무선 모듈로 스마트 LED 전구 설계하기
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무선 모듈로 스마트 LED 전구 설계하기
  • 선연수 기자
  • 승인 2020.04.14 08:45
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[테크월드=선연수 기자] LED(Light-emitting Diode) 전구는 140년 전 최초의 상용 백열등이 등장한 이후, 조명 분야에서 이뤄진 가장 획기적인 진보라고 할 수 있다. LED 조명이 동급 백열등에 비해 에너지를 75% 더 적게 소모하고 수명은 50배 이상 더 오래간다는 장점은 이미 잘 알려져 있다. 최신 LED 전구는 이전 세대보다 훨씬 더 발전했다. 발열을 최소화하고, 자외선이나 적외선 복사를 하지 않고, 수은을 포함하지 않으며, 충격에 강하고, 극한의 환경에서도 효율적으로 작동한다.

 

그리고 조명 분야에 새로운 혁신의 물결이 일어나고 있다. 바로 스마트 커넥티드 조명이다. LED 전구에 무선 커넥티비티와 네트워킹 기능을 추가함으로써 단순히 켜고 끄는 기능을 넘어 훨씬 더 많은 기능을 수행할 수 있게 됐다. 스마트폰 앱이나 음성 비서를 통해 밝기, 색 온도, 타이밍을 조절할 수 있으며, 외부에서 원격으로 조명을 제어할 수도 있다. 무선 근접 센서를 사용해 밤에 집이나 빌딩 안에서 이동할 때 자동으로 스마트 조명을 켜서 복도나 실내를 밝힐 수 있고, 아침에 침대 옆의 조명이 서서히 켜지도록 해 잠을 깨도록 할 수 있고, 병원 조명에 색을 사용해 환자들의 기분을 전환하고 건강과 회복을 촉진할 수도 있다. 이처럼 스마트 커넥티드 조명은 이전에는 상상할 수 없던 다양한 방식으로 활용될 수 있다.

 

점점 늘어나는 스마트 조명

스마트 조명은 전통적인 조명에 비해 이제 막 태동하는 단계로, 청정 에너지 정책이나 캘리포니아주의 타이틀 20(CA Title 20)와 같은 규정에 힘입어 주택용, 상용, 산업용 시장에서 빠르게 채택을 늘려가고 있다. 리서치앤마켓(Research and Markets)에 따르면, 전 세계 스마트 조명 시장은 2018년부터 2023년까지 연평균 21%의 성장률(CAGR)을 보이며, 2022년에는 240억 달러 규모의 시장을 형성할 것으로 전망된다.

점점 더 많은 ‘사물들’이 연결되고 소비자들이 스마트홈 기술을 받아들이면서 스마트 커넥티드 조명에 대한 수요는 계속 증가할 것이다. 애큐티 브랜즈(Acuity Brands), 크리(Cree), 이튼(Eaton), GE 라이팅(GE Lighting), 필립스/시그니파이(Philips/Signify), 오스람(Osram)과 같은 주요 조명 회사들이 단순히 스마트 LED 제품을 공급하는 데 그치지 않고 있다. 설치하기 쉽고 상호운영할 수 있으며, 보안이 강화되고 업그레이드 가능한 포괄적 조명 에코시스템을 제공하기 위해 애쓰는 이유는 늘어나는 수요에서 찾을 수 있다.

 

설계 시 고려사항

LED 전구에서 무선 커넥티비티를 비용 효율적으로 구현하기 위해, 조명 OEM들은 새로운 과제들을 해결해야 한다. 예컨대 스마트 LED 전구가 엄격한 RF 규제 조항, 까다로운 에너지 효율 표준, 높은 온도 정격, 엄격한 제품 폼팩터와 공간적 제약 등을 충족하도록 설계해야 한다. 또한 조명 개발자들은 여느 커넥티드 IoT 제품과 마찬가지로 디바이스와 네트워크 보안을 고려해야 하고, 스마트 LED 전구를 악의적인 해킹으로부터 보호해야 한다.

 

또 하나 중요한 설계 고려사항은 무선 프로토콜을 선택하는 것이다. 많은 커넥티드 조명들이 2.4GHz 주파수 대역에서 동작하고 지그비, 저전력 블루투스(블루투스LE), 블루투스 메시, 와이파이 등 널리 사용되는 표준 기반 근거리 무선 프로토콜을 사용한다. 표준 기반 프로토콜을 사용하면 음성 비서, 스마트폰, 태블릿과 같은 일반적인 컨슈머 제품들과 상호작용할 수 있으며, 맞춤형 게이트웨이를 구현하기 위해 별도의 네트워크 인프라 제품을 추가하지 않아도 된다. 제품에 따라, 스마트 LED는 다중 프로토콜 커넥티비티를 요구할 수도 있다. 예를 들면 디바이스 설정과 제어에는 블루투스 LE를 사용하고, 게이트웨이를 통해서는 다중 노드 지그비 기반 조명 메시 네트워크에 접근하는 것이다.

블루투스나 지그비와 같은 표준이 아니라 독자 규약의 무선 프로토콜을 사용할 수도 있다. 고유 기술을 사용하는 것은 단기적으로는 구현하기 쉽고 비용을 절감할 수 있으나, 장기적으로 상호운용성이나 업그레이드 가능성에 있어 문제가 될 수 있다. 공급 물량 측면에서 보면 표준 기반 무선 솔루션의 규모가 더 크기 때문에 장기적으로 볼 때 더 경제적인 선택일 수 있다. 다양한 무선 기술과 공급사들 중 가장 적합한 기술을 선택하기 위해서는 RF 설계·성능 상의 절충 요인들과 위험성을 잘 이해해야 한다.

또한 스마트 LED 설계는 전자기(EM) 방사와 에너지 소비 등 전통적인 조명 제품에는 요구되지 않는 무선 표준이나 규정 요건을 충족해야 한다.

 

구현 과제

조명 회사들이 새로운 스마트 LED 제품을 시장에 선보이려면 다음과 같은 구현 상의 과제들을 해결해야 하는데, 이것들은 엔지니어링과 운영 양쪽 모두와 관련이 있다.

 

- 미국연방통신위원회(FCC)나 유럽연합 통합규격(CE) 인증과 같은 표준·인증 시험 통과에 필요한 전문성을 키우고 자원을 할애해야 한다.

- 제품이 현장에 설치된 후 OTA(Over-the-air) 업데이트를 통해 제품 기능과 보안을 업그레이드할 수 있어야 한다.

- 자재와 다양한 부품들의 재고 조달을 관리해야 한다.

- 스마트홈이나 스마트빌딩의 다른 무선 IoT 제품, 에코시스템과 상호운용돼야 한다.

- 제품의 가격 경쟁력을 높이기 위해 BoM(Bill of Materials)과 개발 비용을 최적화하며, 촉박한 개발 일정을 충족하고 제품 출시를 앞당겨야 한다.

 

설계와 관리를 쉽게 만드는 모듈 솔루션

RF 전문성이나 경험이 부족한 개발자들에게는 LED 전구에 무선 커넥티비티를 추가하는 작업이 만만치 않을 수 있다. 이럴 때, 사전 인증 받은 무선 모듈 솔루션을 사용하면 스마트 LED 제품 설계 작업을 간소화할 수 있고 조명 제조사들이 직면한 많은 과제들을 최소화할 수 있다.

 

무선 모듈은 LED 설계의 커넥티비티 부분을 완성하는데 필요한 모든 주요 요소들이 통합된 플러그앤플레이 솔루션을 제공한다. 안테나 설계, 임피던스 매칭, 튜닝, 수동 소자 통합, 프로토콜 개발 등 RF 집중적인 까다로운 작업들은 모듈 업체들이 이미 처리했기 때문에, RF나 프로토콜 전문성을 갖추지 못한 기업들에게는 무선 모듈이 매우 유용하다. 뿐만 아니라 무선 모듈은 대체로 해당 프로토콜 스택을 비롯해 필요한 모든 소프트웨어가 함께 제공된다. 모듈 업체들이 사용하기 편리한 개발 툴을 제공해 설계와 디버깅 작업을 간소화할 수 있다.

LED 설계에 무선 모듈을 사용하면 조명회사들은 안테나, 크리스털 오실레이터, 수동 소자와 같은 RF 부품들을 조달하고 목록을 관리해야 하는 번거로움을 줄일 수 있다. 동일한 모듈을 여러 조명 제품에 사용할 수도 있어 조달과 재고 관리를 더욱 쉽게 할 수 있다.

 

적합한 모듈 솔루션 고르기

LED 설계에 필요한 모듈 제품을 검토할 때, 조명회사들은 해당 커넥티드 조명 애플리케이션의 요구사항을 충족하는 적합한 솔루션을 선택해야 한다.

실리콘랩스(Silicon Labs)의 MGM210L과 BGM210L 모듈은 조명 애플리케이션에 적합한 모듈이다. MGM210L 모듈은 지그비와 스레드뿐 아니라 동적 다중 프로토콜 커넥티비티(예를 들어, 지그비와 블루투스LE를 모두 사용)를 지원한다. BGM210L은 블루투스LE 또는 블루투스 메시 네트워킹용으로 설계됐다. 이 모듈들을 사용해 색상 선택·디밍을 할 수 있는 풍부한 기능의 LED 조명을 개발할 수 있으며, 개발자는 블루투스, 지그비, 스레드 기반 메시 에코시스템을 활용할 수 있다.

xGM210L 모듈은 실리콘랩스의 2세대 EFR32xG21 무선 시스템온칩(SoC) 디바이스를 탑재하고 있다. 저전력 Arm Cortex-M33 프로세서 코어에 기반해 동적 다중 프로토콜 동작과 OTA 펌웨어 업데이트에 충분한 메모리를 제공하며, 802.15.4와 블루투스 메시 프로토콜뿐 아니라 저전력 블루투스를 지원하는 고성능 2.4GHz RF 트랜시버를 포함한다. 무선 부분은 단일 프로토콜이나 다중 프로토콜 커넥티비티로 무선 네트워킹 기능을 처리한다. 모듈에는 RF 전력 증폭기가 포함돼, 수백 미터에 이르는 LoS(Line-of-sight) 커넥티비티를 요구하는 원거리 애플리케이션도 지원한다.

에너지 효율적인 xGM210L 디바이스는 동적 전력 소모가 낮아 CA Title 20과 같은 기구 효율 규정을 손쉽게 충족할 수 있다. 미국 시장에 출하되는 조명 제품은 CA Title 20에 대해서 제조사가 인증을 받아야 한다.

 

실리콘랩스의 BGM210L 모듈

조명회사들은 모듈 솔루션을 사용함으로써 RF 설계, 프로토콜 최적화, 인증 취득과 관련한 작업을 줄일 수 있다. 한국은 물론 북미(FCC, ISED), 유럽(CE), 일본에서 사용할 수 있도록 사전 인증 받은 xGM210L 모듈은 글로벌 무선 인증과 관련된 시간, 비용, 위험성을 최소화할 수 있다. 이를 통해 조명회사들은 제품 출시 기간을 최대 수개월까지 단축할 수 있다.

제조회사들이 점점 더 많은 LED 제품에 RF 연결 기능을 추가하고 있는 가운데, 전구 디자인의 소형 폼팩터는 크기, 전력, 열 발생에 있어서 제약이 심하고, 기존의 무선 솔루션으로 충족하기가 쉽지 않다. xGM210L 모듈은 16×23mm 크기의 PCB 폼팩터로 제공되며, 이는 작은 공간에서의 LED 전구 디자인에 적합하다. 최대 온도 정격은 +125℃로 장시간 사용할 경우 뜨거워지기 쉬운 전구 하우징에서 신뢰성있는 동작을 보장한다.

 

통합 모듈 보안

보안은 스마트 LED 제품을 위한 또 다른 중요한 고려사항 중 하나다. 최근에는 해커들이 LED 전구를 통해 스마트홈 네트워크로 침입할 수 있다는 보도가 전해지면서, 소비자와 조명 개발자들 모두 전구부터 클라우드에 이르기까지 보안의 중요성을 잘 인식하고 있는 상황이다. 조명회사들은 비용을 추가하지 않고도 스마트 LED 제품에 강건한 보안을 구현할 수 있도록 하드웨어 보안 기능을 내부에 통합한 모듈 제품을 요구하고 있다.

xGM210L 모듈은 전문적인 보안 코어를 포함하며, 이 코어는 애플리케이션 프로세서와 분리돼 암호화 연산을 빠르고 에너지 효율적으로 수행하고 차분 전력 분석(DPA, Differential Power Analysis)도 할 수 있다. NIST, AIS-31와 호환되는 TRNG(True Random Number Generator)는 디바이스 암호화를 강화하고, RTSL(Root of Trust and Secure Loader) 기술을 사용한 보안 부트는 멀웨어 주입과 롤백을 방지하며 신뢰할 수 있는 소스만이 펌웨어를 실행, OTA 업데이트를 할 수 있도록 허용한다. 고유의 잠금/해제 기능을 사용하는 보안 디버그 인터페이스는 권한이 허가된 당사자만이 강화된 고장을 분석할 수 있도록 하고 있다. 모듈의 Arm Cortex-M33 코어는 트러스트존(TrustZone) 기술을 통합하고 있어, 신뢰할 수 있는 소프트웨어 아키텍처를 위한 시스템 차원의 하드웨어 절연을 구현한다.

완벽한 모듈 솔루션이라면 개발자가 지그비, 스레드, 블루투스 메시, 블루투스LE와 같은 표준 프로토콜을 선택할 수 있도록 강건한 무선 소프트웨어 스택을 제공해야 한다. 또한 개발자들을 위해 소프트웨어 개발 키트(SDK) 등 포괄적인 소프트웨어를 지원하고, 네트워크 성능 검증과 디버깅, 성능과 에너지 소모를 최적화하기 위한 첨단 툴들을 함께 제공해야 한다. xGM210L 모듈은 네트워크 분석기, 에너지 프로파일러 등의 우수한 개발 툴 세트를 함께 지원한다. SDK로는 저에너지 동작을 구현하는 데 필요한 모든 라이브러리와 LED 전구가 네트워크와의 통신에 필요한 모든 드라이버들을 포함하고 있다.

 

결론

주택용, 상용, 산업용 시장에서 스마트 LED 전구 제품이 갈수록 인기를 끌고 있다. 커넥티드 조명 제품 개발을 간소화하도록 포괄적인 하드웨어·소프트웨어 솔루션들이 등장하고 있다. 스마트 조명용으로 최적화된 무선 모듈을 사용하면 개발 작업을 단축하고, 개발·인증에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 전문성이 부족한 기업들은 개발 과정에서 직면할 수 있는 다양한 무선 설계 문제를 해결해나갈 수 있다.

글: 닉 듀턴(Nick Dutton) 선임 IoT 제품 마케팅 관리자

자료제공: 실리콘랩스

 

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 4월 호에 게재된 기사입니다.


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