IIoT 무선 커넥티비티, Sub-GHz 설계로 해결하기

  • 2019-02-08
  • 글 / 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스( Mouser Electronics) www.mouser.com




데이터 속도, 범위, 배터리 절충 통해 최적 솔루션 달성

Sub-GHz 설계는 데이터 속도, 범위, 배터리 수명의 절충을 통해 각 노드에 대한 최적의 솔루션을 달성할 수 있으므로 설계자는 최대의 유연성을 가질 수 있다. 또한 네트워크에서 최적화된 각 노드는 전체 IIoT 솔루션에 자체적인 절감을 추가한다.


산업용 사물인터넷(IIoT)의 기본은 “연결된 산업”을 구축하거나 “모든 것을 연결하는”데 있다. 실제적인 IIoT 구현에서 센서가 측정을 수행하고 측정된 데이터를 로컬 컨트롤러로 보내면, 로컬 컨트롤러는 동작을 수행하고 정보를 허브에 전달할지 또는 결정을 내리고 데이터를 수집할 수 있도록 허브에 곧바로 정보를 전달할지 결정한다.

이러한 새로운 센서는 대부분 초기 기계가 설치된 후 배치되므로 무선 링크를 사용하여 허브에 연결성을 제공하는 것이 시간과 비용을 모두 절약할 수 있다. 새로운 기계에서도 무선연결이 데이터를 실행하고 케이블을 제어하는 것보다 더 쉽다. 일반적인 환경에서 무선 통합은 항상 훨씬 간단하다. 그러나 산업 시설에서는 환경이 물리적으로나 전자기적으로 더 까다롭기 때문에 이러한 무선 통합이 보다 어려울 수 있다.

IIoT에 적합한 몇 가지 무선 옵션

애플리케이션에 따라 IIoT에 적합한 몇 가지 무선 옵션이 있다. 와이파이(WiFi)와 블루투스(Bluetooth)는 모두 2.4GHz 대역에서 동작하며, 종종 산업용 애플리케이션에 사용된다. 이는 해당 기술이 산업에서 적절히 검증되고, 많은 솔루션이 나와 있다는 것을 의미한다. 와이파이와 블루투스는 IoT에 사용할 수 있는 보다 빠른 두 가지 표준이므로, 특히 비디오와 같은 높은 대역폭을 필요로 하는 애플리케이션에 유용하다. 한편 2.4GHz 대역은 다른 많은 애플리케이션들이 동일한 주파수를 사용하고 있어 매우 혼잡하다.

1GHz 이하 ISM 대역은 종종 IIoT 애플리케이션에 사용되는 또 다른 범위의 주파수이다. 세 가지 비면허 대역인 433MHz, 868MHz, 915MHz는 2.4GHz 대역보다 더 긴 전송 거리를 제공한다(협대역 구성에서 최대 10km). 이 대역의 단점은 데이터 속도가 느리다는 점이다. 하지만 읽기와 진단 데이터를 전송하는 센서의 경우 느린 데이터 속도는 문제가 되지 않을 수 있으며, 침투가 좋은 더 긴 거리가 훨씬 큰 이점을 갖는다.

낮은 데이터 속도는 또한 전력 소모에 도움이 된다. 이는 일부 간헐적 동작의 경우 배터리 수명이 수십 년까지 가능하다는 것을 의미한다. 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 되는 또 다른 영역은 덜 혼잡한 스펙트럼이다. 이러한 스펙트럼에서는 낮은 경쟁으로 재전송이 줄어든다. 전력 소모에 영향을 줄 수 있는 세 번째 요소는 무선 감도이다. 보다 높은 수신기 감도를 달성하려면 두 변수 사이에 반비례 관계가 존재하기 때문에 채널 대역폭은 가능한 좁아야 한다. 낭비되는 대역폭은 더 많은 동작 전력을 필요로 한다.

Sub-GHz 센서 노드의 긴 전송 거리는 또 다른 이점을 제공하는데, 바로 비용이다. Sub-GHz 대역 솔루션은 훨씬 긴 전송 거리를 지원하고 벽에서 신호 드롭이 더 적으므로 게이트웨이와 리피터 수를 줄일 수 있다.

ISM 대역 노드가 단점을 갖는 영역의 하나는 안테나 크기이다. 최저 주파수 433MHz 대역은 17cm 안테나를 필요로 한다. 그러나 산업 환경에서 공간은 다른 영역보다 문제가 될 여지가 적다. 공간이 중요한 경우에는 취할 수 있는 몇 가지 옵션이 있다. 옵션에는 근거리 링크만 필요한 경우 설계에 프랙탈 안테나를 사용하거나 링크를 더 높은 주파수로 설계하는 방법이 포함된다. 915MHz 링크는 단 8cm 안테나면 된다.

부품들

저비용, 저전력, 장거리 센서 노드에서 ISM 주파수를 이용하는 설계에 사용할 수 있는 다양한 부품들이 있다. 부품은 전기 규격을 만족하는 외에도, 산업 환경에서 전체 제품 수명 주기 동안 동작할 수 있을 정도로 충분히 견고해야 하며, 동작의 신뢰성 또한 핵심적인 요소이다.

링크의 신뢰성은 부품에 의존한다. 무선 트랜시버, MCU 및 프로토콜 스택은 함께 작동하면서 링크를 제공한다. 이러한 부품들은 다양한 선택이 가능하므로 설계자는 각각의 구체적인 애플리케이션에서 성능과 신뢰성을 최적화할 수 있다.

Sub-GHz IIoT 애플리케이션용으로 설계된 MCU 제품군의 좋은 예는 실리콘랩스(Silicon Labs)의 EZR32LG 제품이다. 디바이스의 중앙에는 ARM Cortex-M3 CPU 코어가 자리잡고 있으며, IIoT 애플리케이션에서 저전력 사용을 위해 최적화된 sub-GHz 무선 통신이 지원된다. 이 MCU 제품군은 142~1050MHz에서 동작하고 최대 -133dBm 감도를 갖는 실리콘랩스의EZRadio 및 EZRadioPro sub-GHz 트랜시버 제품군과 함께 사용하도록 구성된다. MCU와 트랜시버는 USART, PRS 및 IRQ를 통해 함께 구성할 수 있다. 표 1은 구성이 필요한 핀을 보여준다.



트랜시버 디바이스는 원격 센서 노드를 설계하는 많은 어려움을 덜어주는 추가적인 기능을 갖추고 있다. 이들 디바이스는 인접 채널 선택성이 69db이고 12.5kHz 채널 간격을 갖고 있어 채널 간 간섭을 최소화한다. 디바이스는 또한 블로킹 및 선택 가능한 성능과 같은 기능을 갖춰 CC Part 90 및 169MHz 무선 Mbus와 같은 좁은 면허 대역 애플리케이션에 최적화됐다.



산업용 무선 링크를 구현하는 설계자가 중요하게 고려해야 할 사항 중 하나는 특히 제조 데이터와 같은 성능 지표에 대한 보안이다. 이는 또한 장비의 제어 신호가 무선으로 전달되는 회사에서 우려하는 문제이다. EZR32LG 제품군은 128 또는 256비트 키로 AES 암호화 및 암호해독을 처리할 수 있는 내장된 AES 액셀러레이터를 포함한다.

마지막으로 센서에 연결성을 제공하기 위해 EZR32LG 제품군은 입력 또는 출력으로 구성할 수 있는 38개 GPIO 핀을 제공한다. 이 GPIO 핀은 각각 최대 16개 핀을 갖는 포트로 나눌 수 있다. 핀은 또한 개별적으로 필터링 및 구동 강도와 같은 고급 기능에 접근하도록 구성할 수 있다. 마지막으로, 타이머 및 PWM 출력과 같은 MCU의 주변장치를 통해 핀을 오버라이드하는 것도 가능하다.
GPIO는 최대 16개 비동기 인터럽트를 지원하므로 디바이스의 어느 핀을 통해서도 인터럽트를 활성화할 수 있다.



EZR32LG MCU는 디바이스의 주변장치에서 핀의 값을 사용할 수 있게 하는 실리콘랩스의 PRS(Peripheral Reflex System)를 포함하고 있어 유연성을 증대시킨다. PRS는 설계자가 개발 중에 변경할 수 있게 한다.

디스크리트 솔루션 외에도 MCU와 트랜시버 기능을 모두 제81공하는 완전 통합형 디바이스도 있다. 이러한 디바이스의 좋은 예는 텍사스 인스트루먼트(TI)의 심플링크 CC1310 컨트롤러이다. CC1310은 또한 전용 전력 관리 및 센서 컨트롤러를 비롯해 원격 센서 허브에 필요한 모든 디바이스와 주변장치를 포함한다.

CC1310은 애플리케이션을 실행하고 전력과 클록 관리를 구성할 수 있도록 RTOS 최적화 48MHz Cortex-M3 MCU를 탑재하고 있다. MCU는 여러 RF 표준과 물리적 계층을 지원한다. 또한 CC1310은 sub-GHz 트랜시버에 통합된 Cortex-M0 마이크로컨트롤러를 포함한다. 트랜시버의 MCU는 무선 프로토콜의 시간이 관건인 측면을 처리함으로써 메인 MCU가 애플리케이션에 더 많은 자원을 사용할 수 있게 한다.



트랜시버는 사용자에게 다양한 선택 가능한 기능을 제공하므로 거의 모든 유형의 sub-GHz 애플리케이션에 CC1310을 사용할 수 있다. 사용자는 광범위한 주파수 대역과 액셀러레이터를 선택할 수 있다. 데이터 속도는 높은 견고성을 요구하는 장거리 애플리케이션을 위한 625bit/s에서부터 덜 까다로운 애플리케이션을 위한 4Mbps까지 선택할 수 있다. 또한 OOK, MSK 및 FSK를 포함하여 사용 가능한 변조 형식도 선택할 수 있다.

센서 컨트롤러는 메인 시스템 MCU로부터 일부 작업 부하를 덜어주거나 심지어 MCU를 완전히 우회하여 에너지와 시간을 절약할 수 있다. 센서 컨트롤러는 시스템 MCU가 슬립 모드에 있는 동안 디바이스의 주변장치 일부를 직접 제어할 수도 있다. 이러한 종류의 기능을 잘 보여주는 예로, 센서 컨트롤러는 MCU를 깨우지 않고 디지털 센서를 폴링하고 읽은 다음, 트랜시버에 읽은 값을 전달할 수 있다.

혼잡한 영역의 애플리케이션을 위해 개발된 디바이스의 좋은 예로는 마이크로칩의 MRF49XA 트랜시버가 있다. 이 디바이스는 마이크로칩의 8, 16 또는 32 PIC 컨트롤러와 쉽게 통합할 수 있으며, FSK 변조를 사용하는 434/868/915MHz ISM 주파수 대역의 근거리 애플리케이션을 위해 설계됐다.



많은 RF 간섭이 존재하는 환경을 위해 MRF49XA는 FHSS(frequency hopping spread spectrum) 기능을 제공한다. FHSS 기능은 잡음이 있는 채널을 피하고 인접 채널 간섭을 최소화하기 위해 설정된 순서로 주파수 대역 간에 쉽게 도약할 수 있다는 점에서 블루투스 표준에서 제공하는 기능과 유사하다. 이 디바이스는 FHSS, 낮은 비트 오류율, 장거리, 높은 출력 전력 특성을 갖춰 IIoT 설계에 이상적이다.

또한 트랜시버를 저가 마이크로컨트롤러와 함께 구성할 수 있어 저비용 IIoT 솔루션을 구현할 수 있다. MRF49XA는 클록 신호를 MCU에 제공할 수 있으므로 2차 크리스털이 필요하지 않다. 두 개의 디바이스는 SPI를 통해 쉽게 연결할 수 있다.

MRF49XA를 시험하기 원하는 설계자는 마이크로칩의 8비트 PIC18 익스플로러 및 16/32비트 익스플로러 16 개발 보드와 쉽게 통합할 수 있는 PICtail 도터보드를 사용하여 시험해볼 수 있다.

결론

지금까지 Sub-GHz 설계가 IIoT 애플리케이션을 위한 2.4 GHz 통신에 대한 탄탄한 대안이 될 수 있음을 살펴보았다. 배터리 수명을 연장하는 기능만으로, 접근하기 어려운 위치에 있는 수천 개의 노드가 존재할 수 있는 환경에서 강력한 사례가 될 수 있다. 각 노드의 잠재적인 배터리 수명을 수십 년으로 연장한다면 유지보수 시간과 비용을 절약할 수 있다.

Sub-GHz 설계는 데이터 속도, 범위, 배터리 수명의 절충을 통해 각 노드에 대한 최적의 솔루션을 달성할 수 있으므로 설계자는 최대의 유연성을 가질 수 있다. 또한 네트워크에서 최적화된 각 노드는 전체 IIoT 솔루션에 자체적인 절감을 추가한다.
 

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