성공적인 웨어러블 제품 설계 방법

오늘날 수많은 제품으로 경쟁이 치열한 웨어러블 시장에서 성공하기 위해서는 제품의 특징과 서비스의 차별화가 필수적이다. 제조업체들과 서비스 공급 업체들은 모두동일하게 웨어러블 기기의 '면적'에 대해 경쟁을 펼치고 있다. 성공적인 웨어러블 제품 설계는 복잡한 과정이다.

성공적인 제품은 가격, 성능, 기능 및 배터리 수명뿐만 아니라 소비자를 유혹할 수 있는 수려한 외관, 감각, 동작 등의 적절한 조합이 필요하다. 이와 같은 다양한 요소들을 웨어러블 제품에 통합하기 위해서는 최종 사용자 경험에 초점을 맞추고 사용 사레를 개발해서 해결할 수 있는 복잡한 균형 작업이 필요하다.

글: 그레드 피케(Greg Fyke) 실리콘랩스 IoT 무선제품 마케팅 담당 이사
<자료제공: 실리콘랩스(www.silabs.com)>

일반적인 임베디드 시스템은 프로젝트 최상위 드라이버로 사용되는 기능과 작동을 정의하는 것으로 시작한다. 이와 유사하게 성공적인 웨어러블 디자인은 ‘사용자 경험’에 중점을 맞춰야 한다. 이와 같은 요구 사항은 웨어러블 제품이 일으키는 인상과 느낌, 감정뿐만 아니라 웨어러블 제품의 외관과 느낌, 최종 사용자와 상호 작용 방법을 포함한다.

현재 수많은 웨어러블 제품이 존재한다. 이러한 제품들은 건강과 생체정보를 측정하고 이동한 거리를 추적해서 경로를 기록하며 사용 열량을 예측해서 완벽하게 스마트폰과 통신해서 통합시킨 후 수신 전화와 메시지로 해당 정보를 제공하는 기능을 수행하고 있다. 이와 같은 웨어러블 제품들은 사용자 경험에만 중점을 두고 설계됐다. 이와 같은 제품들은 멋지게 보이며 풍부한 기능을 제공하고 사용이 편리하며 구매 가능한 수준으로 사물인터넷(IoT)과 연결돼 있다.

웨어러블 시장은 3개의 제품군으로 분류할 수 있으며 각 제품군은 [그림1]에 설명된 바와 같이 디자인 장단점이 있다.

액티비티 트랙커(Activity tracker): 상대적으로 단순한 이 제품은 대부분 LCD 디스플레이가 없다. 이와 같은 단순성은 장점 중 한 가지는 경제적이며 사용이 간편하고 배터리 수명이 긴 경우가 많다.

- 피트니스 밴드 및 소형 또는 중형 디스플레이의 ‘수퍼 워치(super watch)’: 이 제품은 많은 생체정보와 환경 센서를 사용하며 특징·기능, 배터리 수명, 비용 간의 균형을 최적화한다.

- 스마트 워치: 시계 형태 디자인으로 나온 다양한 기능의 고가 제품으로서 일반적으로 안드로이드 웨어(Android Wear)와 같은 운영 시스템으로 작동한다. 스마트 워치는 매우 다양한 기능을 제공하지만 더 많은 기능과 데이터 처리 성능에 따라 배터리 수명을 더 많이 요구하게 되며 매일 충전해야 경우가 대부분이다.

웨어러블 제품의 주요 구성 요소는 마이크로컨트롤러(MCU)다. 저전력 운영을 위해 최적화된 MCU 선택은 대부분의 웨어러블 애플리케이션에서 중요한 사항이다. 현재 가용 32비트 아키텍처 중에서 ARM 코어텍스-M 시리즈가 가장 주도적인 저전력 프로세싱 플랫폼으로 부상하고 있다.

코어텍스 M0+는 2단계 파이프라인 방식 아키텍처로서 작동 상태에서 저전류 소비 실현을 위해 일부 성능 효율성을 감소시킨다.

코어텍스-M3와 M4 프로세서는 3단계 파이프라인을 제공하며 전력과 성능 균형을 적절하게 조절했다. M4 프로세서의 단일 정밀도 부동 소수점과 DSP 확장은 소음 센서 데이터에서 정보를 추출하기 위해 사용하는 칼만(Kalman) 필터링 등 소프트웨어 알고리즘 실행 시간과 에너지 소비를 현저히 감소시킬 수 있다.

스마트 워치는 코어텍스-M7과 더 높은 프로세싱 능력과 고대역 메모리 인터페이스 전력 효율성을 다소 감소시키는 독점 코어 등 보다 향상된 프로세서를 필요로 한다. [표1]은 주요 웨어러블 제품 형태의 주요 프로세싱 및 특징 요구 사항을 요약했다.

올바른 배터리 기술 선택 또한 중요한 디자인 고려 사항이다. 일회용 배터리는 특별한 충전 회로가 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한 에너지 밀도가 더 좋으며 더욱 많은 에너지 용량을 제공한다. 일회용 배터리의 단점은 기계적 디자인을 복잡하게 하며 전반적인 제품 사용 간편성을 제한한다는 것이다.

충전용 배터리는 더 얇은 디자인을 가능하게 하지만 비용과 디자인 복잡성을 증가시킨다. 선택과 상관없이 웨어러블 제품은 작은 폼팩터를 요구한다.

이에 따라 배터리 크기와 작동 에너지량이 제한된다. 웨어러블 제품은 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한 모든 수준에서 에너지 소비를 최소화하는데 중점을 둔 체계적 방식을 요구한다.

더 긴 배터리 수명이 설계에서 중요하게 다뤄짐에 따라 웨어러블 기기 설계자들은 효율성이 중요한 사용자 경험을 포기할 수는 없다. 다행히 긴 배터리 수명을 위한 저전력 최적화와 최적 성능의 균형을 맞추는 MCU가 판매되고 있다.

낮은 대기 전류와 함께 더욱 중요한 특징 중 한 가지는 신속한 재작동 시간이다. 대기 모드에서 작동 상태로 빠른 전환은 더욱 우수한 대응 솔루션을 가능하게 하며 에너지 낭비를 감소시킨다.

유연한 기능의 재작동 소스와 초저전력 타이머, 직렬 인터페이스가 있는 MCU 또한 디자이너들에게 우수한 선택 사항이다. 더욱 향상된 MCU는 MCU 대기 상태에서도 유용한 작업을 수행할 수 있는 페리페럴(peripheral)을 제공한다.

이와 같은 자동 페리페럴 기술의 주요 예는 [그림2]에 제시된 실리콘랩스의 PRS(Peripheral Reflex System)으로서 아날로그 디지털 전환기(ADC)와 직접 메모리 접근(DMA) 엔진 등 EFM32 젝코(Gecko) MCU 페리페럴이 CPU 개입 없이 내부 또는 외부 장치에서 전달되는 입력에 반응하고 대응할 수 있도록 한다.

예를 들면 이와 같은 방식은 더 높은 활성 전력 상태에서 동일한 센서를 계속 폴링(polling)하는 대신에 센서 입력 정보가 설정된 한계를 초과할 때까지 MCU가 대기 상태로 있도록 설정할 수 있다. 

웨어러블 제품에 사용되는 CMOS기반 센서는 풍부한 사용자 경험을 위한 토대를 제공하며 새로운 애플리케이션과 사용 예제를 가능하게 한다. 웨어러블 제품은 3개의 주요 센서군으로 분류할 수 있다.

모션 센서, 환경 센서, 생체정보 센서. 각 센서는 최종 사용자의 활동 및 환경, 건강에 대한 특정한 기능을 제공한다. 이와 같은 센서들은 결합시 더 강력한 성능을 발휘할 수 있다.
웨어러블 장치에 센서를 내장하고 사용하기 위해서는 많은 균형 작업이 필요하다. 광학 센서는 빛을 방출할 수 있는 소재를 사용해야 한다.

일부 센서의 전력은 차단해서 배터리에 일정한 부하가 전달되지 않도록 할 수 있지만 이 방식은 디자인이 복잡하게 된다. 원하는 사용자 경험과 비용, 사용 예제는 궁극적으로 웨어러블 제품에 최적 수준으로 센서를 통합시킬 수 있도록 한다.

휴대기기 애플리케이션은 웨어러블 솔루션의 중요한 요소이며 블루투스 스마트는 빠른 시간에 웨어러블 제품을 iOS와 안드로이드 기반 휴대 기기로 연결할 수 있는 최우선 무선 솔루션이 되고 있다. 블루투스 스마트는 저전력 운영을 위해 최적화된다.

블루투스는 센서 데이터를 전송하고 사용자 정보를 동기화해서 무선 업데이트를 지원하는데 이상적이다. 스마트폰은 놀라울 정도로 유연한 기능의 사용자 인터페이스를 제공하며 애플리케이션은 웨어러블 기기만 사용해서는 실현될 수 없는 풍부한 개인화 기능을 제공한다. 그러나 무선 연결 추가 및 사용은 디자인 비용을 발생시킨다.

성공한 웨어러블 디자인은 신중한 균형 조절이 필요하다. 무선 교환은 대부분 웨어러블 시스템에서 가장 많은 전력을 소비하는 기능이다. 정보 전송량과 빈도 또는 웨어러블 기기와 스마트 폰의 동기화 빈도 결정이 최종 제품의 배터리 수명에 현저한 차이를 발생시킬 수 있다.

데이터를 많이 사용하면 배터리 수명은 몇 시간 또는 몇 일로 제한될 수 있다. 더 보수적인 방법은 해당 제품의 배터리 수명을 몇 주 또는 몇 달로 연장할 수 있다.
웨어러블 시장은 더 이상 성장 단계가 아니며 저전력 MCU와 CMPS-기반 센서, 무선 SoC의 지속적인 발전으로 이제 새로운 웨어러블 혁신 시대에 진입하고 있다. 더욱 정확한 센서 구동 최종 사용자 데이터에 대한 더욱 편리한 접근과 함께 웨어러블 기기는 신뢰성 있고 특정하게 사용자를 식별할 수 있다.

건강과 활동 추적에서 안전하고 신뢰할 수 있는 사용자 식별로의 전환은 의료 및 보안, 모바일 결제, 쇼셜 네트워킹(social networking)에 많은 새로운 기회를 제공할 것이다.

이와 같은 분야에서 적합한 비용으로 주목을 끄는 새로운 사용자 경험을 실현하는 최초의 웨어러블 제품은 차세대 시장 주도 제품이 될 것이다.