“Matter, IoT 디바이스 개발·선택 유연성 확장”

스마트 홈 솔루션 매끄럽게 상호연결 설계
보더 라우터 통한 Matter+SoM 기반 증가

 

IoT(사물 인터넷)가 우리가 디바이스와, 세상과, 그리고 심지어 집과 상호작용하는 것에 있어서 일대 변화를 가져오고 있다.

오늘날 첨단 스마트 홈은 조명, 제어 패널, HVAC(난방, 환기, 공조), 보안 시스템 같은 다수의 지능적인 디바이스들을 포함한다.

그런데 이들 각각의 디바이스가 제조사가 다를 수 있다. IoT가 가속화함에 따라서 스마트 홈 시장을 놓고 다수의 커넥티비티 표준들이 경쟁이 치열해졌으며, 블루투스 저에너지(BLUETOOTHⓡ Low Energy), 와이파이(Wi-Fiⓡ), 쓰레드(Thread)가 우세한 입지를 다지게 되었다.

하지만 가장 주류적인 RF 프로토콜들조차도 상호운용이 불가능함으로써 매끄럽게 상호연결된 스마트 홈 솔루션을 설계하기가 어려웠다.

■ Matter 소개

서로 경쟁 관계인 RF 프로토콜들 때문에 디자이너와 소비자들이 직면한 상호운용성 문제를 해결하기 위해서 테크 기업들이 CSA(Connectivity Standards Alliance)를 통해서 단결해서 Matter라고 하는 표준을 개발하게 되었다.

Matter는 프로토콜 스택으로 통일된 애플리케이션 층을 추가함으로써 쓰레드, 와이파이, 유선 이더넷 프로토콜 같은 기존 스마트 홈 기술들과 함께 작동할 수 있다.

그럼으로써 스마트 홈 디바이스들이 보안적이고 신뢰하게 서로 통신할 수 있도록 한다.

Matter 표준은 각기 다른 RF 무선 프로토콜을 사용하는 디바이스들 사이에 좀더 매끄러운 인터페이스를 가능하게 하고, 디자이너와 소비자들을 위해서 유연성을 높이고 선택폭을 넓힌다.

■ 스마트 홈 프로젝트

스마트 홈의 핵심을 이루는 장비가 라우터이다. 라우터가 인터넷 접속을 가능하게 하고, 각기 다른 네트워크를 형성하는 디바이스들 사이에 통신을 가능하게 하고, 와이파이나 유선 이더넷을 통해서 디바이스들을 연결한다.

이 글에서는 Microchip Technology의 SAMA5D27 평가 키트를 사용해서 IoT 보더 라우터를 설계하는 혁신적인 스마트 홈 프로젝트로 Matter를 어떻게 통합할 수 있는지 보여준다.

이 키트는 SAMA5D27 베이스보드에다 SAMA5D27 SoM1(systems-on-module)을 탑재했으며, 이 SoM으로는 SAMA5D27 SiP(시스템-인-패키지)를 탑재하고 있다.

이 SoM으로 리눅스 배포판 이미지를 작성해서 빌드를 완성한다.

그러면 SAMA5D27 평가 키트는 어떻게 구성되었고, SoM이란 무엇이고, SoM 기반의 스마트 홈 솔루션으로 Matter를 통합하는 것이 어떤 점에서 유익한지 알아보자.

■ SoM 기반의 접근법을 사용해서 Matter 솔루션 구현

SAMA5D27 SoM 같은 리눅스 가능 임베디드 프로세서로 Matter를 통합하면 스마트 홈 솔루션을 구현할 때 여러 가지 이점들이 가능해진다.

보더 라우터로 Matter와 SoM에 기반한 접근법의 사용이 늘어나고 있다. 보더 라우터(border router)는 외부적 인터넷과 스마트 홈 네트워크 사이에 게이트웨이 역할을 하는 것으로서, 블루투스 무선 기술을 사용해서 디바이스들을 등록할 수 있으며 내부적 네트워크를 보호하기 위한 보안 층을 구현할 수 있다.

SAMA5D27 평가 키트는 최대 500MHz로 실행되는 Armⓡ Cortexⓡ-A5 32비트 프로세서를 제공한다.

이 프로세서는 SAMA5D27 SoM1에 탑재된다(그림 1). 이 SoM으로 A5 프로세서와 함께 다음과 같은 일련의 주변장치들을 제공한다.

- Armⓡ Cortexⓡ-A5 프로세서와 부동소수점 및 SIMD 유닛
- 전원 관리
- 1GB의 DDR
- 64Mb의 QSPI 플래시
- 10/100BASE-T 이더넷 PHY
- 103개 I/O. 이들 I/O를 프로세서의 I/O로 연결. SPI, I2C, UART, CAN, SDIO, 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 인터페이스 지원
 

▲그림 1 : Microchip Technology의 SAMA5D27 SoM1 시스템 온 모듈(system-on-module)(출처: Mouser Electronics)

■ SoM이란 무엇인가?

SoM은 빠르게 인기가 높아지고 있는 기법으로서, 개발 시간 및 위험성을 낮추도록 한다.

기본적으로 말해서 SoM은 특정한 시스템 기능들을 단일의 모듈로 통합한 보드 차원의 회로라고 할 수 있다.

여기에는 전원, 클로킹, 휘발성 및 비휘발성 메모리들을 포함한다. 또한, SoM을 특정 용도의 캐리어 카드로 연결할 수 있도록 I/O 라인들을 구분한다.

SoM이 시스템의 핵심을 이루고, 이것을 중심으로 나머지 솔루션을 개발한다. 잘 설계된 SoM 기반의 솔루션은 개발자로 하여금 일련의 것들을 가능하게 한다.

■ SoM을 사용함으로써 이점

SoM 기반의 솔루션을 사용할 때 가장 큰 이점은, 개발자가 기술적 위험성을 낮추고 솔루션 TRL(Technology Readiness Level: 기술 준비 수준)을 높일 수 있다는 것이다.

프로젝트 팀이 TRL을 사용해서 자신들의 시스템으로 기술 부품들의 성숙도를 측정해서 1부터 9까지 등급으로 구축 작업을 위한 준비 수준을 평가할 수 있다. 9등급이 기술이 가장 성숙하고 위험성이 가장 낮은 것이다.

SoM을 사용하는 것은 개발자들에게 TRL 5에 해당되는 솔루션을 제공한다. SoM 업체가 SoM을 설계하고, 테스트하고, 검증을 한 후에 판매한다. 그러므로 개발자들은 부가가치를 높이기 위한 캐리어 카드 디자인에 집중할 수 있다. 

물리적 하드웨어와 함께, SoM 업체들이 개발을 지원하기 위한 툴들을 제공한다. 이러한 것으로서 리눅스 운영 체제, 스키매틱, SoM을 캐리어 카드 상으로 어떻게 설계할지 설명하는 사용자 가이드, 개발에 사용할 수 있는 예제 프로젝트 및 디자인 같은 것들을 들 수 있다.

또한 개발자들이 상업적으로 출시된 SoM을 사용해서 프로젝트 개발 시간을 크게 단축할 수 있다. 처음부터 SoM을 사용해서 개발 작업을 시작할 수 있기 때문이다. 더 높은 TRL 수준의 애플리케이션 회로를 사용할 수 있으므로 총 엔지니어링 비용을 낮출 수 있다. SoM이 검증된 디자인을 제공하므로 소프트웨어 작업을 덜 필요로 한다.

Matter와 SoM에 기반한 접근법을 사용함으로써 마케팅 측면에서도 유리하다. 남보다 앞서 시장에 진출하고, 시장을 선점하고, 더 높은 수익을 거둘 수 있는 것이다. 그럼으로써 또한 개발자들로 하여금 다음 세대 제품이나 현재 구축되어 있는 장비들에 대한 필드 업그레이드를 더 일찍 계획할 수 있도록 한다.

■ 개발 보드

Microchip Technology는 SAMA5D27 SoM1을 사용해서 평가 작업을 하고 빠르게 개발 작업에 착수할 수 있도록 돕기 위해서 평가 키트를 제공한다. 이 평가 키트는 베이스보드에다 SoM1을 탑재하고 있으며, 그 외에도 개발자들이 SoM1 기능을 평가해볼 수 있도록 다수의 주변장치들을 포함한다. 다음과 같은 것들을 들 수 있다.

- 이더넷
- Digilent Pmod™ 인터페이스
- SD 카드
- 2개의 mikroe Click™ 소켓. SPI, I2C, PWM, 시리얼 인터페이스를 통해서 통신 가능
- 디버그
- 범용 I/O
- USB
- CAN

또한 USB로 연결할 수 있는 온보드 J-Link 디버거를 통해서 디버깅 기능을 제공한다. 이러한 주변장치들을 제공하므로 개발자가 애플리케이션 개발 시의 위험성을 낮출 수 있다.

■ 운영 체제

하드웨어로부터 최대의 성능을 끌어내기 위해서는 운영 체제(OS)가 필요하다. 이 경우에는 리눅스이다. Ubuntu나 OpenThread 같은 널리 인기를 끄는 리눅스 배포판을 사용해서 선택한 OS를 SoM1으로 손쉽게 컴파일하고 구축할 수 있다.

그러기 위한 가장 먼저 할 일은 리눅스 머신 또는 가상 머신을 사용하는 것이다. 여기로 다음과 같은 필요한 소스 코드를 복제할 수 있다.

- at91bootstrap 부트로더
- U-Boot 이차 스테이지 부트로더 소스
- Ubuntu 소스

이렇게 하면 Ubuntu 커널과 부트로더가 빌드 된다. 리눅스 파일 시스템(흔히 rootfs라고 함)과, SoM1의 프로세서 및 주변장치들과 개발 보드의 구성을 기술하는 디바이스 트리도 OS 이미지에 포함시켜야 한다.

빌드 아티팩트와 rootfs를 사용해서 이 이미지를 파티셔닝 된 SD 카드에다 쓸 수 있다. 이미지를 SD 카드에다 쓴 다음에는, 이것을 사용해서 SoM1을 부트 할 수 있으며, Ubuntu 리눅스 배포판 부트로 로그인을 할 수 있다. 로그인을 한 다음에는 사용자가 목표 애플리케이션을 개발하는 것을 시작할 수 있다. 이것은 단순한 "hello world"일 수도 있고, 아니면 Matter를 채택한 스마트 홈 애플리케이션에 사용할 복잡한 IoT 보더 라우터일 수도 있다.

■ Matter 표준 통합

운영 체제를 맞춤화하고 SoM으로 구축한 다음에는 개발 팀이 애플리케이션을 빌드할 수 있다. 디바이스 등록에는 블루투스 무선 기술을 사용한다. 그러므로 와이파이와 이더넷은 고대역폭 애플리케이션에 사용할 수 있다. 쓰레드는 메쉬 네트워크로서 저대역폭 통신에 사용할 수 있다. GitHub로 들어가면 Matter를 빌드하기 위한 소스를 이용할 수 있다. SoM으로 OS를 실행할 수 있게 되었으면 스마트 홈 솔루션 개발자들이 개발 작업을 시작할 수 있다.

■ 맺음말

스마트 홈으로 각기 다른 RF 프로토콜들로 인해서 디자이너들과 소비자들이 직면한 상호운용성 문제를 극복하기 위해서 Matter 표준이 개발되었다. Matter는 서로 다른 무선 프로토콜을 사용하는 디바이스들 사이에 매끄러운 통신을 가능하게 한다. 그러므로 디자이너들과 소비자들을 위해서 유연성을 높이고 선택폭을 넓힌다. SAMA5D27 SoM1으로 채택하고 있는 것과 같은 리눅스 가능 임베디드 프로세서에다 Matter를 통합함으로써 스마트 홈 IoT 보더 라우터 솔루션을 개발할 때 많은 이점들이 가능해진다. SoM 기반의 접근법을 사용함으로써 기술적 위험성을 최소화하고, TRL을 높이고, 개발 시간과 수고를 줄일 수 있으며, 마케팅 측면에서는 시장에 먼저 진출하고, 시장을 선점하고, 더 높은 수익을 거둘 수 있다.

※ 기고자
글 : 아담 테일러(Adam Taylor)

제공 : 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

아담 테일러(Adam Taylor)는 임베디드 시스템 교수이자, 엔지니어링 리더이자, FPGA/시스템온칩 및 전자 설계의 세계적으로 인정받는 전문가이다.