Microchip의 IoT 개발 기판을 사용하여 셀룰러 IoT 프로젝트를 빠르게 시작하는 방법 및 이유

저전력 광역 네트워크(LPWAN) 기술인 셀룰러 사물 인터넷(IoT)은 스마트 시티, 농업, 원격 인프라 모니터링 등 다양한 응용 분야에서 안전하고 강력한 IoT를 구축하기 위한 명확하고 검증된 경로를 제공합니다. 하지만 셀룰러 IoT는 프로젝트에 착수하는 경험이 부족한 설계자에게는 까다롭고 복잡한 기술입니다.

셀룰러 IoT 설계 문제는 친숙한 범용 마이크로 컨트롤러(MCU)와 통합 설계 환경(IDE)을 사용하는 셀룰러 개발 기판을 기반으로 프로젝트를 구성하면 쉽게 해결할 수 있습니다. 오픈 소스 소프트웨어와 간단한 센서 연결을 기반으로 하는 이러한 개발 기판을 사용하면 설계자가 하드웨어 레이아웃부터 클라우드에 데이터를 전송하는 데 이르기까지 셀룰러 IoT 프로젝트를 쉽게 시작할 수 있습니다.

이 기사에서는 셀룰러 IoT의 이점을 간략히 소개한 다음 기술에 따른 설계 복잡성을 살펴봅니다. 그런 다음 셀룰러 IoT 개발 기판을 사용하여 이러한 복잡성을 상당 부분 제거할 수 있는 방법을 알아보고, 마지막으로 Microchip Technology 개발 기판을 사용하여 간단한 색상 및 온도 데이터를 클라우드에 전송하는 방법을 설명합니다.

셀룰러 IoT란?

셀룰러 IoT에서는 저전력 셀룰러 기술을 사용하여 IoT 종단 장치(예: 센서, 액추에이터)를 클라우드에 연결합니다. 킬로미터 이상의 범위, 고밀도 종단 장치 지원, 낮은 처리량으로 특징되는 LPWAN 기술입니다.

LoRaWAN('엔드투엔드 시험용 키트로 LoRaWAN IoT 프로젝트 가속화' 참조) 및 Sigfox와 같은 다른 LPWAN 기술도 있지만 셀룰러 IoT는 다음과 같은 몇 가지 주요 이점을 제공합니다.

• 미래에 대비한 경쟁력: 기본적으로 셀룰러 IoT의 사양은 지속적으로 검토 및 개발되고 있습니다.
• 확장성: 셀룰러 IoT는 확립된 셀룰러 아키텍처를 통해 IoT의 빠른 전개를 지원할 수 있습니다.
• 서비스 품질(QoS): 셀룰러 IoT는 많은 상업용 응용 제품에서 검증되고 완성된 인프라를 기반으로 하므로 높은 신뢰성을 제공합니다.
• IP 상호 운용성: 고가의 복잡한 게이트웨이를 사용하지 않고 종단 장치를 클라우드에 직접 연결할 수 있습니다.

설계자는 데이터 전송과 관련하여 지속적으로 비용이 발생할 경우 셀룰러 IoT를 고려해야 합니다. 라이선스가 없는 주파수 스펙트럼을 사용하는 LoRaWAN과 같은 경쟁 기술에는 해당되지 않습니다. 하지만 경쟁 부담과 에지 컴퓨팅 사용의 증가로 인해 네트워크를 통해 전송되는 일반 데이터 볼륨이 감소하여 셀룰러 데이터 비용이 내려가는 경향이 있습니다.

셀룰러 IoT는 3G 파트너쉽 프로젝트(3GPP)에서 규정하고 업데이트하는 통신 표준을 따릅니다. 3GPP 표준 릴리스 13에서는 IoT 연결에 적합한 저비용 저전력 저처리량 모뎀을 허용하도록 사물 지능 통신(M2M) 모뎀 범주를 확장했습니다. 이후 릴리스에서는 이러한 IoT 모델을 더욱 개선했습니다.

셀룰러 IoT 모뎀이 탑재된 무선 센서는 셀룰러를 유명하게 만든 보안 및 QoS와 함께 고가의 복잡한 게이트웨이 없이도 수 킬로미터에 걸친 클라우드로 데이터를 전송할 수 있습니다.

LTE-M과 NB-IoT의 차이점

셀룰러 IoT는 LTE 범주 M1(LTE-M) 및 협대역 IoT(NB-IoT)의 두 가지 형태로 제공됩니다. 두 유형은 모두 IoT 및 산업용 IoT(IIoT)의 전형적인 리소스가 제약된 배터리 구동 장치에서 사용하도록 설계되었습니다. IoT 모뎀은 확립된 셀룰러 인프라에 연결되므로 각각 자체 가입자 식별 모듈(SIM)이 필요합니다.

LTE-M은 핵심 LTE('4G') 기술을 기반으로 하며, 보안 통신, 유비쿼터스 전파 범위 및 높은 시스템 용량을 지원합니다. 상대적으로 넓은 대역폭(1.4MHz)에서 전이중 시스템으로 작동할 수 있으므로 NB-IoT에 비해 대기 시간과 처리량이 개선됩니다. 원시 데이터 처리량은 300Kbits/s(다운링크) 및 375Kbits/s(업링크)입니다. 이 기술은 보안 엔드투엔드 IP 연결에 적합하며 LTE 셀 핸드오버 기술을 통해 이동성을 지원합니다. LTE-M은 자산 추적, 의료와 같은 모바일 응용 분야에 적합합니다.

NB-IoT는 주로 건물 및 다른 RF 친화적이지 않은 영역에 대한 침투력을 개선하고 에너지 효율을 지원하도록 설계되었습니다. LTE-M과 달리 LTE 물리층(PHY)을 기반으로 하지 않습니다. NB-IoT에서는 200kHz 대역폭을 사용하므로 모뎀 복잡성이 LTE-M 장치보다 훨씬 작습니다. 원시 데이터 처리량은 60/30Kbits/s로 적정하며 범위는 LTE-M보다 우수합니다. NB-IoT는 벽면에 고정되는 스마트 계측기와 같은 정적 응용 제품에 적합합니다.

상업용 셀룰러 IoT 모뎀

현재 다양한 상업용 LTE-M/NB-IoT 모뎀을 사용할 수 있습니다. 예를 들면 Sequans의 Monarch 2 GM02S 모듈이 있습니다. 이 장치는 글로벌 LTE 대역 중 20개에 적합한 단일 재고 보관 단위(SKU) RF 프런트 엔드를 지원합니다. 또한 16.3mm x 17mm x 1.85mm 크기의 콤팩트 LGA 모듈에 공급됩니다. 이 모듈은 3GPP 릴리스 14/15의 요구 사항을 충족합니다. 2.2V ~ 5.5V의 단일 공급 장치로 구동되는 이 모뎀은 1mW(dBm)에 상응하는 +23dB의 최대 송신 전력을 지원할 수 있습니다.

GM02S는 외부 SIM 및 eSIM과 통합 SIM을 모두 지원합니다. 50Ω 안테나 인터페이스가 포함됩니다. 상업용 클라우드 플랫폼에 쉽게 연결할 수 있도록 이 장치는 LTE-M/NB-IoT 소프트웨어 스택 및 Sequan의 Cloud Connector 소프트웨어와 함께 제공됩니다(그림 1).

그림 1: Sequans의 GM02S LTE-M/NB-IoT 모뎀은 콤팩트한 패키지에 완성형 소프트웨어 스택과 함께 제공됩니다. (이미지 출처: Sequans)

셀룰러 IoT 설계 과제

GM02S 모뎀은 소프트웨어 스택 및 클라우드 연결과 함께 제공되는 고집적 장치이지만, 모든 상업용 모뎀과 마찬가지로 IoT 응용 제품이 수 킬로미터에 걸쳐 데이터를 클라우드에 원활하게 전송하려면 아직 상당한 개발 작업이 필요합니다.

이 모뎀은 오로지 종단 장치와 기지국 사이의 통신을 관리하도록 설계되었습니다. 센서 응용 소프트웨어를 실행하면서 모뎀을 제어하려면 별도의 감시 회로와 응용 프로세서가 필요합니다. 또한 설계자는 셀 네트워크와 원활한 연결을 보장하기 위해 안테나 회로, 전원 공급 장치, SIM 탑재 종단 장치를 고려해야 합니다('다대역 내장형 안테나를 사용하여 IoT 설계에서 공간, 복잡성 및 비용을 절감하는 방법' 참조).

하드웨어 설계 이외에 셀룰러 모듈로 네트워크에 연결하고 데이터를 송/수신하려면 약간의 코딩 기술이 필요합니다. 설계에서 외부 응용 제품 MCU를 사용하는 경우 일반적으로 UART 직렬 링크를 사용하여 셀룰러 모듈과 통신합니다(다른 I/O 인터페이스도 사용됨). AT(주의) 명령은 셀룰러 모뎀을 제어하는 표준 방식입니다. 이 명령은 결합되어 전화 걸기, 전화 끊기, 연결 파라미터 변경과 같은 작업을 생성할 수 있는 일련의 짧은 텍스트 문자열로 구성됩니다.

두 가지 유형의 AT 명령이 있으며, 기본 명령은 '+'로 시작되지 않는 명령입니다. 예를 들면 'D'(전화 걸기), 'A'(전화 받기), 'H'(수화기 내려놓기 제어), 'O'(온라인 데이터 상태로 돌아가기)가 있습니다. 확장 명령은 '+'로 시작하는 명령입니다. 예를 들면 '+CMGS'(SMS 메시지 보내기), '+CMGL'(SMS 메시지 나열), '+CMGR'(SMS 메시지 읽기)('셀룰러 모듈을 사용하여 IoT에 제작자 프로젝트 연결하기' 참조)이 있습니다.

이러한 하드웨어 및 소프트웨어 고려 사항은 셀룰러 IoT를 복잡하게 만들어 경험이 많지 않은 설계자의 진행을 느리게 만들 수 있습니다. 다행히 응용 제품 MCU 및 셀룰러 IoT 모뎀 제작자는 이제 이 중요한 LPWAN 기술을 훨씬 쉽게 활용할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어 설계 도구를 제공하기 위해 협력하고 있습니다.

IoT 개발 기판으로 복잡성 제거

목적에 따라 설계된 개발 기판을 기반으로 시제품을 제작하면 셀룰러 IoT 설계 문제를 매우 쉽게 해결할 수 있습니다. 개발 기판 하드웨어에는 일반적으로 안테나, 전원, 일부 무료 데이터를 허용하는 SIM, 응용 프로세서, 우수한 RF 성능을 보장하기 위한 튜닝 네트워크 등이 포함됩니다. 따라서 설계자는 프로젝트용 하드웨어에서 매우 유리한 위치를 선점하고 응용 제품 개발에 주력할 수 있습니다. 개발 기판을 올바르게 선택하면 친숙한 IDE에서도 응용 제품을 개발할 수 있습니다.

주요 셀룰러 IoT 개발 기판의 예로는 Microchip의 EV70N78A AVR-IoT 셀룰러 미니 개발 기판이 있습니다. 이 기판은 주요 Microchip AVR128DB48 MCU와 위에 자세히 설명된 Sequans Monarch 2 GM02S 셀룰러 모듈을 기반으로 하는 하드웨어 플랫폼입니다. 이 MCU는 8비트 24MHz 장치로 128Kb 플래시, 16Kb SRAM 및 512Kb EEPROM을 탑재하고 있으며 48핀 패키지로 제공됩니다.

또한 이 개발 기판은 ATECC608B 보안 소자를 통합합니다. LTE-M 또는 NB-IoT 네트워크에 연결된 ATECC608B는 클라우드로 하드웨어를 인증하여 모든 기판을 고유하게 식별하는 데 사용됩니다.

또한 설계자의 작업을 더욱 용이하게 하기 위해 Microchip 개발 기판은 150Mb 데이터가 저장된 활성화 지원 Truphone SIM 카드를 포함합니다.

이 개발 기판에는 사용자 LED 5개, 기계식 버튼 2개, 32.768kHz 수정, 컬러 및 온도 센서, Adafruit Feather 호환 에지 커넥터, Qwiic I²C 커넥터, 온보드 디버거, USB 포트, 배터리 및 외부 입력 전원 옵션, 충전 상태 LED 탑재 MCP73830 리튬 이온/리튬 폴리머 배터리 충전기가 탑재되어 있습니다(그림 2).

그림 2: AVR-IoT 셀룰러 미니 개발 기판은 AVR128DB48 MCU를 기반으로 하며 SIM 카드와 150Mb 데이터로 구성됩니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

셀룰러 IoT 프로젝트 시작

셀룰러 IoT의 목적은 수 킬로미터에 걸쳐 클라우드로 데이터를 전송할 수 있도록 센서, 액추에이터와 같은 IoT 종단 장치를 무선으로 연결하는 것입니다. Microchip 개발 기판에서 MCU는 사용자가 빠르게 연결하여 온보다 온도 및 컬러 센서의 데이터를 클라우드 기반 샌드박스(AWS에서 호스팅)로 전송할 수 있도록 데모 응용 제품을 생성하는 펌웨어 이미지가 미리 로드되어 있습니다.

개발을 위해 하드웨어를 준비하려면 SIM 카드를 활성화한 후 삽입하고, 외부 안테나를 기판에 연결하고, 기판의 디버그 USB-C 포트를 PC에 연결하고, 기판 맨아래 있는 QR 코드를 스캐닝하거나 대용량 스토리지 장치를 연 다음 CLICK-ME.HTM을 따라 키트 웹 페이지로 이동하면 됩니다.

Github의 Microchip IoT 프로비저닝 도구는 AVR-IoT 셀룰러 미니 개발 기판을 선택된 클라우드 공급자로 구성하고, 네트워크 공급자를 설정하고, 셀룰러 주파수 대역을 선택할 수 있는 간편한 솔루션을 제공합니다. (샌드박스 데모 펌웨어가 작동하려면 개발 기판을 AWS Microchip 샌드박스에 맞게 프로비저닝해야 합니다.)

개발자가 데모 응용 제품으로 자신감을 얻게 되면 개발 기판의 전체 Arduino IDE 지원을 사용하여 응용 제품을 직접 빌드할 수 있습니다. 이 지원은 Github에 호스팅된 AVR IoT 셀룰러 Arduino 라이브러리를 기반으로 합니다. 이 라이브러리는 오픈 소스 DxCore를 기반으로 하여 빌드되었습니다(그림 3).

그림 3: AVR IoT 셀룰러 IoT 라이브러리(주황색)에는 개발 기판을 프로그래밍하고 제어하기 위한 소프트웨어 모듈이 포함되어 있습니다(녹색으로 간단하게 표시됨). (이미지 출처: Microchip Technology)

온보드 디버거(PKOB nano)는 Arduino IDE에 대한 전체 프로그래밍을 지원합니다. 외부 도구가 필요 없으며, 직렬 포트 인터페이스(직렬 - USB 브리지)와 두 논리 분석기 채널(디버그 GPIO)에 액세스할 수 있습니다. AVR IoT 셀룰러 미니 기판의 온보드 디버거는 호스트 컴퓨터의 USB 서브 시스템에 휴먼 인터페이스 장치(HID)로 표시됩니다. 보다 야심찬 프로젝트를 위해 개발 기판의 Qwiic 및 Feather 호환 에지 커넥터를 사용하여 Sparkfun 및 Adafruit의 다양한 애드온 기판에서 쉽게 확장할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 이 AVR IoT 개발 기판 제품 구성도는 디비거의 USB 링크를 통해 호스트 PC에 연결하고, 디버거의 UART 링크를 통해 응용 제품 MCU를 프로그래밍하는 것을 보여줍니다. 응용 제품 MCU와 셀룰러 모뎀 간의 연결에도 UART가 사용됩니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

응용 프로그래밍을 시작하려면 Arduino IDE 및 DxCore를 다운로드하여 설치해야 합니다. 그런 다음 AVR IoT 셀룰러 Arduino 라이브러리를 실행할 수 있도록 Arduino IDE를 구성해야 합니다(목록 1).

목록 1: AVR IoT 셀룰러 Arduino 라이브러리를 실행하도록 허용하는 Arduino IDE 구성 (코드 출처: Microchip Technology)

IDE를 구성한 후 라이브러리를 설치할 수 있습니다. 이 작업을 마치면 개발 기판에 대한 여러 라이브러리 예제에 액세스할 수 있습니다. Visual Studio 코드 IDE에 익숙한 설계자는 Arduino 플러그인을 설치한 후 AVR IoT 개발에 이 IDE를 사용할 수 있습니다. IDE에서 개발된 Arduino 응용 코드는 온보드 디버거를 통해 개발 기판의 MCU에 이식됩니다.

전력 측정

셀룰러 IoT는 낮은 전력으로 실행하여 배터리 구동 IoT 종단 장치의 수명을 연장하도록 설계되었습니다. 따라서 전력 소비를 최소화하도록 응용 코드를 최적화해야 합니다.

Microchip 개발 기판에서 모든 기판 부품에 대한 전력은 5개의 절단된 스트랩을 통해 연결됩니다. 이 스트랩은 전류 측정 목적으로도 사용됩니다. 원하는 회로에서 전력을 측정하려면 스트랩을 절단하고 구멍을 통해 전류계를 연결해야 합니다(그림 5).

그림 5: AVR IoT 개발 기판의 절단된 스트랩을 사용하여 주요 회로의 전력 소비를 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

또한 이 개발 기판에는 MIC94163 스위치를 사용하는 시스템 전압 측정 회로와 MCU의 ADC 핀에 연결된 전압 분배기가 있으므로, 온디맨드 측정을 수행하고 전압 분배기를 통한 전력 누출을 방지할 수 있습니다. 시스템 전압을 측정하려면 다음 단계를 따르십시오.

1. ADC에 대한 전압 레퍼런스를 구성합니다.
2. MCU GPIO 시스템 전압 측정 활성화 핀(PB3)을 High로 설정하여 전압 분배기를 활성화합니다.
3. MCU ADCO 시스템 전압 측정 핀(PE0)을 ADC에 대한 입력으로 설정합니다.
4. 단일 종단 아날로그 디지털 변환(ADC)을 실행합니다.
5. V = ADC 결과 x V_REF x 4/ADC 분해능 방정식을 사용하여 전압을 계산합니다.

마지막으로 다음 단계에 따라 공급 전압을 쉽게 측정할 수 있습니다.

1. ADC에 대한 전압 레퍼런스를 구성합니다.
2. V_DD 또는 _VDDIO2를 ADC에 대한 양극 입력으로 선택합니다. (V_DD 및 V_DDIO2는 MCU의 ADC에 사용 가능한 내부 입력 채널입니다.)
3. 단일 종단 ADC 변환을 실행합니다.
4. V = ADC 결과 x V_REF x 10/ADC 분해능 방정식을 사용하여 전압을 계산합니다.

결론

셀룰러 IoT는 상업적 잠재성이 뛰어난 인기 있는 LPWAN입니다. 하지만 셀룰러 IoT 기반 종단 장치를 설계하려면 하드웨어와 소프트웨어 모두에 대한 전문 지식이 필요합니다. 설계자를 지원하기 위해 Microchip의 EV70N78A AVR-IoT 셀룰러 미니 개발 기판과 같은 새로운 셀롤러 IoT 개발 기판에서 빠른 시제품 제작 경로를 제공합니다.

이 개발 기판에서는 고급 LTE-M/NB-IoT 모뎀과 인기 있는 Microchip MCU를 사용합니다. Arduino 또는 Visual Studio 코드 IDE를 사용하여 응용 코드를 간단히 개발할 수 있습니다.