IoT 애플리케이션 위한 Sub-1GHz 장거리 통신 및 스마트폰 연결

  • 2016년 11월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글| 스베인 베티, 시스템 엔지니어 죠나스 올슨, 애플리케이션 매니저 지나 코플리, 제품 마케팅 엔지니어 텍사스 인스트루먼트


오늘날 사물인터넷(IoT) 세상에는 새롭고 수많은 무 선 커넥티비티 애플리케이션이 매일 시장에 등장해 센서와 상호작용을 지속적으로 수집하고 있다. 얼마나 많은 단계를 거쳤는지 알려주는 스마트폰부터 열린 창문이 없음을 알려주는 보안 시스템까지, 우리에게는 힘들이지 않고 생활할 수 있는 알림 기능이란 안전망이 있다.

더 많은 정보를 수집하려는 트렌드는 다양한 무선기기와 일상적으로 상호작용을 하게 만든다. 한 사람은 복수의 무선 프로토콜이나 표준을 이용해 하루 동안 100개 이상의 사물들에 접속할 것이다. 가정용 보안 시스템에서 자동차나 사무실까지 연결했을 때 현재까지는 중첩이 일어나는 경우는 거의 없었다. 인터페이스의 경우 무선 대역을 바꿔 네트워크를 분리하면 불편해지는데 이 네트워크 간에 더 많은 상호작용이 일어나게 하려면 어떻게 해야할까? 2.4 GHz부터 Sub-1GHz까지의 원활한 상호작용에서 자주 놓치는 것은 무엇일까?

Sub-1GHz: 장거리 저전력 RF 커넥티비티 

대다수 무선 제품의 경우, 높은 처리량의 데이터를 전송할 수 있는 능력보다 거리가 훨씬 더 중요하다. 스마트 계량이나 알람 시스템의 센서 디바이스, 주거용 자동화 시스템의 온도 센서를 예로 들어보자.

이러한 애플리케이션에서 Sub-1GHz 산업과학의료(ISM) 대역(433/868/915 MHz)은 2.4 GHz 대역을 사용하는 솔루션보다 훨씬 더 거리가 뛰어나다. 그 이유는 상대적으로 낮은 주파수의 물리적 속성 때문이다. 안테나 성능이 같다고 가정했을 때, 이 이론(자유공간)은 RF 주파수를 사용한 거리의 두 배를 필요로 한다.

다른 중요한 요소는 상대적으로 긴 RF파의 벽을 통과하고 코너를 휘도는 능력과 상대적으로 낮은 데이터율이다. 리시버의 감도는 데이터율에서 강력한 역할을 하기 때문이다. 경험에 비추어 볼 때 데이터율을 4배 줄이면 거리(자유공간)는 두 배가 된다. 마지막으로 Sub-1GHz RF 규정이 허용하고 있는 낮은 듀티사이클로 인해, 2.4GHz 대역보다 Sub-1GHz 대역에서 저 데이터레이트 솔루션의 교란 문제가 적은 편이다(주로 Wi- Fi® 때문).

상대적으로 낮은 주파수는 전류 소비를 낮추는데 도움을 준다. 늘어난 배터리 수명 외에도 낮은 피크 전류 소비 또한 코인셀 배터리를 사용하는 소형 폼팩터 솔루션을 가능하게 한다. 그렇지만 Sub-1GHz 시스템에서 데이터를 받아 스마트 기기에 넣는 일은 제법 까다로울 수 있다. 스마트 기기들은 대부분 ISM 대역 통신에 사용되는 Sub-1GHz 통신 시스템을 가지고 있지 않기 때문이다. 그러므로 Bluetooth? 저에너지가 사실상 표준으로 사용된다.

이 경우 듀얼밴드 무선 마이크로컨트롤러(MCU)가 두 통신 대역 간의 가교 역할을 할 수 있고, SimpleLink™ 듀얼밴드 CC1350 무선 MCU를 이용하면 Sub-1GHz와 블루투스 저에너지의 조합이 가능해진다. CC1350 디바이스는 15 mA 만을 이용해 +10 dBm을 전송할 수 있는데, 이것은 코인셀 배터리에서 처리하기에 좋다. 저데이터레이트를 이용하면, RF 리시버에서 20 km 이상(강화된 송신기의 가시선)의 전송이 가능할 뿐만 아니라, 3.6V 리튬 배터리를 이용했을 때의 소비는 불과 5.4 mA이다.



SimpleLink 듀얼밴드 CC1350 무선 MCU

CC1350 무선 MCU(〈그림 1〉의 블록다이어그램 참고)는 진정한 싱글칩 솔루션으로 4×4 mm(QFN)까지 낮춘 초소형 PCB 풋프린트 솔루션이다. 더 많은 IO가 필요할 경우에는 7×7 mm 패키지(QFN)에 30개 IO들이 제공된다.

ARM Cortex- M3 애플리케이션 프로세서는 128 kB 플래시, 20 kB 초저전력 SRAM과 더불어 캐시에 사용되는 8kB SRAM(레귤러 SRAM으로 할당되기도 함)을 가지고 있다. RF 코어에는 가장 중요한 Sub-1GHz 대역들(315, 433, 470, 868, 915 MHz)과 2.4 GHz를 지원할 수 있는 RF 프론트엔드가 들어 있다.

이 무선 코어에는 매우 탄력적인 소프트웨어 구성형 모뎀이 포함되어 있어서 초당 수 백 비트부터 4 Mbps까지의 데이터율과 ‘단순한’ OOK(onoff keying)부터 (G)FSK, (G)MSK, 4-(G)FSK, shaped 8-FSK까지의 여러 가지 변조 형식들을 다룰 수 있다. 이 무선 코어의 장점은 시중의 기존 레거시 Sub-1GHz 솔루션의 귀중한 자원을 처리함과 동시에 기존 표준들의 수정 표준들을 지원하는 것이다.

그 좋은 예가 CC1350 무선 MCU다. CC1350 무선 MCU는 펌웨어 업그레이드만으로 새로운 장거리 모드와 2016년 Bluetooth SIG가 발표한 새로운 고속모드(Bluetooth 5.0)을 처리할 수 있다.

이 RF 코어에서 ARM Cortex- M0은 낮은 레벨의 블루투스와 전용 RF솔루션을 둘 다 지원하기 위해 미리 프로그래밍 해둔 ROM 기능을 실행한다.

이것은 메인 ARM Cortex- M3 애플리케이션 프로세서에서 시간의 부담을 없애준다. 이 파워 시스템은 대기모드를 비롯한 모든 작동모드에서 활동하는 DC/DC(디지털 컨버터 투 디지털 컨버터)솔루션을 통합하고 있다. 그러면 배터리 전압이 떨어져도 저전력 작동이 가능하고 안정적인 성능(RF 거리)을 발휘할 수 있다.

CC1350 무선 MCU의 ROM 

SimpleLink CC1350 디바이스에는 200 kB 이상의 ROM(Read Only Memory)과 다음 기능들에 관한 라이브러리가 들어 있다.

ㆍTI- RTOS(실시간 운영체제)
ㆍ저레벨 드라이버 라이브러리(SPI, UART 등)
ㆍ보안 기능
ㆍ저레벨 및 일부 고레벨, 블루투스 스택 기능들

ROM 코드는 플래시나 RAM의 기능들을 통해 고정/패치 시킬 수 있다는 점을 명심해야 한다.

초저전류 소모 

SimpleLink CC1350 및 CC1310(Sub-1GHz 전용) 무선 MCU는 RF 및 마이크로컨트롤러를 위한 모든 작동 모드에서 초저전류를 소모한다.

센서 컨트롤러 

센서 컨트롤러는 소형 전력에 최적화된 16비트 MCU로 CC13xx 디바이스에 포함되어 초저전력으로 아날로그 및 디지털 센서들을 처리한다. 이것은 센서컨트롤러 스튜디오(sensor controller studio)를 이용해 프로그래밍/구성되며, 사용자로 하여금 다양한 주변장치들에 대해 미리 정의해둔 기능들을 센서 컨트롤러 스튜디오에서 찾게 한다.

또한 이 툴은 ADC 읽기(스트리밍, 로깅창 비교 기능) 같은 공통 센서 솔루션들의 소프트웨어 사례들과 디지털 센서용 I2C/SPI를 제공하며, 센서 컨트롤러를 정전식 터치 버튼에 사용할 수도 있다.
센서 컨트롤러 스튜디오는 〈그림 2〉를 참고한다



소프트웨어 제공과 사용 용이성

TI는 블루투스 저에너지 CC2540 무선 MCU에서 인증 받은 최초의 블루투스 저에너지 소프트웨어 스택 중 하나를 내놓았다. 이 스택은 발전되어 2015년 출시된 SimpleLink CC26xx 플랫폼도 지원한다. 현재 CC1350 디바이스에서 이용 가능하며, ‘단순한’ 비콘부터 완전 접속 가능한 스택까지 블루투스 4.2표준이 제공하는 모든 기능들을 가지고 있다.

모든 TI RF스택은 TI의 무료 실시간 운영체제인 TI- RTOS를 사용하고 있으며, TI- RTOS는 3- Clause BSD라이선스 하에서 배포된다. 즉 소스코드 전체가 제공된다는 뜻이다. TI는 애플리케이션 개발의 복잡도를 낮추고 고객이 온전히 애플리케이션 개발에만 집중할 수 있도록, 성능 최적화 RF 드라이버를 비롯한 여러 주변장치 드라이버들을 제공하고 있다.

CC13xx 및 CC26xx 소프트웨어 개발 키트(SDK)을 위한 TI- RTOS에는 많은 사례들이 나와 있는데 RF 사례들은 전용 시스템을 개발하는데 있어 훌륭한 출발점 역할을 한다. 게다가 모든 소프트웨어 사례들은 다양한 드라이버들의 성능 최적화 활용을 보여주기 위한 것들이다. 특히 신제품 개발의 경우에는 레거시 제품에 매달릴 필요 없이 새로운 TI 15.4- Stack을 이용하는 것이 좋다. TI 15.4 Stack은 TI가 IEEE 802.15.4g/e 표준들을 구현한 것으로, 스타 타입 네트워크를 가능하게 하며 다음의 두 가지 버전으로 나온다(무료).

ㆍ 유럽 RF 법규(ETSI) 최적화 버전: 주파수 어질리티와 LBT(Listen before talk)를 사용
ㆍ 미 RF 법규(FCC) 최적화 버전: 주파수 홉핑을 이용한 최고 출력 파워



Sub-1GHz와 블루투스 저에너지의 이용 예제

CC1350 무선 MCU는 하나의 디바이스에서 Sub-1GHz와 블루투스 저에너지 모두 가능해 많은 가능성이 있다. 다음은 그 가능성들이다.

Sub-1GHz 네트워크의 설치/가동, 유지관리, 진단
설치/가동 과정에서 Sub-1GHz의 장거리 능력은 단점이 될 수 있다. 사용자는 설치 중에 같은 제품이 설치된 이웃의 노드가 아닌, 네트워크로 묶인 디바이스들로만 함께 연결하고 싶기 때문이다. 블루투스 연결을 이용해 상대적으로 거리가 짧은(그리고 훨씬 더 높은 데이터 레이트를 가진) 스마트폰과 대형 디스플레이를 사용하면 디바이스들을 훨씬 더 쉽게 설치할 수 있다.

또한 인터넷 연결 스마트폰을 사용하면 노드용 소프트웨어를 새로 다운로드 하기 쉽고 진단 정보를 수집하기 좋을 것이다. 이런 솔루션은 DIY를 위해서도, 전문 설치된 제품을 위해서도 만들어질 수 있다. 예를 들어,

ㆍ 사용자가 미리 주문해둔 연기감지기 두 묶음을 구매해 Sub-1GHz 네트워크에 함께 연결했는데, 네트워크에 추가하고 싶은 다른 디바이스가 생기는 경우
ㆍ 침입자 알람 시스템이나 주거 자동화의 소비자 설치 또는 전문가 설치의 경우 등이다.


펌웨어 업데이트
연결된 제품이 전체 수명 내내 최고의 성능을 발휘할 수 있게 하려면, 무엇보다 OTA(over- the- air) 펌웨어 업데이트를 제공할 수 있어야 한다. 펌웨어 업데이트로도 이미 현장에 배치된 디바이스들에 새로운 기능을 부여할 수 있기 때문이다. 블루투스 저에너지의 상대적으로 높은 데이터율을 활용한다면, 펌웨어 업데이트가 훨씬 더 빨라진다.

게다가 Sub-1GHz 링크와 블루투스 저에너지 링크, 두 개의 펌웨어 업데이트를 할 수 있는 디바이스들로 시스템을 구성할 수 있고, 사용자의 자유도가 높아지게 된다. OTA 펌웨어 업데이트에 블루투스 저에너지를 사용한 사례로는 다음의 시나리오를 들 수 있다.

어떤 디바이스가 Sub-1GHz 인터페이스를 통해 블루투스 저에너지 모드로 전환하라는 명령어를 받으면, 사용자는 그 디바이스를 블루투스 저에너지로 연결하고, 그 후 블루투스 링크를 통해 새로운 펌웨어 이미지가 전송된다. 그 다음 이 디바이스는 다시 시작하고 새로운 펌웨어 이미지가 로드된다.


스마트폰을 원격 디스플레이로 사용
소비자 제품과 전문가 제품 모두 사용하기 편리한 최종 제품을 만드는 것이 가장 중요하다. 좋은 컬러의 디스플레이는 사용과 개발이 비싸고 종종 기계적인 결함이 있으며 전류 소비를 증가시킨다. 보통 스마트폰을 디스플레이로 사용할 수 있거나 기존 제품의 기능을 강화시킬 수 있는 경우에 인터페이스를 크게 줄일 수 있다.

스마트폰의 배터리상태나 마지막 알람이 울린 후, 경과된 시간을 표시할 수 있는 무선 연기 감지기가 그 예다. 기본적으로 표시할 데이터를 가진 모든 센서 네트워크는 표준 LCD 대신 스마트폰을 원격 디스플레이로 사용하는 이점을 누릴 수 있다.


블루투스 저에너지의 페이로드 관리
Sub-1GHz를 사용했을 때의 이점 중 하나는 동일 출력 파워에서 거리가 더 길어진다는 것이다. 방대한 블루투스 저에너지 비콘을 새로운 페이로드 정보로 업데이트할 때, 모든 비콘 하나하나에 물리적으로 접근해야 하는 것은 쉽지 않은 일이다. 이런 경우에는 Sub-1GHz 링크과 비콘을 연결하면 새 블루투스 저에너지 페이로드 정보를 줄 수 있다. 다음은 활용 사례들이다.


구글 물리 웹
구글 물리 웹 개념에서 비콘은 간단한 URL을 전송하는데 쓰인다. 이 URL은 표준 웹 브라우저에서 쉽게 열리며 사용이 용이하다. 특별히 앱이 필요 없고, 블루투스 비콘이 가리키는 웹 페이지를 만들면 된다. Sub-1GHz 링크는 비콘을 관리하는데 쓰이고, 비콘은 기본적으로 웹 링크를 변경하는데 쓰인다.

구글 물리 웹은 블루투스 저에너지 비콘 프레임 형식을 위해 오픈소스 Eddystone 스펙을 사용하고 있다. 다음은 지정되어 있는 프레임 형식이다.

ㆍURL, 표준 URL을 제공
ㆍTLM, 배터리 레벨, 리부트 이후 시간 등 센서 데이터를 제공하는데 쓰이는 Type Length Message
ㆍUDI, 근접 사용 시에 이용되는 Unique Device Identifier

일례로 구글 물리 웹은 영화관 주변의 여러 장소에서 블루투스 비콘을 이용해 다음 영화를 알리는 영화관. Sub-1GHz 링크는 새 영화가 등장할 때마다 ‘디지털 포스터’를 업데이트 하는데 쓰인다.


전용 비콘
다른 애플리케이션과 상호작동을 할 필요가 없다면, 자기만의 블루투스 저에너지 비콘 프레임 형식을 구현하는 방법도 좋다. TI SimpleLink SensorTag 키트 애플리케이션이 그 예이다. 이 경우, 스마트폰 애플리케이션의 디바이스들과 상호작용을 하는데 전용 프레임 형식이 쓴다.

시작하기 

CC1350 무선 MCU를 위한 이 특별한 소프트웨어는 본 기술원고에 나와 있는 여러 활용 사례들을 보여준다.
SimpleLink 듀얼밴드 CC1350 무선 MCU LaunchPad™ 개발 키트는 TI BLE- Stack으로 미리 프로그래밍이 되어 있어 SensorTag iOS/안드로이드 스마트폰 앱을 이용해 디바이스와 연결할 수 있다. 연결이 되면 CC1350 디바이스는 SimpleLink 멀티표준 CC2650 LaunchPad 키트과 동일한 기능을 제공한다.

또한 빌트인 블루투스 저에너지 OTA를 다운로드하면, 듀얼모드 기능으로 인해 CC1350 디바이스를 블루투스 저에너지 디바이스에서 Sub-1GHz 디바이스로 손쉽게 전환할 수 있다. 위 링크의 단계별 안내를 통해 새 애플리케이션 이미지를 다운로드 하는 방법을 확인하고, 소규모 무선 센서 네트워크를 만들 수 있다.

센서 네트워크는 Sub-1GHz 데이터를 수신하는 콘센트레이터와 Sub-1GHz 링크를 통해 데이터를 콘센트레이터로 전송하는 노드를 가지고 있으며, 즉석에서 블루투스 저에너지 광고 패킷을 발송할 수 있는 무선 코어를 재구성한다.

● 추가 리소스

 ㆍ개발 키트
    - 듀얼밴드 CC1350 LaunchPad 개발 키트(LAUNCHXL- CC1350)
    - CC1350 SensorTag 데모 키트(CC1350STK)
    - CC1310 LaunchPad 키트(Sub-1GHz 전용) (LANUCHXL- CC1310)

 ㆍ소프트웨어
    - TI BLE- Stack 소프트웨어 개발 키트
    - CC13xx/CC26xx 소프트웨어용 TI- RTOS 사례들
    - TI 15.4- Stack 소프트웨어 개발 키트
    - SmartRF™ 스튜디오
    - SmartRF 플래시 프로그래머

ㆍ지원
    - TI E2E™ 커뮤니티 포럼

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