홈 자동화를 위한 무선 프로토콜 선택
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홈 자동화를 위한 무선 프로토콜 선택
  • 선연수 기자
  • 승인 2019.04.03 08:40
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[테크월드=선연수 기자]

사물 인터넷(IoT, Internet of Things)이 적용 영역을 확장하기 시작하면서, 가정에도 변화의 물결이 쏟아졌다. 어디든 존재하는 무선 네트워크, 스마트폰, 클라우드 커넥티비티는 장치 제조업체들이 집안 곳곳에 스마트 가전 기기를 통해 새로운 가치를 추가하는 기회를 제공했다.

그러나 경쟁의 가열로 인해, 무선 홈 자동화 분야에선 혼란스러울 정도로 다양한 경쟁 프로토콜이 등장했으며, 이런 혼란 후엔 일정한 특징을 보였다. 현재 모든 사용 사례에 적합한 단일 프로토콜은 존재하지 않으며, 대부분의 프로토콜은 IoT 영역의 특정 애플리케이션에 뛰어나다. 오늘날 스마트 홈 자동화에 사용되는 무선 프로토콜 중 대표적인 것들과 이들을 통합하고자 하는 새로운 표준을 살펴보기로 한다.

 

Z-웨이브(Z-Wave)

Z-웨이브(Z-Wave)는 현재 홈 자동화 분야에서 가장 인기 있는 무선 프로토콜이다. 천여 개 이상의 장치가 출시됐고 호환 제품 생산 기업도 백여 개가 훌쩍 넘어, 이러한 기세는 둔화될 기미가 보이지 않는다. Z-웨이브는 사물 인터넷의 저전력, 저대역폭 요건을 위해 설계된 홈 자동화를 위한 독자적 무선 프로토콜이다.

Z-웨이브는 IEEE 802.15.4 물리적 무선 표준을 사용하고 메시 네트워킹을 이용해, 동작 범위를 증가시키고 네트워크 견고성을 높인다. 2.4GHz 범위에서 동작하는 블루투스나 지그비(ZigBee)와 달리 Z-웨이브는 유럽에선 868MHz, 북미에선 915MHz에서 동작한다. 이처럼 Sub-1GHz 주파수에서 동작함으로써 블루투스나 Wi-Fi 네트워크에 방해받지 않는 안정적인 신호를 제공한다. 이와 같은 낮은 주파수는 Z-웨이브에 탁월한 범위를 제공해 지그비보다 약 3배 이상의 동작 거리를 제공한다.

Z-웨이브 네트워크의 토폴로지는 각 노드가 리피터 역할을 하는 메시이므로 동작 범위가 넓고, 하나의 노드에 문제가 생겨도 네트워크가 계속 동작할 수 있다. 각 Z-웨이브 네트워크에는 최소 1개의 컨트롤러(통상 Wi-Fi가 연결된 허브)가 있으며, 이 컨트롤러가 네트워크 상에 명령을 내리고 종종 인터넷에 대한 게이트웨이 역할을 한다.

Z-웨이브는 독자적 프로토콜이므로 모든 Z-웨이브 장치 제조업체는 시그마 디자인(Sigma Designs)의 라이선스를 받은 SoC 칩을 사용해야 한다. SoC 방식은 외부 MCU 없이 무선 칩에 대부분의 설계를 구현할 수 있어 하드웨어 개발이 간단하다. 소프트웨어 개발은 시그마의 표준 SDK를 통해 이뤄진다. 새로운 500 시리즈 Z-웨이브 SoC는 동작 범위를 최대 150m, 배터리 수명을 50% 향상시키고, 250% 증가된 대역폭을 제공하면서도 모든 이전 세대 Z-웨이브 장치와 호환을 유지한다. 개발 후엔 제품 인증을 거쳐야 Z-웨이브 로고를 부착할 수 있다. 폐쇄형 시스템이기 때문에 가격은 조금 높으나, Z-웨이브 제품을 쉽게 상호운용할 수 있다.

Z-웨이브는 간섭 없는 안정적인 신호 전송, 천여 개 이상의 다른 Z-웨이브 제품과의 뛰어난 상호운용성으로 홈 자동화 분야에서 IoT 장치를 위한 강력한 선택지가 되고 있다.

 

지그비(ZigBee)

2005년에 개발된 IEEE 802.15.4 물리적 계층을 사용하는 개방 표준 지그비는 특별히 IoT를 위해 설계된 첫 번째 주요 무선 프로토콜이다. Z-웨이브와 마찬가지로 저전력 동작과 메시 네트워킹이 특징이다.

실외에서 최대 100m의 정격 범위를 갖지만, 지그비 장치는 동작 범위가 아닌 전력 효율에 무선 주파수가 튜닝돼 종종 훨씬 좁은 범위를 달성한다. 하지만 지그비의 메시 네트워킹은 개별 지그비 장치의 범위를 훨씬 넘어선 대형 네트워크를 구축할 수 있다. 메시 네트워킹에서 네트워크는 가시선을 넘고 모서리를 돌아 장애물이나 건물의 다른 층을 지나 동작할 수 있다.

지그비의 미래는 불확실하다. 블루투스 저전력(BLE)이나, 역시 메시 네트워킹을 채택하는 BLE의 새로운 버전을 포함해 새로 등장하는 여러 프로토콜보다 전력 효율이 떨어지기 때문이다. 저렴하고 적절한 지그비 모듈로 인기를 유지하는 중으로, 폐쇄 네트워크 IoT 프로젝트에는 합리적인 선택이 될 수 있지만, 상호운용성이 떨어져 주요 홈 자동화 프로토콜이 되기는 어려워 보인다.

 

스레드(Thread)

2015년 7월 발표된 스레드(Thread)는 구글 네스트가 삼성, 프리스케일, ARM 등 업계 유수 업체와 협력해 개발한 IP 기반 무선 홈 자동화 프로토콜이다. 스레드는 기존 하드웨어에서 실행할 수 있는 미래 지향적인 프로토콜로 홈 자동화 제품 통합을 목표로 한다. Z-웨이브나 지그비와 달리 스레드 장치는 기본적으로 IP 주소 지정이 가능해 네트워크 계층에서 6LowPAN을 사용하며, 각 스레드 장치에 고유한 IPv6 주소를 부여할 수 있다. 이를 통해 스레드 네트워크를 인터넷에 매우 쉽게 연결할 수 있으며, 클라우드 애플리케이션과의 통합을 간소화할 수 있다.

스레드는 새로운 물리적 계층을 도입하는 대신 지그비, Z-웨이브와 마찬가지로 802.15.4를 사용한다. 스레드 무선 모듈은 이미 시장에 나와 있으며, 기존의 지그비 무선 모듈도 스레드를 지원하도록 업데이트할 수 있다. 이는 새로운 스레드 장치를 쉽게 제작할 수 있을 뿐 아니라 일부 지그비 제품에서 스레드 지원을 쉽게 추가할 수 있도록 한다.

스레드는 매우 짧은 메시징과 ‘대기모드’ 장치를 지원해 전력 소모를 최소화한다. 지그비나 Z-웨이브와 마찬가지로 스레드는 견고한 네트워크 아키텍처를 위한 메시 네트워킹을 지원한다.

 

이미지 출처 : All About Circuits

중요한 점은 스레드 스택이 물리적·네트워크 계층을 정의하지만, 애플리케이션 계층은 그대로 남겨뒀다는 점이다. 따라서 지금까지 네스트 위브(Nest Weave)만 고유 네트워크 계층으로 스레드를 사용한다. 또한, 지그비 클러스터 라이브러리(ZCL)는 이 새로운 프로토콜과의 호환을 발표했다. 이는 ZCL용으로 설계된 애플리케이션이 이제 스레드 네트워크에서도 동작할 수 있는 것을 의미한다.

스레드는 매우 새로운 프로토콜이며, 아직은 Z-웨이브처럼 광범위하게 사용되지 않으나, IP 주소 지정이 가능한 설계, 강력한 업계 지원, 기존 실리콘에서 동작 가능한 특성 등 많은 장점을 가져 면밀히 개발되고 있다. 최신 IoT 장치 제조업체들이 지원을 고려할 필요가 있는 프로토콜이다.

 

블루투스 저전력(BLE, Bluetooth Low Energy)

블루투스 저전력은 블루투스 4.0 규격의 일부로 2010년에 등장했다. 블루투스는 안드로이드와 iOS 운영 체제에 통합되면서 오늘날의 스마트폰에 확고히 자리 잡았으며, 홈 자동화를 비롯해 고객 응대 장치에 매력적인 프로토콜이 됐다. 다른 IoT 프로토콜(심지어 스레드까지)은 게이트웨이를 통해 접근해야 하나, BLE 장치는 스마트폰이나 태블릿에서 직접 접근할 수 있다.

스트리밍 데이터를 위해 설계된 기존 블루투스와 달리 BLE는 낮은 대역폭, 부정기적 버스트 통신에 최적화돼, 감지와 제어 정보 전송에 매우 적합하다. BLE는 매우 전력 효율적인 방식으로, 효율에 최적화된 BLE 무선 센서는 몇 주, 몇 달, 심지어 몇 년까지 배터리의 수명 유지가 가능하다.

마스터-슬레이브 유형 연결은 가장 인기있는 BLE 토폴로지다. 마스터-슬레이브 토폴로지에서 한 대의 BLE 마스터 장치는 여러 대의 슬레이브에 연결할 수 있으나, 슬레이브는 오직 한 대의 마스터에만 연결할 수 있다. 이 토폴로지는 스마트폰과 스마트폰의 주변 장치, 자동차와 차량의 전자 부품, 산업용 컴퓨터와 근처 장비의 센서와 같은 소형의 비대칭 네트워크에 매우 적합하다. 마스터-슬레이브 토폴로지는 LAN과 다수의 장치 연결에는 적합하지 않다.

마스터-슬레이브 연결 외에도 BLE 장치는 데이터를 근처의 장치에 브로드캐스팅해 통신할 수 있다. 해당 모드에서 한 대의 BLE 장치는 대수에 상관없이 무제한으로 수신 장치에 방송할 수 있다. 예를 들어 온도 조절 기능은 이 모드를 사용해 주기적으로 온도 정보를 브로드캐스팅할 수 있다.

매우 인기 있는 프로토콜인 BLE 칩의 가격은 많이 인하됐다. 다수의 BLE 칩은 SoC 설계로 통합된 애플리케이션 프로세서가 제공됨으로써, 저렴한 가격으로 효율적인 전력의 IoT 장치와 센서를 쉽게 구현할 수 있다.

BLE는 거의 모든 스마트폰에 탑재돼, 홈 자동화 장치를 구성하기에 완벽하며 전력 효율은 M2M 통신에도 매력적이다. BLE는 적응형 주파수 호핑을 사용해 간섭이 없으므로 Wi-Fi와 같은 다른 무선 프로토콜과 공존할 수 있다. 하지만 BLE는 메시 네트워킹 프로토콜이 아니므로, BLE 범위는 무선 전력과 환경적인 장애물에 따라 크게 달라진다.

 

Wi-Fi

Wi-Fi는 홈 자동화를 목표로 만들어진 프로토콜이 아니며 다른 프로토콜에 비해 저대역폭 애플리케이션에 전력 효율적이지 않으나, 거의 모든 집이 무선 네트워크를 갖추고 있어 매우 중요한 홈 자동화 프로토콜이다.

Wi-Fi 장치는 자체적인 네트워크를 구성할 필요 없이 기존 네트워크를 이용할 수 있다. 따라서 기존 홈 네트워크에 간단히 연결할 수 있는 홈 자동화 장치에 극히 매력적인 프로토콜이다.

Wi-Fi의 단점은 에너지 효율 문제 외에도 비교적 대형 스택을 갖고 있어 다른 프로토콜보다 더 많은 메모리와 컴퓨팅 자원을 요구하는 것이다. 그러나 자원을 갖춘 장치는 거의 어디든 있는 무선 네트워크와 IP 기반 특성을 통해, Wi-Fi 지원이 최종 사용자에게 손쉬운 연결성과 상호운용을 보장하는 최적의 방법이 될 수 있다.

 

프로토콜 고려사항

지금까지 살펴본 바와 같이 주요 무선 홈 자동화 프로토콜은 각각 고유의 강점과 약점이 존재해, 특정 애플리케이션에 더 적합하다.

상호운용성이 중요한 경우 Z-웨이브를 고려한다. 이 프로토콜은 현재 가장 방대한 생태계의 상호운용 가능한 장치를 갖고 있다. Z-웨이브는 우수한 전력 효율과 지그비보다 더 넓은 범위를 갖는 메시 네트워킹을 자랑할 뿐 아니라, Sub-1GHz 주파수에서 동작하기 때문에 신호가 더 안정적이다.

클라우드 커넥티비티와 ‘미래 경쟁력’을 위해서 매우 면밀히 개발되고, IP 주소가 지정 가능한 설계를 제공하면서 업계의 주요 업체들의 지원을 받는 비교적 새로운 스레드 프로토콜이 있다. 또한 스레드 프로토콜은 저전력, 메시 네트워킹, IPv6 주소 지정 특징을 갖춰, 클라우드 애플리케이션과 쉽게 통합할 수 있다. 이 프로토콜은 새로운 프로토콜이지만 기존 802.15.4 무선 네트워크에서 동작하고 지그비와 공존할 수 있으므로 손쉽게 지원할 수 있다.

초저전력 애플리케이션을 위해 BLE는 현재 시중에 나와 있는 가장 낮은 에너지 프로토콜이면서도 가장 가벼운 스택을 자랑한다. 따라서 충전 없이 장시간 동작하는 소형의 저가 장치에 매우 적합하다. 이 밖에 사용자는 에지 장치나 허브를 거치지 않아도 자신의 스마트폰, 허브를 통해 이들 장치에 직접 접근할 수 있다.

마지막으로, 궁극적인 사용 용이성이라는 점에서 Wi-Fi와 경쟁할 상대는 없을 것이다. Wi-Fi는 그다지 에너지 효율적이지 않으나, 속도면에서 우수하므로 주 전원에 연결 가능한 장치에 가장 적합하다. Wi-Fi는 보안 카메라와 같은 고대역폭 애플리케이션에서 뛰어나다. 또한 Wi-Fi 네트워크가 갖는 편재성과 IP 주소 지정 기능은 이를 지원할 수 있는 모든 IoT 장치에서 Wi-Fi를 매력적인 프로토콜로 만든다.

 

글 : 마크 패트릭(Mark Patrick)

자료 제공 : 마우저 일렉트로닉스

 


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