는 제품 판매업체로서의 기존 역할에서 신뢰할 수 있는 운송 제공업체로 역할을 전환할 수 있습니다. 자동차 가치 체인에 있는 다른 공급업체도 이 원리를 활용할 수 있습니다. 제조업체는 운전자에게 비정기적으로 타이어를 판매하는 대신, 센서를 통해 향상되는 임대 모델을 사용할 수 있습니다. 일부 타이어에는 이미 센서가 설치되어 있습니다.

그림 1: NXP Semiconductor의 FXTH87 제품군 타이어 압력 모니터 센서가 포함된 시스템 응용 제품 구성도의 예(출처: NXP).

타이어 공기압 모니터링 시스템을 주행 데이터와 함께 IoT에 연결하면 클라우드의 애플리케이션이 운전자에게 공기압을 보충하기 위해 서비스 스테이션에 들러야 할 적절한 시기와 위치를 알려주며, 주행 데이터에서 사용량이 매우 높게 표시될 경우 타이어의 접지면 깊이와 상태를 확인하면 됩니다. 타이어를 교체해야 할 정도로 마모가 심한 경우 운전자는 연간 서비스를 받을 때까지 기다릴 필요 없이 편리한 시간에 타이어 교환 장소에 들를 수 있습니다. 이러한 접근법을 통해 소비자는 더 많은 가치를 얻을 수 있으며 타이어 제조업체는 수익 흐름을 더욱 잘 예측할 수 있습니다.

보험 업계의 경우 더욱 극적인 변환이 나타날 수 있습니다. 정책을 만들 때 단순히 실제 정보를 사용하여 위험을 예측하는 대신, 위험 및 전반적인 비용을 줄이는 데 보다 적극적인 역할을 수행하여 보험 회사와 소비자에게 더 많은 가치를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 주택 보험에서 가장 큰 비용 중 하나는 배관 파열로 인해 건물이 침수된 후 청소하고 품목을 교체하는 비용입니다. 터진 배관을 처리하는 시간이 길어질수록 비용도 커집니다. 따라서 비어 있는 건물에서 배관이 파열될 경우 청소 비용이 늘어날 수 있습니다.

주택에 설치된 센서가 물을 감지하여 침수 시작을 알리는 경우 자동 밸브가 주 상수관을 닫아 잠재적인 피해를 크게 줄일 수 있습니다. 센서는 다른 문제도 감지할 수 있으므로 보험 회사가 비용이 더 늘어나기 전에 문제를 처리하는 서비스를 제공할 수 있습니다. 이런 방식으로, 보험 회사의 역할은 보증 업체의 역할로 바뀌게 됩니다.

비즈니스에서 IoT를 최대한 활용할 수 있도록 지원하는 기술들이 많이 있습니다. 위의 예에서 알 수 있듯이, 핵심적인 기술 두 가지는 센서와 통신입니다. 그러나 전체적인 시스템을 가능하게 하는 인프라도 고려해야 합니다.

IoT와 유사한 기존 응용 분야 대부분에서 통신 인프라의 역할은 인트라넷의 역할과 더 유사합니다. 셀룰러 같은 기존 통신 인프라에서 용량을 대여할 수도 있지만, 제조업체에 의해 배치된 센서에 의해 네트워크가 관리되는 경우가 많습니다. IoT는 여러 제공업체의 데이터와 네트워크를 사용하여 단일 응용 제품을 만들 수 있도록 함으로써 최대 가치를 제공할 수 있습니다.

예를 들어, 침수 센서는 건물 소유자가 설치하고 자동 밸브는 수도 회사에서 설치할 수 있습니다. 이러한 작업을 조정하는 데 있어 핵심은 보험 회사에서 개발한 소프트웨어이며, 이 소프트웨어는 다양한 위치에서 실행될 수 있습니다. 침수 감지 판독 결과가 침수를 나타내는지 판단하는 핵심 알고리즘은 클라우드의 서버에서 실행되는 경우가 많습니다. 이러한 서버는 업체가 직접 소유하고 있거나 Amazon Web Services 또는 Microsoft Azure 서비스와 같은 제공업체에서 대여했을 수 있습니다.

실시간 응답을 보장하기 위해 일부 애플리케이션은 센서와 액추에이터에 훨씬 가까운 IoT 게이트웨이에서 실행될 수 있습니다. 이 게이트웨이는 IoT에서 최대 가치를 창출하기 위해 구축되어야 하는 컴퓨팅 아키텍처에 대한 가장 큰 변화 중 하나입니다.

어느 한 레벨에서 IoT 게이트웨이는 가정, 사무실 또는 산업군에 있는 라우터와 동일한 기능을 수행합니다. 즉, 여러 센서 노드에서 데이터를 수집하고 액추에이터에 명령을 전달하며, 클라우드에 정보를 공급합니다. 게이트웨이와 다양한 IoT 노드 사이의 연결은 ‘포그’ 계층의 일부를 형성한다는 점 때문에 더 광범위한 인터넷을 통한 클라우드로의 연결과 구별됩니다.

게이트웨이 설계의 예상되는 방향 중 하나는 IoT 애플리케이션의 호스트로 사용하는 것입니다. 하이퍼바이저를 기반으로 한 가상화된 아키텍처 덕분에 코어 라우팅과 네트워크 관리 기능을 다양한 서비스 제공업체와 장치 판매업체가 제공할 수 있는 다운로드 가능한 애플리케이션에서 분리할 수 있습니다. Prpl 그룹은 이러한 아키텍처를 선보임과 동시에 이를 지원할 수 있는 하이퍼바이저를 개발하여 오픈 소스 형태로 제공하고 있습니다. 이로써 제조업체들은 손쉽게 IoT 게이트웨이의 핵심 기능을 구현하고, 애플리케이션 제작자는 IoT 게이트웨이에서 실행할 소프트웨어를 손쉽게 만들 수 있습니다.

포그 네트워크의 경우 통합자와 개발자는 범위, 데이터 전송률 및 기타 기능의 측면에서 매우 다양한 여러 옵션 중에 선택해야 합니다. IoT 자체의 범위가 매우 방대하기 때문에 모든 분야에 두루 적용되는 솔루션은 없습니다.

아직 초기 단계인 스마트 농업 분야 내에도 IoT는 매우 다양하게 사용됩니다. 비교적 작은 재개발 단지의 온실에서 작물을 키울 수 있습니다. 온실 환경에서는 작물에 필요한 관개를 제어하기가 비교적 쉽지만, 이 농업 형태의 밀폐적 특성으로 인해 질병이 급격히 확산되는 경향이 있습니다.

논밭에서 이뤄지는 기존의 농업에는 여러 가지 다른 문제점이 있습니다. 병충해도 문제이지만, 물을 낭비하지 않고 작물을 효율적으로 키우려면 토양층에서 관개의 효과를 모니터링하는 것이 가장 중요합니다. 센서는 토양 자체의 습도를 모니터링하여 애플리케이션에 정보를 공급할 수 있으며, 애플리케이션은 고도로 통제된 관개를 제어합니다. 경작지의 특정 부분에서 습도가 크게 떨어진 경우에만 관개 시스템이 활성화됩니다. 과도한 관개를 막기 위해 경작지의 다른 부분에는 물이 공급되지 않습니다. 이러한 기법은 최근 수년간 가뭄으로 어려움을 겪었던 캘리포니아주를 비롯한 여러 건조 지역에서 이미 적용되고 있습니다.

온실 환경에서는 토양에 관한 데이터가 중요할 수 있습니다. 그러나 물을 재사용할 수 있기 때문에 용수 보전은 그만큼 중요하지는 않습니다. 대신, 다양한 유형의 센서로 유량율을 모니터링하여 영양분이 잘 분배되도록 유지하는 수경 재배법을 사용할 수 있습니다. 질병 모니터링을 위해 무인 항공기(UAV)를 사용하여 작물을 검사하고 긴급한 치료 또는 제거가 필요한 작물을 확인하여 나머지 작물에 질병이 전염되지 않도록 막을 수 있습니다.

이 두 가지 형태의 농업에 필요한 통신은 매우 다릅니다. 온실 환경의 경우 고대역폭 통신을 사용하여 클라우드 또는 게이트웨이 기반의 애플리케이션으로 질병 증상을 더 효율적으로 파악하는 것이 더 중요합니다. 그러나, 국한된 환경에서는 Bluetooth나 Wi-Fi와 같은 근거리 고대역폭 프로토콜을 사용할 수 있습니다. 재래식 농가의 야외 경작지에는 범위가 제한된 포그 네트워크가 적합하지 않지만, LoRaWan 또는 셀룰러 등의 다른 옵션을 활용할 수 있습니다.

Bluetooth는 주로 휴대 전화와 통신하는 기기를 위한 개인 영역 네트워크로 개발되었지만, Bluetooth의 응용 범위는 일련의 프로토콜 향상을 통해 급격히 확장되었으며 지금도 계속 확장되고 있습니다. Bluetooth Special Interest Group(SIG)에서 개발 중인 한 가지 변형 기술은 통상 100m인 전송 범위를 4배 확장합니다. 범위를 확장하면 비트 전송률이 감소하지만, 가까운 노드에서 더 높은 전송 속도를 사용할 수 있도록 프로토콜이 조정됩니다. 이러한 변형 기술을 사용하면 가깝게 배치된 기기의 데이터 전송률이 2Mbit/s까지 올라갑니다.

Bluetooth를 6LowPAN 및 Zigbee 같은 다른 IoT 지향적 네트워크에서 사용할 수 있도록 하는 또 다른 변경 사항은 메시 네트워킹에 대한 지원을 추가하는 것입니다. 6LowPAN 및 Zigbee의 기반이 되는 IEEE 802.15.4 무선 통신 규격은 메시 네트워킹을 지원하도록 설계되었으며, 포그 네트워크 프로토콜의 유효 범위와 복원력을 확장하는 데 사용할 수 있습니다.

메시 네트워크는 단거리 통신을 사용하여 먼 곳까지 패킷을 전송할 수 있도록 합니다. 이는 패킷이 시작 지점과 도착 지점 사이에 있는 노드 간 근거리 홉을 사용할 수 있기 때문에 가능한 일입니다. 메시 기법을 사용하면, 한 노드에서 장애가 발생할 경우 다른 노드를 사용하여 데이터를 전달할 수 있으므로 복원력도 향상됩니다. 메시 기술을 통해 온실 지붕과 같이 접근이 어렵고 IoT 게이트웨이 노드의 직접 범위에 포함되지 않는 위치에도 센서를 배치할 수 있습니다.

또한 Bluetooth에 대한 수정 작업은  IoT의 이질적 특성을 고려하기 위해 프로토콜을 지원하는 센서 노드가 6LowPAN 기기와 상호작용할 수 있도록 합니다. 6LowPAN은 Zigbee보다 더 늦게 도입되었지만 Thread 프로토콜 그룹에서 채택한 덕분에 IoT 설치에서 더 많이 사용될 가능성이 높습니다. Thread는 6LowPAN에 인증 및 암호화와 같은 기능을 추가하여 전체적인 보안을 강화합니다.

6LowPAN과 같은 프로토콜은 Bluetooth 및 Wi-Fi에 사용되는 2.4GHz 대역뿐 아니라 868MHz와 같이 라이선스가 필요 없는 1GHz 미만 대역에서도 작동합니다. 이러한 낮은 주파수 범위는 좁은 대역의 전송을 사용하므로 지원하는 비트 전송률도 비교적 낮습니다. 그러나 범위를 늘려도 전력 소비에는 영향이 거의 없습니다. 따라서 메시 네트워킹은 덜 적합하지만 장거리 전송이 필요한 경우 무선 센서 노드를 배치하는 데 1GHz 미만의 작동이 적합합니다. 그 예로, 도로를 따라 센서를 배치하고 일정 간격으로 게이트웨이를 설치하여 클라우드와 메시지를 주고받는 경우를 들 수 있습니다.

LoRaWan 또는 SIGFOX와 같은 프로토콜로 전환하면 게이트웨이 하나로 1킬로미터 이상 범위의 외곽지역에 산재할 수 있는 다수의 센서와 계속 통신할 수 있습니다.

그림 2: Semtech SX1272/73 - 860MHz ~ 1020MHz 저전력 장거리 트랜시버 - 제품 구성도.

LoRaWan 프로토콜을 개발한 Semtech는 Microchip Technology 및 STMicroelectronics와 함께 호환 트랜시버를 공급합니다. 즉시 주문이 가능한 실리콘은 IoT 애플리케이션 개발자와 통합자들이 포그 네트워크의 특성보다 더 선호하는 옵션입니다. 자사 소유의 게이트웨이 하드웨어를 배치하거나 공공 및 민간 부문의 공용 네트워크를 사용할 수 있습니다. 현재 상용 LoRaWan 네트워크가 배포되고 있을 뿐 아니라 자발적 개발자들도 자신만의 무료 네트워크를 배포하고 있습니다. 한 예로 네덜란드 암스테르담은 The Things Network 조직의 회원들이 배포한 11개의 게이트웨이만으로 거의 전적으로 지원되고 있습니다.

868MHz 통신 및 유사 대역을 위해 개발된 대부분의 트랜시버는 SIGFOX 프로토콜을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜은 주로 해당 프로토콜을 개발한 회사에서 설치한 게이트웨이 노드에 대한 낮은 데이터 전송률의 단방향 통신을 위해 고안되었습니다.

장거리 통신에 사용할 수 있는 다른 옵션은 3G 및 4G 셀룰러를 사용하는 것입니다. 3GPP 표준화 그룹은 이미 IoT 애플리케이션용 4G LTE 프로토콜 버전을 개발했으며, 현재는 복잡도와 전력 소비를 줄일 수 있는 Narrowband IoT 프로토콜을 개발 중에 있습니다.

통신 인프라의 발전으로 인해 IoT 기기를 포그와 클라우드에 연결할 수 있는 방법도 많아질 것입니다. 여기서 가장 중요한 것은 이렇게 분산된 시스템을 함께 연결하는 것이며 이는 소프트웨어와 데이터의 표준이 핵심이 되는 분야이기도 합니다.

제약적 애플리케이션 프로토콜(CoAP)과 같은 프로토콜을 사용하면 하이퍼텍스트 전송 프로토콜(HTTP)과 같은 인터넷 표준의 이점을 포그 네트워크를 통해 센서 노드에서도 활용할 수 있습니다. CoAP는 메모리와 처리 리소스가 제한된 마이크로컨트롤러에 적합한 형태로 HTTP에 대한 액세스를 제공합니다. CoAP는 웹 기반 애플리케이션 개발의 표준이 된 동일한 표현 상태 전송(REST) 프로그래밍 모델을 지원합니다. 그러나 기존 HTTP에 비해 더 콤팩트한 텍스트 형식 대신 이진법을 사용하므로 낮은 데이터 전송률의 연결에 적합합니다.

그림 3: MQTT 서비스 품질(QoS) 기능(출처: MQTT - 사물 인터넷을 위한 실용적 프로토콜 : IBM MessageSight Solutions)

MQ 원격 측정 전송(MQTT)과 같은 다른 프로토콜은 대체 애플리케이션 아키텍처를 지원합니다. MQTT는 CoAP의 클라이언트 서버 아키텍처와 대조적으로 게시-구독 모델을 지원합니다. 게시-구독 아키텍처는 각각의 노드 자체에 직접 액세스할 필요 없이 다양한 애플리케이션의 개별 센서 노드에서 얻은 데이터를 제공하므로 IoT에 적합합니다. 이러한 결과로 포그 네트워크에 대한 수요를 줄이고 확장성을 보장할 수 있습니다. CoAP와 MQTT는 상호 배타적인 프로토콜이 아닙니다. 게이트웨이에서 CoAP를 사용하여 데이터를 수집한 후 MQTT 또는 기타 신규 프로토콜을 사용하는 다른 애플리케이션에 대한 액세스를 제공할 수 있습니다.

여기서 중요한 점은 이미 배포되고 있는 아키텍처가 상호 운용성을 지원하며 그 덕분에 IoT의 핵심적인 가능성 중 하나가 실현된다는 것입니다. 즉 매번 인프라에 대한 투자 없이도 혁신적이고 수익성이 높은 애플리케이션을을 신속하게 개발할 수 있습니다.

예를 들어, UAV와 기타 센서를 배치하여 작물을 모니터링하는 농가는 시장 데이터나 운송 상황에 따라 수확 시기를 조정할 수 있습니다. 특정 식품의 수요를 추적하는 클라우드 기반 애플리케이션을 사용하면 영농시스템에서 수요 증가에 맞춰 수확 시기를 앞당길 수도 있습니다. 다른 애플리케이션은 신선도를 극대화하기 위해 적시에 수확 시스템을 가동시킬 수 있습니다. UAB의 데이터를 사용하는 예측 소프트웨어를 통해 작물이 수확할 시기에 얼마나 다다랐는지 결정할 수 있기 때문에 트럭이 농장 주변의 일정 범위 내에 있는 경우에만 그 날의 수확을 시작하여 트럭이 도착했을 때 작물을 바로 실을 수 있도록 확실하게 준비할 수 있습니다.

트럭에 센서가 이미 설치되어 있으므로 트럭의 위치와 예상 도착 시간을 파악하기 위해 센서를 추가할 필요가 없습니다. CoAP 및 MQTT와 같은 프로토콜을 통해 준비된 데이터를 애플리케이션에서 사용할 수 있도록 하기만 하면 됩니다.

IoT는 통신, 센서 기술, 클라우드 기반 인텔리전스, 개방형 소프트웨어 프로토콜을 포괄합니다. IoT는, 이러한 기술의 조합 없이는 상상조차 할 수 없는 비즈니스 모델을 기반으로 하는 완전히 새로운 기능을 제시합니다.