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다기능·저전력·지능화되는 웨어러블 센서 기술의 진화
이나리 기자 | 승인 2017.09.07 10:24

[EPNC=이나리 기자] 

웨어러블이란? 

완벽한 기술 혁신들의 조합, 라이프 스타일 변화, 언제나 연결되기(Connected)를 바라는 욕구 등은 웨어러블 플랫폼의 주요 요소다. 웨어러블 시장 생태계는 헬스케어, 피트니스, 메시징, 소셜 미디어 등의 현대 주요 트렌드와 더불어 기기 간 상호연결 해주는 기술력에 힘입어 각계각층에서 상당한 관심을 불러 일으키고 있다.

가장 대표적 사례인 스마트워치의 경우, 2016년 전반과 그 이후에 걸쳐 웨어러블 시장에 큰 영향을 끼쳤다. 이 후 웨어러블이 우리 삶의 중심으로 자리잡게 되면서, 스마트워치는 더 나은 삶, 더 효율적인 생활을 영유할 수 있도록 돕는 정보 제공의 매체로 자리매김 했다. 

이 글에서는 웨어러블 센서 기술의 주요한 발전들을 상세히 살펴보겠다.  

◇ 웨어러블의 특징

웨어러블은 이름 그대로 사용자가 장시간 착용(Wear)할 수 있는 기기며, 계속 켜져(On)있는 상태로 연결(Connected)돼 있다. 웨어러블 디바이스는 통상적으로 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

상시 동작(Always on) = 웨어러블은 계속 착용된 상태로 사용자의 주요 출력 데이터를 모니터링한다. 오프(Off) 모드가 되지 않아도, 슬립 모드로 전환할 수 있어 상시 동작할 수 있다.  

저전력 = 웨어러블은 소형 기기이고, 소형 배터리로 작동되므로 극히 낮은 전력을 소모한다. 이처럼 자주 충전해야 하는 웨어러블 디바이스에 등장한 저전력 기술은 웨어러블 산업의 혁신을 일으켰다. 

소형 = 웨어러블은 사용자가 착용해야 하기 때문에 크기가 작으면서도 다양한 활용 방식과 미적인 형태를 구현해야 한다. 큰 기기는 사용자에게 부담을 안겨주며 사용자들이 사용하지도 않을 것이다.  

환경 인식 = 환경 센싱은 웨어러블 성장의 주요 동력으로 떠오르고 있다. 오늘날의 웨어러블 디바이스는 사용자 동작뿐만 아니라 온도, 습도, UV 복사량 등의 정보를 모니터링 할 수 있

지능형 = 웨어러블 디바이스는 실제 데이터로부터 잡음을 필터링 할 수 있도록 지능이 우수해야 한다. 또한 사용자가 알아야 할 중요한 정보가 있을 경우 사용자에게 즉시 알려줄 수 있어야 한다. 예를 들어 보안 손목밴드는 사용자에게 사고가 발생하거나 SOS 도움이 필요할 때 알람을 전송한다.   

커넥티비티 = 커넥티비티는 웨어러블의 도입에 있어 가장 중요한 요소다. 웨어러블 디바이스는 블루투스(Bluetooth), Wi-Fi 등과 같은 기술을 사용해 스마트폰이나 태블릿에 연결될 수 있다. 뿐만 아니라 GPS 위성에 연결되면 사용자 위치를 모니터링 할 수 있다.

웨어러블용 센서와 RF

스마트 센서 = 기존 센서는 원시(Raw) 센서 데이터를 마이크로컨트롤러로 보내 처리하고 동작 인식 같은 유용한 정보를 계산한다. 하지만 이 경우 마이크로컨트롤러는 센서 데이터를 수집하고 처리하기 위해 엄청난 전류를 소모하게 된다.

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)의 가속도 센서 LIS2DS12는 전용 내부 엔진 아키텍처를 갖추고 있어 내부 모션, 자유 낙하 같은 가속도 검출, 웨이크업, 단일 또는 이중 탭 검출, 동작-무동작, 인물 감지, 풍경 감지, 보행 수 카운터, 보행 검출, 주요 모션 감지 등을 처리한다. 이처럼 데이터 자체 내에서 센서 데이터 처리를 할 수 있기 때문에 애플리케이션은 배터리 수명을 대폭 연장할 수 있다.

ST는 가속도 센서와 자이로스코프를 통합한 IMU(Inertia Measurement Unit) 센서 LSM6DSL을 공급하고 있다. 이 센서는 내장형 만보계와 동작 감지 기능을 갖췄고, 내장형 보조(Auxiliary) SPI를 통해 외부 센서에 연결할 수 있다. 또한 스마트 FIFO(First In First Out) 기능은 센서 내에 최대 8K의 데이터를 저장할 수 있어 프로세스와의 통신 간격을 현저히 줄일 수 있다. 이런 기능 덕분에 IMU 센서는 뛰어난 성능을 달성하면서도 전력 소모를 줄일 수 있다.

또 다른 IMU 제품인 LSM6DSM은 카메라 센서로 이미지 안정화 입력을 제어할 수 있고, 이 과정에서 이미지 안정화를 구현하기 위해 자이로스코프를 추가로 사용할 필요가 없다. LSM303AH 센서는 가속도 센서와 나침반 기능을 통합한 제품으로서 고유의 스마트 기능을 갖췄다. 따라서 이 센서는 내장된 자기 오프셋 보정, 가속도 센서 데이터용 FIFO, 첨단 전력 관리 기능과 같은 탁월한 성능을 제공한다.

압력 센서 = 압력 센서는 지구 기압을 감지할 수 있다. 이 기능을 사용해 기압계나 고도계를 구현한다. ST의 LPS22HB 압력 센서는 우수한 정확도로 빌딩의 층을 정확하게 감지할 수 있다.

습도 센서 = 습도 센서는 습도 파라미터를 검출할 수 있어 기상 관측소에서 농도 모니터링, 공기 밀도 모니터링, 기체 센서 측정 교정 등에 사용할 수 있다. ST에서 출시한 습도 센서 HTS221은 센싱 소자와 아날로그 프론트 엔드를 포함하며, 디지털 직렬 인터페이스를 통해 측정 정보를 제공한다. 센싱 소자가 폴리머 유전체 평면 커패시터 구조로 이뤄져 있기 때문에 변화하는 상대 습도를 검출할 수 있다.

◇ MEMS 마이크

MEMS 마이크는 소리 신호를 전기 신호로 변환하는 오디오 센서다. MEMS 마이크는 더 높은 SNR, 작은 폼팩터, 디지털 인터페이스, 더 우수한 RF 내성, 진동에 대한 높은 견고성을 제공하기 때문에 기존 마이크에 비해 선호도가 계속 높아지고 있다. 마이크를 사용하면 상호작용을 보다 쉽고 빠르면서 매끄럽게 할 수 있다. 또한 버튼 수를 줄일 수 있어 더 세련된 형태의 디자인 설계에 유용하다.

◇ 블루투스 저에너지(BLE) = 블루투스 스마트
블루투스 스마트 또는 블루투스 저에너지(BLE)는 웨어러블 디바이스에게 저전력 커넥티비티를 제공한다. 또 이 기술을 통해 스마트폰, 태블릿, 랩탑, 전용 게이트웨이 같은 허브 디바이스를 갖춘 웨어러블 디바이스 간에 쌍방향 통신을 할 수 있다. BLE를 사용하면 웨어러블 디바이스의 배터리 수명을 대폭 늘릴 수 있으며, 이는 Wi-Fi나 과거의 블루투스 같은 기존 무선 기술로는 구현할 수 없다.

BLE는 비인가 2.4GHz ISM 대역으로 동작한다. 이 표준은 블루투스 SIG(Special Interest Group)에서 관리하고 있으며, 주요 스마트폰 브랜드를 모두 지원한다. 특히 센서 데이터 전송이나 제어 신호 전송 등의 낮은 데이터 전송률을 구현하는 애플리케이션에 적합하다.

또 BLE는 심박 측정, 혈압, 의료용 체온계, 경고 통보, 파인드 미(Find Me), 프록시미티(Proximity), HID 등과 같은 표준 프로파일을 지원한다. 이런 표준 프로파일을 사용하면 하드웨어로 앱을 개발할 필요가 없다. 따라서 표준 프로파일을 제공하는 하드웨어를 동일 프로파일을 사용하는 모든 스마트폰이나 앱으로 연결할 수 있다. 이 프로파일들은 호환성 보장을 위해 블루투스 SIG의 승인을 받는다.

BLE 디바이스는 다음과 같이 두 개의 주요 부분으로 구성된다.

네트워크 프로세서 = BLE 디바이스의 네트워크 프로세서는 컨트롤러, 호스트, 스택을 비롯한 BLE 프로토콜을 실행한다. 네트워크 프로세서를 통해 다양한 애플리케이션과 플랫폼을 유연하게 다룰 수 있다. 설계자는 비용, 메모리 공간, 전력 계산 측면에서 요건에 맞는 MCU를 선택할 수 있다. BlueNRG-MS는 ST의 네트워크 프로세서 제품으로서 BLE 4.1과 호환된다.

이 IC는 마스터와 슬레이브로 동시에 동작할 수 있다. 따라서 스마트폰에 대해 슬레이브로 동작하는 스마트워치가 장신구, 스마트 신발, 심박 모니터링 액세서리 등과 같은 다른 웨어러블 디바이스의 마스터로 동작할 수 있게 된다. 실제로 BlueNRG-MS는 배터리 수명을 크게 늘린다는 점에서(최대 5년) 가장 앞서 있는 제품이기도 하다. 

시스템온칩 = 시스템온칩(SoC)은 독립적인 칩셋으로서 컨트롤러, 호스트, 스택 프로파일, 애플리케이션을 갖추고 있는 디바이스다. 특히 복잡한 처리와 주변장치가 필요하지 않은 스마트밴드 같은 애플리케이션에 적합하다.

ST의 첫 번째 SoC BLE 제품인 BlueNRG-1은 ARM 코어텍스(Cortex)-M0을 기반으로 한다. BlueNRG-1은 초저전력 슬립 전류 소모를 실행하며 배터리로 작동되는 IoT 애플리케이션에 적합하다. 또 이 IC는 BLE 4.2 보안 기능을 지원하고 +8dBm의 출력 전력 레벨에 도달하므로 안전하고 신뢰할 수 있는 연결을 동시에 제공하며, 15개 GPIO, I2C, SPI, UART, PWM, PDM, 160kb RAM을 포함한다. 더불어 BLE 4.2의 첨단 보안과 프라이버시 기능도 제공한다.

◇ 소프트웨어 알고리즘의 역할

소프트웨어 라이브러리는 원시 센서 데이터를 유의미한 정보로 변환하는 데 중요한 역할을 한다. 알고리즘은 센서의 기능을 한 차원 향상시킬 수 있고, 다양한 센서들의 입력을 결합시켜 맥락 인식 출력을 제공할 수 있다.

세 가지 모션 센서인 가속도 센서, 자이로스코프, 자기 나침반은 각각 장점과 단점을 가지고 있다. 

단점으로는 불완전한 캘리브레이션, 시간이나 온도에 따른 드리프트, 임의적인 잡음은 대표적인 센서의 한계로 꼽힌다. 지자기 센서와 가속도 센서는 왜곡을 일으키기 쉽고, 자이로스코프는 근원적인 드리프트를 가지고 있다. 

그러나 센서 융합 라이브러리를 사용하면 이런 센서들을 상호 캘리브레이션함으로써 다양한 시나리오로 좀더 정확한 결과를 제공하는 조건을 만들어낼 수 있다. 또한 캘리브레이션된 센서 출력뿐만 아니라 각도와 방향 정보도 제공할 수 있다. 동작 인식 라이브러리는 센서 데이터를 받아 사용자가 보행중인지, 자전거나 자동차를 타고 있는지를 알려줄 수 있다. 또 사용자가 정지해 있는지, 걷고 있는지, 빠르게 걷고 있는지, 달리고 있는지도 감지해 낸다. 

웨어러블은 스마트워치, 스마트 신발, 스마트 안경, 팔 밴드, 허리 착용 액세서리 등 다양한 형태로 제공된다. 또한 사용자는 디바이스를 앞주머니, 뒷주머니 또는 셔츠 주머니에 넣고 다니거나 손에 들고 있을 수 있고, 테이블 위에 놓아둘 수도 있다. 따라서 디바이스가 정확하게 작동하기 위해서는 알고리즘을 통해 사용자가 디바이스를 어떤 위치에 휴대하고 있는지 알아야 한다. 이를 위해 휴대 위치 판별 라이브러리를 사용할 수 있다.

자기 나침반은 방향 인식에 있어 매우 중요한 센서인 동시에 강자성(Hard Iron), 연자성(Soft Iron)이나 작동 각도에 매우 민감하다. 강자성은 센서 근처에 강한 영구 자성 물체가 있는 것이다. 이 물체는 나침반 리딩을 영구적으로 변화시킨다.

연자성은 센서 근처에 약한 자성 물체나 회로 트레이스 등이 있는 것으로, 이는 센서 리딩을 가변적으로 변화시킨다. 여기에 자기 센서 캘리브레이션 라이브러리를 사용하면 이런 비정상적인 요인들을 필터링할 수 있다. 따라서 라이브러리를 통해 사용자의 수고를 최소로 줄이면서 빠르게 캘리브레이션하는 것이 중요하다.

만보계 라이브러리는 보행 검출과 보행수 카운팅을 위해 사용한다. 이 라이브러리는 오차를 최소화하면서 최소한의 전력만 소모할 수 있도록 정확하고 지능적이어야 한다. 스마트 만보계 라이브러리는 앞서 언급한 것처럼 동작 인식과 휴대 위치 라이브러리도 사용할 수 있다.

◇ 개발 플랫폼

웨어러블의 흐름은 주로 스타트업 회사들과 젊은 엔지니어들이 주도하고 있다. 이 시장은 빠른 속도로 진화하고 있기 때문에 성공 가능성은 투입되는 시간과 비용에 따라 크게 좌우된다. 따라서 웨어러블은 오픈 소스에 경제적인 가격대로 유연성이 뛰어나고 즉시 상품화를 시킬 수 있으면서 확장성이 뛰어난 개발 플랫폼을 갖추는 것이 매우 중요하다.

ST가 이런 플랫폼으로 선보인 것이 STM32 오픈 개발 환경 플랫폼이다. 이 플랫폼은 설계자들이 유연하고 저렴한 방식으로 ST 마이크로컨트롤러, 센서, RF, 아날로그 제품으로 개발을 할 수 있도록 한다. 이 하드웨어 플랫폼에는 소프트웨어 드라이버, 미들웨어 라이브러리, 애플리케이션이 지원된다. 또한 연관된 안드로이드 및 iOS 코드를 포함하고 있다.

뿐만 아니라 사용자들은 간단한 컴퓨터 기반 라이선스 계약을 통해 다양한 첨단 라이브러리를 사용할 수 있다. 설계자는 플랫폼 테스트가 완료되면 맞춤형 PCB를 개발하고 이 플랫폼에서 개발된 펌웨어를 로드할 수 있다. 사용자가 자신의 맞춤 보드로 라이브러리를 테스트하고자 할 때는 라이브러리에 대한 생산 라이선스 등록이 필요하다.

◇ 맺음말

인터넷이 그랬듯 웨어러블도 세상을 바꿔놓을 것이다. 스마트 센서와 BLE의 등장으로 센싱과 통신을 할 수 있고 복잡한 의사결정을 할 수 있는 웨어러블 디바이스를 개발할 수 있게 됐다. 웨어러블은 근본적으로 새로운 생활 사례들을 만들어 내고, 스마트폰으로 할 수 없었던 일을 구현할 것이다. 특히 헬스케어와 피트니스는 웨어러블의 가장 큰 범주로 부상할 것으로 예상된다. 

글: 비샬 고얄(Vishal Goyal) ST마이크로일렉트로닉스 수석 테크니컬 마켓 매니저

#웨어러블#센서#IoT#블루투스#

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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