IoT 디바이스 인터넷 방식, 제품 성패 갈라
와이파이·블루투스, 높은 대중성에 설계 용이
이동통신망 중 LTE CAT-M 이용률 증가 중


온라인 콘텐츠를 즐기기 위해서는 이동통신, 와이파이 또는 이더넷으로 인터넷에 연결되어야 한다. 이러한 연결 방식은 소비자 제품 분야에서 이미 광범위하게 적용되고 있으나, IoT 에지 노드(Edge node)는 그만큼 많이 연결되어 있지 않다.

에지 디바이스는 이메일을 확인하거나 동영상 스트리밍 용도로 사용되지 않아 소비자 제품에서 요구되는 높은 데이터 전송률이 필요하지 않다.

IoT 솔루션은 대개 수백 개에서 수천 개에 이르는 커넥티드 에지 디바이스로 구성되어 있으며, 이에 따라 비용이나 전력 관리 등 일반적인 설계상의 제약도 가중된다. 이 정도 규모에 이르게 되면, 인터넷 연결 방식 자체가 해당 제품의 성패 여부를 결정지을 수 있다.

IoT 애플리케이션에서 사용되는 가장 일반적인 유형의 연결 방법들의 각 옵션을 비교해 보고, IIoT(Internet of Things) 설계에서 인터넷(Internet) 연결을 어떻게 구현할 것인지 결정하자.


첫 번째, 이더넷(Ethernet)
이더넷은 사물을 인터넷에 연결하는 빠르고 안정적인 방식이다. 산업 및 빌딩 자동화에 흔히 사용되는 이더넷은 특히 동일 네트워크에 다수 노드가 연결된 시스템에서 빛을 발한다.

이더넷은 유선으로 연결되어 있어 안전성이 매우 높다. 또한, PoE(Power over Ethernet)를 통해 이더넷 케이블로 디바이스에 전원을 공급하는 기능도 있어 별도의 전원 모듈이 필요하지 않다.

그러나 하드와이어링(Hardwiring) 방식은 설계에 반영하기가 상당히 어렵고 모든 애플리케이션에 적합하다 할 수 없다.

이더넷으로 연결된 노드는 라우터에 근접해 있어야 한다. 가정 자동화, 빌딩 자동화 등의 근거리 애플리케이션조차도 이더넷 케이블의 부피가 상당히 크기 때문에 배선 매립과 관리가 매우 어렵다.

현대식 건물은 공사 과정에서 조명 자동화 시스템을 직접 연결하여 설치하지만, 애초 설계에 이더넷 기반 IoT가 반영되지 않은 건물에 이더넷 IoT 시스템을 나중에 설치하는 일은 불가능한 경우가 많다.


두 번째, 와이파이(Wi-Fi®)
와이파이는 수많은 주요 디바이스에서 지원되며, 이더넷이 갖는 배선 제약에 구애되지 않는다. 이렇게 널리 보급되어 있음에도 불구하고 임베디드 설계에 와이파이 기능을 추가하는 작업은 복잡하다.

와이파이는 빠르고 무선 접속이 가능하다는 점에서 매력적이지만, 보안이 취약하고 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 따라서 와이파이 기반 IoT 설계는 보안, 전력, 비용 등 세 가지 요인 사이에 적절한 균형이 필요하다.

이런 장애물을 극복하기 위해서는 IoT에 최적화된 와이파이 모듈을 적용해야 한다. 이런 모듈을 사용하면 설계가 간단해져 개발 시간을 절감할 수 있다.

마이크로칩의 ATWINC1500 등과 같은 모듈은 필요한 인증을 모두 마쳤으며 보안 프로토콜을 지원하고 배터리 방식의 디바이스에 최적화되어 있어 비용과 전력 소모 측면에서 문제없이 와이파이 연결이 가능하다.


세 번째, 저전력 광역 통신망(LPWAN)
IoT 애플리케이션 상당수가 환경 모니터링 등과 같은 광역 애플리케이션 분야에 활용되고 있다. 환경 모니터링에 IoT를 활용하면 시골, 해안 지역뿐 아니라 일반적으로 접근하기 힘든 지역까지 모니터링할 수 있다는 장점이 있다.

문제는 모니터링 대상 장소가 대체로 시골이나 해안, 그 외 접근이 힘든 지역에 있다는 점이다. 예를 들어 마리아나 해구에 떠 있는 디바이스를 급속 충전하거나 모하비 사막에서 와이파이를 연결하는 것은 불가능하다.

저전력 광역 통신망의 통상적인 적용 범위는 약 10km를 상회한다. 데이터 전송 속도는 매우 느리지만, IoT 솔루션에 이메일 확인이나 동영상 스트리밍이 포함되어 있지 않는 한 전송 속도가 고속일 필요는 없다.

저전력 광역 통신망이 주로 농업이나 원격 애플리케이션에 적용되고 있지만, 두 분야에만 국한된 전용 기술은 아니다. 도시 지역에서의 활용도가 증가하고 있고, 북미의 경우 경매 전문 회사가 북미 최대 규모의 상용 IoT 시스템을 구축하여 경매장 차량을 트래킹(Tracking)하고 있다.

널리 사용 중인 LPWAN 프로토콜에는 ‘Long Range’의 앞글자를 따서 LoRa®로 명명한 LoRaWAN™과 시그폭스(Sigfox) 두 가지가 있다. 두 가지 프로토콜 간 차이점 중 하나는 비용이다.

시그폭스는 가입 기반 서비스로 셀룰러와 유사한 방식으로 운영된다. 시그폭스 서비스가 제공되는 지역이라면 현지 서비스 제공업체를 통해 가입하여 연결할 수 있다.

LoRaWAN은 통신망을 자가 설치(DIY 네트워크)하면 요금을 내지 않아도 되지만, 대부분 개발자는 현지 통신업체를 통해 사용량 기반의 요금을 내고 LoRa 게이트웨이 인프라를 활용하는 쪽을 선택한다.


네 번째, 이동통신(Cellular)
이동통신의 통신 가능 범위는 아주 외딴 시골이나 오지를 제외한 전 세계를 포함한다. 이렇게 큰 범위가 필요한 임베디드 시스템의 경우 이동통신이 유일한 옵션인데, 문제는 비용이다.

구축 전에 통신사를 거쳐야 하고, 정부의 규제 관련 승인 없이는 자체적으로 네트워크를 만들 수도 없다. 이동통신망이 갖는 광대한 서비스 범위라는 장점보다 임베디드 컴포넌트의 비용과 노드별 통신사 가입 비용이 더 큰 경우가 많다. 즉, 사물을 연결하기 위해 사용하는 이동통신망과 매달 내는 통신비는 구분되어야 한다.

이 가운데 IoT 전용 이동통신망이 저전력 광역 통신망의 경쟁 상대로 부상하고 있다. IoT 전용 이동통신망 중에서 특히 LTE CAT-M(Machine)의 이용률이 증가하고 있다. 이동통신 요금제의 경우 상당히 비쌀 수 있지만, 현재 CAT-M 요금제는 5MB당 월 7달러 정도에 형성되고 있다. 그 외에 이동통신망을 통한 IoT 연결 방식으로 CAT-0, CAT-1, 새로 출시된 NB(Narrow Band; 협대역)-IoT 등이 있다.

최근 상용화된 5G가 IoT 혁신을 주도할 것이란 기대가 커지고 있다. 빠른 속도 때문에 IoT 전용 통신망보다 가격대는 높지만, 자율주행 차량 등과 같은 첨단 IoT 애플리케이션이 더욱 발전할 수 있을 것이다. 5G는 LTE나 3G만큼 널리 퍼져 있지는 않지만 커버리지를 계속 확대하고 있다. 업계에선 향후 5년 이내에 전 세계 인구의 20%가 5G를 사용하게 될 것으로 예상하고 있다.


다섯 번째, 위성통신(Satellite)
이동통신망의 통신 가능 범위는 인구 분포 지역을 대부분 포함하고 있지만, 오지나 광활한 황무지에 있는 사물을 연결해야 한다면 어떻게 해야 할까?

위성통시은 이동통신 서비스가 미치지 못하는 지구상의 외딴 지역을 대상으로 한 운송 물류 서비스 등과 같은 IoT 애플리케이션에 적용된다. 위성 기술이 발전하면서 상황이 바뀌겠지만 위성 IoT 애플리케이션 개발은 아직 다른 방식만큼 접근성이 좋지 않다.

위성군(Satellite Constellation)은 상당수가 국방용으로 지정되어 있으나, 이리듐(Iridium®)이나 오브콤(ORBCOMM®)과 같은 기업에서 모듈을 구매할 수 있다.


여섯 번째, 블루투스(Bluetooth®)
블루투스는 우리에게 친숙한 기술이다. 블루투스 클래식(Bluetooth Classic)과 블루투스 저전력(Bluetooth Low Energy; BLE) 두 가지 모두 최대 범위는 100ｍ가 넘지만, 일반적으로 기기간 거리가 몇 미터 정도를 넘지 않으면 적용된다. 저전력 기술로서, 서비스 지원이 광범위하고 신속한 페어링이 가능하여 소비자 제품에 적합하다.

와이파이와 달리 블루투스는 인터넷에 직접 연결되지 않는다. 인터넷에 연결하려면 게이트웨이를 설정해야 한다. 자체 게이트웨이 설정은 어려운 작업일 수 있지만, 와이파이에도 연결되는 모바일 디바이스에 연결하는 정도로 쉽게 설정할 수 있다.

최근 업데이트된 블루투스 5.0 버전은 전송 범위가 확장되어 가정용 네트워크에도 사용할 수 있다. 블루투스 클래식과 BLE는 서로의 거리가 몇 미터 정도에 불과한 기기를 연결하는 데 주로 이용되는 반면, 블루투스 5.0은 집 전체를 커버할 수 있다. 이렇게 범위가 넓어지면서 블루투스는 가정 자동화, 조명 및 산업용 애플리케이션의 영역으로 진출하고 있다.


추천 제안
이와 같은 연결 방식의 차별화는 실행의 용이성 자체를 기준으로 한다. 와이파이나 블루투스같이 흔히 사용되는 네트워크는 IoT 설계를 평가하고 분석하기에 가장 쉬운 방법이라고 할 수 있다. 자체 게이트웨이를 구축하거나 통신사에 요금을 낼 필요가 없기 때문이다.

소비자는 여러 와이파이 및 블루투스 프로토타이핑 모듈을 사용할 수 있으며, 이들 모듈은 오픈 소스 코드 및 프로그래밍을 위한 사용 설명서가 함께 제공된다. 연결 모듈을 사용하면 설계 유연성을 높일 수 있어 연결 모듈 사용을 추천한다. 도중에 다른 네트워크로 바꿔서 설계를 진행해야 할 때는 처음부터 다시 설계할 필요 없이 모듈만 교체할 수 있다.


설계 프로세스 단순화
인터넷 연결은 IoT 설계의 여러 가지 구성 요소 중 하나일 뿐이다.

IoT 시스템은 스마트, 커넥티드, 보안의 세 가지 항목으로 구성된다. 이는 세 가지 전기 구성 요소, 즉 MCU, 연결 모듈 및 보안 요소가 필요하다는 뜻이다. IoT 설계의 과제는 이러한 세 가지 구성 요소의 통합에서 비롯된다.

마이크로칩의 AVR-IoT WG 개발 보드는 간소화된 와이파이 개발 플랫폼으로, 구글 클라우드의 IoT 플랫폼에 안전하게 연결할 수 있도록 사전 구성되어 있다. 하나의 보드에 보안 요소, 와이파이 컨트롤러, MCU가 모두 장착되어 있으므로, 기본적인 설계 작업의 상당 부분을 생략하고 IoT 제품을 빠르게 시장에 출시할 수 있다.

아두이노 우노 와이파이(Arduino Uno WiFi) Rev 2 또한 스마트, 커넥티드 및 보안 요소를 제공한다. 아두이노는 다양한 설명서와 오픈 소스 코드를 온라인으로 제공하는 프로토타이핑 커뮤니티(Prototyping Community)를 운영하고 있다.

마이크로일렉트로니카 클릭 보드(MikroElektronika Click Boards™)는 AVR-IoT WG 개발 보드에 직접 연결하거나 아두이노 우노 와이파이 Rev 2용 실드를 통해 연결하는 빠른 프로토타이핑 모듈이다.

다양한 LoRa 모듈과 블루투스 모듈을 비롯해 여러 가지 연결 클릭 보드를 사용할 수 있는데, 이들 클릭 보드는 프로토타이핑 단계에서 IoT 설계에 연결 기능을 추가하기에 좋은 방법이다.

아두이노와 AVR-IoT WG 개발 보드 등과 같이 사용하기 쉬운 툴 덕분에 IoT 디바이스 구축 작업이 그 어느 때보다 더 쉬워졌다.

임베디드 개발자, 제작자 혹은 단순히 호기심 많은 전자제품 블로그 팔로워이든 상관없이 누구나 IoT 네트워크를 구축할 수 있다.

세상이 갈수록 긴밀하게 연결되고 있는 가운데 이렇게 강력한 접근성을 통한 가능성은 기존과 다른 새로운 방식으로 연결성을 계속 발전시킬 것이다.



이 기사는 마이크로칩테크놀로지의 제품 마케팅 엔지니어인 레이첼 베더(Rachel Beddor)의 "Six Ways to Put the 'I' in 'IoT'"라는 제목의 글을 정리한 것입니다.