무선 커넥티비티와 관련된 표준 기반 소프트웨어 프로토콜이 IoT를 위한 핵심 기술을 제공한다. 최근 스마트미터링에 많이 사용되고 있는 무선 프로토콜 중 하나는 무선 M-Bus이다. 이 표준은 유럽 지역에서 미터링 애플리케이션으로 널리 사용되고 있다.

IoT를 위한 커넥티비티

IoT(Internet of Things)가 점점 더 인기가 높아지면서 무선 센서 네트워크, 스마트미터(전자식 계량기), 홈오토메이션, 웨어러블 기기 등도 폭발적으로 늘고 있다. IoT는 스마트그리드나 도시 조명 같은 원거리 옥외 네트워크에서부터 커넥티드 홈, 주택 보안 시스템, 에너지 관리 같은 단거리 옥내 네트워크에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 무선 커넥티비티와 관련된 표준 기반 소프트웨어 프로토콜이 IoT를 위한 핵심적인 기술을 제공한다. 이 글에서는 스마트미터링 시스템의 무선 커넥티비티에 대해 살펴보려고 한다. 스마트미터링에 많이 사용되고 있는 무선 프로토콜 중 하나는 무선 M-Bus이다.

무선 M-Bus 표준은 어떤 것인가?

Meter-Bus(M-Bus)는 스마트미터 통신에 관한 유럽식 표준이다. 이 커넥티비티는 유선이거나 무선일 수 있으며, 그림 1에서 보는 것과 같이 스마트미터와 데이터 콜렉터(수집 장비) 사이의 통신 링크를 정의하고 있다. 이 표준은 또한 난방료 계량기와 “drive-by”(이동 차량에서의 판독) 및 고정형 원격 계량기 판독 장비에 대해서도 정의하고 있다. 무선 M-Bus는 M-Bus 표준의 무선 버전으로서, 유럽 전역의 여러 장비에서 사용이 점차 늘어나고 있다.

서브 GHz(GHz 이하) 주파수 대역(169 MHz, 434 MHz, 868 MHz)을 기반으로 한 무선 M-Bus는 단순한 성형 네트워크 구성과 스마트미터용으로 최적화된 프로토콜을 사용한다. 서브 GHz 주파수는 2.4 GHz 같이 더 높은 주파수보다 더 우수한 전달 특성을 달성한다. 그러므로 지하에 설치된 것이나 여러 개의 벽과 장애물 뒤에 놓여 있는 계량기(meter; 미터기) 등 까다로운 위치까지 무선 파장이 잘 도달할 수 있다.

이 표준에서는 IP 어드레싱이나 메시 네트워킹에 대해서 정의하고 있지 않으나, 미터들을 개별적으로 어드레싱할 수 있으며 일부 모드로 메시지 중계나 라우팅이 가능할 것이다. 더 느린 데이터 속도와 짧은 패킷 길이는 소형 소프트웨어 스택 구현으로 저전력 원거리 솔루션을 지원할 수 있다. 수도계량기나 가스계량기 같은 경우에는 배터리를 사용해서 10년 이상 신뢰성 높은 동작을 보장해야 하므로 저전력이 무엇보다도 중요하다.

표준이 요구하는 주파수, FSK 기반 변조 및 대역폭은 확산 스펙트럼 기반 프로토콜보다 더 뛰어난 스펙트럼 효율을 달성한다. 기본적인 이 기술은 여러 공급업체를 통해서 이용할 수 있으며 완벽한 표준 기반이다. 이 같은 특징은 시장에서 경쟁력이 우수한 솔루션을 탄생시키고 소비자들에게 혜택을 준다. 이 같은 요소들이 통합되어 무선 M-Bus는 유럽 지역에서 스마트미터링에 경제성이 뛰어난 커넥티비티 솔루션을 실현한다.

표준 및 표준화 기관

다수의 유럽 표준 및 표준화 기관이 무선 M-Bus와 관련돼 있다. 하지만 전적으로 무선 M-Bus에 대한 공통된 산업 협의체나 인증 프로세스는 존재하지 않는다. 유럽에서는 모든 서브 GHz 무선 디바이스가 ETSI EN 300 220 표준을 준수해야 한다. 이 표준은 다양한 주파수 대역의 방사 한계를 정하고 있다. 이 표준은 6부로 이루어졌다. 3부와 4부가 무선 M-Bus와 가장 관련성이 높다. 각 부에서는 유선 및 무선 M-Bus 구현과 관련해서 물리층에서부터 애플리케이션 층까지의 요건을 정의하고 있다. 표 1은 각 부의 내용을 요약하고 있다.

2013년에 승인된 EN13757 최신 버전은 이전 2005년 버전에 비해서 RF 규격이 더욱 더 엄격하다. 이 표준에서 정의하고 있는 것과 별도로, 각 국가 기관에서 무선 M-Bus의 사용에 대해도서 규정하고 있다. 그런데 어려운 점은, 이 표준과 별개로 각 국가마다의 요건이 고유하고 각 국가의 환경에 적합하게 특정한 모드들을 선택하고 있다는 점이다. 프랑스의 GrDF, 이탈리아의 CIG, OSM 그룹이 그 예라고 할 수 있다(뒤에서 GrDF와 CIG에 대해서 살펴보겠다).

무선 M-Bus의 모드와 주파수

표 2에서는 다양한 주파수의 다양한 모드들을 보여준다. S, T, C, N 모드가 가장 널리 사용되고 있고, 특히 N 모드가 169 MHz 대역으로 갈수록 인기가 높아지고 있다. R, F 모드는 그렇게 널리 사용되지는 않으며, P 및 Q 모드는 현재는 사용되지 않는다. 이들 모드는 단방향 및 양방향 서브 모드들을 가지고 있다.

국가마다 고유한 요건

각각의 유럽 국가들은 각자 환경과 인프라에 적합하게 고유의 요건들을 정의하고 있다. 이 점은 각기 국가의 유틸리티 회사들에게는 좋지만, 반도체 회사, 미터 제조사, 소프트웨어 회사들에게는 복잡성을 가중시킨다. 공통적인 플랫폼을 제공하려면 하드웨어와 소프트웨어를 포함하는 전체적인 솔루션을 각 국가의 요건들을 충족할 수 있도록 유연하면서 모듈러가 가능하도록 설계해야 한다. 미터링 애플리케이션을 위해서는 보안과 무선 성능이 특히 중요한 측면으로서 이들 여러 국가에서 추가적인 요건으로 규정하고 있다. 프랑스와 이탈리아의 경우를 살펴보고 이들 국가의 특징을 살펴본다.

프랑스의 GrDF는 169 MHz의 N 모드를 사용하도록 정의하고 있다. N 모드는 협대역이면서 데이터 속도가 낮은 모드로서 주파수 스펙트럼을 효율적으로 사용한다. 또한 이 표준은 미터를 업데이트하기 위한 브로드캐스트 모드와 첨단 보안 요건을 정의하고 있다. 또한 선택적인 고속 4GFSK 모드는 협대역폭 12.5 kHz 채널은 그대로 유지하면서 더 높은 데이터 속도가 가능하다. 특히 무선 성능을 위해서는 표준의 요구를 뛰어넘는 향상된 감도, 블로킹, 선택도와 0.2%의 엄격한 주파수 편이 오차가 요구된다.

이탈리아의 CIG 역시 169 MHz 대역의 N 모드 동작을 기반으로 하고 있다. 추가적으로 CIG는 이탈리아의 UNI TS 11291-11-4 표준을 따른다. 이 표준은 애플리케이션층 인터페이스와 전송층 일부를 변경하고 있다. 애플리케이션층은 DLMS/COSEM(device language message specification/companion specification for energy metering)을 기반으로 하며, 채널 액세스 기법은 ALOHA 및 LBT를 기반으로 한다. 또한 펌웨어 다운로드용으로 브로드캐스트 창을 열어놓고 있다. 물리층 요건 또한 고유하다. 긴 거리를 달성하기 위해서 최대 전송 전력은 +27 dBm이고, 추가적으로 -27 dBm부터 +27 dBm까지 3 dB 간격으로 구성할 수 있도록 요구하고 있다. 이에 관한 상세한 정보는 해당 표준의 문서에서 확인할 수 있다.

프랑스와 이탈리아에서 N 모드 동작을 위해서는 2바이트의 매우 짧은 프리앰블을 사용해서 극히 빠른 프리앰블 검출을 필요로 한다. 실리콘랩스의 Si446x EZRadioPRO 디바이스 같은 서브 GHz 무선 트랜시버는 이러한 무선 M-Bus의 요구를 충족한다.

OMS(Open Metering Specification)와 DSMR(Dutch Smart Meter Recommendation) 역시 애플리케이션층, 패킷 구조에서 필드 사용, 향상된 보안과 관련해서 고유의 요건들을 정의하고 있다.

솔루션 구현방법

반도체 소자부터 소프트웨어 스택 및 모듈에 이르기까지 무선 M-Bus 미터링 솔루션에 사용할 수 있는 다양한 옵션들이 있다. 고성능 무선 M-Bus 솔루션을 위해 필수 핵심 요소들은 저 에너지 마이크로컨트롤러(MCU), 호스트 프로세서의 부담을 덜 수 있는 고성능 서브 GHz 트랜시버, 다양한 무선 커넥티비티 규격을 지원할 수 있도록 유연성을 제공하는 모듈러 스택 아키텍처를 포함한다. 또한 미터링 시스템을 설계하고 구성하기 위해서 포괄적인 개발 툴을 사용할 수 있어야 한다.

그림 2는 고수준에서 무선 M-Bus 스택과 OSI 모델을 비교하고 있다. 이 스택은 더 적은 층을 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 이 스택은 모드와 장비 타입에 따라서 32 KB 미만 플래시를 사용해서 작은 크기로 구현할 수 있으며, 그러므로 필요한 플래시와 RAM이 줄어들므로 더 저렴한 가격대의 MCU 솔루션을 사용할 수 있다. 애플리케이션 층은 사용자가 정의하며 OMS, DSRM, DLMS/COSEM, 아니면 어떤 커스텀 애플리케이션층이나 사용할 수 있다. 공개형 HAL(hardware application layer)은 GPIO와 UART 보 레이트(baud rate) 같이 주변장치의 저수준 하드웨어 구성을 할 수 있다. 이와 같은 모듈러 아키텍처로서 최대의 유연성을 가능하게 하므로 공통적인 스택 버전을 사용해서 다양한 유형의 장비를 지원할 수 있다.

실리콘랩스는 무선 M-Bus 애플리케이션에 사용하도록 ARM Cortex-M0+, M3, M4 코어를 채택한 EFM32 MCU, EZRadioPRO 서브 GHz 무선 트랜시버, Stackforce에서 개발한 소프트웨어 스택을 포함하는 포괄적인 플랫폼 솔루션을 제공한다. 또한 고도로 통합적인 소형 폼팩터 EZR32 무선 MCU 플랫폼은 무선 스택, MCU, 트랜시버를 단일 칩 솔루션으로 통합함으로써 공간 제약적인 무선 디자인에 사용하기에 적합하다.

또한 MCU와 무선 소자가 슬립 모드와 대기 모드 같은 다양한 저전력 모드들을 지원하고 패킷이 들어올 때는 재빨리 깨어나서 처리할 수 있어야 한다. 이런 능력은 특히 배터리를 사용하는 미터에서 중요하게 요구된다. 하드웨어에서의 또 다른 고려사항은 배터리 사용 시간을 연장할 수 있도록 주변장치와 센서 인터페이스가 자율적으로 작동할 수 있어야 한다는 것이다. 169 MHz 및 868 MHz를 지원하기 위한 RF 주파수 매칭 하드웨어 키트를 사용하면 초기 평가 작업과 디버그 작업을 편리하게 할 수 있다.

그림 3은 실리콘랩스의 EZR32 서브 GHz 무선 MCU를 기반으로 한 무선 M-Bus 하드웨어 플랫폼을 보여준다. 이 무선 하드웨어는 무선 M-Bus에 사용하도록 868 MHz와 169 MHz를 비롯한 다양한 주파수 및 전력 레벨을 지원하므로 유럽 여러 나라의 요구를 충족할 수 있으며, 그럼으로써 개발 작업을 간소화할 수 있다.

맺음말

고집적 초저전력 플랫폼을 경제적인 가격대로 널리 사용할 수 있게 됨으로써 스마트미터 시장이 빠르게 진화하고 있다. 세계 여러 나라에서 조만간 수백 만 개의 스마트미터를 도입할 것으로 전망된다. 유럽에서도 무선 M-Bus 구현이 점점 더 늘어나고 있으며 많은 국가에서 필드 테스트를 진행하고 있다. 초저전력 MCU와 고성능 서브 GHz 무선 IC, 다중의 프로토콜을 지원하는 유연한 아키텍처를 사용할 수 있게 됨으로써 지능화, 연결성, 에너지 절약을 특징으로 하는 스마트미터링 애플리케이션이 갈수록 늘어날 것으로 전망된다. 그럼으로써 소비자와 유틸리티 기업 모두 귀중한 자원을 절약할 수 있게 된다.