Skip to main content

IIoT 엣지 노드를 위한 빌딩 블록

Published Date
Author Alan Yoon

산업용 IoT 엣지 빌딩 블록의 지속적인 진화

이미지 출처: Quality Stock Arts/Stock.adobe.com

브랜든 루이스(Brandon Lewis), 마우저 일렉트로닉스

2023년 11월 28일

초기 단계의 사물 인터넷(IoT) 개념은 클라우드에 직접 연결되는 센서만을 정의했다. 그러나 수직 산업에서 더 큰 비즈니스 가치를 창출하기 위해 IoT 아키텍처를 중대하게 평가하기 시작하면서 이 같은 획일적인 접근 방식은 다양한 이유로 인해 현실과는 동떨어진 것으로 드러나게 되었다.

산업용 IoT(IIoT) 배포에서는 클라우드 우선 모델이 갖는 몇 가지 의미에 대해 다음과 같이 고려해 봐야 한다:

  • 데이터 및 디바이스 보안: 안전하지 않은 엔드포인트가 클라우드와 직접 통신할 수 있다는 것은 해커가 취약점을 악용하여 민감한 산업 네트워크에 액세스할 수 있다는 것을 의미한다.
  • 폭증하는 네트워킹 비용: 센서와 서버 간 데이터 전송(특히 공용 네트워크를 통한)은 상당한 비용이 소요되기 때문에 다수 IIoT 배포에 필요한 수천 개의 노드로 확장하는 것이 불가능할 수 있다. 또한 산업용 센서에서 생성되는 대량의 측정 및 상태 데이터와 네트워크 혼잡, 패킷 지연, 비효율적인 대역폭 사용량의 증가도 따르게 된다.
  • 올웨이즈온(always-on) 센서 노드의 전력 소비: 원격 센서 노드에는 네트워크 및 에너지원에 대한 지속적인 연결이 필요하다. 이는 접근이 제한되어 배터리를 교체하거나 네트워크 문제를 해결하는 데 수천 달러의 비용이 소요될 수 있는 광업 및 농업과 같은 원격 환경에서는 특히 어렵다.

이 같은 과제를 통해 새로운 차원의 보안 하드웨어, 네트워킹, 배터리 기술이 등장하면서 IoT 시스템이나 산업용 디바이스가 어떻게 설계되는지 재정의 되었다. 이 기술 혁명은 엣지 중심(edge-centric) 실리콘에 보안과 에너지 효율성을 결합하는 데서 시작되었다.

저전력 기반의 IoT 프로세서

2009년 실제 IoT 요구 사항이 정의될 때 도입된 Arm® Cortex®-M0 CPU는 이전 버전에서 요구했던 32비트 명령어가 아닌 16비트 Thumb 명령어로만 작동할 수 있는 기능을 제공했다.

Thumb 명령어의 압축 인코딩 방식을 활용하면 Cortex-M0과 같은 프로세서에서 코드 밀도를 약 30% 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 메모리 사용량 감소, 다이 크기 축소, 전력 소비 감축, 궁극적으로 비용 절감으로 이어지는 계단식 효과를 기대할 수 있다. 오늘날의 Arm Cortex-M33 아키텍처 기반 디바이스는 TrustZone®과 같은 기능을 통해 Thumb 명령어와 임베디드 하드웨어 보안 기능을 제공한다.

TrustZone은 안전한 RoT(Root of Trust)를 통해 하드웨어 기반 데이터 및 디바이스 보안을 제공한다. TrustZone은 Cortex-M33 CPU 코어의 에너지 효율성과 결합하여 원격 설정에서 장기간 작동할 수 있는 안전한 배터리 구동식 IoT 디바이스를 만든다. 또한 Cortex-M33 프로세서는 중앙 집중식 클라우드 프로세싱에 대한 의존도를 낮추기 위해 엣지에서 복잡한 작업을 처리할 수 있도록 1.5 DMIPS/MHz 및 4.09 CoreMark/MHz의 인상적인 성능을 제공하므로 CPU 성능에 영향을 주지 않는다.

IoT 출시 초기부터 오늘날까지 Cortex-M 클래스 칩은 다양한 IoT 활용 사례에 대한 가능성을 지속적으로 제공하고 있다.

LPWAN의 부상

에너지 효율적인 IIoT 엣지 노드의 성공 여부는 호스트 프로세서뿐만 아니라 연결 방식에 따라 달라진다. 2000년대 후반, 4G 기술의 등장은 이전 네트워크의 쇠퇴를 예고하며 IoT 디바이스의 장거리 통신을 지원하는 새로운 저전력 광역 무선통신(LPWAN) 기술의 필요성을 부각시켰다.

LoRa® 와 같은 LPWAN 기술은 배터리 구동식 IoT 디바이스를 네트워크에 연결하는 참신한 방법으로 부상했다. 이는 장거리 기능과 낮은 에너지 소비로 인해 자산 추적, 환경 모니터링, 산업 자동화, 스마트 농업, 스마트 시티와 같은 IIoT 애플리케이션에 이상적인 옵션이라 할 수 있다.

오늘날의 LoRa 송수신기 모듈은 전송 중에 약 40mA의 전류를 소비하면서 최대 15km 거리의 LPWAN 통신을 지원한다. 일반적으로 LoRa 모듈은 UART를 통해 Cortex-M 클래스 디바이스와 같은 호스트 프로세서와 인터페이스하고 ASCII 명령을 통해 통신하여 IoT 디바이스와의 통합을 간소화한다.

이 같은 송수신기는 LPWAN 네트워크의 주파수 요구 사항을 충족하는 서브-GHz 안테나와 페어링되며, 대부분 엣지 디바이스의 공간 제약에 맞는 소형 SMD 폼 팩터로 제공된다. 이 같은 안테나 중 일부는 LoRaWAN과 같은 프로토콜을 지원할 뿐만 아니라 Wi-Fi®, Zigbee,  Bluetooth® 와 같은 단거리 무선 기술도 지원하여 백홀 지원 무선 센서 네트워크를 생성할 수 있다.

IoT 엣지 노드를 위한 리튬 배터리 기술의 발전

안전하고 에너지 효율적인 컴퓨팅 기술과 LPWAN 네트워킹의 가용성 덕분에 배터리 구동식의 IIoT 센서 노드가 현실화 될 수 있었다. IIoT 산업은 배터리 구동식 센서의 개념을 받아들였고, 신뢰할 수 있는 고밀도 전원에 대한 수요가 증가하게 되었다.

리튬 이온 배터리는 일관된 전력 밀도와 안정성 향상 덕분에 이 같은 센서에 전력을 공급하기 위한 우선순위 옵션으로 떠오르게 되었다. 이러한 발전으로 인해 IoT 디바이스는 한 번의 배터리 충전으로 장시간 작동할 수 있게 되었으며, 이는 많은 농업, 광업, 산업 분야를 위한 매우 중요한 요구 사항이었다. 한편, 리튬 이온 배터리 기술의 신뢰성 향상으로 유지보수 및 운영 비용을 절감하는 동시에 중단 없는 데이터 수집과 통신을 보장할 수 있게 되었다.

LoRaWAN 기술과 코인 셀 배터리의 호환성에 대한 Qoitech 연구에서는 지속적인 저전력 무선 IoT 센서 노드에서 이 페어링의 잠재력을 강조했다.[1] 이 연구에서 연구원들은 배터리 프로파일링 도구를 사용하여 코인셀 배터리의 성능을 테스트했다. 이 도구는 전압이 0.6V 또는 2V 이하로 떨어질 때 트리거되는 종료 조건으로 40mA(피크 전류) LoRaWAN 전력 프로필을 측정했다. 이 연구는 제조사별 코인셀 성능의 격차가 특히 높은 전류 수준에서 눈에 띄게 벌어진다는 통찰력 있는 결과를 나타냈다. 또한 LoRaWAN 디바이스 전력 공급에 있어서는 CR2032와 CR2450이 적합한 옵션임을 보여주었다.

이 같은 LPWAN 기술과 고밀도 리튬 이온 배터리의 조화는 에너지 효율적인 새로운 무선 센서 노드를 구현하여 IIoT 환경을 발전시키는 데 기여했다. 리튬 코인셀 배터리는 컴팩트한 크기, 뛰어난 에너지 밀도, 연장된 수명으로 인해 이 같은 디바이스에 가장 적합한 전원으로 부상했다. 개발자 입장에서는 특정 IoT 애플리케이션에 맞게 다양한 화학적 특성과 배열로 제공되는 다수의 리튬 코인셀 배터리 옵션이 제공되므로 이 중에서 자유롭게 선택할 수 있다.

마우저 일렉트로닉스는 개발자가 IoT 프로젝트에 가장 적합한 전원을 선택할 수 있도록 다양한 코인 셀 배터리를 제공한다. 또한 개발자가 실제 조건에서 배터리 성능을 평가하는 데 도움이 되는 다양한 도구도 제공한다. 이 같은 도구들을 활용하면 IoT 센서 노드가 긴 수명 주기 동안 안정적으로 작동하도록 보장하고 특정 애플리케이션에 가장 효율적이고 경제적인 전력 솔루션을 보다 효과적으로 찾을 수 있을 것이다.

산업용 IoT를 위한 기술의 미래

최근의 IIoT 기술 발전은 엣지에만 국한되지 않고 제어 계층으로까지 확장되었다. 이러한 향상으로 인해 다수의 CPU 또는 그래픽 코어, 통합 신경망 가속기, 아날로그, 보안 및 기타 워크로드 실행을 위한 전용 IP 블록을 갖춘 멀티 코어 SoC(시스템 온 칩)가 탄생했다.

이 같은 고성능 칩셋에는 대부분의 경우 다양한 배포 환경에서 시스템 통합을 간소화하는 여러 가지 고속 I/O 인터페이스가 포함되어 있다. 또한 온칩 코어, 메모리 및 I/O 리소스를 분할하는 하이퍼바이저 및 단일 루트 I/O 가상화(SR-IOV)와 같은 기술을 사용하는 임베디드 가상화를 위한 옵션이기도 하다. 결국 다중 중요도가 혼합된 워크로드를 단일 물리적 프로세서에서 동시에 구동 및 실행할 수 있으므로 리소스 활용도를 극대화함은 물론 멀티 프로세서 솔루션에 비해 전체 크기, 무게, 전력 소비 및 비용을 절감할 수 있다.

다른 한편에서는 이더넷 TSN(Time-Sensitive Networking, 시간 민감형 네트워킹)과 같은 네트워킹 표준이 부상하고 있다. TSN은 제어 계층에서 센서 노드 및 엔터프라이즈 시스템에 이르기까지 결정론적 통신 기능을 도입하여 세밀한 타이밍 제어, 정밀 디바이스 관리, 가상 프로그래머블 로직 컨트롤러(vPLC)와 같은 작업 중심 워크플로우를 지원한다. 이 같은 기술의 융합은 IIoT 노드의 지속적 발전에 힘입어 기능이 확대되고 있다.

IIoT 기술 빌딩 블록의 진화는 원거리 엣지에서 시작되어 오늘날 제어 계층에서 계속되고 있다. 예를 들면, 가속기가 통합된 멀티 코어 SoC의 등장과 이더넷 TSN과 같은 네트워킹 표준의 채택으로 디바이스 관리가 개선되고 컨테이너화된 엔터프라이즈 애플리케이션을 구현할 수 있는 길이 열린 것이다.

이러한 혁신은 의심할 여지 없이 IIoT의 미래를 정의하는 데 핵심적인 역할을 지속적으로 수행할 것이다. 

출처

[1] Sarah Gallmann. “Will LoRaWAN IoT Device Work with a Coin Cell Battery?” Qoitech, April 31, 2020. https://www.qoitech.com/blog/lorawan-iot-coin-cell-battery/.

저자 소개

Brandon Lewis

브랜든 루이스(Brandon Lewis)는 10년 이상 심층 기술 저널리스트, 스토리텔러, 기술 작가로 활동하며 소프트웨어 스타트업, 반도체 대기업 및 그 사이의 모든 분야를 취재해 왔다. 그의 중점 분야는 전자 시스템 통합, IoT/인더스트리 4.0 배포 및 엣지 AI 사용 사례와 관련된 임베디드 프로세서, 하드웨어, 소프트웨어 및 도구이다. 또한 팟캐스터, 유튜버, 이벤트 사회자, 컨퍼런스 발표자로도 활약하고 있으며, 다양한 전자공학 전문 간행물에서 편집장 및 기술 편집자로도 활동했다. 그 외 시간에는 TV를 통해 피닉스(Phoenix) 지역의 스포츠 프랜차이즈를 코칭하고 있다.