IoT 기기와 자산 추적기의 배터리 수명 연장하는 초저전력 GPS 솔루션

June 9, 2024

차량 추적기, 자산 추적기 또는 사물 인터넷(IoT) 센서 등 배터리 전원을 이용하는 장치에 GPS(Global Positioning System) 기능을 추가할 때 가장 중요한 과제 중 하나는 배터리 수명이 짧아지는 것입니다. 하지만 구동 시간을 늘리겠다고 커다란 배터리를 선택하기도 쉽지 않습니다. 웨어러블의 크기와 무게, 비용이 증가하기 때문입니다.

IoT 기기와 자산 추적기의 배터리 수명 연장하는 초저전력 GPS 솔루션 (출처: Alexander Kirch/Shutterstock.com)

-그래서 대부분의 시스템 설계는 GPS 수신기의 전력 소비를 줄이기 위해 수신기의 위치가 필요할 때까지 수신기를 끈 상태로 유지하는 방법을 택합니다. 수신기가 이른 바 ‘콜드 스타트(cold start)’ 상태에서 깨어나면 위성 신호를 획득하고 나서 잠근 다음, 위성 궤도 및 원자 시계 바이어스 정보(천문력 데이터)를 포함하는 항법 메시지를 추출하고, 최소 4가지 위성 신호들(GPS, 글로나스, 갈릴레오, 바이두)을 이용해 위치와 시간을 결정할 수 있습니다. 그러나 내비게이션 메시지 데이터 전송속도는 50bits/sec로 낮기 때문에 브로드캐스트 데이터를 수신하기 위해서는 수신기의 전원을 몇 초 동안 켜야 하는데, 통상 28초 이상입니다. 그래야만 수신기가 위치를 계산할 수 있습니다.

-배터리 수명을 늘리는 데 도움이 되는 방법 중 하나는 위치가 계산되기 전에 수신기가 켜져 있는 시간을 줄이는 것입니다. 스냅샷 수신기가 정확히 그 일을 합니다. 스냅샷 수신기 천체력 데이터를 수신하고 디코딩할 만큼 충분히 오래 켜져 있지 않습니다. 대신 클라우드에 있는 서버의 최대 28일 천체력 데이터가 수신기에 미리 로드되어 있기 때문에, 수신기가 불과 몇 초 이내에 깨어나 위치를 보고할 수 있습니다. 수신기가 켜져 있는 시간을 줄이면 배터리 수명을 최대 10배까지 늘릴 수 있으므로 배터리 수명이 GPS 기술 채택에 걸림돌이었던 애플리케이션에 매우 이상적입니다.

-이 스냅샷 구현은 2015년 BTI(Baseband Technologies Inc.)가 취득한 특허를 기반으로 합니다. 이 BTI와 제휴하여, 아나로그디바이스(구 맥심 인터그레이티드)는 BTI 펌웨어를 구동하는 MAX32632 ARM Cortex M4 마이크로컨트롤러와 MAX2769C GNSS L1 수신기를 사용하는 완전한 GPS 솔루션을 제공합니다.

그림 1. 아나로그디바이스의 MAX2769C GNSS L1 수신기

-이 GPS 솔루션은 신호 캡처, 신호 처리, 위치 추정의 3단계 프로세스를 거쳐 위치 좌표를 확인합니다. 저전력 특성과 더불어, ADI/BTI 솔루션은 클라우드 서버로 오프로딩하여 보드 안팎에서 신호 처리 및 위치 추정 단계를 모두 수행할 수 있는 유연성을 제공합니다. 이를 통해 전력 소비와 시스템 비용을 더욱 절감할 수 있습니다.

-스냅샷 알고리즘의 절전 기능 외에도 유연한 전력 모드, 지능형 PMU(Peripheral Management Unit), 동적 클록 게이팅 및 펌웨어 제어 전력 게이팅이 있는 MAX32632를 사용하면 GPS 시스템의 전력 소비를 더욱 줄일 수 있습니다.

스냅샷 수신기의 또 다른 기능은 수집 창을 지정하거나 위성 신호를 캡처하는 시간을 지정하는 기능입니다. 더 긴 캡처 창은 위치 정확도를 향상시키고 처리할 디지털 샘플의 수를 늘려 전력 소비를 증가시킵니다. 이 펌웨어는 4ms, 6ms, 8ms, 10ms, 16ms, 22ms 및 30msec의 획득 창을 허용합니다. 표 1은 다양한 획득 창과 1분 및 1시간 위치 업데이트에 대한 아나로그디바이스/BTI GPS 솔루션의 전력 소비를 정리한 것입니다.

표 1: 아나로그디바이스/BTI GPS 솔루션의 소비 전력(출처: 아나로그디바이스)