SimpleLink Sub-1GHz MCU를 사용한 무선 연기 감지기 설계

[테크월드=정환용 기자] 연기 감지기는 화재를 감지하고 인명을 구하는 데 사용되는 중요한 기기다. 연기 감지기는 연기를 감지하고 사이렌을 울려 건물 안에 있는 사람들이 신속하게 대피할 수 있도록 한다. 전통적으로 연기 감지기는 유선 시스템이지만, 무선으로 연결된 연기 감지기가 설치와 유지보수가 간편하고 비용이 절감된다는 면에서 점점 일반화되고 있다.

그러나 무선 연기 감지기의 설계는 전력 소모, 빌딩 전체를 커버하기 위한 무선 네트워킹, 네트워크 연결로 인한 보안 문제를 야기한다. TI의 SimpleLink Sub-1GHz CC1310, 듀얼 밴드 CC1350 무선 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하면, 이런 설계상의 문제를 해결해 무선 연기 감지기를 손쉽게 설계할 수 있다.

시스템 요구사항
무선 연기 감지기를 설계할 때 가장 일반적인 시스템 요구사항 중 하나는 배터리 수명이 길어야 한다는 것이다. MCU는 셧다운과 대기 전류가 낮고(0.185A, 0.7A), CC13xx 디바이스는 MIPS/MHz 전류 소모가 낮아(51A/MHz) 연산과 하우스키핑 작업을 효율적으로 안정화시킨다. 결국 빠른 전환 시간과 더불어 RX 모드(5.4mA)와 TX 모드(13.4mA@10dbm)가 전반적인 전류 소모를 낮춘다.

또한, CC1310과 CC1350 무선 MCU에는 고유의 MCU 코어인 센서 컨트롤러가 포함돼 있어, 외부 상황 트리거를 기다리는 동안 시스템의 나머지 부분은 슬립 모드로 전환될 수 있다. 때문에 무선 연기 감지기는 코인 전지로 최소 10년까지 작동될 수 있다. 그림 1은 패널로 연결된 일반적인 화재 감지기 시스템의 프로파일이다.
 

연기 감지기 시스템의 또 다른 요구사항은 전송 시의 보안과 견고성이다. 때문에 전송을 보호하기 위한 보안 기능이 포함된 포괄적인 소프트웨어 스택을 필요로 한다. 예를 들어 SimpleLink Sub-1GHz 무선 MCU는 CC13x0 소프트웨어 개발 킷에서 지원되는데, 802.15.4g 표준 기반의 성형(star) 네트워킹 TI 15.4-Stack이 포함돼 있고, 주파수 호핑과 부가적인 보안 기능들이 있다. TI 15.4-Stack은 첨단 CSMA/CA 네트워킹 알고리즘을 사용해 ‘LBT’(Listen Before Talk) 메커니즘을 구현함으로써, 충돌을 최소화하고 견고한 네트워크를 만든다. 또한, Sub-1GHz 주파수 대역은 공중 또는 벽체를 통과해서나 모퉁이를 돌아서도 잘 전달되므로 대형 빌딩과 사무실 공간을 잘 커버할 수 있다.

TI의 듀얼 밴드 CC1350 디바이스는 단일 칩에서 Sub-1GHz와 블루투스 저에너지를 모두 지원해 시스템의 확장성을 높일 수 있다. 특히 연기 감지기 같은 안전 시스템에 블루투스 저에너지를 추가하면, 연기 감지기 유닛에 고유 인터페이스를 추가할 수 있어 사용자 경험이 향상된다. 사용자는 스마트폰 애플리케이션을 사용해서 블루투스 저에너지 연결을 통해 상태 업데이트와 네트워크 상태를 전송하고, 소프트웨어 업데이트를 푸시할 수 있다. 또한, 블루투스 저에너지 비콘 기능을 사용해, 연기 감지기가 근방의 스마트폰으로 알림 메시지를 전송하도록 할 수 있다.

SimpleLink Sub-1GHz 무선 MCU를 사용한 설계
무선 연기 감지기를 설계할 때, 사용자는 전류를 전압으로 변환하는 증폭기를 통해 MCU의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 연기 감지 센서를 연결하거나 비교기에 연결하고 인터럽트를 사용해 MCU를 트리거할 수 있다. CC1310/CC1350 디바이스는 다수의 범용 입출력(GPIO), I2C, UART, SPI 등 기타 필요한 인터페이스를 제공한다. 무선 MCU와 MCU RF 트랜시버 칩의 조합을 선택하면, 시스템의 전력, 크기, 비용을 낮출 수 있으며 제품 개발 시간을 단축해 출시할 수 있다. 그림 2는 일반적인 연기 감지기 시스템의 블록 다이어그램이다.
 

클라우드 커넥티비티
클라우드에는 사용자가 시스템을 원격으로 모니터링·제어하는 기능이 있어, 보안과 안전성 시스템에서도 클라우드 커넥티비티가 유용하게 쓰일 수 있다. 하지만 Sub-1GHz는 인터넷에 연결하기 위해 게이트웨이를 필요로 하는데, Sub-1GHz 네트워크로부터의 메시지를 버퍼링하고 이더넷 패킷으로 변환하며 이더넷이나 와이파이를 통해 클라우드와 통신한다. TI의 Sub-1GHz 센서 대 클라우드 산업용 IoT 게이트웨이 레퍼런스 디자인은 원거리 Sub-1GHz 네트워크를 통해 데이터를 전송·수신하도록 클라우드 커넥티비티 기반의 엔드-투-엔드 시스템을 제공한다(그림 3 참조). 이 레퍼런스 디자인은 AES-128 암호화, 메시지 무결성 코드, 주파수 호핑, 클라우드 통합 같은 기능들을 포함한다.

맺음말
무선 연기 감지기는 원거리 커버리지, 우수한 배터리 수명, 보안, 견고성, 확장성 같은 설계상의 새로운 과제들을 제기한다. SimpleLink Sub-1GHz CC1310과 듀얼 밴드 CC1350 무선 MCU는 빌딩 전체의 커버리지, 코인 전지를 사용해 10년 이상의 동작, 보안 기능을 포함하는 포괄적인 소프트웨어, 엔드-투-엔드 게이트웨이 솔루션을 제공함으로써 이런 과제들을 해결한다. 따라서 무선 연기 감지기를 훨씬 더 수월하게 설계할 수 있으며, 유선으로 연결될 연기 감지기 디자인에 비해 비용을 절감하고 제품 개발 시간을 단축해 출시할 수 있다.

작성 - Neeketh Sheth, 텍사스 인스트루먼트