블루투스 메시와 홈 오토메이션

블루투스(Bluetooth) 5.0 사양이 2016 년에 출시되면서, 세상은 많이 달라졌다. 우리는 이 새 기술을 통해 이전 보다 훨씬 빠른 데이터 전송 속도를 구현할 수 있게 됐을뿐 아니라 IoT 애플리케이션의 새로운 요구사항에 대응할 수 있는 저전력 블루투스(BLE:Bluetooth Low Energy) 네트워킹 기능이 가능해졌다.

하지만 여기서 끝이 아니었다. 그리고 불과 1 년 후인, 2017 년 7 월 31 일에 블루투스 메시 디바이스 1.0이 출시되며, 블루투스 기반 N:N 통신마저도 가능해졌다. 이를 통해 메시 네트워크 상에서 우리는 215인 최대 32,767 노드 간 통신이 가능해졌고, 이런 기술적 진보는 다양한 디바이스를 연계해야 하는 IoT 그리고 스마트 홈에 최적화된 것이었다. 바야흐로 블루투스 메시를 통해 스마트 홈 구현이 한결 가까워진 것이다.

스마트 홈 애플리케이션을 위한 블루투스 메시

블루투스 메시 네트워킹은 스마트 홈과 홈 오토메이션 애플리케이션에 다양한 신규 제품들이 등장할 수 있는 계기가 됐다. 가장 대표적인 예가 이제는 쉽게 구입할 수 있는 블루투스 기반의 조명이다. 소비자들은 집 안의 일부 혹은 전체 전구들을 이런 신제품으로 교체할 수 있게 됐고, 블루투스 메시를 통해 침실, 부엌, 복도에 있는 조명을 손쉽게 제어할 수 있게 됐다. 홈 오토메이션 부분에서 블루투스를 보다 광범위하게 활용할 수 있도록 만들어 준 또 다른 속성은 BLE 프로토콜 위에서 작동할 수 있다는 점이다. 이런 속성을 활용해 소비자들은 기존의 블루투스 4.0과의 통합은 물론 기존의 다양한 디바이스를 블루투스 메시에 통합할 수 있게 됐다.

블루투스 메시의 스타 토폴로지

블루투스 메시 네트워킹은 스타 토폴로지(Star Topology)를 통해, 단일 네트워크 허브를 중심으로 제한된 커뮤니케이션을 수행하는 것이 아니라, 다수의 노드를 통해 메시지를 주고 받을 수 있게 한다. 이를 통해서 메시 네트워킹은 거의 즉시 다양한 디바이스에 대한 접속/통제를 가능하게 한다. 뿐만 아니라 블루투스의 거리 제한을 넘어 네트워크의 물리적 범위를 확장하고, 다양한 노드를 활용함으로써 네트워크 복원력을 향상 시키고, 디바이스 간 연계의 범위를 비약적으로 확장할 수 있게 됐다.

메시를 통해서 우리는 비로소 기존의 블루투스 기기들이 갖고 있는 전통적인 영역의 한계를 극복하고 작동 범위를 확장할 수 있게 된 것이다. 또한 서로 촘촘히 연계된 네트워크를 통해 장애 요소들을 극복하고 자가 복원력을 갖게 됐다.

메시 네트워킹 내 노드의 종류와 연계 기술

○ 릴레이 노드

이 노드들은 항상 대기 상태에 놓여 있기 때문에 더 많은 전력을 소모하게 된다. 릴레이 노드들은 네트워크 망을 통해 데이터 패킷을 전달하고 수신하는 역할을 담당한다. 조명 등의 사례를 생각할 때, 릴레이 노드에는 전원이 지속적으로 공급되기 때문에, 전원 공급에 대한 우려는 낮다.

○저전력 노드

이 노드들은 일반적으로 배터리로 전원이 공급되고, 대부분의 경우 절전모드로 전환된다.

○프렌드 노드

프렌드 노드는 계획된 스케쥴에 따라 메시지를 저장하고 전달하는 역할을 수행하며 항상 저전력 노드와 연계돼 있다. 늦은 오후나 새벽에 외부 조명을 제어하는 역할을 담당하는 광 센서들이 대표적인 예이다.

○프록시 노드

이 노드는 스마트폰과 같은 블루투스 표준 속성(Generic Attribute: GATT) 인터페이스를 사용함으로써 메시 네트워크를 지원하지 않는 블루투스 저전력 디바이스를 메시 네트워크에 통합될 수 있도록 만들어 준다.

메시 네트워크 기술은 각 메시지들이 최종 목적지에 도착할 때까지 전방위 브로드캐스팅 혹은 플러딩(Flodding) 기술을 활용해 모든 네트워크에 위치한 노드에 메시지를 송출한다. 이런 메시지는 네트워크 내의 특정 노드 혹은 일정 그룹 아니면 전체 노드를 대상으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 이 기술을 활용해 부엌이나 복도와 같이 특정 지역에 속해 있는 모든 조명을 지연없이 일시에 켜거나 끌 수 있다.

퍼블리시-서브스크라이브(Publish and Subscribe) 메커니즘은 메시 네트워크 내 서로 상이한 종류의 노드를 서로 연결시켜 통제가 가능하게 만들어 주는 기술이다. 예를 들어, 방 안에 위치한 조명 스위치가 전원을 끄고 켜라는 명령을 '퍼블리시'하면, 복도에 있는 조명이 이 명령을 '서브스크라이브'하게 되는 방식이다.

사이프레스 EZ-BT 메시 평가 키트(CYBT-213043-MESH)

이런 블루투스 메시 기반의 제품 설계를 시작한다는 것은 기술적으로 매우 매력적이지만, 숙련된 엔지니어에게 조차 쉽지 않은 도전이다. 따라서 블루투스 SIG(Special Interest Group)는 블루투스 인증 프로세스를 통과한 모듈과 SoC(System-On-Chip) 공급 업체 목록을 공개해, 이런 어려움을 극복할 수 있게 도움을 주고 있다. 하지만 그럼에도 불구하고, 대부분의 엔지니어들은 구성 요소 사양과 소프트웨어 스택, 개발 툴, 레퍼런스 디자인 등 다양한 요소에 대해 많은 의문을 가질 수 밖에 없다.

이런 맥락에서, 사이프레스는 블루투스 메시 디자인 설계 단계에서 수 많은 고민을 가지고 있는 엔지니어들에게 일종의 ‘해답지’ 같은 역할을 자처하고 있다.

사이프레스의 EZ-BT 메시 평가 키트는 블루투스SIG 메시의 기능성을 구현하기 위한 최적의 테스트 플랫폼 중 하나로 평가 받고 있다[그림2]. 이 키트는 사이프레스 CYW20819 기반의 CYBT-213043-02 모듈, 서미스터, 광 센서와 PIR 모션 센서라는 별도의 분리된 4개 모듈로 이뤄져 있다. CYW20819는 초 저전력, 듀얼 모드 블루투스 5.0 SoC로, 블루투스 메시 1.0 사양에 대한 인증을 받았다. 해당 플랫폼은 센서 노드와 조명, 스마트 홈 애플리케이션과 같은 BLE 메시 기능을 구현하는데 이상적인 것으로 평가 받고 있다.

사이프레스는 모든 노드 유형에서 블루투스 메시 기능을 구현하기 위해 디바이스와 레퍼런스 디자인, 활용 애플리테이션 등과 관련된 포괄적 리스트를 제공함으로써, 엔지니어들이 관련 제품의 프로토타입 제작과 개발, 테스트를 가능한 신속하고 비용 효율적으로 수행할 수 있도록 지원하고 있다.

사이프레스의 인증된 모듈과 SoC, 펌웨어, 개발 키트 등은 메시 스택 규격의 기본 프로토콜로 작업하는 복잡성을 없애고, 개발팀이 가능한 최단 시간 내에 최종 제품을 시장에 출시하는 데 집중할 수 있게 해준다. 이를 위해 사이프레스는 메시 디바이스 제품군과 상호작용할 수 있는 모바일 애플리케이션의 개발 속도를 높이기 위해 마이크로소프트 윈도우, 안드로이드, 애플 iOS 등을 위한 소스코드 예제를 사전에 제공함으로써 엔지니어들의 노력을 덜어 주고 있다. 

작성자: 로버트 헌틀리

로버트 헌틀리는 통신, 임베디드 시스템 설계, 네비게이션 분야에 두루 경험을 갖춘 엔지니어이자 전문기술 기고가이다. 그는 현재 글로벌 선도 전자부품 유통업체인 마우저 일렉트로닉스와 함께 다양한 분야의 저술 활동을 이어가고 있다.