사물 인터넷(IoT, Internet of Things)은 이미 초기에 접어들어 우리의 삶과 사업 방식, 의사 결정을 바꿔놓고 있다. 이 글에서는 네 가지 IoT 아키텍처를 소개하고 MCU를 사용해 간단히 IoT 무선 연결 솔루션을 만들 수 있는지 알아본다.

서론

IoT는 제어장치와 프로세서, 센서, 트랜스미터의 가격이 내리면서 전자회로에 탑재됐으며 다른 시스템과 원격으로 통신하는 부분으로 ‘스마트’ 기기의 후보가 됐다. 스마트 기기는 센서와 계기, 온도조절장치, 스위치, 의료용 모니터, 모터, 가전제품, 차량, 툴뿐 아니라 심지어 의복과 조리 기구에도 포함된다.

loT에 더 많은 일상 제품을 연결하기 위해 MSP430™ 마이크로컨트롤러(MCU)는 초저전력 아키텍처로 구현됐다. 이를 위해 MSP430™ MCU는 대기 전력과 능동 프로세싱 전력, 주변기기 전력 및 메모리 읽기와 쓰기를 최소화해 설계했다. 또한 저전력 혹은 초저전력에 염두에 두고 있는 개발자를 위해 우수한 전원 효율을 지원해 어떤 IoT도 구축할 수 있다.

무선 MCU 솔루션

초저전력 MSP430 MCU는 네 가지 커넥티비티 아키텍처에서 작동하도록 설계됐다. 아래 표에서도 볼 수 있듯이 첫 번째 아키텍처는 네트워크 스택과 호스트 애플리케이션을 하나의 칩으로 구동하는 무선 MCU 솔루션이다. 이 아키텍처에 잘 맞는 무선 MCU의 좋은 예가 TI의 CC430 제품군이다.

이 솔루션은 MCU 코어와 주변기기, 소프트웨어, 1 GHz 미만 RF 트랜시버를 하나로 통합해 사용하기 편한 무선 MCU 솔루션을 구성할 수 있다. TI의 CC2541도 전력 최적화 무선 MCU 솔루션으로 블루투스짋 저에너지(BLE) 및 고유의 2.4 GHz 네트워크 노드로 총 BOM(bill-of-material)을 낮춘다. CC2541는 첨단형 RF 트랜시버에 8051 MCU를 결합했다.

이 구성은 RF 물리 계층과 RF 프로토콜, 최상위 계층 애플리케이션에 메모리 공간을 할당할 수 있는 중소 규모의 RF 프로토콜 스택에 적합하다. 또한 완벽한 통합으로 물리 계층과 프로토콜 계층 간에 고도로 최적화된 코드와 성능을 낼 수 있다.

하드웨어를 보면 물리 계층 크기가 최우선인 애플리케이션에 적합하며 이 구성은 현재 통합된 여러 가지 외부 요소를 모두 제거했다. 그 밖에도 무선 MCU 구성 간 구성요소를 공유할 수 있어 2칩 솔루션의 MCU와 무선에 필요한 요소의 수를 더 줄일 수 있다. 이처럼 몇 안 되는 요소를 사용해 PCB 라우팅과 배치를 간소화할 수 있어 실제 적용 시 크기 제약으로 문제가 되던 RF 레이아웃과 부품, 센서의 배치도 훨씬 자유롭다. 이 장점은 모두 크기의 제약이나 비용 최적화 무선 애플리케이션에 맞춰 BOM과 보드의 물리적 공간을 최대한 줄이는 데 이바지한다.

이 아키텍처의 예가 무선 스마트 시계 애플리케이션 개발자를 위한 완벽한 레퍼런스 디자인을 제공하는 고도로 통합된 무선 개발 시스템인 eZ430-Chronos™ 스마트 시계이다. Chronos는 무선 시계 시스템, 개인 네트워크용 디스플레이, 원격 데이터 수집용 무선 센서 노드, 그 밖의 수많은 애플리케이션을 위한 레퍼런스 플랫폼이다.

CC430를 사용하면 1 GHz 미만 무선 프론트 엔드, 96 세그먼트 LCD 디스플레이, 온도 센서, 배터리 전압 모니터, 통합 압력 센서, 동작 감지 제어장치의 3축 가속도계, 시계 형태로 된 요소에 들어가는 모든 종류의 통합형 소형 PCB로 고도 통합이 가능하다.

1 GHz 미만 무선 기능으로 Chronos가 계보기와 심박 모니터 등 근거리 무선 센서의 중앙 허브 구실을 할 수 있다. 소프트웨어에서는 최대 255 노드로 확장할 수 있는 성형 토폴로지(star topology) 구조의 저전력 무선 애플리케이션을 지향하는 얇고 융통성이 뛰어난 RF 프로토콜 SimpliciTI™가 있다.

MCU 구동 스택과 애플리케이션

두 번째 커넥티비티 아키텍처는 MSP 430F5xx 제품군과 같이 호스트 애플리케이션과 네트워크 스택을 모두 구동하여 TI의 SimpleLink 블루투스 CC2564 이중 모드 솔루션 같은 무선 커넥티비티 디바이스로 높은 RF 성능을 구현할 수 있는 강력한 MCU를 가졌다.

이 구성에서 MCU는 RF 프로토콜과 애플리케이션 계층을 완벽히 제어하여 애플리케이션이 RF와 물리 계층에 직접 접근하므로 가시성이 높다. 이는 MCU와 RF 트랜시버에서 가장 전통적인 구성 방식이다. 또한 MCU에 지능을 넣어 간단하면서도 튼튼한 무선 데이터 송수신 기능을 할 수 있다.

대개 MCU는 메모리와 처리력, 디지털 및 아날로그 통합 면에서 최고의 리소스를 지니므로 다양한 무선 프로토콜과 애플리케이션에 맞게 모든 기능을 활용하고 최적화할 수 있는 다양성을 가지게 된다. 예를 들어 이 아키텍처는 MSP430 MCU와 SimpleLink CC2500 2.4 GHz RF 트랜시버 같은 초저전력 무선 센서 네트워크에서 종종 볼 수 있다. 보통 중소 규모의 네트워크에서 사용되는 MSP430 MCU는 메모리 공간을 적게 차지하여 성형이나 메시 토폴로지가 가능한 상대적으로 작은 크기에 최적화된 무선 프로토콜에서 구동할 수 있다.

이 아키텍처 구현 방식은 대기 종료 노드, 액세스 포인트 비콘과 시간 동기화, 패킷 저장 및 전달 등의 전력에 최적화하여 구성하는 경우가 많다. 이런 특징은 초저전력과 에너지 하베스팅, 프리 배터리 애플리케이션에서 매우 중요하다.

이 아키텍처는 근거리 무선 통신(NFC) 애플리케이션에서도 볼 수 있다. TRF7970A NFC 트랜시버는 여러 개의 SPI 포트와 내장형 USB, I2C 인터페이스가 있어 MSP430F5xx/6xx와 함께 사용할 수 있다. 페어링의 가장 간단한 수준에서 이 조합으로 수많은 기존 MCU 애플리케이션을 자동화, 제어, 허가하는 기능을 추가할 수 있다.

일례로 MCU가 있으면 물리적인 문 열쇠를 NFC 태그로 대체할 수 있다. MCU에 전체 NFC 스택과 보안 허가 소프트웨어 외에도 서보, 모터, LED를 포함한 외부 주변 기기를 제어하는 애플리케이션 계층이 탑재된다. 한발 더 나아가 IoT 게이트웨이 같은 연결 전달 애플리케이션에서는 사용자가 간단히 한 번의 조작으로 와이파이 네트워크에서 장치를 설치/구성할 수 있어 전원을 절약하고 편리성을 더할 수 있다.

MCU 구동 애플리케이션

세 번째 아키텍처의 무선 커넥티비티 솔루션은 SimpleLink Wi-Fi짋 CC3000 모듈 같은 네트워크 스택과 MSP430G2xx 밸류 라인 시리즈 MCU 구동 호스트 애플리케이션 같은 별도의 프로세서가 들어간다. 이 구성은 소프트웨어 측면에서 MCU의 RF를 최소화할 수 있다. Wi-Fi나 GPS 혹은 몇몇 블루투스를 포함해 정의가 잘 되어 있고 성숙 단계에 들어간 RF 기술이 여기에 해당한다.
 
이 시나리오는 절대적으로 필요한 경우 이외에는 RF 스택의 현장에서 RF 스택을 업데이트하거나 재프로그래밍하는 수고를 최대한 덜어준다. 또한 개발자가 패키지된 RF 스택을 활용하고 MCU의 하이 레벨 애플리케이션에 집중할 수 있어 코드 개발이 간편하다. MCU는 RF 스택과 애플리케이션 계층을 분리해 하드웨어 자원과 애플리케이션 대역에 최대한 투자할 수 있다.

이 같은 작업부하 분배 시나리오는 MCU 산업에서 새롭게 등장한 FRAM(Ferro-electric Random Access Memory)을 활용하는 데에도 적합하다. FRAM은 비휘발성 속성(플래시 메모리 유사)과 초저전력 고속 읽기/쓰기/지우기(SRAM 유사) 기능을 모두 가지고 있다. 개발자 입장에서는 사실상 무한 읽기/쓰기 순환에 비트 단위로 정보를 처리할 수 있어 어떤 제약이나 전력 문제에 대한 고민 없이 코드, 메모리, 데이터 기록용으로 MSP430 MCU 메모리를 자유롭게 할당·매핑할 수 있다.

따라서 같은 메모리로 다양한 무선 스택을 구축할 수 있다. 범용 메모리는 가장 정적이며 변하지 않는 RF 코드를 무선 플래시 메모리에 넣을 수 있다. 또한 동적인 애플리케이션 코드(데이터 기록, 코드와 데이터 메모리 할당 등)는 MSP430 FRAM MCU에서 범용 메모리를 사용할 수 있다.

MCU 구동 저전력 작업

마지막 커넥티비티 아키텍처로 TI의 WiLink™ 8 콤보 연결 솔루션 같은 무선 연결 솔루션은 TI의 Sitara™ AM335x 프로세서(이 프로세서는 호스트 애플리케이션, Wi-Fi, 블루투스 네트워크 스택을 구동) 같은 마이크로프로세서(MPU)에 연결된다. 여기에는 별도의 MCU가 특정 저전력 작업을 실행한다(센서 허브 등). 이 조합에서 MSP430 MCU는 사용자 입력을 모니터링하여 가속도계 움직임을 기록해 데이터를 전송해야 하는지 등의 시점을 결정하는 ‘항시 대기’ 프로세서 기능을 한다.

MSP430 MCU가 가속도계를 주기적으로 모니터하여 필요할 때에만 MPU와 RF를 깨워준다면 애플리케이션 프로세서와 RF 트랜시버는 대기 모드로 들어가면 된다. 따라서 MSP430 MCU의 활동 전력과 대기 전력 소모가 감소하므로 배터리 수명도 크게 늘어난다.

이 밖에도 만지거나 접근, 센서 활동, 누름 버튼이나 GPIO를 이용하는 다른 센서로 MSP430 MCU를 깨울 수 있다. 배터리 관리, 온도 감지, 시스템 전반의 기능 관리용 시스템 제어 디바이스로도 MSP430 MCU를 사용할 수 있다. 이 아키텍처에서 MSP430F552x, F522x, F525x 디바이스는 시프터 없이도 애플리케이션 프로세서에 연결할 수 있는 1.8 V IO 인터페이스가 있다(따라서 비용과 함께 PCB 크기도 줄일 수 있다).

결론

기존의 유선 제품은 점점 무선으로 바뀌고 있다. 제품의 기능이나 접근성이 좋아지면서 무선 커넥티비티의 장점 또한 늘어나고 있다. 애플리케이션 아키텍처는 저마다 강점이 있지만, 무선으로 사용하기 전에 해결해야 할 문제점도 있어 사물 개발자가 무선 옵션을 평가할 때 염두에 두어야 할 부분이 몇 가지 있다.

첫 번째가 무선 MCU로 해야 하는가, 스택과 애플리케이션을 구동하는 MCU, 애플리케이션 구동 MCU, 저전력 작업 구동 MCU 등 어떤 아키텍처가 그 애플리케이션에 가장 잘 맞을까를 고민하여 좀 더 간단하고 똑똑하게 핵심 구성요소를 개발할 수 있는지를 선택한다. 전력 소비량을 생각한다면 TI의 초저전력 MSP430 MCU가 IoT에 적합할 것이다. TI는 IoT 애플리케이션에 쓰도록 설계된 다양한 무선 및 MCU를 보유하고 있다.