어떻게 블루투스는 산업용에 맞게 더 강해졌는가

2019-03-05
글 / 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)



블루투스가 20여 년 전에 처음 나왔을 때는 주로 휴대전화 같은 컨슈머 기기용의 무선 프로토콜로 개발되었다. 하지만 얼마 되지 않아서 산업용 제어에도 활용할 수 있다는 것을 깨달았다.

주요 산업용 장비 회사들이 블루투스가 가능한 시스템을 개발했다. 낮은 비용으로 쉽게 구현할 수 있는 프로토콜이 등장함으로써 사무 자동화 시스템을 산업용 컨트롤러로 연동시키는 것과 같은 새로운 것들이 가능해졌다. 실시간 제어에 사용되는 필드버스로 연결하거나 이더넷을 위해서 추가적인 케이블을 깔 필요 없이 사무 자동화 시스템으로 손쉽게 생산 데이터를 포착할 수 있게 되었다. 또 작업자들이 휴대용 컴퓨터에서 컨트롤러 상태를 손쉽게 확인하거나 컨트롤러로 새로운 프로그램을 다운로드할 수 있게 되었다.

산업용 환경은 전자기 간섭 면에서 혹독한 환경이다. 그런데 블루투스는 재밍(jamming)이나 여타 RF 문제를 잘 처리할 수 있도록 설계되었다. 블루투스는 주파수 호핑 확산 스펙트럼 통신을 사용해서 협대역 간섭을 피할 수 있다. 어떤 채널을 다른 트랜스미터가 차지하고 있으면 번잡하지 않은 다른 채널로 전환할 수 있다. 주파수 호핑은 적응식이므로 상황마다 다양한 형태의 간섭에 잘 대처할 수 있다.

강화된 블루투스, 산업용으로 적합하게

주파수 호핑을 사용함으로써 무선 수신에 있어서 산업용 환경으로 존재하는 많은 장애물들을 극복할 수 있다. 표면에 부딪혀서 일어나는 반사로 인해서 각기 채널로 공간적으로 페이딩이 발생될 수 있다. 어떤 채널로 페이딩이 너무 심하면 블루투스 트랜시버가 손쉽게 다른 채널로 전환할 수 있다.

최근 몇 년 사이에 블루투스가 지속적으로 향상됨으로써 이 무선 프로토콜이 산업용으로 더 적합하게 되었다. 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)의 CC2540T는 확장 온도 범위를 지원하므로 산업용 환경에 사용하기에 적합한 블루투스 트랜시버를 제공한다.



기존의 많은 통신 프로토콜과 달리, 블루투스는 유연한 토폴로지를 지원한다. 그러므로 설치를 훨씬 더 쉽게 할 수 있다. 원래의 블루투스는 와이파이 같은 다른 고전력 프로토콜에 비해서 제한된 거리만을 지원한다. 거리가 제한적이기 때문에 전반적인 전력 소모를 낮출 수 있다. 이 점은 산업용으로 가속화되는 IoT에 사용하기에 확실한 이점이다. 한편으로 제한적인 거리를 극복하고 블루투스 기반 디바이스를 더 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있도록 지속적인 개선과 향상이 이루어지고 있다.

예를 들어서 배터리로 작동되는 환경 센서는 흔히 네트워크나 필드버스 케이블을 사용해서 접근하기 어려운 장소에 설치된다. 이러한 센서로 무선 프로토콜을 사용함으로써 공장 내의 다른 디바이스와 통신할 수 있으며, 작업자들이 휴대용 컴퓨터나 태블릿을 사용해서 이들 센서로 명령을 전달할 수 있다.

전송 거리를 최대 4배까지

블루투스 SIG(Special Interest Group)는 2016년에 발표하는 버전으로 다수의 향상 기능을 포함할 것이라고 한다. 이 중에 한 기능은 전송 거리를 최대 4배까지 늘릴 수 있다. 또 적응식으로 원거리 통신은 비트 레이트를 낮추어서 신호 수신을 향상시키고 가까운 노드들은 더 높은 비트 레이트를 사용할 수 있다. 가까운 디바이스는 전송 시의 비트 레이트를 2Mb/s로 두 배까지 높아질 것이다. 브로드컴(Broadcom)의 WICED SoC 제품군 중의 하나인 BCM20706처럼 향상된 데이터 레이트 모드를 지원하는 디바이스 제품이 이미 등장하고 있다.

산업용 사용자들이 주변 지능을 활용하기로 결정한다면, 블루투스는 원거리 통신을 위한 또 하나의 대안이 될 것이다. 바로 메쉬 네트워킹이다. 이 모드를 위한 토대를 마련한 것은 블루투스 버전 4.1에서였다.



실리콘랩스(Silicon Labs)의 Blue Giga 제품군이나 파나소닉(Panasonic)의 ENW89846A-KF 같은 모듈 제품이 블루투스 4.1을 지원한다. 이 버전은 스캐터넷이라고 하는 것을 도입했다. 원래의 프로토콜 표준에 사용되는 피코넷 기법은 전통적인 마스터-슬레이브 구성을 기반으로 한다. 한 마스터를 논리적으로 일련의 슬레이브로 연결하고, 마스터가 통신을 개시한다. 이것은 휴대전화 같은 마스터 디바이스가 헤드폰, 마이크로폰, 웨어러블 센서 같은 다수의 블루투스 주변장치들과 통신하는 통상적인 구현을 위한 것이었다.

스캐터넷은 하나 이상의 슬레이브 노드로 연결된 마스터 노드가 다른 노드의 슬레이브도 될 수 있다. 이처럼 마스터도 될 수 있고 슬레이브도 될 수 있으므로 메쉬 네트워킹에 필요로 하는 다중 홉 커넥티비티를 처리할 수 있다.

메쉬 네트워킹은 통신 거리뿐만 아니라 산업용 환경으로 중요한 점으로서 네트워크 복원성을 향상시킨다. 메쉬 네트워크는 한 노드에서 다른 노드로 호핑을 사용해서 패킷들을 긴 거리에 걸쳐서 전달할 수 있다. 데이터를 전달하기 위한 어떤 한 노드에 문제가 생기면 다른 노드가 얼른 그 일을 대신한다. 이 점은 공장 내에 다수의 컨트롤러와 센서가 설치되어 있는 산업용 환경으로 특히 더 유용할 것이다. 창고 천장이나 대형 인쇄 프레스기 상단 같이 접근하기 어려운 장소에 설치된 센서도 좀 더 수월하게 접근할 수 있다. 직접적인 무선 통신으로 이런 장소를 접근하려고 하면 상당한 애를 써야 할 것이다.

메쉬 네트워킹은 또 다른 점에서 산업용 네트워킹에 유용하다. IoT 네트워크 상의 다수의 디바이스들로 메시지를 전송하기 위해서, 기존 프로토콜은 마스터가 각각의 수신 노드로 메시지를 전송해야 한다. 하지만 메쉬 아키텍처를 지원하는 네트워크는 “플러딩(flooding)”이라고 하는 기법을 사용할 수 있다. 어떤 한 디바이스가 자신과 가까이 있는 디바이스들로 명령을 전송하고, 다시 이들 디바이스는 자신과 가까이 있는 디바이스들로 메시지를 전달함으로써 모든 디바이스들을 접촉할 수 있다.

한 번에 많은 디바이스들로 전달할 수 있는 것은 유용한 점이기도 하지만, 외부 공격자가 네트워크로 침입하거나 시스템을 방해하는 것을 방지하기 위해서 산업용 환경으로 보안이 갈수록 중요한 문제가 되고 있다. 블루투스는 항상 보안적인 통신을 고려해서 설계되었으나 호스트 컨트롤러로부터의 지원을 필요로 했다. 블루투스 4.2는 보안 기능을 강화하고 보안 기능을 RF 컨트롤러로 집어넣을 수 있게 했다. 참고로 블루투스 4.2를 지원하는 모듈 제품으로는 마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology)의 BM70을 들 수 있다.

그러므로 어떤 신뢰할 수 있는 디바이스가 범위 안에 들어왔을 때 시스템의 호스트 프로세서를 깨울 필요가 없고, 이것은 전반적인 전력 소모를 낮추는 데 도움이 된다. 또 비콘 기능을 사용해서 주변 디바이스들의 움직임을 추적할 때 더 다양한 설정이 가능하다. 이 기능은 자산 추적에 사용하기에 유용하다.

비콘, 자신의 범위 안에 들어온 디바이스와 상호작용

비콘은 블루투스 가능 디바이스가 자신의 범위 안에 들어온 다른 디바이스와 상호작용할 수 있는 것이다. 블루투스 4.2 버전에서는 비콘이 신뢰할 수 있다고 판단되는 디바이스들로만 메시지를 전송할 수 있다. 또한 이 버전에서는 신뢰 수준을 구분할 수 있게 했다. 그럼으로써 비콘이 자신의 범위 안으로 들어오는 각기 다른 디바이스 타입에 맞게 메시지를 전송할 수 있다.

그러므로 개발자들이 더 세분화된 입도로 자산 추적 애플리케이션을 개발할 수 있다. 텍사스 인스트루먼트는 비콘 기술을 지원하기 위해서 CC25xx 시리즈로 다양한 구성의 블루투스 컨트롤러 제품을 출시하고 있으며, CC2543을 기반으로 전력 소모가 매우 낮은 브로드캐스트 전용 레퍼런스 디자인을 제공한다. 그러므로 지능적인 추적 태그용으로 블루투스 기술을 활용해서 경제성을 높일 수 있다.

또한 새로워진 블루투스 프로토콜은 6LowPAN 무선 프로토콜을 사용하는 디바이스와 상호작용할 수 있다. IoT 용의 주요한 RF 기술로서 6LowPAN과 상호운용이 가능하게 됨으로써 중추적인 산업용 필드버스와 6LowPAN을 사용하는 저가격대 센서 노드 사이에 다리 역할을 할 수 있게 되었고, 그럼으로써 응용 범위를 더 확대할 수 있게 되었다.

파나소닉과 실리콘랩스의 모듈 제품은 마이크로컨트롤러 범용 포트, I2C, SPI, UART 같은 다양한 디지털 I/O 표준을 지원하므로 기존 장비로 블루투스 스마트 무선을 통합하는 것을 수월하게 할 수 있다. 지난 몇 년 사이에 블루투스 프로토콜이 지속적으로 향상됨으로써 산업용 통신용으로 매력적인 프로토콜로 부상하게 되었으며, 이러한 진화는 앞으로 계속될 것이다. 보안, 에너지 소모, 데이터 속도가 꾸준히 향상되어 왔으며, 메쉬 통신이 가능하게 되었다. 블루투스가 산업용으로 갈수록 더 매력적인 프로토콜로 자리잡고 있다.
 

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