[디지키 테크리포트] ‘BLE’가 결합된 사전인증 ‘와이파이6’ 모듈 활용 산업용 무선 통합 간소화
[테크월드뉴스=이광재 기자] 사물인터넷(IoT)의 출현으로 무선 연결은 장비 모니터링 및 자산 추적부터 건물 자동화에 이르는 산업 응용 분야의 기본 요구사항이 됐다.
이러한 연결을 구현하려는 설계자는 무선 칩셋, 안테나, 소프트웨어 부품, 글로벌 인증, 보안, 열악한 환경에서의 신뢰성을 비롯한 여러 과제에 직면하고 있다.
이러한 과제는 ‘BLE(Bluetooth Low Energy: 블루투스 저 에너지) 5.4’가 지원되는 견고한 사전인증 ‘와이파이6’ 모듈을 선택함으로써 극복할 수 있다. 이 모듈은 통합을 간소화하면서 필수 기능을 제공한다.
이 기사에서는 산업 시스템 설계자의 무선 연결 과제에 대해 논의하고 BLE 5.4가 지원되는 사전인증 에주리오(Ezurio) 와이파이6 모듈의 예를 소개한다. 또 사전인증 안테나 및 이와 연결된 개발 키트에 대해서도 설명한다.
산업용 무선 통신의 주요 과제
산업 환경에서는 고속 데이터를 공유해야 하는 엔드포인트 수가 계속 늘어가고 있으며 무선 네트워크는 이러한 데이터를 주고받는 유일한 실질적 수단인 경우가 많다.
이는 대기 시간 문제 및 패킷 손실로 인해 작동 효율성에 영향을 미치므로 이전 무선 기술의 경우 네트워크 정체가 발생할 수 있다. 오래된 통신 기술은 또한 네트워크를 사이버 공격에 취약한 상태로 방치할 수 있다.
와이파이6 및 BLE 5.4와 같은 최신 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있지만 이러한 기술을 개발 및 통합하려면 특히 공간 제약적 장치 및 레트로핏 응용 제품에서 강력한 RF 전문 지식이 필요하다. 또 여러 무선 솔루션은 생산을 늦추고 비용을 증가시키는 수동 조립 단계를 필요로 한다.
신뢰성은 또 다른 고려 사항이다. 대다수의 산업 환경에서는 상당한 전자기 간섭(EMI), 극한의 온도, 진동, 충격이 발생한다. 마지막으로 수많은 응용 제품은 글로벌 표준 준수를 보장하면서 배터리 수명을 연장하기 위한 저전력 소비를 요구한다.
강력한 솔루션 ‘BLE 5.4’가 지원되는 와이파이6 모듈
에주리오의 소나(Sona) TI351 모듈은 와이파이와 BLE를 견고한 사전인증 패키지에 결합해 산업용 무선 연결의 과제를 해결한다(그림1).
텍사스인스트루먼트(Texas Instruments SimpleLink, 이하 TI) CC3351 와이파이 및 BLE 컴패니언 IC를 기반으로 하는 이 모듈은 표면 실장 기술(SMT) 및 플러그형 변형으로 제공되며 내장형 칩 안테나 또는 안테나 커넥터 옵션이 지원된다.
모든 모듈은 고속 데이터 전송 및 내장된 오류 감지 및 수정 기능을 제공하는 SDIO 2.0 인터페이스를 통해 와이파이6(802.11ax)을 지원한다. 와이파이6은 정체된 산업용 네트워크에서 신뢰할 수 있는 성능을 지원하는 여러 특징을 제공한다.
이에 직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA)를 사용하면 동일한 채널에 있는 여러 IoT 장치에서의 동시 전송이 가능하므로 밀집 배포의 효율을 증폭시키며 목표 깨우기 시간(TWT)은 장치의 깨우기 시간을 정밀하게 스케줄링함으로써 배터리 수명을 최적화한다.
또 이중 대역은 서로 다른 사용 사례에 대해 융통성을 지원하고 2.4GHz(기가헤르츠)는 장애물 돌파력을 향상시키고 5GHz는 더 높은 대역폭을 제공한다.
이와 함께 18dBm(1밀리와트 기준 데시벨) 전송 전력은 넓은 산업 공간에 걸쳐 신뢰할 수 있는 커버리지를 제공한다.
모듈의 BLE 5.4 지원은 전용 고속(HS-UART) 채널을 통해 제공된다. BLE 5.4는 산업 환경에 매우 적합한 프로토콜로 지원되는 기능은 ▲응답을 통한 주기적 애드버타이징(PAwR)-미리 지정된 전송 윈도를 사용해 전력 소비 감소 ▲주기적 애드버타이징 동기화 전송(PAST)-주요 장치 활성화를 통해 동기화 데이터를 공유, 네트워크 관리 간소화 ▲LE 2Mbit/s(초당 메가비트 수) 물리층(PHY)-절전 모드로의 빠른 전환으로 고속 데이터 전송을 지원하고 전력 효율을 더욱 향상 ▲LE 장거리 모드-확장된 거리에 걸쳐 신뢰할 수 있는 통신 제공 등이다.
이 모듈은 두 프로토콜 모두를 필요로 하는 응용 제품을 위해 와이파이 및 블루투스 공존을 지원한다.
고신뢰성 설계
소나 TI351 모듈은 나가는 신호 강도를 증폭시키는 통합 전력 증폭기(PA)를 통합해 까다로운 환경에서 신뢰할 수 있는 작동을 보장한다. 수신측의 저잡음 증폭기(LNA)는 잡음 간섭을 최소화하면서 약한 신호를 증폭시켜 신호 수신을 개선한다. 이러한 조합을 통해 EMI가 크고 물리적 장애물이 있는 환경에서도 안정적인 무선 연결을 보장할 수 있다.
이 모듈은 또 물리적 신뢰성을 위해 설계됐다. SMT 버전은 진동과 기계적 응력을 견딜 수 있는 견고한 연결을 제공하며 내장된 안테나 옵션은 잠재적인 장애점을 제거한다. 이 모듈은 또 -40°C~85°C의 작동 온도 범위를 가진다.
리눅스 및 안드로이드OS를 위한 포괄적 소프트웨어 지원
소나 TI351 모듈에는 리눅스 및 안드로이드 운영체제를 위한 포괄적인 소프트웨어가 지원된다.
리눅스의 경우 연결 스택은 이전 커널과의 호환성을 보장하기 위해 v2.6.37 이상 릴리스에 대한 백포트 드라이버를 통해 여러 커널 버전에 걸쳐 테스트된다. 이 스택은 빌드루트(Buildroot), 욕토(Yocto), 우분투(Ubuntu)를 비롯해 친숙한 구축 환경을 지원한다.
단지 하드웨어별 드라이버를 제공하는 대신 에주리오는 사전 테스트를 거친 완전한 연결 스택을 제공한다(그림2). 이 접근 방식은 부품간 비호환성을 방지하는 데 도움이 되며 시스템 통합을 가속화한다. 이 스택은 최적의 성능을 보장하기 위해 최신 드라이버 소스 및 커널 부품으로 계속적으로 유지 관리된다.
보안 및 인증 고려 사항
이 모듈은 와이파이6 및 BLE 5.4의 고급 보안 기능을 활용한다. 와이파이측에서는 고급 암호화 및 인증 메커니즘을 비롯해 엔터프라이즈급 WPA2/3 보안 프로토콜에 대한 강력한 지원을 제공한다.
BLE의 경우 암호화된 애드버타이징 데이터 기능은 연속 연결 구축에 대한 오버헤드 없이 민감한 정보에 대한 보안 브로드캐스트를 활성화하므로 환경 데이터 또는 액세스 자격 증명을 전송하는 자동화 시스템을 구축하는 데 특히 유용하다.
또 BLE 일반 속성 프로파일(GATT) 보안 레벨 특성은 다양한 데이터 유형에 대해 서로 다른 보안 레벨을 지원하므로 보안 오버헤드와 성능간 균형을 최적화할 수 있다.
규정 준수는 특히 국제적으로 배송되는 장치의 경우 설계자가 선택하는 프로토콜에 상관없이 큰 골칫거리일 수 있다. 이러한 우려를 해결하기 위해 소나 TI351 제품군은 FCC(US), IC(캐나다), CE(유럽), UKCA(UK), MIC(일본), RCM(오스트레일리아/뉴질랜드), KCC(대한민국)를 포함하는 표준에 따라 인증됐다.
조립 유연성 제공하는 SMT 및 M.2 옵션
앞서 언급한 바와 같이 에주리오 소나 TI351 제품군은 특정 응용 요구사항을 충족하기 위해 여러 가지 구성으로 제공된다.
예를 들어 453-00200R(그림3)은 칩 안테나가 통합돼 있는 콤팩트한 12㎜×16㎜ M.2 1216 SMT 폼팩터를 사용한다.
이 설계는 산업 환경을 견딜 수 있는 견고한 연결을 제공하면서 자동 조립을 지원한다. 이러한 기능 조합을 갖춘 모듈은 신뢰성 및 제조 효율이 매우 중요한 대량 배포에 매우 적합하다.
외부 안테나 연결이 필요한 응용 제품을 위해 453-00199R(그림4)은 동일한 내구적 M.2 1216 폼팩터를 사용하지만 칩 안테나 대신 MHF4L 커넥터를 제공한다.
이 구성을 통해 EMI는 외부 안테나를 사용해 높은 금속 인클로저 또는 영역과 같은 까다로운 RF 환경에서 최적의 신호를 수신할 수 있다.
이전의 두 예와 달리 453-00209(그림5)는 플러그형 시스템 구성을 위한 M.2 2230 키(Key) E 커넥터를 사용한다. 이러한 특징은 현장에서 쉽게 설치 및 교체할 수 있어 유지 관리 중 시스템 다운타임을 최소화하는 것이 중요한 장비 모니터링 응용 분야에 특히 유용하다.
이러한 옵션 범위를 통해 설계자는 신뢰성 및 통합 용이성을 유지하면서 특정 사용 사례에 대한 구현을 최적화할 수 있다.
RF 설계 간소화하는 사전인증 안테나
MHF4L 커넥터가 장착된 모듈의 경우 에주리오는 다양한 사전인증 안테나 옵션을 제공한다.
한 예로 손쉬운 통합을 위한 접착제 지지체를 가진 EFB2471A3S-10MH4L 5W FlexPIFA(flexible Planar Inverted-F Antenna)(그림6)를 들 수 있다.
이 3중 대역(2.4/5/6GHz, 7.125GHz 지원) 안테나는 1.6:1(5.925GHz~7.125GHz)의 낮은 평균 전압 정재파비(VSWR)를 유지한다. 이 안테나는 5GHz 기준 3.9dBi(등방성 기준 데시벨) 이득을 가지며 다양한 주파수 대역에서 성능을 발휘해야 하는 글로벌 응용 제품에 특히 적합하다.
고정 산업용 IoT(IIoT) 및 장비 모니터링 응용 분야를 위해 001-0021(그림7)은 2중 대역 2.4/5GHz 솔루션을 제공한다. 또 2.4GHz 기준 2.5:1 미만의 VSWR과 5GHz 기준 3dBi 이득을 가진다.
사전인증된 안테나 라인업을 통해 제품 개발을 의미 있게 간소화할 수 있다. 에주리오는 이미 모듈과 함께 사용할 안테나를 테스트해 예기치 않은 RF 성능 문제가 발생할 위험을 줄였다.
더 광범위하게 모듈 폼팩터와 안테나 선택의 조합을 통해 시스템 설계자는 통합의 용이성을 유지하면서 구현을 최적화할 수 있다.
전체 액세스 권한 제공하는 개발 키트
설계자는 453-00200-K1 개발 키트(그림8)를 사용해 모듈을 빠르게 시작할 수 있다. 이 포괄적인 키트는 453-00200 칩 안테나 모듈을 사용하며 모듈 기능 및 성능 테스트를 위해 리눅스 호스트에 대한 여러 소프트웨어 및 하드웨어 인터페이스를 갖추고 있다.
키트에는 고속 및 저속 케이블과 UART 또는 고속 SDIO 장치에 연결되는 어댑터/도터카드가 포함돼 있다. 온보드 헤더, 점퍼, 스위치를 사용하면 하드웨어 및 소프트웨어 개발 중에 전력 소비를 테스트 및 측정하기 위해 전력 및 신호 네트를 손쉽게 분리할 수 있다.
결론
소나 TI351 모듈은 콤팩트하고 견고한 설계로 고급 무선 기능을 통합해 산업 환경의 주요 무선 연결 과제를 해결한다. 모듈 및 안테나에 대한 사전인증, 여러 실장 옵션 및 폼팩터, 포괄적인 개발 키트는 개발 시간과 위험을 최소화한다.