특집 : IoT를 서포트하는 무선 통신 기술 특집
IoT 시장 확대를 서포트하는 Sub-GHz 무선 통신 기술

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서론

IoT 기술은 다양한 업계에서 새로운 가치를 창출하기 위한 기술로서 주목받고 있으며, 다양한 솔루션이 제안되고 있다. 모든 사물로부터 데이터를 수집하고, 데이터를 분석 · 해석 · 활용함으로써 편리성 향상 및 이상 징후의 조기 발견 · 미연 방지, 자동 제어에 활용하는 것이다. IoT 시장에서는 서비스 개발에 주목하는 경향이 있지만, 솔루션 구축에 있어서는 소프트웨어뿐만 아니라, 그 설치 및 유지보수, 도입의 용이성도 고려한 시스템이 아니라면 가치를 창출할 수 없다. 이를 뒷받침하는 코어 기술이 바로 센싱 기술 및 무선 통신 기술이며, 이러한 기술이야말로 IoT의 확대를 서포트하기 위해 꼭 필요한 것이다.

근거리 무선 통신 방식

모든 사물로부터 데이터를 수집하기 위해서는 센싱과 그 데이터를 집약하는 시스템이 필요하다. 센서는 통상적으로 여러 개가 존재하여, 온도 · 습도 · 조도와 같은 환경 데이터 및 사람 또는 기계의 움직임이나 위치, 소비되는 전력 등의 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 해석 및 분석을 위해 서버에 보존되므로, 센서에서 서버까지의 네트워크를 구축할 필요가 있다.

로옴 그룹은 다양한 근거리 무선 통신 방식에 대응할 수 있는 라인업을 구비하고 있다 (그림 1).
근거리 무선 통신에도 다양한 종류가 있으므로, 어디에 센서를 설치하고, 어떻게 동작시키는가에 따라 최적의 방식을 선택할 필요가 있다. 또한, 접속성을 배려할 필요가 있으므로 하기의 항목을 염두에 두고 라인업화를 추진하고 있다.

  1. 통신 프로토콜이 국제 규격으로 규정되어 있을 것
  2. 고객의 어플리케이션 (용도)에 따라 최적의 무선 방식을 제공할 것
  3. 전파법 인증 (공사 설계 인증)은 모듈로 취득하여, 세트 설계의 공수를 삭감할 것

그림 1 : 로옴 그룹 근거리 무선 통신 디바이스 라인업
그림 1 : 로옴 그룹 근거리 무선 통신 디바이스 라인업

로옴 그룹은 무선 통신 LSI 및 무선 모듈의 제품화를 통해 고객의 요구에 세밀하게 대응할 수 있다. 고주파 패턴 설계가 가능한 고객용으로는 무선 통신 LSI 단품으로 제공이 가능하다. 또한, 설계 공수 삭감이 필요하거나 무선 도입 경험이 없는 고객용으로는 모듈로 제공이 가능하다. 특히 모듈의 경우, 소프트웨어 내장, 안테나 내장품 (전파법 인증 완료)의 제품화에 주력하고 있어, 고객측에서 고주파 설계를 하지 않아도 된다는 이점이 있다.  어플리케이션 (용도)에 따라 최적의 제안이 가능한 라인업을 통해 고객의 요구에 세밀하게 대응함으로써, 다양한 IoT 기술 활용 아이디어의 구현화에 기여한다.

또한, 무선 통신 주파수에 대해서도 2012년에 전파법 개정을 통해 허용된 920MHz대 (이하, Sub-GHz 대역)에 적용 가능한 라인업을 구비하고 있다. Sub-GHz 대역 주파수를 사용하는 무선은 하기의 세가지 특징으로 향후 적용 어플리케이션의 확대가 크게 기대되는 기술이다.

  1. 2.4GHz 대역 대비, 전파의 회절 · 회입 특성이 우수하여 통신 가능 영역이 넓다.
  2. 2.4GHz 기기의 영향을 받지 않으므로, 혼신 (混信)의 우려가 없다.
  3. 공장 설비 및 전자레인지 등 2.4GHz 대역에서 외부 노이즈의 영향이 적다.

그러면 로옴이 추진하는 Sub-GHz 무선 통신을 몇 가지 소개하고자 한다.

스마트미터에 채용된 Wi-SUN 통신

「Wi-SUN」이란 Wireless Smart Utility Network의 약자로, 최대 약 1km 정도의 거리에서 상호 통신을 실행하는 저전력 무선 통신 규격이다. 물리층 IEEE802.15.4g, MAC층 IEEE802.15.4e로 규격화되어 있으며, 스마트미터 (차세대 전력량계)용 무선 방식으로서 인증받고 있다. 또한, 스마트미터 및 가정용 에너지 관리 시스템 (HEMS)과, 가전제품 등을 연계하는 Home Area Network용으로 「Wi-SUN HAN」도 책정되어 있으며, 2016년 4월부터 전력 자유화에 따른 스마트미터의 설치 확대에 따라, 컨트롤러 기기에 대한 탑재가 추진되는 무선 통신 방식이다 (그림 2). 
기존에는 제조사에 의존하던 가정내 기기의 연계를 오픈된 통신 규격으로 실현할 수 있어, 소비자는 제조사에 상관없이 편리성을 누릴 수 있다.

그림 2 : Wi-SUN 통신의 적용 사례
그림 2 : Wi-SUN 통신의 적용 사례

스마트미터를 중심으로 한 Wi-SUN 통신에는 전력회사에서 스마트미터까지의 A루트, 스마트미터에서 건물까지의 B루트, 건물 내 HAN 등이 규격화되어 있다. 로옴은 일찍이 Wi-SUN 통신 대응 무선 통신 모듈을 제품화하였으며, 관련 제품이 스마트미터 및 게이트웨이에 채용되고 있다. 일본 국내 전파법의 인증 취득뿐만 아니라, Wi-SUN 얼라이언스가 운영하는 상호 접속 시험의 기준기 인증도 취득 (CTBU : Certified Test Bed Unit)하여, 안심하고 도입할 수 있는 디바이스이다. Wi-SUN B루트에 대응 가능한 BP35A1을 이미 양산화하였으며, 차세대 제품으로서 Wi-SUN B루트 / HAN에 모두 대응하는 BP35C0, BP35C2의 샘플 출하를 개시하였다. BP35C0은 소형화를 추구한 면실장 타입, BP35C2는 USB 동글타입으로, USB 포트를 탑재한 기존 게이트웨이에서 하드웨어를 변경하지 않고도 Wi-SUN 통신을 실현할 수 있다 (그림 3).

ROHM Wi-SUN Module Lineup
Part No. Form Factor Features Compatible Stack Status
BP35A1 Built-in antenna;
includes SMA connector
for external antenna
B Route In production
BP35C0 Compact surface mount package Dual
(B Route/HAN)
Sample shipment
BP35C2 USB dongle Dual
(B Rounte/HAN)
Sample shipment

그림 3 : Wi-SUN 통신 대응 모듈 제품 라인업

Battery-less 센서를 실현하는 EnOcean 통신 모듈

로옴은 Wi-SUN과 같이 Sub-GHz 주파수 대역을 채용한 Battery-less 무선 통신이 가능한 EnOcean 통신 모듈도 판매중이다. 무선 센서의 설치를 위해서는 전원 (배터리) 공급 과제 및 배터리 교환 운용 과제도 있으므로, Battery-less의 센서노드를 설치하면 설계 공수 삭감, 유지보수 불필요를 실현할 수 있는 기술로서 다양한 어플리케이션에서의 검토 및 채용이 추진되고 있다 (그림 4).

그림 4 : Battery-less 센서노드 적용 사례
그림 4 : Battery-less 센서노드 적용 사례

초저소비전력 무선 통신 프로토콜과 에너지 하베스팅 (환경 발전) 기술을 조합한 모듈이며, 손가락으로 누른 압력을 전기로 변환하는 전자 유도 발전과 조합한 Battery-less 무선 스위치 모듈 및 소형 광발전을 구비한 무선 온도 센서 모듈, 무선 개폐 센서 모듈을 이미 판매하고 있다.

환경 발전과 조합한 Battery-less 센서노드의 경우, 모듈로서 제품 판매를 유일하게 실시하고 있는 것이 EnOcean 무선 모듈이며, IoT용 어플리케이션 개발에 적용이 추진되고 있다.

실증용 Battery-less 진동 센서 개발

로옴은 디바이스 레벨의 서포트뿐만 아니라, 어플리케이션 개발의 서포트도 적극적으로 실시하고 있다. 센서 기기, 게이트웨이를 포함한 시스템 등은 외부 파트너사의 협력을 바탕으로 시스템 레벨의 실증 실험도 적극 추진하고 있다. 아이디어 레벨의 실증을 신속하고 손쉽게 실시하고, 그 효과를 검증해 나감으로써, IoT 시장에서의 비즈니스화를 가속시키고 있다.
하기에는 로옴에서 개발한 실증 실험용 Battery-less 진동 센서를 소개하고자 한다.

IoT 시장에서 특히 주목받고 있는 것이 공장용 센싱 솔루션이다. 독일에서 제창되고 있는 Industory4.0 및 IIC (Industry Internet Consortium) 등, 제조 현장에서의 IoT화에 대한 논의가 활발하게 진행되고 있으며, 제조 설비의 고장을 사전에 검지하는 기능도 중요한 어플리케이션 중 하나로 여겨지고 있다. 로옴은 Battery-less 무선 통신 기술을 활용하여, 제조 장치에 대한 센서 설치 실증 실험을 추진하고 있다 (그림 5). 
가속도를 검지하여 장치의 진동을 모니터링하는 시스템에서 저소비 EnOcean 무선 통신과 진동 발전 소자, 전류 발전 소자 조합, Battery-less, 배선이 없는 센서노드를 구축했다. 배선 없이 센서노드를 구성함으로써 추가 탑재가 용이하고, 설치 공사 생략이 가능하여, 기존 설비에 센서 추가 시 부담이 크게 경감되어 공장 전체에서의 센서 네트워크 구축에 기여할 수 있다. Battery-less 센싱 데이터를 Wi-SUN 통신으로 중계하여, 광대역에서 무선 통신을 실행하기 위한 네트워크화도 가능하다. 이처럼 무선 통신 모듈 라인업을 풍부하게 보유한 로옴 그룹이기 때문에 가능한 솔루션이라고 할 수 있다.

그림 5 : Battery-less 진동 센서 Demo기 개발 사례
그림 5 : Battery-less 진동 센서 Demo기 개발 사례

이전부터 추진해온 온도, 습도 등의 환경 센싱과 더불어, 진동 센싱을 시스템 통합함으로써 공장의 관리 및 감시에 필요한 센서 네트워크의 구축이 가능하여, 제조 현장에서의 공정 개선에 크게 기여할 수 있다. 개발한 Demo 환경을 활용하여, 제조 장치에 대한 설치를 추진하고 데이터를 취득함으로서 향후 해석 및 분석을 통해 예방 보전을 실현하는 알고리즘 개발을 위한 빅데이터 취득을 실시할 예정이다. 로옴의 자사 공장뿐만 아니라, 파트너사인 고객 공장에서도 실증 설치를 실시하여, 센서 네트워크 솔루션의 부가 가치인 데이터 분석으로 연결시킬 계획이다.

결론

이와 같이 로옴 그룹에서는 LSI 디바이스에서 모듈, 실증용 실험기 개발을 통해 고객이 요구하는 과제 해결에 최적인 솔루션을 제안할 수 있다. 또한, 자사뿐만 아니라, 파트너사의 협력을 바탕으로 향후 한차원 높은 솔루션 개발을 통해 고객의 비즈니스 상의 과제 및 사회의 과제 해결에 기여해 나갈 것이다.

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