멀티프로토콜 무선 모듈을 사용하여 IoT 제품 설계 및 인증 간소화

무선 연결을 통해 설계자는 기존 제품을 사물 인터넷(IoT)의 스마트하고 통합된 요소로 전환하여 인공 지능(AI) 기반 분석을 위한 클라우드로 데이터를 전송할 수 있게 하면서 장치가 무선(OTA), 지침, 펌웨어 업데이트, 보안 향상을 수신할 수 있도록 합니다.

그러나 제품에 무선 링크를 추가하는 것은 간단하지 않습니다. 설계 단계를 시작하기 전에 설계자는 무선 프로토콜을 선택해야 하는데 이는 까다로울 수 있습니다. 예를 들어 몇 가지 무선 표준은 라이선스 없이 널리 사용되는 2.4GHz 스펙트럼에서 작동합니다. 이러한 각 표준은 범위, 처리량, 전력 소비의 측면에서 트레이드 오프를 나타냅니다. 주어진 응용 분야에 최적인 표준을 선택하려면 프로토콜의 특성에 대한 요구 사항을 신중하게 평가해야 합니다.

그런 다음 현대의 고집적 트랜시버를 사용하여 무선 주파수(RF) 회로를 설계하는 것은 많은 설계 팀에게 문제가 될 수 있으며 비용과 일정을 초과할 수 있습니다. 또한 RF 제품은 사용하려면 인증을 받아야 하며 그 자체로 난해하고 복잡하며 시간이 많이 소요되는 공정이 될 수 있습니다.

한 가지 솔루션은 멀티프로토콜 SoC(시스템온칩)를 사용하는 인증받은 모듈을 기반으로 설계하는 것입니다. 이렇게 하면 이산 소자 부품을 사용하는 RF 설계의 복잡성을 제거하고 무선 프로토콜을 유연하게 선택할 수 있습니다. 이 모듈 접근 방식은 설계자에게 드롭인 무선 솔루션을 제공하여 제품에 무선 연결을 훨씬 수월하게 통합하고 인증을 통과하게 합니다.

이 기사에서는 무선 연결 이점을 생각해 보고 몇 가지 주요 2.4GHz 무선 프로토콜의 장점을 살펴보고 하드웨어 설계 문제를 간단히 분석하며 Würth Elektronik의 적합한 RF 모듈을 소개합니다. 또한 이 기사에서는 글로벌 규정을 충족하는 데 필요한 인증 과정을 설명하고 응용 소프트웨어 개발을 생각해 보고 설계자가 모듈을 시작하도록 지원하는 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 소개합니다.

멀티프로토콜 트랜시버 장점

단일 단거리 무선 분야는 목표 응용 분야를 충족시키기 위해 서로 트레이드 오프해야 하므로 지배적이지 않습니다. 예를 들어 범위와 처리량이 증가하면 높은 전력 소비를 대가로 치러야 합니다. 고려해야 할 다른 중요한 요소는 전자파 내성과 메시 네트워크 기능, 인터넷 프로토콜(IP) 간의 상호 운용성입니다.

확정된 다양한 단거리 무선 기술 중 세 가지 기술인 Bluetooth 저에너지(Bluetooth LE), Zigbee와 Thread가 확실히 선두에 있습니다. 이 세 가지 기술은 IEEE 802.15.4 사양의 공유 DNA로 인해 유사성이 많이 있습니다. 해당 사양은 저속 데이터 전송률 무선 개인 네트워크(WPAN)에 대한 물리 계층(PHY)과 미디어 액세스 제어 계층(MAC)을 설명합니다. 이 기술은 일반적으로 2.4GHz로 작동하지만 일부 Zigbee의 변종은 Ghz 미만 주파수에서 작동합니다.

Bluetooth LE는 데이터 전송 속도가 느리고 빈도가 낮은 스마트 홈 센서와 같은 IoT 응용 분야에 적합합니다(그림 1). 대부분의 스마트폰에서 호스팅하는 Bluetooth 칩과 Bluetooth LE의 상호 운용성은 웨어러블과 같은 소비자 지향 응용 분야에서도 큰 장점입니다. 이 기술의 주요 단점은 클라우드 및 투박한 메시 네트워킹 기능에 연결하기 위해 값비싸고 전력 소모가 많은 게이트웨이가 필요하다는 점입니다.

그림 1: Bluetooth LE는 카메라, 온도 조절기 등 스마트 홈 센서에 매우 적합합니다. 스마트폰과의 상호 운용성은 호환 가능한 제품 구성을 간소화합니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Zigbee 또한 산업 자동화, 상업용, 가정용의 저전력 및 저처리량 응용 분야에 적합한 선택입니다. 처리량은 Bluetooth LE보다 낮지만 범위와 전력 소비량은 비슷합니다. Zigbee는 스마트폰과 상호 운용할 수 없으며 네이티브 IP 기능을 제공하지도 않습니다. Zigbee의 주요 장점은 처음부터 메시 네트워킹을 위해 설계되었다는 점입니다.

Thread는 Zigbee와 마찬가지로 IEEE 802.15.4 PHY와 MAC를 사용하여 작동하며 최대 250개의 장치로 구성된 대규모 메시 네트워크를 지원하도록 설계되었습니다. Thread가 Zigbee와 다른 점은 경계 라우터라는 네트워크 에지 장치를 사용하기는 하지만 6LoWPAN(IPv6와 저전력 WPAN의 조합)을 사용하여 다른 장치 및 클라우드와 쉽게 연결할 수 있다는 것입니다. (‘단거리 무선 기술의 중요 사항에 대한 간단한 가이드’ 참조)

표준 기반 프로토콜이 지배적인 반면 2.4GHz 전용 프로토콜을 위한 틈새시장이 있습니다. 이러한 프로토콜은 동일한 제조업체의 칩이 장착된 다른 장치에 연결성을 제한하지만 전력 소비, 범위, 전자파 내성 또는 기타 중요한 작동 파라미터에 최적화되도록 미세하게 조정할 수 있습니다. IEEE 802.15.4 PHY 및 MAC는 2.4GHz 전용 무선 기술을 완벽하게 지원할 수 있습니다.

이러한 세 가지 단거리 프로토콜과 2.4GHz 전용 기술이 제공하는 유연성에 대한 인기로 인해 가장 광범위한 응용 분야에 적합한 프로토콜을 선택하는 데 어려움이 있습니다. 이전에는 설계자가 한 가지 무선 기술을 선택한 다음 다른 프로토콜을 사용하는 변형에 대한 수요가 있을 경우 제품을 다시 설계해야 했습니다. 그러나 프로토콜이 유사한 아키텍처를 기반으로 한 PHY를 사용하고 2.4GHz 스펙트럼에서 작동하므로 여러 실리콘 공급업체는 멀티프로토콜 트랜시버를 제공합니다.

이러한 칩을 사용하여 새 소프트웨어를 업로드하기만 하면 여러 프로토콜에 대해 단일 하드웨어 설계를 다시 구성할 수 있습니다. 제품은 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)가 감시하는 각 스택 간의 스위치가 적용된 여러 소프트웨어 스택과 함께 배송될 수 있습니다. 예를 들어 Thread 네트워크에 접속할 수 있도록 장치가 프로토콜을 전환하기 전에 스마트폰에서 스마트 홈 온도 조절기를 구성하는 데 Bluetooth LE를 사용할 수 있습니다.

Nordic Semiconductor의 nRF52840 SoC는 Bluetooth LE, Bluetooth 메시, Thread, Zigbee, IEEE 802.15.4, ANT+, 2.4GHz 전용 스택을 지원합니다. Nordic SoC는 또한 RF 프로토콜 및 응용 소프트웨어를 맡는 Arm® Cortex®-M4 MCU를 플래시 메모리 1Mbyte, RAM 256Kbytes와 통합합니다. Bluetooth LE 모드에서 실행할 때 SoC는 최대 원시 데이터 처리량을 2Mbits/s로 제공합니다. 3V DC 입력 공급에서 송신 전류 소모는 출력 전력 1dBm 기준으로 0dB에서 5.3mA이고 수신(RX) 전류 소모는 원시 데이터 전송률 1Mbit/s에서 6.4mA입니다. nRF52840의 최대 송신 전력은 +8dBm이고 감도는 -96dBm(1Mbit/s Bluetooth LE)입니다.

우수한 RF 설계의 중요성

Nordic의 nRF52840과 같은 무선 SoC는 매우 성능이 좋은 장치인 반면 해당 RF 성능을 극대화하기 위해 상당한 설계 기술이 필요합니다. 특히 엔지니어는 전원 공급 장치 필터링, 외부 수정 타이밍 회로, 안테나 설계 및 배치, 임피던스 정합과 같은 요소를 고려해야 합니다.

열악한 RF 회로와 우수한 RF 회로를 구분하는 주요 파라미터는 해당 임피던스(Z)입니다. 단거리 무선 통신이 사용하는 2.4GHz와 같은 고주파에서 RF 트레이스 특정 지점의 임피던스는 해당 트레이스의 특성 임피던스와 관련이 있으며 이는 결과적으로 인쇄 회로(pc) 기판, 트레이스 크기, 부하로부터의 거리와 부하의 임피던스에 좌우됩니다.

송신 시스템의 경우 안테나이고 수신 시스템은 트랜시버 SoC인 부하 임피던스가 특성 임피던스와 동일하면 측정된 임피던스는 트레이스를 따라 부하로부터 동일한 거리로 유지됩니다. 그 결과 전선 손실을 최소화하고 최대 전력이 송신기에서 안테나로 전달되어 견고성과 범위가 향상됩니다. 따라서 RF 장치의 임피던스를 pc 기판 트레이스의 특성 임피던스와 동일하게 하는 정합 회로망을 구축하는 것이 올바른 설계 관행입니다. (‘Bluetooth 4.1, 4.2, 5 호환 Bluetooth 저에너지 SoC 및 도구로 IoT 문제 해결(2부)’ 참조)

정합 회로망은 하나 이상의 션트 인덕터와 직렬 커패시터로 구성됩니다. 설계자는 최고의 네트워크 토폴로지와 부품 값을 선택하는 데 어려움이 있습니다. 제조업체는 주로 시뮬레이션 소프트웨어를 제공하여 정합 회로 설계를 지원하지만 우수한 설계 규칙을 따른 후에도 종종 결과 회로의 RF 성능이 실망스럽거나 범위 및 신뢰성이 부족할 수 있습니다. 이는 정합 회로망을 수정하기 위해 더 많은 설계 반복 작업을 초래합니다(그림 2).

그림 2: Nordic nRF52840은 해당 기능을 활용하기 위해 외부 회로망이 필요합니다. 외부 회로에는 입력 전압 필터링, 외부 수정 타이밍 지원, SoC의 안테나(ANT) 핀 연결, SoC와 안테나 사이의 임피던스 정합 회로망이 포함됩니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

모듈의 장점

이산 소자 부품을 사용하여 단거리 무선 회로를 설계하면 특히 부품 명세서(BoM) 비용 및 공간 절약과 같은 몇 가지 장점이 있습니다. 그러나 설계자가 SoC 제조업체의 여러 우수한 참조 설계 중 하나를 따르더라도 부품 품질 및 허용 오차 범위, 기판 레이아웃과 기판 특성, 종단 장치 포장 등 기타 요인이 RF 성능에 영향을 상당히 미칠 수 있습니다.

대안은 타사 모듈 주변에 무선 연결을 기반으로 하는 것입니다. 이 모듈은 ‘드롭인’ 무선 연결을 가능하게 하는 완전히 조립되고 최적화되어 테스트된 솔루션입니다. 대부분의 경우 이 모듈은 글로벌 시장에서 이미 사용할 수 있도록 인증을 받았으므로 설계자가 RF 규정 인증을 통과하는 데 필요한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

모듈을 사용하는 데 몇 가지 단점이 있습니다. 여기에는 비용 증가(부피에 따라 다름), 최종 제품 크기 증가, 단일 벤더에 대한 의존, 대량 배송 능력, (때때로) 모듈이 기반으로 하는 SoC에 비해 액세스할 수 있는 핀 개수 감소가 포함됩니다. 그러나 설계 간소화와 시장 출시 시간 단축이 이러한 단점을 넘어선다면 모듈이 해답입니다.

중심에 Nordic nRF52840을 사용하는 한 가지 예로는 Würth Elektronik의 Setebos-I 2.4GHz 무선 통신 모듈 2611011024020이 있습니다. 콤팩트 모듈은 크기가 12mm × 8mm × 2mm이고 내장된 안테나와 전자파 장해를 최소화하기 위한 덮개가 있으며 Bluetooth 5.1과 전용 2.4GHz 프로토콜을 지원하는 펌웨어와 함께 제공됩니다(그림 3). 위에서 설명한 바와 같이 모듈 중심에 있는 SoC는 또한 적절한 펌웨어를 추가하면 Thread와 Zigbee를 지원할 수 있습니다.

그림 3: Setebos-I 2.4GHz 무선 통신 모듈은 콤팩트 폼 팩터로 제공되며 내장된 안테나가 있고 EMI를 제한하기 위한 덮개가 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

이 모듈은 1.8V ~ 3.6V 입력을 수용하고 절전 모드일 때 단지 0.4µA만 소비합니다. 작동 주파수는 2.44GHz(2.402GHz ~ 2.480GHz)를 중심으로 하는 산업, 과학 및 의료(ISM) 대역을 담당합니다. 이상적인 조건에서 0dBm 출력 전력이 제공되면 송신기와 수신기 사이의 범위는 최대 600m이고 Bluetooth LE 최대 처리량은 2Mbits/s입니다. 이 모듈에는 내장된 1/4 파장(3.13cm) 안테나가 있지만 또한 외부 안테나를 앞서 언급한 ANT 단자에 연결하여 범위를 늘릴 수 있습니다(그림 4).

그림 4: Setebos-I 2.4GHz 무선 통신 모듈에는 무선 통신 범위를 늘리기 위해 외부 안테나(ANT)에 대한 핀이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

Setebos-I 무선 통신 모듈은 납땜 패드를 통해 nRF52840 SoC의 핀에 액세스할 수 있게 합니다. 표 1은 각 모듈 핀 기능을 나열합니다. 핀 ‘B2’에서 ‘B6’은 온도, 습도, 대기 품질 장치와 같은 센서를 연결하는 데 유용한 프로그래밍 가능한 GPIO입니다.

표 1: Setebos-I 2.4GHz 무선 통신 모듈의 핀 명칭을 보여줍니다. LED 출력은 무선 송신 및 수신을 표시하기 위해 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

단거리 무선 제품 인증

2.4GHz 대역이 라이선스 없는 스펙트럼 할당이지만 이 대역에서 작동하는 무선 통신 장치는 미국의 연방 통신 위원회(FCC), 유럽 자기적합성 선언(CE) 또는 일본의 무선통신인증(TELEC)에서 규정한 것과 같은 현지 규정을 충족해야 합니다. 규정을 통과하려면 테스트 및 인증을 위해 제품을 제출해야 하며 이로 인해 시간과 비용이 많이 소요될 수 있습니다. RF 제품이 이 테스트 중 일부라도 통과하지 못하면 완전히 새로 제출해야 합니다. 이 모듈이 Bluetooth 모드로 사용된다면 Bluetooth Special Interest Group(SIG)의 Bluetooth 목록도 필요합니다.

이 모듈에 대한 인증은 이 모듈을 사용하는 최종 제품에 자동으로 인증을 부여하지 않습니다. 그러나 Wi-Fi와 같은 추가 무선 장치를 사용하지 않는 경우 일반적으로 최종 제품에 대한 인증을 광범위하게 다시 테스트하는 작업이 아닌 서류 작업을 거쳐야 합니다. 일반적으로 Bluetooth 목록을 얻을 때도 동일합니다. 일단 인증을 받으면 이 모듈을 사용한 제품에 FCC, CE, 기타 관련 ID 번호를 나타내는 레이블을 부착합니다(그림 5).

그림 5: CE, FCC RF 인증을 통과했음을 보여주는 Setebos-I 모듈에 부착된 ID 레이블의 예시. 인증은 일반적으로 몇 가지 간단한 서류 작업을 통해 다시 테스트하지 않고 최종 제품에 의해 상속될 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

모듈 제조업체는 일반적으로 제품을 판매하려는 지역에서 모듈에 대한 RF 인증(적합한 경우 Bluetooth 목록 포함)을 받습니다. Würth Elektronik은 Setebos-I 무선 통신 모듈에 대해 이 과정을 수행했지만 초기 펌웨어와 함께 사용해야 합니다. Bluetooth 작동의 경우 이 모듈은 Nordic의 S140 Bluetooth LE 초기 스택 또는 자사의 nRF Connect SDK 소프트웨어 개발 키트를 통해 공급되는 스택과 함께 사용되는 경우 사전 인증됩니다.

Würth 및 Nordic 펌웨어는 견고하고 모든 응용 분야에 대해 검증되었습니다. 그러나 설계자가 개방형 표준 Bluetooth LE 또는 2.4GHz 전용 스택 또는 대체 상업용 제조업체의 스택과 함께 이 모듈을 다시 프로그래밍하려고 결정하는 경우 의도한 작동 영역에 대해 처음부터 인증 프로그램을 시작해야 합니다.

Setebos-I 무선 통신 모듈용 개발 도구

고급 개발자의 경우 Nordic의 nRF Connect SDK는 nRF52840 SoC용 응용 분야 소프트웨어를 구축하기 위한 포괄적인 설계 도구를 제공합니다. VS Code 확장용 nRF Connect는 nRF Connect SDK를 실행하는 데 권장되는 통합 개발 환경(IDE)입니다. nRF Connect SDK를 사용하여 대체 Bluetooth LE 또는 2.4GHz 전용 프로토콜을 nRF52840에 업로드할 수도 있습니다. (이 작업이 모듈 인증에 미치는 영향에 관해서 위의 의견을 참조하십시오.)

nRF Connect SDK는 nRF52840 DK 개발 키트와 함께 작동합니다(그림 6). 이 하드웨어는 nRF52840 SoC를 특징으로 하며 프로토타입 코드 개발 및 테스트를 지원합니다. 응용 소프트웨어가 준비되면 nRF52840 DK가 J-LINK 프로그래밍 장치 역할을 하여 모듈의 ‘SWDCLK’ 핀과 ‘SWDIO’ 핀을 통해 코드를 Setebos-I 무선 통신 모듈의 nRF52840 플래시 메모리로 이식할 수 있습니다.

그림 6: Nordic의 nRF52840 DK는 응용 소프트웨어를 개발하고 테스트하는 데 사용될 수 있습니다. 그런 다음 이 개발 키트를 사용하여 Setebos-I 모듈에서 사용하는 것과 같은 다른 nRF52840 SoC를 프로그래밍할 수 있습니다. (이미지 출처: Nordic Semiconductor)

Nordic의 개발 도구를 사용하여 구축한 응용 소프트웨어는 nRF52840의 내장형 Arm Cortex-M4 MCU에서 실행되도록 설계되었습니다. 그러나 최종 제품에 이미 다른 MCU가 장착되어 있고 개발자가 이를 이용하여 응용 분야 코드를 실행하고 무선 연결을 감시하고자 하는 경우일 수 있습니다. 또는 개발자가 STMicroelectronics의 STM32F429ZIY6TR과 같이 널리 쓰이는 다른 호스트 마이크로 프로세서용 개발 도구에 더 익숙할 수 있습니다. 이 프로세서는 또한 Arm Cortex-M4 코어를 기반으로 합니다.

Würth Elektronik는 외부 호스트 마이크로 프로세서가 응용 소프트웨어를 실행하고 nRF52840 SoC를 감시할 수 있도록 무선 연결 SDK를 제공합니다. 이 SDK는 자사의 무선 모듈을 STM32F429ZIY6TR 칩을 포함하여 널리 사용되는 여러 프로세서와 신속하게 소프트웨어 통합을 할 수 있는 소프트웨어 도구 세트입니다. 이 SDK는 연결된 무선 통신 장치와 통신하기 위해 기본 플랫폼의 UART, SPI 또는 USB 주변 장치를 사용하는 C의 드라이버와 예시로 구성됩니다(그림 7). 개발자는 간단히 SDK C 코드를 호스트 프로세서에 이식합니다. 이렇게 하면 무선 통신 모듈용 소프트웨어 인터페이스를 설계하는 데 필요한 시간을 상당히 줄여줍니다.

그림 7: 무선 연결 SDK 드라이버를 사용하면 개발자가 외부 호스트 마이크로 프로세서를 사용하는 UART 포트를 통해 Setebos-I 무선 통신 모듈을 쉽게 구동할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

Setebos-I 무선 통신 모듈은 구성 및 작동 작업을 위해 ‘명령 인터페이스’를 사용합니다. 이 인터페이스는 다양한 장치 설정 업데이트, 데이터 송수신, 모듈을 다양한 저전력 모드 중 하나로 전환하는 것과 같은 작업을 수행하는 최대 30개의 명령을 제공합니다. 연결된 무선 통신 장치는 무선 연결 SDK를 사용하려면 반드시 명령 모드에서 실행해야 합니다.

결론

연결된 제품에 대해 단일 무선 프로토콜을 결정하는 일은 까다로울 수 있으며 무선 통신 회로를 처음부터 설계하기는 더 어려울 수 있습니다. Würth Elektronik의 Setebos-I 같은 무선 통신 모듈을 사용하면 프로토콜을 유연하게 선택할 수 있을 뿐 아니라 여러 작동 지역의 규정 요구 사항을 충족하는 드롭인 연결 솔루션도 사용할 수 있습니다. Sebetos-1 모듈은 Würth의 무선 연결 SDK와 함께 제공되므로 개발자가 직접 선택한 호스트 MCU를 사용하여 모듈을 쉽고 빠르게 제어할 수 있습니다.