센서에서 클라우드로 게이트웨이 구축

센서에서 클라우드로 게이트웨이 구축

듕 당(Dung Dang)
퓨니아 프라카쉬(Punya Prakash)
SimpleLink™ MSP432™ MCU / 텍사스 인스트루먼트

 

HIS 마킷에 따르면, 2025년까지 사물인터넷(IoT)은 750억 개의 사물을 연결한다. IoT 시장의 진화는 20세기 후반 및 21세기의 PC 및 휴대폰 시장을 동반 성장시켰다.

이 시장들이 시간이 지남에 따라 발전했지만 기본 요구사항은 명확했다. 이는 동적으로 세분화된 IoT 영역에서는 그렇지 않다. 새로운 커넥티비티 표준들이 시각의 수렴 없이 계속 등장하고 있고, 대부분이 유선 프로토콜로 이루어진 수 십 년 된 인프라를 가진 레거시 시스템도 이 새로운 IoT 영역에서 상호 운용하기 위해 개량이 필요하다.

고릿적 커넥티비티 표준들에도 불구하고, 엣지 노드(IoT에서의 사물)의 수는 점점 더 스마트하고 지능형 센서 및 액추에이터와 함께 증가할 것이며, 최종 고객사, 서비스 공급사, OEM사 등을 비롯한 전체 에코시스템에게 이익을 준다. 예를 들어, 산업용 시스템에서 완제품은 원격 센서들과 다른 완제품들, 중앙 관리 콘솔 등과 통신하며 신뢰성과 생산성을 향상시킬 수 있다.

이러한 센서들을 모아 인터넷에 연결하는데 필요한 복잡한 통신 표준들은 750 억 개의 단위 시장(그림 1)을 실현시키는 데 가장 큰 장애물이다. 유비쿼터스 클라우드를 창출하려면 가변 통신 프로토콜을 가진 디바이스들이 풀 이더넷 또는 와이파이(Wi-Fi)® 인터페이스 및 이에 수반되는 프로토콜 스택 없이도 연결되고 협력되어야 한다. LAN 커넥티비티 디바이스들을 인터넷에 연결된 서버 네트워크에 연결시키는 게이트웨이라면 이를 현실로 만들 수 있다.

그림 1: 지능형 게이트웨이는 750 억 개의 엣지 노드들을 관리하고 클라우드에 연결시킬 수 있다.

게이트웨이는 클라우드 서비스 공급자들이 정의한 표준 프로토콜들을 통해 IoT 에이전트들을 클라우드 서버와 상호 작동하게 만든다. 또한 게이트웨이에 지능을 더하면 공유 프로세싱 자원을 이용할 수 있어 IoT 디바이스의 설계를 간소화할 수도 있다. 

더욱 스마트해진 센싱 능력은 IoT 트렌드를 뛰어넘는 규모를 가져오지만, 본 글에서는 스마트 산업 게이트웨이 개념을 소개함으로써 750 억 개 이상의 엣지 노드들을 클라우드에 연결하는 것과 관련된 인프라 문제 해결에 초점을 맞추고자 한다. 튼튼하고 상호작동 가능한 게이트웨이 솔루션을 통해, IoT 개발자들은 IoT 솔루션을 차별화하는데 더 많은 에너지를 쏟을 수 있다.

커넥티비티 문제 
IoT 기술은 자동화, 시스템 신뢰성, 중앙 집중식 관리 등을 위해 최종 장비를 연결했을 때 얻게 되는 이점 덕분에 산업용 애플리케이션 분야에서 발전했다. 이러한 진전은 주거 및 상업용 난방, 환기, 공기조절(HVAC)과 건물 보안 시스템, 공장 자동화, 그리드 인프라 에너지 관리, 모니터링 네트워크 등 여러 산업 부문들에 걸쳐 뚜렷하게 나타나고 있다. 

IoT 설계의 가장 큰 문제는 커넥티비티이다. 튼튼하고 안전한 인터넷이나 WAN 접속을 구현하는 것은 대다수 설계자들의 경험 범위 밖에 있다. 문제를 복잡하게 만들려면, 처리 능력이 제한된 복수의 디바이스들에 대한 액세스를 지원하고 전체 시스템 비용이나 전력 효율에 부정적인 영향을 미치지 않는 방식으로 커넥티비티를 추가하면 된다.

게이트웨이가 지원해야 하는 엔드 포인트들의 다양함 또한 설계 문제를 야기한다. 압력 센서 같은 단순한 노드를 인터넷에 직접 연결하는 것은, 특히 그 노드가 자체 프로세서를 가지고 있지 않을 경우 더 복잡해지고 비용이 많이 들 수 있다. 다양한 유형의 완제품들이 서로 다른 인터페이스를 지원하고 있기 때문에, 이질적인 노드 세트에서 데이터를 수집 및 통합하려면 다양한 처리 능력과 인터페이스로 일정하고 꾸준하게 연결해야 한다.

게이트웨이는 원시 센서의 가변 전압, 인코더의 I2C(Inter-Integrated Circuit)를 통한 데이터 스트림 또는 블루투스(Bluetooth)®를 통한 기기의 정기 업데이트인지에 상관 없이 노드들이 기본적으로 연결하는 방식들을 지원함으로써 “사물”의 네트워킹을 간소화할 수 있는 명쾌한 방법을 제공한다.

게이트웨이는 서로 다른 소스 및 인터페이스들의 데이터를 통합하고 그것을 인터넷에 연결함으로써 디바이스들의 종류와 다양성을 경감시킨다. 결과적으로 개별 노드들은 연결에 필요한 고속 인터넷 인터페이스의 복잡성이나 비용을 부담할 필요가 없다. 

그림 2는 산업용 게이트웨이가 연결을 노드들로 확장할 때의 몇 가지 방법들을 보여주고 있다. 그림 2(a)에서 노드들은 게이트웨이를 통해 클라우드에 연결된다. 이 노드들 자체는 인터넷 프로토콜(IP) 기반이 아니므로 인터넷/WAN에 직접 연결할 수는 없다. 그보다는 기존의 유선 기술이나 새로운 무선 기술을 이용해 비용 효율적이고 덜 복잡한 커넥티비티 모드의 게이트웨이로 연결한다.

그림 2: IoT 게이트웨이는 IoT 기능을 게이트웨이에 집중시켜 센서 노드들의 
커넥티비티 설계를 간소화한다. 유무선 기술을 이용한 게이트웨이를 통해 
노드들이 IoT와 연결되는 경우 (a), 와이파이나 이더넷 같은 WAN 접속을 
이용해 노드들이 인터넷에 직접 연결되는 경우 (b).

게이트웨이는 노드들을 드나드는 모든 데이터를 관리하는 각 노드에 대해 IoT 에이전트를 유지한다. 이런 경우, 애플리케이션 인텔리전트 또한 게이트웨이에 위치할 수도 있다. 

그림 2(b)에서 노드는 와이파이 또는 이더넷 같은 WAN 접속을 이용해 인터넷에 직접 연결돼 있다.  게이트웨이는 주로 라우터 역할을 한다. 사실상 노드들이 자체 IoT 에이전트를 가지고 있는 경우, 스스로를 자율적으로 관리하는 라우터일 수 있다. 

전통적인 게이트웨이와 지능형 게이트웨이의 비교 
산업용 게이트웨이를 구현하는 방법에는 애플리케이션에 따라 여러 가지가 있다. 일반적인 두 가지 방식이 전통적인 게이트웨이와 지능형 게이트웨이다. 둘 다 복수의 엔드 포인트에서 데이터를 취합하여 통합 커넥티비티를 제공한다. 일반적으로 전통적인 게이트웨이는 인터넷을 통해 전송할 데이터를 정리하고 패킷화한다. 또한 양방향 통신이 유리하거나 필요한 애플리케이션에서 엔드 포인트들로 다시 데이터를 분배하는 역할도 한다.

게이트웨이는 라우터와 다르다. 라우터는 비슷한 트래픽을 관리하고 공통의 인터페이스를 공유하는 디바이스들을 연결한다. 예를 들어, 홈 라우터에 연결된 디바이스들은 모두 IP를 사용한다. 이와 비교해, 게이트웨이는 브릿지 역할을 하기 때문에, 서로 다른 종류의 트래픽을 전송하고 다양한 통신 인터페이스들의 데이터를 취합하며 이러한 스트림을 WAN을 통해 액세스하기 위한 공통의 프로토콜로 전환시킬 수 있어야 한다. 일부 디바이스들은 기본적으로 와이파이나 쓰레드 같은 IP를 사용할 수도 있지만, 일부의 디바이스들은 블루투스®나 여러 가지 Sub-1 GHz 프로토콜과 같은 비 IP 기반 프로토콜을 사용할 수 있다. 센서 노드들은 고정밀 ADC(analog-to-digital conversion)를 이용해 원시 아날로그 전압을 디지털 값으로 변환한 후 전송을 해야 할 수도 있다.

지능형 게이트웨이는 전통적인 게이트웨이의 기능을 확장하여 프로세싱 자원과 로컬 애플리케이션을 취급할 지능을 제공한다. 이는 게이트웨이가 노드에서 발생하는 작업을 수행하는 경우, 공유 프로세싱 자원의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 지능형 게이트웨이는 센서 데이터를 평가 및 필터링 할 수 있을 뿐만 아니라, 하이레벨 관리 작업을 실행할 수도 있다. 또한 센서 데이터를 평가하고 필터링 한 후, 게이트웨이는 크리티컬 쓰레스홀드의 교차를 확인하고 알람을 촉발시킨 다음, 네트워크를 통해 전달되어 해당 매니저에게 경보를 울리게 만든다.

지능형 게이트웨이를 갖추면 엣지 노드의 복잡성과 비용까지도 줄일 수 있다. 한 센서 어레이에 연결된 보안 시스템을 생각해보자. 게이트웨이에서 프로세싱을 통합시키면 엣지 노드들이 공유 자원을 활용하고, 로컬 프로세싱 시간과 유효 전력 소비를 낮추며, 궁극적으로 배터리 수명을 늘리고 비용은 절감할 수 있다.

커넥티비티를 활성화할 때에도 같은 원칙이 적용된다. IP는 보다 단순한 IoT 노드들에서 상대적으로 오버헤드가 높아 구현하기 복잡한 프로토콜이다. 대신에 단순한 노드들은 RS-485나 I2C 같은 유선 커넥티비티나 블루투스®와 같은 무선 인터페이스를 이용해 LAN에 연결할 수 있다. 또한 게이트웨이는 PAN에 접속한 후, 와이파이나 이더넷과 같은 IP 기반 WAN 인터페이스와의 커넥티비티를 각각 연결한다. 두 가지의 경우 모두 프로세싱 요건과 메모리 요건, 전력 요건이 절감된다. 노드는 비용이 적게 들고 효율적이다. 

분산 인텔리전스는 또한 새로운 애플리케이션들의 구현을 가속시킨다. 게이트웨이에서 인텔리전스를 활성화시키면 로컬 레벨에서의 상호작동성 문제를 해결하면서 기존 시스템을 개량하는데 필요한 변화를 최소화할 수 있다. 게이트웨이는 각 엣지 노드에서 완전한 인텔리전스를 요구하는 대신, 리프팅 및 대량 수치 고속 처리에 대한 중압감의 일부를 덜어줄 수 있다. 또한 게이트웨이는 여러 엣지 노드들에서 정리된 데이터를 분석하여 지능적인 의사결정을 할 수도 있다.

게이트웨이는 인터넷 액세스가 유실되거나 일시적으로 중단되었을 때 병존하는 노드들 사이에서 기본 뼈대 역할을 할 수 있다. 클라우드 없이도 견고한 로컬 커넥티비티를 유지하면 로컬 네트워크가 원래의 기능을 유지할 수 있는 신뢰도가 증가하게 된다.

게이트웨이에 인텔리전스를 추가하면, 운영자가 새로운 기능들을 통합 관리할 수 있는 또 다른 이점을 얻을 수 있다. 기술자와 운영자는 각 엣지 노드를 개별적으로 통합하고 관리하는 대신, 중앙 집중식 네트워크 관리를 위해 BMS(building management system) 같은 게이트웨이 및 시스템을 활용할 수 있다. 또한 지능형 게이트웨이는 사용자가 각 엣지 노드를 인터넷에 수동 연결할 때와 비교해, 서로 다른 노드들을 연결했을 때 발생하는 문제들을 보다 잘 처리한다.

대다수 애플리케이션에서 지능형 게이트웨이는 전담 현장 관리 또는 컨트롤 엔트포인트의 필요성을 없애줄 수 있다. 예를 들어, 통합 LCD(liquid crystal display) 컨트롤러가 있는 게이트웨이는 사용자가 노드와 직접 상호 작용할 수 있도록 유저 인터페이스를 지원할 수 있다.

아니면, 지능형 게이트웨이는 PC, 태블릿, 스마트폰을 통해 접속 가능한 웹 기반 유저 인터페이스를 제공해 사용자가 추가된 내장된 애플리케이션들에 손쉽게 접근할 수 있도록 한다. 따라서 게이트웨이는 탄력적이고 동적으로 프로그래밍 가능한 현장 컨트롤 포인트 역할을 하고, 새로운 시스템의 설치 비용을 낮추며 써드파티들에서 크게 낮춘 진입 비용으로 신기술과 디바이스들을 도입하게 해줄 수 있다.

유무선 커넥티빕티의 병합: SimpleLink™ MSP432E4 이더넷 MCU
모든 복잡성과 더불어 지능형 게이트웨이에서 다양한 커넥티비티 요건들과 산업 요건들을 충족해야 할 때, 견고하고 상호작동 가능한 게이트웨이를 개발하는 작업은 어려울 수 있다. 보안과 전체 애플리케이션 프로그래밍을 넣어 현재 배치된 시스템에 맞춰 응용하고, 새로운 커넥티비티 프로토콜들을 개선하며 엣지 노드 및 클라우드와 통합하기 위해 게이트웨이와 소프트웨어 인프라를 설계 및 구축하는 데에는 수 개월 또는 몇 번의 분기가 소요될 수도 있다.

개발자는 SimpleLink MSP432E4 이더넷 마이크로컨트롤러(MCU)(그림 3에서 설명)와 SimpleLink 소프트웨어 개발 키트(SDK)을 이용하고 첨단 통합, 무선 커넥티비티 플러그인, 통합 툴 체인을 활용해 지능형 게이트웨이 설계를 가속시킬 수 있다.

그림 3: SimpleLink MSP432E4 MCU는 산업 최고의 통합 Arm® Cortex®-M4 MCU로, 
지능형 게이트웨이를 구현하는데 필요한 통합 10/100 미디어 액세스 컨트롤러와
물리 레이어(MAC+PHY)를 가지고 있다.

SimpleLink MSP432E4 MCU는 부동소수점 기능을 가진 120MHz Arm Cortex-M4 코어에 기반하며, 10/100 이더넷 MAC와 PHY를 통합한다. PHY를 칩에 내장함으로써 컴포넌트 수(패시브 포함)가 줄어들고, 설계 복잡도가 간소해지며, 외부 신호로부터의 잡은이 줄어 전체 비용이 낮아진다. 설계에서 인쇄회로기판(PCB) 공간이 덜 필요하며, 오류 없는 통신이 100m 케이블 표준을 넘어 확대된다. 이러한 이점들이 모이면 외부 PHY를 이용하는 기존 설계보다 상당한 우위를 점하게 된다. 

설계 용이성 
SimpleLink MSP432E4 MCU의 가치는 TI의 광범위한 소프트웨어 제품 및 하드웨어 포트폴리오와 통합이다. TI의 목표는 IoT 디바이스 및 게이트웨이 설계를 가능하나 쉽게 만드는 것이다. SimpleLink SDK는 TI 실시간 운영시스템(TI-RTOS), TI 드라이버에서의 기능 추출, 대다수 애플리케이션 레벨의 미들웨어 솔루션 등을 비롯한 기초 레벨의 종합적인 소프트웨어 프레임워크를 제공한다. (SimpleLink SDK의 레이어에 관한 보다 자세한 내용은 “소프트웨어 개발 간소화로 투자수익률의 극대화” 백서 참조)

SimpleLink SDK는 커넥티비티를 간소화 해 무선 기술에 익숙하지 않은 개발자도 로우레벨 드라이버 개발 없이 블루투스®와 와이파이 같은 프로토콜을 구현할 수 있게 해준다. 그림 4처럼 SimpleLink SDK는 SDK 플러그인을 통해 확장 가능한 소프트웨어 프레임워크를 제공하여 클라우드 커넥티비티와 IoT 에이전트를 통합한다. SimpleLink SDK 플러그인이라고 하는 이러한 확장 가능한 블록들은 SDK 프레임워크의 일부로, TI 리소스 익스플로러를 통해 사용 가능하다. 

산업용 IoT 채택의 가속화
IoT의 진화는 산업 시장 전반에 걸쳐 강력하게 발생하고 있다. 제조사들은 기존 및 신규 건물, 제조 공장 또는 스마트 센서 네트워크가 있는 그리드 인프라 시스템을 추가 및 개량함으로써 IoT 네트워크를 확장하고 있다. 오늘날의 커넥티비티 솔루션의 성숙도는 개발자가 최소한의 개발 노력만 들이고도 유무선 네트워크를 도입할 수 있도록 해준다. 지능형 산업용 게이트웨이는 개발자가 클라우드로 배치하고 효과적으로 관리할 수 있는 네트워크 및 엣지 노드의 수를 크게 확대할 수 있도록 지원한다. 

TI의 SimpleLink MSP432E4 MCU를 사용하면 지능형 게이트웨이를 설계할 수 있다. 데이터 처리 및 IoT 관리 부담을 노트에서 게이트웨이로 떠넘길 수 있으므로, 노드의 복잡성을 줄이고, 전력 효율을 개선하며 시스템 비용을 크게 낮출 수 있다.

그림 4: SimpleLink SDK는 SDK 플러그인을 통해 종합적인 애플리케이션 
프로그래밍 인터페이스(API)와 네트워크 서비스, 애드온을 제공함으로써 
핵심 제품 기능의 개발을 크게 단순화시킨다.

또한 지능형 게이트웨이는 실제로 노드 및 해당 애플리케이션의 처리 능력을 증가시킬 수 있다. SimpleLink MSP432E4 MCU를 사용하면 디바이스들을 IoT와 확고하게 연결해주는 게이트웨이를 보다 쉽게 구축할 수 있다. 개발자는 다양한 종류의 엔드 포인트들과 인터페이스들을 지원하는 보안 게이트웨이를 확신을 갖고 설계할 수 있다. 또한 SimpleLink MSP432E4MCU 제품군은 에너지 소비를 최소화하고 시스템 비용은 낮추면서 에너지에 민감한 시스템의 능력은 극대화하도록 설계돼 있다. 

하드웨어와 소프트웨어를 통합하면, 개발자는 전체적으로 다시 설계할 필요 없이 간단하고 쉽게 서로 다른 디바이스들을 연결할 수 있다. SimpleLink MSP432E4 MCU 제품군은 전 범위의 프로덕션 소프트웨어와 유무선 통신 컴포넌트들의 지원을 받는다. 개발자는 TI의 SimpleLink MSP432E4 MCU를 이용해 엣지 노드에서 클라우드까지 믿을 수 있는 커넥티비티를 제공하는 튼튼하고 상호작동 가능한 산업용 게이트웨이를 구축할 수 있다.

추가 리소스 
SimpleLink MSP432E4 MCU: www.ti.com/product/msp432e411y 
데이터시트: www.ti.com/lit/gpn/msp432e411y 
SimpleLink MSP432E4 론치패드(LaunchPad)™ 개발 키트(MSP-EXP432E401Y): www.ti.com/tool/MSP-EXP432E401Y 
SimpleLink MCU 플랫폼: www.ti.com/simplelink 
SimpleLink MSP432™ SDK: www.ti.com/tool/SIMPLELINK-MSP432-SDK 
MSP432E4용 SimpleLink 아카데미 교육 모듈: www.ti.com/simplelinkacademy 
SimpleLink MSP432 E2E 포럼: e2e.ti.com/support/microcontrollers/msp430 
샘플 또는 디바이스의 주문처: www.ti.com/product/MSP432E411Y/samplebuy