IoT 프로토콜 선택 및 설계 가이드

작성 날짜: 칠월 8, 2021
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

요즘 무선 통신 옵션을 생각해보면, WiFi, Bluetooth, 그리고 셀룰러 세 가지 주요 프로토콜이 떠오릅니다. 이들 각각은 대단한 성공을 거두었으며, 소비자 전자 제품 디자이너들이 간과해서는 안 될 기술들입니다. "스마트" 또는 "연결됨"으로 광고되는 모든 제품에는 이제 거의 필수적으로 WiFi와 Bluetooth(또는 둘 다)를 포함하는 것이 중요합니다. 그러나 무선 프로토콜 뒤에는 많은 것들이 있으며, IoT 애플리케이션 계층 프로토콜이 다양한 메시징 모드 지원이나 인터넷을 통한 전체 통신을 지원하기 위해 장치에 구현되고 있습니다.

IoT 세계는 무선 프로토콜과 애플리케이션 계층 프로토콜의 알파벳 스프처럼 복잡할 수 있으므로, 단지 WiFi와 Bluetooth를 사용하여 장치 간 연결성을 제공하는 것 외에 어디서부터 시작해야 할지 알기 어려울 수 있습니다. 최근에는 더 많은 디자이너들이 IoT 개발 세계로 뛰어들고 있으며, 심지어 여러 기능을 하나의 패키지로 통합하는 오픈 소스 프로젝트를 몇 가지 출시하기도 했습니다. 그러나 대부분은 WiFi + Bluetooth/BLE을 사용하여 유연한 연결 옵션을 제공하는 쉬운 방법을 선택합니다. 실제로는 WiFi와 Bluetooth의 모든 오버헤드 없이 시스템에 매우 잘 작동할 수 있는 많은 다른 IoT 무선 프로토콜과 데이터 계층이 있습니다.

새로운 IoT 시스템을 혁신하기 위해 사용할 수 있는 하드웨어 옵션, 무선 프로토콜, 그리고 애플리케이션 계층 프로토콜 옵션을 살펴봅시다. 새 제품에 가장 적합한 옵션을 선택하기 위해서는 원하는 무선 프로토콜을 지원하는 하드웨어와 메시징을 지원하는 애플리케이션 프로토콜을 짝지어야 합니다. 올바른 조합으로, 전형적인 WiFi + Bluetooth 시스템보다 더 신뢰성 있고 빠른 제품을 구축할 수 있습니다.

2021년 IoT 프로토콜로 디자인하기

오늘날, 무선 프로토콜로 제품을 구축하기 위한 옵션이 많이 있으며, 플랫폼을 구축하기 위해 구현할 수 있는 무선 옵션이 열두 가지 이상 있습니다. 지난 십 년 동안 연결된 소비자 및 사무용 제품의 명백한 성장으로, 인터넷 연결에 연결할 수 있는 대단히 성공적인 WiFi + Bluetooth 조합에 대한 수요는 항상 있습니다. 그러나 다른 무선 프로토콜 및 애플리케이션 계층의 조합은 특정 애플리케이션에서 그 가치를 빠르게 드러냅니다.

그런 다음, 고려해야 할 칩셋이 있습니다. WiFi + Bluetooth 또는 Zigbee가 필요할 수 있는 인기 있는 제품들은 매우 통합되어 있습니다. 많은 모바일 칩셋 제조업체들이 MCU 기능을 통합한 SoC를 제공할 것이며, 심지어는 전송을 위한 전력 증폭기까지 같은 다이에 통합됩니다. 시작하기 위해서는 데이터 처리량과 전력 소비와 같은 장치의 기본 요구 사항에 대해 생각해야 합니다. 이 두 가지는 모두 선택한 프로토콜과 관련이 있습니다.

무선 프로토콜 선택하기

하드웨어를 구매하기 전에, 시스템의 요구 사항을 IoT 프로토콜과 일치시켜야 합니다. 시스템에 대한 IoT 프로토콜을 선택할 때 살펴봐야 할 주요 영역은 다음과 같습니다.

운영 주파수 및 공존. 무선이 관련되어 있다면, 어떤 주파수에서 운영할지 고려해야 합니다. 이는 환경에 따라 달라질 수 있습니다. 대부분의 IoT 프로토콜은 라이선스가 필요 없는 대역에서 운영되며, 이는 대역이 사실상 무규제 상태라는 도전을 가져옵니다(EMC 요구 사항을 제외하고). 일부 칩셋은 IEEE 802 시리즈 표준에 따라 공존을 지원하도록 특별히 설계되었습니다.
전력 소비 및 범위. 네트워크의 엔드포인트가 배터리 전원으로 작동하나요, 아니면 더 많은 전력을 요구하는 높은 주파수에서 작동하나요? 목표 범위를 달성하기 위해 얼마나 많은 전력이 필요한가요? 일부 프로토콜은 이 영역에서 다른 프로토콜보다 더 나은 성능을 보입니다. 만약 당신의 장치가 배터리로 작동한다면, 저전력 프로토콜을 선택하고 싶을 것입니다.
데이터 처리량. 미디어를 스트리밍해야 하는 시스템을 구축하고 있나요, 아니면 작은 데이터 패킷을 보내나요? 통신은 간헐적이거나 데이터의 지속적인 전송/수신이 필요한가요? Sub-1 GHz 프로토콜은 kbps 범위에서 낮은 데이터 속도를 제공하지만, 많은 경량 데이터 수집 작업에는 여전히 충분합니다,
네트워크 토폴로지. 표준 IoT 네트워크 토폴로지는 스타와 메시입니다. 스타 네트워크는 무선 프로토콜 표준과 애플리케이션 계층 프로토콜에 따라 엔드포인트 장치 간의 메시징을 중재하기 위해 일부 중앙 집중식 게이트웨이가 필요할 수 있습니다. 일부 메시 네트워크(예: Zigbee)도 게이트웨이 장치가 필요할 것입니다.

대부분의 설계 및 엔지니어링 선택과 마찬가지로, IoT 프로토콜을 선택하는 것은 일련의 절충을 포함합니다. 예를 들어, 더 높은 주파수에서 작동하는 것은 필요한 범위를 제공하기 위해 더 많은 전송 전력을 요구하지만, 또한 더 높은 데이터 속도를 제공합니다. 그런 다음 필요한 토폴로지에 따라 데이터 속도 요구 사항을 충족시킬 수 없을 수도 있습니다. 아래 표는 설계에서 일반적인 IoT 프로토콜과 그 기능에 대한 요약을 제공합니다.

*표 데이터 출처는 GlowLabs.co입니다.

아직 언급되지 않은 또 다른 영역이 있습니다: 보안, 특히 방위, 유틸리티와 같은 중요 인프라, 산업 시스템, 심지어 자동차와 같은 영역에서의 보안입니다. 이는 소프트웨어 수준과 네트워크 관리 측면에서 지속적으로 발전하고 있는 IoT 설계 및 개발의 복잡한 영역입니다. 충분히 광범위하기 때문에 별도의 기사 시리즈로 다룰 가치가 있으므로, 이 주제는 나중에 다루기로 하겠습니다. 하드웨어 플랫폼에 구현할 수 있는 가능한 무선 프로토콜이 많이 있음에도 불구하고, 특히 2.4 GHz 대역에서 일부 시스템에서는 공존이 도전이 됩니다.

공존의 도전

공존 문제와 이를 수용할 수 있는 칩셋의 필요성은 ISM 대역에서 작동할 IoT 플랫폼을 구축할 때 결정적인 요소가 될 수 있습니다. 2.4 GHz는 전 세계적으로 라이선스가 필요 없는 유일한 주파수이므로, 인기 있는 IoT 프로토콜에서 공존 문제가 계속 발생하는 것에 놀라지 않아야 합니다. 그러나 모두가 자택과 사무실에 고주파수, 고처리량 네트워크를 보유하고 있기 때문에, 업계는 이제 특정 프로토콜 조합의 문제를 해결하는 데 도움이 되는 일부 칩셋을 생산하고 있습니다.

소비자 및 상업 공간은 WiFi + Bluetooth, 그리고 가능하다면 Zigbee에 크게 의존하지만, 공존을 지원하는 여러 제품을 사용할 수 있습니다. 이러한 통합 솔루션을 넘어서, 하드웨어 수준에서 다음과 같이 공존을 구현할 수 있습니다:

시분할 다중 접속 (TDMA): 이는 가장 간단한 공존 방법으로, 한 프로토콜이 방송하는 동안 다른 프로토콜은 비활성화됩니다.
주파수 분할 다중 접속 (FDMA): 호스트 드라이버를 사용하여 전송 및 수신 방향에서 두 프로토콜이 동일한 주파수를 사용하지 않도록 합니다. 이 방법은 더 많은 스펙트럼을 차지하지만 동시에 전송 및 수신을 가능하게 합니다.
주파수 도약 확산 스펙트럼 (FHSS): 무선 신호가 전송 사이에 캐리어 주파수를 빠르게 변경하면서 대역 내 여러 채널을 통해 전송됩니다.

표준적이고 고도로 통합된 솔루션이 없는 경우, 예를 들어 FPGA 또는 MCU와 사용자 정의 RF 프론트 엔드 또는 유사한 솔루션과 같은 사용자 정의 칩셋으로 구성 요소를 컴파일해야 할 수도 있습니다. 소비자 공간을 벗어나면, 특히 공존 솔루션을 내장한 고도로 통합된 칩셋이 없을 수 있기 때문에, 공존 문제는 더욱 흥미로워집니다. 오늘날의 기업/산업 IoT 제품은 WiFi와 Bluetooth 이상을 사용하고 있으며, 예를 들어 IoT 게이트웨이는 네 개 이상의 일반적인 ISM 대역 IoT 프로토콜과 가능하다면 1GHz 미만의 프로토콜을 동시에 운영할 수 있습니다. 기상학, 항공 및 방위와 같은 일부 전문 분야에서는 5-6 GHz 대역에서 레이더와 같은 애플리케이션이 운영되어 WiFi 5, 6/6E 및 더 새로운 프로토콜과 새로운 공존 문제를 만듭니다.

애플리케이션 계층 프로토콜

무선 프로토콜과 달리, 애플리케이션 계층 프로토콜(때로는 데이터 프로토콜이라고 함)은 네트워크 주변의 데이터가 전송되는 형식과 호스트 및 엔드포인트 간의 연결 방법을 설명합니다. 이는 MCU 기반 아키텍처의 펌웨어나 애플리케이션의 일부로 내장 소프트웨어에서 정의됩니다. 온라인에서 찾아보면, TCP/IP 또는 UDP에서 다양한 애플리케이션 계층 프로토콜을 사용하여 애플리케이션을 구축하기 위한 여러 라이브러리와 튜토리얼을 찾을 수 있습니다. 아래에 몇 가지 예가 나와 있습니다.

다중 대역 IoT 프로토콜 구성 요소 및

IoT 플랫폼을 구축하고자 하는 방법에 관계없이 선택하는 프로세서와 RF 프론트 엔드는 시스템과 애플리케이션의 기반을 형성할 것입니다. 오늘날에는 2.4 GHz ISM 대역에서 추가 프로토콜을 지원할 수 있는 WiFi + Bluetooth 기능의 SoC가 다양합니다. 다른 구성 요소는 1 GHz 미만을 지원하거나 2.4 GHz 전용 프로토콜을 지원할 수 있습니다.

Nordic Semiconductor, nRF52820

Nordic Semiconductor의 nRF 플랫폼은 경량 임베디드 시스템과 컴팩트 IoT 플랫폼에서 매우 인기가 있습니다. nRF52820 마이크로컨트롤러는 802.15.4 + Zigbee, Bluetooth 5.2/BLE, 그리고 Thread를 통한 메시 네트워킹을 지원합니다. 또한 IoT 마이크로컨트롤러에서 기대할 수 있는 여러 인터페이스(SPI, UART, USB, GPIO)를 포함하고 있습니다. 이 구성 요소는 작은 발자국을 가지면서 여러 2.4 GHz 대역을 지원합니다. Nordic은 애플리케이션 개발에 사용할 수 있는 광범위한 SDK와 라이브러리를 제공합니다.

NRF52820 애플리케이션 회로도. 출처: NRF52820 데이터시트.

Microchip, AT86RF212B-ZUR

Microchip의 AT86RF212B-ZUR은 ZigBee를 700/800/900 MHz, IEEE 802.15.4, 6LoWPAN 및 ISM 통신에서 지원하는 멀티밴드 트랜시버입니다. 이 트랜시버는 아래 신호 다이어그램에서 보여주듯이 MCU와 SPI를 통해 인터페이스합니다. 이 구성 요소 또는 유사한 구성 요소는 통합 RF 프론트 엔드가 없을 수 있는 경량 MCU를 지원하는 데 좋은 옵션입니다.

신호 다이어그램 및 애플리케이션 회로도. 출처: AT86RF212B-ZUR 데이터시트.

IoT 플랫폼 구축을 위한 기타 구성 요소

소프트웨어와 펌웨어 개발자가 IoT 플랫폼의 기능과 능력을 크게 주도하더라도 결국 모든 것은 하드웨어에 달려 있으며, 시스템을 지원할 올바른 구성 요소를 선택하는 것이 중요합니다. IoT 플랫폼에 포함시키는 구성 요소는 유선 또는 무선 프로토콜을 통해 다른 시스템과 인터페이스를 해야 하며, 긴 수명과 신뢰성을 보장해야 합니다.

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