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SiP와 설계 생태계를 이용한 저전력 블루투스 올인원 솔루션

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글/파반 물라바갈(Pavan Mulabagal), 온세미컨덕터 IoT 전략마케팅 디렉터

사물인터넷(IoT)은 업무, 여가생활, 일상생활을 포함해 우리 삶의 다양한 부분에 많은 영향을 미치고 있다. 현재 수백억 개의 커넥티드 디바이스가 있으며, 매주 수백만 개가 새롭게 생겨나고 있으므로 우리가 살고 있는 이 세상이 글로벌 네트워크를 통해 어느 정도까지 발전될지 가늠하기 어렵다.
커넥티드 디바이스들은 센서, 액추레이터(actuator), 혹은 두 가지가 결합된 형태인 커넥티드 디바이스 기능, 무선장치에 대한 높은 선호도라는 특징을 제외한 두 가지 공통점이 있다. 먼저, 호스트와 클라우드를 통해 다른 디바이스와 통신할 수 있어야 하고, 그리고 매우 작은 코인셀 배터리가 사용되는 경우가 많아 저전력으로 작동되야 하기 때문에 자급자족할 수 있어야 하며 크기도 최대한 작아야 한다.
IoT는 갈수록 까다로워지는 사용자와 소비자의 요구와 기대에 부응하기 위해 고군분투하는 설계자들에게 쉽지 않은 분야다. 설계를 보면 물리적으로는 작지만, 다양한 기술이 통합된 복잡한 시스템이다. 그래서 설계자들은 고도의 기술과 저전력 부품을 사용해 목표를 달성해야 한다.

저전력 블루투스

블루투스는 모든 스마트폰과 태블릿에서 사용 가능한 기술로, IoT 애플리케이션에서 광범위하게 사용되고 있다. 따라서 어디서나 인터넷 접속이 가능하고, IoT 기술 도입에 필요한 조건에 잘 부합하는 기능들도 포함하고 있다. 원래 ‘블루투스 스마트’라는 이름이 붙여졌던 저전력 블루투스는 데이터를 패킷 형태로 전송한 뒤에 절전 모드로 전환돼 전력을 상당히 절약할 수 있다. 블루투스 4도 휴면 상태에서 연결/페어링을 유지할 수 있는데, 이 기능으로도 전력을 크게 절약할 수 있다.
블루투스의 진화는 계속되고 있고, 차기 버전에서는 보안 페어링, AES-128 암호화, 빠른 개발을 지원하는 프로파일 등의 기능이 지원된다. 블루투스 4.2 버전은 패킷 용량을 10배, 데이터 범위는 2.5배 늘려 빠른 데이터 전송속도가 요구되는 애플리케이션을 사용할 수 있다.
블루투스 5는 IoT 애플리케이션에 최적화된 최신 블루투스 버전이다. 대역폭이 2Mbps로 2배 늘어났으며, 블루투스 5 버전에서 가장 눈에 띄는 기능인 메시(mesh) 기능이 추가돼 허브 없이도 작동 가능해져, 더 광범위한 IoT 네트워크를 구축할 수 있다.

IoT 애플리케이션

IoT 애플리케이션은 너무나 많고 새로운 애플리케이션들이 매우 빠른 속도로 등장하고 있기 때문에 IoT 애플리케이션을 모두 열거하는 건 어려운 일이다. IoT는 우리가 살고 있는 집을 연결하고, 우리의 웰빙을 모니터링 하고, 우리의 일터를 관리하고, 우리가 살고 있는 도시와 차량을 개선하는 등 여러가지 기능을 수행할 수 있다.
IoT는 소비자 시장과 산업 시장을 초월한다. 산업 시장의 경우, 제품의 품질 향상을 위해 노드가 공정을 모니터링 하고, 기계의 마모 수준을 점검하기 위해 기계 모니터링도 하는 등 예지정비로 기계 비가동으로 인한 비용을 줄여준다. 물류업계에서는 저전력 블루투스 기반 스캐너가 지능형 태그(intelligent tags)를 통해 재고를 추적하고, 센서를 통해 컨테이너를 재충전하거나 재고를 보충할 수 있다.
배터리 전력에 대한 의존도가 높아지고 전력 소비량 절감의 필요성에 대한 인식이 세계적으로 높아지면서, 전력 관리의 중요성이 전세계적으로 높아졌다. 스마트 빌딩의 저전력 블루투스 기반 IoT 노드는 빌딩 내 난방, 조명, 냉방, 환기가 필요한지 여부를 감지하고, 조명, 창문, 냉난방 공조장치(HVAC)를 가장 경제적으로 쓸 수 있도록 실시간 제어해 사람이 없을 때는 그 공간에 설치된 기기를 꺼둘 때가 많다.
가정에서는 저전력 블루투스가 백색가전 상태를 추적하고 냉장고가 비면 식재료를 추가 주문해 자동으로 채우는 기능도 활성화할 수 있다. 블루투스로 인구 고령화 문제에 대처할 수도 있다. 환자로부터 멀리 떨어진 전문 의료진이 블루투스로 연결된 차세대 개인용 건강모니터로 환자를 원격진료하고 병원을 직접 방문하지 않고도 의료서비스의 품질을 높일 수 있다.

저전력 블루투스 기반 IoT 솔루션 설계

IoT 솔루션을 구현하기 위해서는 다양한 기술이 서로 조화롭게 작동해야 하므로 IoT 솔루션이 제대로 작동한다는 것은 쉽지 않다. 마이크로컨트롤러, 센서용 아날로그 설계 블록, 통신용 RF 설계, 전력 관리 기술 등이 IoT 솔루션 구현을 위한 기술에 포함될 수 있다. 대체적으로 이 모든 기술이 최소 전력을 소비하는 작은 폼팩터 솔루션에 통합 적용돼야 한다.
그래서 IoT 애플리케이션 설계자들은 빠르고 위험도가 낮은 설계 프로세스를 지원할 수 있도록 특수 설계된 통합 솔루션을 필요로 한다. IoT 노드에 저전력 블루투스 기능을 추가해 올인원 솔루션을 제공하는 RSL10 SIP(시스템-인-패키지)가 그 예다.
RSL10 SIP는 RSL10 저전력 블루투스 무선 SoC, 통합 안테나, 모든 수동 부품들이 완전한 소형 폼팩터 시스템에 탑재된 유연한 초소형 블루투스 5 인증 디바이스다. CE, FCC, IC, MIC, KC를 포함한 세계의 모든 관련 기준인증을 받은 RSL10 SIP는 전문적인 RF 설계를 하거나 인증을 추가로 받지 않아도 되어 시간을 크게 단축할 수 있다.

[그림 1] RSL10 시스템-인-패키지(SIP)

SiP에는 내장 메모리가 탑재 돼있다. 384kB 비휘발성 플래시 메모리가 내장되어 있으며, 그 중 256kB는 사용자 애플리케이션 용이고, 88kB는 데이터 RAM과 DMA 컨트롤러 용이다. 그 외에도 여러 애플리케이션을 지원하는 I2C, UART, 듀얼 SPI(마스터/슬레이브) 등 구성 가능한 외부 인터페이스를 다양하게 제공한다.
RSL10 SIP는 저전력 블루투스 기술뿐 아니라 2.4GHz 독점, 또는 맞춤형 프로토콜 스택을 지원할 수 있다. 무선 펌웨어 업그레이드(Firmware Over-the-Air, FOTA) 기능도 지원해 제조사들이 제품 판매 이후에도 업데이트를 하거나 새로운 기능을 추가할 수 있다.
온보드 전력관리는 SiP 디바이스의 IoT 애플리케이션 구현을 가능하게 하는 핵심 요소다. RSL10은 현재 출시된 모든 저전력 무선 블루투스 중 최저 전력을 소비하는 제품이다. 수신모드로 작동할 때에는 단 7mW 만 소비하고 절전 모드에서는 62.5nW까지 떨어진다. 덕분에 설계자는 시스템 크기와 무게를 줄여 외부 부품 개수를 최소화할 수 있다.
설계자들에게 중요한 또다른 요소는 디바이스를 다양한 전압에서 사용가능한지 여부다. RSL 10과 같은 디바이스는 광범위한 전압을 지원하기 때문에 적용가능한 영역도 그 만큼 넓어진다. RSL 10는 1.1V에서 3.3V의 공급전압 범위를 제공해, 외부 DC/DC 컨버터 없이도 1.2V나 1.5V 배터리를 사용할 수 있다. 또 배터리 전압이 감소하면 할수록 사용 가능한 시간도 그만큼 길어진다.

설계자들의 리소스

엔지니어들은 강력하고 고도로 통합된 솔루션이 주는 장점과 함께, 설계를 가장 빠르고 저렴하면서 최소한의 전문 리소스 사용해 완성할 수 있도록 지원하는 툴을 필요로 한다. 온세미컨덕터는 RSL10을 이용해 설계를 더 간소화하고 설계 속도를 높여주는 유용한 툴을 제공한다.
RSL10 소프트웨어 개발 키트(SDK)는 초전력 블루투스 애플리케이션 개발을 위한 이클립스(Eclipse)기반 통합 개발 환경(Integrated Development Environment)을 제공한다. SDK은 케일 유비전(Keil uVisionⓇ) IAR 임베디드 워크벤치(IAR Embedded Work BenchⓇ) 지원과 함께, 다양한 추출, 드라이버, 샘플 애플리케이션, FreeRTOS, FOTA 모바일 애플리케이션도 제공한다.

[그림 2] RSL10 SDK 임베디드 소프트웨어

노드에서 클라우드까지 아우르는 솔루션을 제공하는 블루투스 IoT 개발 키트(B-IDK)는 다양한 센서와 액추레이터가 포함된 모듈형태로 설계됐다. 소프트웨어 지원은 CMSIS 팩 형태로 제공돼 RSL10 SDK의 기능성을 한층 더 강화해주는 역할을 한다. B-IDK CMSIS 팩에는 센서 드라이버, 클라우드 지원, B-IDK 플랫폼용 문서가 포함되어 있다. 또한 모바일 앱으로 하드웨어, 센서에 대한 발행과 구독(MQTT), 다수의 인기 클라우드 서비스의 실제 데이터를 제어할 수 있다.
센서 개발 키트는 IoT 제품 초보 설계자들에게 매우 유용한 자료가 될 수 있다. RSL10 센서 개발 키트에는 조명, 환경, 음향, 위치, 동작 등을 감지하는 10여 개의 감지 요소가 포함돼 엔지니어들이 솔루션 개발을 개념단계에서 완성단계까지 빠르게 끝내고 재설계를 거듭하지 않도록 지원한다.

[그림 3] RSL10 센서 개발 키트

요약

인기 프로토콜을 통한 통신능력과 초저전력만을 이용한 작동 능력은 IoT 디바이스의 핵심적인 성공요인이다. 저전력 블루투스와 같은 기술은 시간이 지나면서 아주 가까운 거리에서 주변기기에 연결하는 기본적인 기술에서 IoT에 최적화된 조건을 충족하는 실질적인 기술로 진화해왔다.
RSL10 SIP와 같은 디바이스는 외부 부품과 RF 하위 시스템을 소형 고출력 패키지에 통합해 설계 업무를 보다 쉽게 할 수 있게 지원한다. 이와 더불어, 설계자들이 사용할 수 있는 광범위한 지원 툴을 함께 사용하면, IoT 노드에 저전력 블루투스 기능을 최소한의 위험성, 비용, 시간 내에 추가할 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
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