모두를 위한 사물 인터넷(IoT)

요즘 기술 세계는 그 어느 때보다 빠르게 변하고 있으며 신기술도 계속해서 빠르게 무선 응용 분야에 도입되고 있습니다. 전송 표준이 변경되어 사물 인터넷(IoT) 장치가 포함되면서 이제 무선 애호가는 훨씬 손쉽게 새로운 변조 체계를 직접 설계할 수 있으며 무선 링크에 연결할 센서도 다양해졌습니다. 과거와 달리 이제 누구나 이러한 기술에 더욱 쉽게 접근할 수 있습니다. 이러한 발전에 대해 이야기하고 저렴하면서 보편적인 기술을 곧바로 사용할 수 있는 방법에 대해 알아보겠습니다.

셀룰러 인프라에서는 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 무선 통신 기술을 사용할 수 있으며 이 기술이 보급된 지도 이제 몇 년이 흘렀습니다. 협대역 사물 인터넷(NB-IoT), 장기 에볼루션 기계형 통신(LTE-M 및 LTE-MTC), 고속 기계형 통신(eMTC)이 각광을 받고 있습니다. 이러한 기술은 음성 및 고대역폭 트래픽에 사용되어 기존 셀룰러 타워를 활용할 수 있다는 장점이 있습니다. 그렇지만 보고 및 제어 기능을 아주 가끔 사용하는 장치에는 고대역폭이 필요하지 않으며 대부분 배터리로 작동되기 때문에 이러한 기술 표준을 구현할 수 있는 저전력 및 저대역폭 표준에 대한 수요가 발생했습니다.

기존의 셀룰러 네트워크를 활용하지 않고 새롭게 인프라를 구축해야 하는 기술로는 Sigfox, LoRa/LoRaWAN, NB-Fi 등 몇 안되는 기술이 있습니다. 이러한 기술은 상위 인터넷에 연결하기 위한 업링크가 필요하다는 단점이 있습니다. 비록 네트워크 운영자가 서비스로 이러한 업링크를 제공하지만, 여전히 극복해야 하는 또 하나의 컴퓨터 네트워크 시스템이라고 할 수 있습니다.

하지만 셀룰러 네트워크 운영자는 대기업이기 때문에 그들과 경쟁하는 것은 그다지 현실적이지 않습니다. 셀룰러 네트워크 운영자의 표준에 부합하는 모뎀을 채택하여 네트워크에서 활용할 '시간'을 구매하고 매월 요금제 비용을 지불하는 것이 가장 적절한 방안입니다.

보통 정도의 비용을 들여 비 셀룰러 네트워크를 구축할 수는 있습니다. 단, 지리적 포괄 범위가 넓지 않다는 한계는 있습니다. 비 셀룰러 네트워크는 인터넷과 연결해 주는 서버에 접속하기 전까지 전 세계에 도달하지 않습니다.

다행히도 DigiKey를 통해 셀룰러 네트워크, 칩 및 모듈을 활용하여 자신만의 저전력 네트워크를 구축할 수 있습니다. 또한 DigiKey는 세계 전역으로 전송되는 데이터 300KB당 한 달에 $3.00인 저렴한 셀룰러 네트워크 데이터 요금제를 판매하고 있습니다(그림 1 참조). 셀룰러 네트워크 운영자가 인증한 모뎀만 갖추면 장치를 전 세계에서 '온라인’으로 이용할 수 있습니다. 모뎀과 모뎀에 포함된 칩도 제공됩니다.

그림 1: DigiKey의 셀룰러 데이터 요금제.

모듈 형태의 전자 솔루션도 꾸준히 급성장하고 있습니다. 스스로 전문지식을 갖춤으로써 칩 수준의 설계 대신, 이제는 인증된 무선 통신 사전 구축 제품을 구할 수 있습니다. 필요한 RF 기술 역량을 줄여줄 뿐만 아니라 제품을 시장에 더욱 빨리 출시할 수 있습니다. 저는 모듈에 사용되는 칩을 살펴본 뒤에 일부 사례를 가지고 각 고객이 구매하는 칩 유형을 살펴보았습니다. 놀랍게도 필요한 기술 역량을 가진 업체는 모듈에 있는 것과 동일한 칩을 구매할 뿐만 아니라 모듈도 구매하고 있었고 모듈과 칩 둘 모두를 수천 개씩 구매하고 있었습니다. 이러한 사실은 비용 최적화가 덜 된 제품으로 조기에 시장에 진입해서 신제품의 수요를 시험해 보는 편이 더 낫다는 사실을 증명합니다. 시장 규모가 크다면 그 다음에는 칩 수준까지 내려가서 제품 비용을 최적화할 수 있습니다. 심지어는 칩보다 더 낮은 수준도 있으며 저는 이를 파형 수준이라고 부릅니다.

개발자는 소프트웨어 기반 무선 통신(SDR)을 통해 완전히 새로운 변조 체계를 시험해 볼 수 있습니다. 독특한 수요와 전문지식이 있다면 자신만의 무선 통신 표준을 개발할 수 있습니다. 전문지식이 없더라도 SDR을 이용해서 시험하면 많은 것을 배울 수 있습니다.

이러한 SDR에는 Analog Devices의 ADALM-PLUTO(Analog Devices Advanced Learning Module PLUTO)가 있으며 DigiKey에서 규격품으로 구매 및 배송 가능합니다(그림 2 참조). 제품 가격은 2019년 8월 기준 USD $150 미만입니다. 이 제품은 USB 링크를 통해 개인용 컴퓨터와 연결되고 손쉽게 재구성되는 FPGA가 내장되어 있으며 프로그래밍 언어 Python을 광범위하게 지원할 뿐만 아니라 325MHz부터 3.8GHz 범위의 신호를 송수신할 수 있습니다. RF에 대해 배우고 이를 사용하려 한다면 이 수준의 제품부터 시작하세요.

그림 2: DigiKey에서 제공하는 ADALM-PLUTO SDR (이미지 출처: Analog Devices Inc.)

제품에 관한 이야기로 다시 돌아가서 수백 가지 형태의 칩과 모듈로 이루어진 센서가 급증하고 있습니다. 아래에는 DigiKey에서 제공하는 다양한 센서가 현재 재고 품목 수량(SKU)과 함께 표시되어 있습니다(본 블로그 게시일 기준).

• 근접 센서(10,150품목)
• 센서, 트랜스듀서 온도 센서 - 아날로그 및 디지털 출력(4,256품목)
• 센서, 트랜스듀서 특수 센서(914품목)
• 센서, 트랜스듀서 가스 센서(371품목)
• 센서, 트랜스듀서 위치 센서 - 각도, 선형 위치 측정(2,961품목)
• 센서, 트랜스듀서 압력 센서, 트랜스듀서(30,778품목)
• 센서, 트랜스듀서 습도, 수분 센서(570품목)
• 센서, 트랜스듀서 전류 센서(2,033품목)
• 센서, 트랜스듀서 광학 센서 - 주변광, IR, UV 센서(1,240품목)
• 센서, 트랜스듀서 광학 센서 - 거리 측정(137품목)
• 센서, 트랜스듀서 평가 기판 - 센서(2,589품목)
• 개발 기판, 키트, 프로그래머용 자기 센서 - 위치, 근접, 속도(모듈)(4,266품목)
• 센서, 트랜스듀서 광학 센서 - 광전, 산업(9,979품목)
• 센서, 트랜스듀서 동작 센서 - 가속도계(1,730품목)
• 센서, 트랜스듀서 이미지 센서, 카메라(1,551품목)

전체적으로 DigiKey에서는 210,000품목 이상의 센서를 제공하고 있습니다.

어떠한 센서나 센서 조합이라도 제품에 장착하여 다양한 무선 옵션을 통해 인터넷에 연결할 수 있습니다.

무선 제품 개발에 도움을 주는 도구에는 DK IoT Studio도 있습니다(그림 3 참조). 이 고속 애플리케이션 개발(RAD) 도구는 DigiKey에서 무료로 이용할 수 있습니다. 웹 기반 통합 개발 환경(IDE)에서 미리 제작된 내장형 마이크로 컴퓨터 기판을 선택하여 IDE에서 구성한 후 IDE에서 생성된 오픈소스 코드 등의 구성을 기판에 다운로드할 수 있습니다. 이러한 기판은 전선을 통해 호스트로 테더링되거나 Bluetooth 또는 Wi-Fi를 통해 무선으로 테더링된 장치와 통신할 수 있으며 기판에 있는 모든 데이터를 인터넷에 전송하여 페어링된 스마트폰에서 데이터를 수신할 수 있습니다. 더 큰 환경에 맞게 확장하는 옵션이 있으며 이 경우에 낮은 추가 비용이 발생합니다. 예를 들어 ‘윈도우 블라인드 컨트롤러’를 인터넷에 연결하는 과정을 보여주는 온라인 프로젝트를 maker.io에서 확인할 수 있습니다. DK IoT Studio를 수정하여 자신만의 기능을 추가하는 코드는 DigiKey eewiki 웹 사이트(여기)에서 확인할 수 있습니다.

그림 3: DigiKey의 DK IoT Studio

즐거운 개발 과정이 되길 바라며 사물 인터넷이 여러분의 장치를 세계와 연결하기를 기대합니다.