비콘의 진화와 핵심 기술
더 작고 얇게, 배터리 수명은 길게

  • 2015-03-04
  • 윤범진 기자, master@elec4.co.kr

비콘의 대중화는 아직 시작 단계로 볼 수 있다. 급속하게 변화하는 비즈니스 환경에서, 비콘은 온라인과 오프라인의 경계를 허물어 일관된 고객 경험 제공의 매개체 역할을 할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

비콘(Beacon) 기술은 빠르게 발전하고 있으며 다양한 상품이 개발되고 있다. 애플이 iOS 7의 기능으로 아이비콘(iBeacon)을 발표하면서, 비콘에 대한 업계의 관심이 뜨겁게 달아올랐다. 그 동안 많은 기업들이 동전 크기의 작은 폼팩터의 비콘 제품을 선보였다. 그 모양도 곤충 모양, USB 스틱형, USB 동글 등 다양하다. 대부분 배터리로 구동하며 칩셋, 배터리 크기, 펌웨어 등에 따라 다양한 변형이 존재한다.

비콘의 배터리 소모 속도는 전원이 없는 장소에 설치하는 경우에 매우 중요하다.

많은 장소에 뿌려져 사용되기 때문에, 모든 비콘을 감시하면서 적기에 배터리를 교체한다는 것은 쉽지 않은 일이다. 주의 할 것은 비콘 업체들이 자사 제품의 배터리 수명을 2년이라고 홍보하고 있지만 액면 그대로 받아들이면 낭패를 볼 수 있다는 점이다. 사용조건에 따라 얼마든지 달라질 수 있기 때문이다. 발송 빈도뿐 아니라 신호 데이터의 전송 간격도 배터리 수명에 영향을 미친다. 일반적으로 전송 간격은 600?700밀리초이지만 기본적으로 더 많은 신호를 보내면 더 많은 배터리를 소모하게 된다. 아이비콘의 경우, 그 표준을 충족시키려면 전송 간격을 100밀리초로 해야 하기 때문에 배터리 소비량은 보통 6?7배 빨라진다.



비콘 제품의 품질은 많은 요소에 의존한다. 인쇄회로기판(PCB) 설계, PCB 마감, 안테나 설계, 메인 칩, 배터리 커넥터, 각종 내장 부품 등을 그 예로 들 수 있다.

PCB는 다양한 종류가 있으며 네덜란드의 Glimworm과 같은 단순하고 기능적인 범용 제품에서 Estimote와 Lightcurb처럼 고성능 제품에 이르기까지 폭넓게 시장에 나와 있다. 비콘의 마감은 납땜으로 처리된 것부터 금 도금으로 처리된 제품도 있다. Lightcurb의 아이비콘은 금 도금으로 마감된 대표적인 제품이다. 안테나 설계도 중요하다. 안테나 설계는 통신 품질뿐만 아니라 배터리 수명에도 영향을 미친다. 잘된 안테나 설계는 더 적은 전력으로 비콘 신호를 보낼 수 있다. 비콘에 고성능 안테나를 탑재하는 이유다.

비콘에서 전력을 많이 소모하는 부품이 칩셋이다. 현재 시중에 나와 있는 각사의 저전력 블루투스 칩셋을 평가해 볼 필요가 있다. TI는 2009년에 CC254x 블루투스 LE(BLE) 시스템온칩(SoC)을 발표했다. CC254x SoC는 마스터 모드와 슬레이브 모드의 동작 시간을 분할함으로써 CC254x SoC 하나로 마스터/슬레이브를 동시에 지원할 수 있다.

예를 들어, CC254x를 사용한 블루투스 스마트 스포츠 시계(주변 장치)를 블루투스 스마트 레디 스마트폰(중앙 디바이스)으로 연결한다. 그런 다음 동일한 스포츠 시계를 중앙 디바이스 모드로 전환하면 심박계나 혈압계 같은 다른 주변 장치로부터 데이터를 획득할 수 있다. TI는 BLE 스택 1.2를 무료로 제공하고 있다. 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)는 2012년에 BLE 및 2.4 GHz 초절전 무선 애플리케이션용 다중 프로토콜 SoC인 nRF51822를 발표했다. nRF51822는 256 kB 플래시 +16 kB RAM이 있는 32-bit ARMⓡCortex M0 CPU가 탑재돼 있다. 내장형 2.4 GHz 송수신기는 2.4 GHz 동작뿐만 아니라 BLE 기능을 지원한다.



nRF51822는 Gazell 등을 비롯한 2.4GHz 프로토콜 스택뿐만 아니라 S110 BLE 프로토콜 스택을 지원한다.

모든 비콘은 비콘을 운영하는 로직에 특정 펌웨어가 탑재돼 있다. 그리고 이 펌웨어는 배터리 수명에 영향을 미치는 여러 요소를 제어할 수 있다.
비콘 장치는 송신(Tx) 출력으로 알려진 일정한 출력으로 신호를 보낸다. 이 신호가 공중을 이동함에 있어서 비콘으로부터 거리가 멀수록 수신 신호의 강도가 약해진다. 이 때 Tx 출력이 높으면 신호는 장거리 전달이 가능하며, Tx출력이 낮으면 배터리 소비량은 적지만 전달 영역도 좁아진다.

비콘 최전선

더 작고 배터리가 필요 없는 비콘 기술을 실현하기 위한 경쟁이 활발한 가운데, 3.5 mm×3.5 mm 크기의 모듈과 두께 0.42 mm의 전지, 더욱이 태양전지만으로 동작하는 비콘이 등장했다. 메시 네트워크를 구축하는 새로운 통신 방식 역시 비콘의 사용방법에 변화를 예고하고 있다.

이처럼 식별번호를 무선으로 송신하기만 하는 단순 기능의 비콘에 진화의 파도도 거세다. 비콘의 보급이 한층 더 진행되면 차별화를 위해 새로운 사용방법도 속속 제안될 것이다. 그렇게 되면 단순한 개량 수준으로는 대응할 수 없다. 새로운 기술과 기능이 요구된다. 단순히 식별번호를 송신하는 존재에서 다수의 기능을 갖춘 다기능형 비콘으로 진화하는 것이다. 더 이상 비콘이라고 부를 수 없는 존재가 되는 것이다.



소형화, 저전력에 도전

웨어러블 기기용 블루투스 스마트 모듈의 소형화가 빠르게 진행되고 있다.

이를 기반으로 하는 비콘의 소형화도 병행될 것이다. 이미 부품 제조사들이 경쟁적으로 개발을 추진하고 있다. 예를 들어, TDK는 3.5 mm×3.5 mm×1 mm 사이즈의 소형 블루투스 스마트 모듈을 올 봄 출시할 예정이다. 2014년 2월 출시한 기존 제품의 외형 사이즈가 4.6 mm×5.6 mm×1 mm인 점을 감안하면 절반 이상 줄였다. 또한 LG이노텍의 블루투스 스마트 모듈(5.3 mm×4.7 mm×1.0 mm)의 1/2에 불과하다.

TDK는 모듈의 소형화를 위해 기존 제품에 이어서 SUSUB(Semiconductor Embedded in SUBstrate)라고 하는 부품 내장 기술을 이용했다. 배선층이 4층인 수지 기판의 내부에 블루투스 스마트지원 IC를 내장했다. IC를 내장한 수지기판의 두께는 0.3 mm이고, 그 위에 수정 발진기와 수동 부품을 실장했다. 안테나와 전원을 연결하면 바로 동작한다.

새로 선보일 IC는 송수신 시의 소비전류가 기존 제품의 4분에 1에 불과한 5mA로 소형화와 함께 저소비 전력화도 실현했다. 대기전류도 낮췄다.
블루투스 스마트 모듈의 소형화는 비콘의 소형화로 직결된다. 실제로 호주 파스코스 소프트웨어 엔지니어링(Pascoes Software Engineering) 사는 TDK 모듈을 이용해 12×12×6 mm의 초소형 비콘 ‘The Bit’를 발표했다.

일본 후지쯔의 자회사인 FDK는 어떤 물건에나 쉽게 탑재할 수 있도록 비콘의 박형화에 도전하고 있다. 이 회사의 박형 전지를 이용해 후지쯔어드밴스트엔지니어링과 공동으로 두께가 불과 2.2mm인 비콘을 개발했다. 단순히 인식번호를 송신하는 것만으로는 차별화가 어렵다고 보고 박형화와 함께 가속도센서와 지자기 센서를 탑재했다. 비콘의 크기는 34 mm×51.5 mm×2.2 mm, 무게는 5g이다. 내장하는 1차 전지의 사이즈는 20 mm×42.5 mm×0.42mm이고 배터리 용량은 25 mAh다. 비콘 신호를 1초 간격으로 발신한 경우의 연속 동작 기간은 약 6일, 60초 간격인 경우는 약 20일이다. 통신 거리는 5?10 m, 최대 50 m다.



박형 전지는 표시 장치를 갖춘 카드 등을 타깃으로 개발한 것이다. 카드의 두께는 일반적으로 0.76 mm이고 내장하는 전지에 허용되는 두께는 0.42 mm였다. 이번에 출시한 비콘은 이 전지에 겹치듯이 배치한 0.13 mm 두께의 프린트 기판 위에 1 mm 두께의 블루투스 스마트 모듈과 센서, 수동 부품을 실장했다. 이것을 투명 수지 커버로 씌웠으며 전체의 두께가 2.2 mm이다. 프린트 기판을 0.13 mm까지 얇게 할 수 있었던 것은 수지 커버가 강도를 유지하는 역할을 하도록 함으로써, 프린트 기판에서 강도를 유지하기 위한 재료를 생략할 수 있었기 때문이라고 한다.

FDK에서는 두께 1 mm 이하의 비콘개발을 추진하고 있다. 단, 문제는 전지의 박형화가 당장은 쉽지 않다는 점이다. 현재 겹쳐서 배치한 전지와 부품을 평면으로 나란히 하는 방법도 검토 중이다. 1 mm 이하의 얇기를 실현할 수 있다면 플렉시블한 비콘도 가능할 것이다.

한편, 박형 전지에 대해서는 1차 전지뿐만 아니라 2차 전지의 조기 실용화도 목표로 하고 있다. 현재 프로토타이핑 작품의 크기는 27 mm×25.5 mm×0.45 mm이며 무게는 0.4 g, 배터리 용량은 4 mAh다. 2차 전지를 비콘에 통합한 경우 보호회로와 충전기 등이 추가로 필요하기 때문에 비용 상승이 문제가 될 것이다.



에너지수확 기술의 적용

비콘이 안고 있는 현안으로 전지 교환의 수고를 꼽는 사업자가 많다. 더욱이 전지 구동 기간을 1년에서 2년으로 하는 것에는 별 의미가 없다는 것이 사업자들의 일반적인 견해이며 10년의 구동기간을 요구하는 등 그 기준이 강화되고 있다.

현재로서는 1차 전지의 용량 증가를 기대해야 하는 상황인데, 1차 전지 제조사 측에서는 크기를 유지한 채 수명을 10년으로 늘리는 것은 기술적으로 어렵다는 입장이다. 그래서 그 대안으로 주변에 있는 에너지를 활용하는 에너지수확에 눈을 돌리고 있다. 예를 들면, 1차전지와 태양전지를 조합해 필요한 때만 전지를 이용해 전기 구동 시간을 늘리는 하이브리드형이 검토되고 있다.

미국 스펜션은 비콘이 태양전지만으로 구동하는 것을 확인했다. 명함 절반 크기의 아몰퍼스 실리콘 태양전지를 탑재하면 조명의 빛으로 비콘을 구동할 수 있다. 실제로 다이니뽄인쇄와 공동으로 상업시설인 이온레이크타운에서 플로어 가이드를 배신하는 실증실험에 사용하고 있다. 스펜션이 제작한 태양전지 탑재 비콘에는 이 회사의 에너지수확용 벅 DC-DC 컨버터 MB39C811이 탑재됐다. 최대 200 μW인 태양전지의 출력을 용량 69 μF의 커패시터에 축적한 후에 DC-DC 컨버터에 공급한다.

4 V에서 2.5 V로 강압한 후 용량 22 μF의 커패시터를 통해 블루투스 스마트 모듈등으로 전력을 공급하면 비콘을 구동할 수 있다.
이처럼 에너지수확을 활용한 비콘 개발이 본격화 하고 있는 이유 중 하나는 태양전지 등을 사용한 기기의 설계를 지원하는 툴이 지원되고 있기 때문이다.

스펜션은 에너지수확용 DC-DC 컨버터를 활용하기 위한 온라인 시뮬레이션툴 ‘Easy DesignSim’을 제공하고 있다.
발전 소자와 전원, 회로 등의 정보를 입력하면 시스템이 안정 동작하는지를 확인할 수 있다. 이외에 알티마에서는 태양전지의 발전량을 쉽게 측정할 수 있는 킷 ‘Harvester Checker’를 제공한다.

현재 널리 사용되고 있는 태양전지의 경우는 특성을 측정하는 수법이 확립돼 있기는 하지만 옥외 태양광에서의 측정을 전제로 하기 때문에 옥내에서 이용할때는 측정치에 편차가 생긴다. 옥내용으로 개발되고 있는 색소 증감형의 경우도 표준적인 측정 조건이 정해져 있지 않아 각사에서 독자적인 기준으로 측정하고 있는 것이 현실이다. 따라서 설치 환경에 맞는 발전량의 측정이 필수다. 알티마에서 개발한 측정 킷은 휴대가 용이하기 때문에 태양전지를 연결해서 측정하고자 하는 장소에 설치하면 발전량과 조도, 온도, 습도를 임의의 주기로 일정기간 자동으로 측정할 수 있다.



통신 규격

비콘의 진화에 빼놓을 수 없는 것이 하드웨어의 개량만은 아니다. 블루투스 스마트의 통신 규격 변화도 비콘의 사용방법에 영향을 미친다. CSR은 블루투스 스마트에서 메시 네트워크를 구축할 수 있는 ‘CSRmesh’를 발표했다. 블루투스 SIG도 작년 10월 스마트 메시 스터디그룹을 발족했다. 블루투스 SIG의 에렛크로터(Errett Kroeter) 마케팅 수석이사도 스마트 메시 구현에 우선순위를 높게 두고 있음을 확인해줬다.

CSRmesh는 블루투스 스마트의 애드버타이즈 기능을 사용해서 메시 네트워크를 구축하고 기기를 제어할 수 있는 기술이다. 스마트폰에서 조명을 점등하는 지시를 포함한 애드버타이즈의 패킷을 송신하면 수신한 조명이 점등하는 동시에 그 조명이 다시 애드버타이즈의 패킷을 재송신한다. 이것을 반복함으로써 떨어진 장소에 있는 기기도 제어할 수 있다. 16비트의 디바이스 ID를 사용하며 최대 약 65,000개의 기기를 관리할 수 있다. 기기를 그룹화해서 A그룹의 조명만 점등하는 식의 지시도 가능하다.

CSR에서는 비콘과 CSRmesh를 조합하는 애플리케이션을 고려하고 있다.

비콘의 정보를 메시 네트워크 내에 공유하고 필요한 기기를 구동하는 것이다. 가령, 비콘을 소지하고 있는 사람이 야간에 집으로 돌아오면 비콘 수신기가 ID의 속성과 수신기에서의 거리를 가정 내의 메시 네트워크에 송신해 복도의 조명을 점등하는 시나리오다. 이외에 온도 센서를 탑재한 비콘의 정보를 메시 네트워크에 송신해 두면 설정 온도에 도달하도록 네트워크 내의 에어컨을 동작시키는 방법도 가능하다.

태양광 인버터에 IoT 접목… MS 애저 통해 서비스 구현
에너지 산업 분야 국내 첫 IoT 사례

기기와 IoT를 결합한 융합 IT 기술에 관심이 높은 가운데, 에너지 산업 분야와 IoT가 접목된 국내 첫 사례가 나왔다.

태양광 인버터 제조 전문 기업인 스페이스원(www.spaceone.kr)은 자사 제품에 IoT 기능을 추가하고 마이크로소프트 애저(Microsoft Azure)를 활용해 고객들이 언제 어디서나 기기에 상관없이 발전 시스템을 모니터링할 수 있도록 함으로써 비즈니스 경쟁력을 강화했다.

태양광을 전기로 바꾸는 장치인 태양광 인버터를 제조하는 스페이스원은 유럽의 글로벌 인버터 선도 업체들과 경쟁하기 위해 제품 기술력뿐만 아니라 서비스를 혁신해야 했다. 스페이스원은 태양광 인버터를 인터넷과 연결 가능한 사물인터넷 기기로 개발하고 여기에서 수집된 정보를 마이크로소프트 애저를 통해 웹과 모바일로 전달, 실시간으로 모니터링할 수 있도록 했다.



이에 고객들은 전국 각지에 위치한 태양광 발전 설비에 문제가 있을 때 현장에 가서 확인하고 복구하는 것이 아니라, 언제 어디서든 PC나 스마트폰 앱을 통해 인버터·태양전지·접속반과 같은 설비 현황, 일간·주간·월간 기간별 전력 생산량 등의 모니터링 정보, 발전시스템의 이상 유무를 체크하고 기록을 확인할 수 있다. 이를 통해 관리 편의성이 높아졌을 뿐만 아니라 축적된 데이터분석을 통해 데이터 수율을 개선함으로써 수익 창출까지 기대할 수 있다.
스페이스원은 직접 서버를 구매하는 것이 아니라 클라우드 방식의 마이크로소프트 애저 기반으로 모니터링 시스템을 개발하면서 타 업체의 모니터링 서비스 구축비용 대비 70% 수준으로 비용을 절감하는 효과도 거뒀다. 운영 시에도 마이크로소프트 애저의 글로벌 서비스를 통해 모바일 및 웹 사이트 운영 및 관리 인력을 따로 둘 필요 없이, 글로벌 경쟁 기업 수준의 우수한 모니터링 서비스를 제공하고 있다.

스페이스원 해외영업마케팅팀 손민희 대리는 “IoT 접목을 통해 고객이 원하는 서비스를 제공하고 더 나아가 고객에게 수익 증대라는 더 큰 가치를 제공하게 됐다”며 “특히 스페이스원은 해외시장을 적극적으로 개척하고 있기 때문에, 전 세계에 국내 고객과 동일한 수준의 서비스를 제공할 수 있는 마이크로소프트 애저를 선택하게 됐다”고 말했다.

한국마이크로소프트 김경윤 상무는“이제 더 이상 IoT는 뜬구름이 아니다.

기업들은 IoT를 아이디어화 해서 실제 서비스로 접목시켜 상용화하는 방법을 고민해야 할 때”라며 “기기와 사람, 서비스를 연결해주는 것이 곧 IoT이고 이를 가능하게 해주는 핵심 요소가 바로 클라우드다. 마이크로소프트 애저는 ‘모바일 퍼스트, 클라우드 퍼스트’ 시대에 맞는 비즈니스 혁신을 제공해줄 최적의 솔루션이다”고 말했다.
 

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