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더 적은 노력으로 더 많은 기능 구현:친환경 스마트 빌딩

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글/애진더 싱(AJINDER SINGH), TI 빌딩 자동화 총괄 매니저, 텍사스 인스트루먼트
     크리스티나 리(CHRISTINA LEE), TI 빌딩 자동화 시스템 엔지니어, 텍사스 인스트루먼트

설계자는 핵심적인 하드웨어 시스템 수준의 과제를 해결해야 한다

스마트 빌딩을 위한 사물 인터넷(IoT)을 구축하는 일은 실제 물리적 파라미터를 감지하는 센서 노드로 시작한다. 이러한 센서 노드 중 상당수는 게이트웨이를 사용하여 클라우드에 연결된다. 전통적인 방법은 데이터를 처리하고 이용할 수 있도록 네트워크를 통해 데이터를 수집하고 클라우드에 전송하는 것이다. 하지만 네트워크 대역폭, 비용, 지연을 포함한 다수의 요소를 고려할 때 센서 노드가 국지적으로 데이터를 처리하고 절대적으로 필요한 경우에만 ‘엣지에’ 더 많은 인텔리전트 기능을 구현해 클라우드에 정보를 제공하는 강력한 사례가 있다.
공간 제약과 배선 비용으로 인해 점점 더 많은 센서 노드는 배터리로 동작하고 무선으로 클라우드에 연결된다. 무선 연결의 경우 잡음이 존재하는 환경에서는 금속도 무선 통신을 방해할 수 있다. 그렇기에 작동할 수 있는 신뢰성 높은 장거리 통신 프로토콜이 되어야 한다. 온도, 습도, 일산화탄소와 같은 물리적 파라미터 데이터를 감지, 증폭, 필터링하는 감지 서브시스템은 신뢰할 수 있는 신호 대 잡음비를 제공할 수 있어야 하고, 클라우드에 전송하거나 로컬 프로세싱을 위해 고품질 데이터를 계산할 수 있어야 한다.
장거리 무선 통신과 고품질 감지 서브시스템을 모두 필요로 하면서 배터리로 동작해야 한다는 것은 센서 노드가 더 적은 에너지로 더 많은 일을 해야 한다는 것이다. 이제 여러 애플리케이션 시나리오에서, 감지에서부터 아날로그 프론트 엔드, 무선 커넥티비티, 휴먼 머신 인터페이스(HMI)에 이르기까지 다양한 서브시스템을 어떻게 구분하고 최적화하는지 살펴보기로 하자.

센서 노드가 모터 상태를 모니터링하는 시나리오의 경우, 전류 소모를 슬립 모드에서 거의 수십 나노암페어 수준으로 최소화하여 전체 노드를 최적화할 수 있다. 무선 모터 모니터링은 센서가 대부분의 시간 동안 슬립 모드에서 작동함으로써 코인 셀 배터리 하나로 5년에서 7년 동안 동작할 수 있다. 만약 일산화탄소 검출기 또는 모션 감지기와 같이 센서가 대부분 슬립 모드에 있거나 오프로 전환할 수 없는 경우에는 초저전력 또는 나노전력 솔루션으로 감지 아날로그 신호 체인을 구현할 수 있다.
전원을 쉽게 공급할 수 있다 하더라도 엘리베이터 버튼 패널이나 빌딩 보안 게이트웨이 같은 경우는 특히 무부하 전류를 위해 전체적인 저전력 풋프린트를 갖는 것이 여전히 더 바람직하다. 모든 센서 노드를 추가하게 되면, 빌딩의 전체 에너지 풋프린트가 최소화되고 탄소 발자국으로 측정할 때 더 많은 친환경적인 도시를 만들 수 있다.
24VAC 트랜스포머에서 전력을 공급받는 비디오 도어벨 애플리케이션을 보자. 도어벨이 제대로 작동하기 위해 프로세서와 Wi-Fi를 실행하는 데 끌어올 수 있는 전류는 제한돼 있다. 더 높은 전류 요구량을 보충하려면 전원 아키텍처는 무부하 전류가 나노 암페어 수준인 고도로 효율적인 스위칭 레귤레이터뿐 아니라 스마트 배터리 관리 디바이스를 포함해야 한다.
신중한 구현을 필요로 하는 센서 노드 내의 또 다른 중요한 서브시스템은 HMI이다. 센서 노드의 네트워크와 유지보수에 대한 커미셔닝을 정확하고 효율적으로 전달하려면 HMI는 직관적이어야 한다. 기존에는 디스플레이가 사용되지만, 이는 너무 많은 전류를 소비할 수 있어 특히 센서 노드의 제한된 전력 예산에서는 좋은 방법이 아니다. 디스플레이 대신 창의적인 한 가지 방법으로 적색, 녹색, 청색 및 백색 LED를 포함하는 컬러 휠을 사용할 수 있다. 스마트 록과 연기 감지기 같은 스마트 가전 장치 등에서 볼 수 있듯이 이러한 LED는 다양한 컬러와 밝기를 생성하여 센서 노드의 상태를 전달 할 수 있다.
더 스마트하고 친환경적인, 인터랙티브한 빌딩의 비전을 앞당기기 위해서는 핵심적인 하드웨어 시스템 수준의 과제를 해결해야 한다. 창의적인 솔루션은 스마트 신호 체인 설계와 전력 관리는 물론 커넥티드 마이크로컨트롤러 솔루션의 구현을 포함하는 일이 될 것이다.