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하드웨어와 소프트웨어의 중요한 요구사항을 동시에 해결하는 사물 인터넷

글. 와이렌 페레라 (Wiren Perera), 수석 디렉터, IoT 전략, 온세미컨덕터

올 해는 드디어 사물 인터넷(IoT) 산업이 매우 상징적으로 여러 분야에 걸쳐 영향력을 보이기 시작하는 듯한 징후가 보인다. 시장조사기관인 IHS는 1월에 발표한 보고서를 통해 올 해 중으로 네트워크에 연결되는 기기의 대수가 20억대 정도에 이르러 전년도 대비 약 15%로 급상승하게 될 것이라고 예측한 바 있다.

사물 인터넷은 경제적, 물류적, 환경적으로 여러 가지 이점을 제공하므로 여러 부문에서 대규모로 활용될 것으로 예상된다. 산업 공정 분야의 경우 이미 자동화 의존도가 높아져 안전성과 효율, 신뢰성을 향상시켜주고 있으며 거주 환경에서도 더 스마트한 에너지 절약과 더불어 보다 편리하고 효율적인 한 환자 케어가 가능할 것이다.

사물인터넷의 초기 단계부터 반도체 제조업체의 경우는 이를 실전에 적용해 어느 부문에 해당 기술을 구현할 지에 대한 움직임이 빠른 편이었다. 사물 인터넷의 개수가 수백만 개에 이르러 이와 관련된 응용 환경이 비용에 민감해지게 된다고 전제한다면 의심할 여지없이 각 노드와 관련된 자재명세서(BOM)를 기본적으로 고려해야 한다.

사물 인터넷 노드 중 대부분은 송전선이 전혀 없는 원거리 지역에 배치되기 때문에 각 노드에서 인입하는 전력을 감안해야 한다. 따라서 배터리 동력 공급으로 작동시켜야 하는 일이 실행 가능한 유일한 대안이므로 배터리 수명을 가능한 한 길게 연장시키는 것이 매우 중요해진다. 이는 특히 배터리 셀을 교체하기 위하여 현장에 엔지니어를 파견하는 시간과 비용을 줄이는 데에는 아주 필수적인 요소가 된다. 그런데 응용 환경에 따라 설정되는 기준, 예컨대 공간상의 제약, 가혹한 응용 환경 등에 따라 IoT 노드에 추가적 영향을 미칠 여러 측면들이 있을 수 있다.

사물 인터넷을 전개할 경우 유무선 통신은 모두 서로 상이한 프로토콜을 채택할 수밖에 없을 것이다. 프로토콜 중 일부는 확고하게 검증되었지만 일부는 아직 초기 단계이다. 유선 프로토콜 중에서 건물 자동화용으로는 KNX를, 산업용으로는 CAN 또는 이더넷을 들 수 있다. 무선 통신 프로토콜은 예를 들어 와이파이, ZigBee, Z-Wave와 저전력 블루투스®(BLE) 등 대부분 단거리, 초저전력 기술을 활용하게 될 것이다. 다른 무선 옵션으로는 저전력 광역 통신망(LPWAN) 프로토콜이 있는데 주지하다시피 이는 매우 적은 전력을 소모하면서도 장거리, 적은 데이터 볼륨을 커버한다(SIGFOX 및 LoRa 등). ‘저전력’ 프로토콜에 대한 한 가지 대안책으로는 소물 인터넷(LTE-M), 수년 내에 5G가 될 협대역 사물 인터넷(NB-IoT) 등 광역 통신망(WAN) 서비스 범위용 이동통신 기반 프로토콜도 있을 것이다.

어떠한 경우에서든 사물 인터넷에서 실제로 작동을 하게 만드는 것이 센서/액츄에이터이다. 모든 데이터는 센서를 통해 수집, 분석되는데 액츄에이터는 모터를 구동하고 조명을 개시하는 등의 용도로 사용되기도 한다. 센서와 액츄에이터의 조합이(지원되는 네트워크 연결성과 함께)이 실제적으로 매우 중요하게 될 몇몇 예가 있다. 가옥 자동화/건물 자동화 응용 환경에서는 수동 적외선(PIR) 탐지기 망이 사람의 움직임을 판단하게 되는데 이에 따라 LED는 해당 룸에 조명을 작동시킬 수 있다. 대규모 원예 사업장 등 산업 응용 환경에서는 일련의 상이한 센서들을 사용해 주변의 광, 온도, 습도, 토양 습도 등을 모니터링하게 된다. 특정 매개변수가 허용되는 사전 설정된 임계값 내에 있지 않을 경우 조치를 취할 수 있는데 예를 들어 온도가 너무 높아서 조절해야 할 경우 모터를 가동하여 온실의 창문을 여는 것 등이 좋은 예이다. 그런가 하면 작물 생산량을 극대화할 최적의 광량이 아닌 경우에는 이미 시스템에 연결된 LED 드라이버를 통해서 조절이 가능해진다.

공간, 비용, 전력 예산 등 제약을 모두 조합해 보면 위의 기능들과 마음 놓고 지원할 수 있는 범위 이상을 제공하지 않고도 사물 인터넷의 노드가 상당히 간소화된 설계 컨셉을 준수해야 함을 알 수 있다. 구체적으로는 더 낮은 가격대의, 너무 많은 전기를 소모하거나 너무 광범위한 면적을 차지하지 않는 마이크로프로세서와 메모리 IC 사양이 필요할 것이다. 따라서 데이터를 처리, 분석할 수 있는 클라우드 기반 서비스 액세스를 통해 노드의 기능 부족을 보완할 수 있다. 클라우드를 경유해 관련 앱을 활용한다면 사물 인터넷 시스템 설계가 노드 레벨에서 존재하는 제약을 벗어나 이미 수집된 귀중한 데이터를 충분히 활용할 수 있게 될 것이다. 이렇게 함으로써 데이터 처리와 스토리지 용량이 개선된다.

전자 기기 제조업체들과 클라우드 서비스 제공업체들은 그동안 거의 완전히 개별적으로 사물 인터넷 개발을 공략해 왔다. 즉, 이들은 모두 자체 핵심 역량의 범위 내에서만 머물러왔던 것이다. 그러나 하드웨어와 소프트웨어 개발 요소를 별도로 처리해야 한다는 생각이 합리적으로 미뤄져 왔기 때문에 사물 인터넷의 확산에 중대한 영향을 끼치게 되었다. 하드웨어 엔지니어들은 자신들의 익숙한 영역을 벗어나 다량의 코드를 작성하는 수고를 피하고 싶어한다. 마찬가지로 소프트웨어 개발자들도 변경이 어려운 개발 플랫폼에 의한 구속을 받으려 하지 않는 경향이 있다.

사물 인터넷을 구현하려면 수많은 기본 플랫폼에 서비스를 제공해야 한다. 노드 레벨에서의 주요 관심사는 센서를 통해 수집된 데이터를 분석/조작으로부터 되돌려 받아 필요 시 액츄에이터 가동을 시작하도록 가능한 한 효율적으로 신뢰할 수 있는 가동을 하는 것이다. 따라서 당면한 특정한 임무를 위해 채택되는 연결성을 최적화해야 한다. 이것이 기본적으로 이뤄져야 시스템을 통해 더 적극적인 조치를 취해 클라우드와의 상호 작용이 충분히 효과적인지 확인하는 방법에 집중하게 된다.

사물 인터넷 산업은 이렇듯 서로 상이한 요소들을 동시에 공략하는 기술을 현실적으로 필요로 해 왔다. 이는 하드웨어의 관점에서 보면 구체적인 응용 환경 요구 사항과 조화되도록 사물 인터넷 노드를 생성하는 데 필요한 연결성, 센서 및 액츄에이터 기능들을 엔지니어에게 제공함을 의미한다. 또한 소프트웨어의 관점에서 보면 이러한 하드웨어를 지원하게 될 클라우드 기반의 앱을 구축할 수 있는 기반을 개발자들에게 제공함을 의미한다.

반도체 제조업체들은 당연히 사물 인터넷 시장 진출에 예민하게 반응하지만 아직까지는 이들이 제공할 수 있는 개발 플랫폼으로는 여기에서 논의한 문제들을 현실적으로 모두 처리할 수 없는 게 현실이었다. 하드웨어의 관점에서 보면 특정 센서와 통신 기능을 통합한 싱글 보드 솔루션이 전부이다. 따라서 시스템을 응용 환경의 요구 사항과 일치시키는 문제에 관하여 엔지니어가 실력을 발휘할 영역이 거의 없다. 최상의 연결성이나 센싱 옵션은 플랫폼에 의해 지원되지는 않을 것이므로 결국 절충이 이루어지게 된다. 그 대신 지원할 수 있는 기능과 관련해 융통성을 높여야 한다.

그림 1.  온세미컨덕터 IoT 개발 키트의 하드웨어 및 소프트웨어 요소들을 보여 주는 개략도

온세미컨덕터의 엔지니어들은 사물 인터넷 구동과 관련된 역동성을 전제로 새로운 유형의 개발 플랫폼을 만들려는 노력을 해왔다. 이는 하드웨어 엔지니어와 소프트웨어 개발자들에게 모두 희소식이자 자신들만의 고유 영역을 재확인시켜준 셈이었다. 이러한 노력의 결과가 IoT 개발 키트(IDK)이다.

이 개발 키트는 제약이 있는 ‘프리 사이즈’ 접근 방식을 취하기 보다는 모듈형 구조를 갖춤으로써 센서, 액츄에이터, 연결성을 다양하게 선택하도록 해준다. 하드웨어의 처리는 물론 기기에서 클라우드에 적용되는 사물 인터넷 응용 프로그램 구축에 정교한 소프트웨어 프레임워크를 통합한 이 개발 키트는 응용 범위가 아주 넓으면서도 별도의 설치나 구성 없이도 바로 사용 가능한 개발 리소스를 엔지니어 전문가들에게 제공해 준다.

그림 2. 여러 개의 도터 카드를 수반하는 IoT 기판

이 개발 키트는 각각 32비트 ARM® Cortex®-M3 프로세서 코어와 320KB 플래시 메모리 2 뱅크를 갖춘 고도로 정교화된 NCS36510 단일 칩 시스템(SoC)을 기반으로 한다. 사용 가능한 광범위한 도터 카드는 기판에 직접 부착할 수 있다. 연결성의 기능을 위해서는 와이파이, ZigBee, SIGFOX, CAN, 이더넷 등 다양한 무선 및 유선 통신 프로토콜의 도터 카드가 제공된다. 센서 작동을 위해서는 온도, 동작, 습도, 심박수, 주변 광, 압력 및 바이오 센서를 통합한 도터 카드가 있다. 또한 액츄에이터 기능은 LED 드라이버뿐 아니라 스텝 모터 드라이버, 브러쉬리스 모터 등을 통해 적용된다.

여러 가지 도터 카드를 모으면 서로 상이한 센서, 액츄에이터, 통신 기능들을 제공하게 되므로 엔지니어들은 서로 다른 옵션들을 매치함으로써 시스템 설계에 가장 적합한 조합을 찾아낼 수 있다. 또한 클라우드 기반 소프트웨어 개발을 잘 이해하지 못하는 하드웨어 엔지니어들은 이를 통해 사물 인터넷 시스템에 필요한 클라우드 기반 서비스에 대한 간단한 루트를 찾아낼 수도 있다. 이와는 반대로 소프트웨어 개발자들은 자체적인 고유의 서비스를 개발할 방대한 기회를 갖게 될 것이므로 더욱 창의성에 박차를 가하게 된다.

Eclipse 기반의 통합개발환경(IDE)을 기반으로 한 이 개발 키트는 광범위한 응용 환경 관련 라이브러리에 따라 C++ 컴파일러, 디버거 및 코드 에디터를 절충하게 한다. 엔지니어들이 개발 키트와 같이 다용도로 구성 가능한 플랫폼에 액세스하면 상충 관계를 만들어내야 한다는 강요를 받거나 특수한 전문 영역을 벗어나야 할 필요 없이 이들의 시스템 설계 목적을 달성할 수 있다. 개념 단계로부터 실제 작동에 이르기까지 이미 전개되어 왔던 대부분의 사물 인터넷 시스템을 고려할 때에는 이 점이 가장 중요할 것이다.

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