스마트 홈을 위한 저전력 무선 연결 솔루션

스마트 홈(Smart Home)은 가정 내 기기 및 시스템이 첨단 정보 기술을 통해 서로 연결되고 소통하며, 가정 생활의 편리함, 안전성, 에너지 효율성, 그리고 안락함을 향상시키는 라이프스타일을 의미합니다. 이는 오늘날 가장 주목받는 응용 분야 중 하나가 되었습니다. 특히, 기기를 상호 연결하기 위해 사용되는 저전력 무선 연결 기술은 스마트 홈 응용 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 이 글에서는 저전력 무선 연결 기술의 현재 발전 상황과 Nordic에서 제공하는 관련 솔루션을 소개합니다.

저전력 무선 연결 기술이 스마트 장치를 연결합니다

스마트 홈 시스템은 일반적으로 다양한 센서, 액추에이터, 네트워크 장치 및 스마트 컨트롤러로 구성되어 있으며, 인터넷 연결을 통해 장치 간의 통신 및 원격 제어를 가능하게 합니다. 스마트 홈의 일반적인 애플리케이션에는 스마트 조명 시스템, 스마트 보안 시스템, 스마트 가전 제어, 스마트 HVAC 시스템, 음성 비서 및 스마트 스피커, 스마트 커튼 및 창문, 스마트 홈 엔터테인먼트, 건강 모니터링 시스템, 그리고 스마트 주방 등이 포함됩니다.   이러한 스마트 기기는 편리한 통신과 상호 연결성을 위해 저전력 무선 연결 기술이 필요한 경우가 많습니다. 현재 스마트 홈을 위한 주요 무선 연결 프로토콜로는 Matter, Thread, Bluetooth Low Energy(Bluetooth LE), Wi-Fi, Zigbee, Cellular IoT, 그리고 NR+가 있으며, 각 프로토콜은 다양한 애플리케이션 요구를 충족하기 위한 고유한 특성을 가지고 있습니다. 아래는 주요 무선 연결 기술, 그 개발 과정, 그리고 특징에 대한 간략한 개요입니다.

물질

Matter는 애플리케이션을 구축할 수 있는 공통 기반을 제공하여 장치와 생태계 간의 상호운용성을 실현하고, 개발자가 안전하고 신뢰할 수 있는 솔루션을 쉽게 생성할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. Matter는 2019년 12월 처음 CHIP(Connected Home over IP) 프로젝트로 출시되었습니다. Amazon, Apple, Google과 Nordic 등 기타 기업들이 창립 멤버로 참여하여 가정 내 상호 연결된 장치들을 위한 통합된 애플리케이션 계층 표준을 수립하기 위해 노력했습니다.   Matter 솔루션은 Apple의 Siri, Google의 Assistant, Amazon의 Alexa와 같은 주요 스마트 홈 생태계와 상호운용이 가능하게 됩니다. Matter는 Thread, Wi-Fi, Ethernet을 전송 방식으로 사용하며, Bluetooth Low Energy는 장치 설정 과정에 사용됩니다. Thread 기반의 모든 Matter 장치는 네트워크에 새로운 장치를 추가하기 위한 Bluetooth Low Energy 기능을 필요로 합니다.

와이파이

Wi-Fi(무선 충실성, Wireless Fidelity)는 기기들 간 데이터 전송을 위한 무선 통신 기술입니다. Wi-Fi 기술은 전통적인 유선 연결 없이 무선 신호를 사용하여 기기들이 인터넷에 연결 및 통신할 수 있도록 합니다. 현재 가장 널리 사용되는 무선 통신 기술 중 하나입니다.   Wi-Fi Alliance는 속도, 안정성 및 성능을 개선하기 위해 각기 새로운 기술을 도입하는 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, 그리고 802.11ax(Wi-Fi 6)와 같은 일련의 Wi-Fi 표준을 수립했습니다. 최신 버전인 Wi-Fi 6는 빠르고 안정적이며 높은 용량의 무선 연결이 요구되는 애플리케이션에 특히 유용합니다. 또한, 스마트 온도 조절기, 보안 카메라, 조명 시스템과 같은 스마트 홈 기기들은 Wi-Fi 6의 개선된 범위와 커버리지, 단일 네트워크에서 더 많은 기기 지원 및 IP 기반 통신 가능성으로부터 이점을 얻을 수 있습니다.

블루투스 저에너지 (BLE)

Bluetooth 저에너지(BLE)는 저전력 환경에서 단거리 통신을 제공하도록 특별히 설계된 Bluetooth 기술의 변형입니다. Bluetooth 저에너지 기술의 가장 중요한 특징 중 하나는 저전력 설계로, 센서, 착용 가능한 장치, 건강 모니터와 같이 장기적인 작동이 필요한 장치에 적합하다는 점입니다.   Bluetooth 저에너지의 설계 초점은 일반적으로 10미터에서 100미터 범위 내에서 단거리 통신을 제공하여 불필요한 에너지 소비를 방지하는 데 있습니다. Bluetooth 저에너지는 빠르게 연결을 설정하고 적은 양의 데이터를 신속하게 전송하도록 설계되었습니다. 이는 모바일 장치 간 소규모 파일을 공유하거나 센서와 모바일 장치 간 데이터를 전송하는 시나리오에 유용합니다.

스레드

Thread는 저전력, IPv6(인터넷 프로토콜 버전 6) 기반의 무선 통신 프로토콜로, 사물인터넷(IoT)을 위해 특별히 설계되었습니다. 이는 저전력이 필요한 많은 수의 디바이스를 연결하는 시나리오에 적합한 저전력 프로토콜로 제작되었습니다. Thread는 저전력 절전 모드, 빠른 웨이크업, 유연한 데이터 전송 메커니즘을 사용해 디바이스의 전력 소비를 줄입니다.   Thread는 자가 조직화를 지원함으로써 디바이스가 중앙 컨트롤러 없이 자동으로 네트워크를 형성할 수 있게 합니다. 이로 인해 네트워크 확장이 쉬워지고 새로운 디바이스들이 네트워크에 쉽게 가입하고 참여할 수 있습니다. IPv6를 기반으로 한 Thread는 디바이스에 글로벌 고유 주소를 제공해 장치들이 인터넷과 직접 소통하고 종단 간 통신을 지원할 수 있도록 합니다.

지그비

Zigbee는 저전력, 저데이터 속도, 단거리 통신을 위해 특별히 설계된 무선 통신 프로토콜로, 장기간 작동이 필요한 배터리 기반 장치인 센서 및 스마트 홈 디바이스에 적합합니다. Zigbee의 설계 목표 중 하나는 보통 10미터에서 100미터 범위 내에서 단거리 통신을 제공하는 것이며, 이는 스마트 홈 및 산업 제어와 같은 분야에서 디바이스 간의 근거리 통신에 매우 적합합니다.   Zigbee는 스스로 네트워크를 구성할 수 있는 자가 조직화를 지원하여, 중앙 컨트롤러 없이도 디바이스가 동적으로 네트워크에 참여하거나 떠날 수 있도록 합니다. 이를 통해 네트워크가 변화에 적응하고 일정 수준의 복원력을 가질 수 있습니다. Zigbee의 데이터 전송 속도는 상대적으로 낮아 센서 데이터나 제어 명령과 같은 소량의 데이터를 전송하기에 적합하며, 이는 전력 소비를 줄이는 데 기여합니다.

셀룰러 사물 인터넷(LTE-M 및 NB-IoT)

인터넷 연결 사물(IoT) 응용 프로그램을 위한 최적의 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 기술을 평가할 때, 기술 사양만 넘어서 다양한 요인을 고려하는 것이 중요합니다. 실제 성능은 기술 사양과 크게 다를 수 있기 때문입니다. 다음은 LoRaWAN, Sigfox, Wi-SUN 또는 기타 LPWAN 기술보다 NB-IoT 및 LTE-M을 포함한 셀룰러 IoT가 귀하의 IoT 프로젝트에 더 적합할 수 있는 주요 이유입니다.   셀룰러 IoT는 기존 글로벌 인프라를 활용하여 허가된 주파수 대역에서 작동합니다. 구독 비용이 필요하지만, 광범위한 커버리지, 확장성, 내장된 서비스 품질, 신뢰성, 그리고 뛰어난 보안을 보장합니다. NB-IoT 및 LTE-M 기술 개발은 저전력 대규모 기계 통신 응용 프로그램을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

혁신적인 다중 프로토콜 SoC가 IoT 애플리케이션을 지원합니다

Nordic는 광범위한 무선 멀티 프로토콜 SoC(System-on-Chip) 제품군을 제공합니다. 그 중에서도 획기적인 초소형 초저전력 멀티 프로토콜 SoC인 nRF54H20이 있습니다. 이 제품은 뛰어난 처리 성능, 충분한 메모리, 우수한 효율성뿐만 아니라 최첨단 멀티 프로토콜 무선 및 고급 보안 기능을 특징으로 하며, 개발자가 혁신적인 IoT 제품을 설계할 수 있도록 지원합니다.   nRF54H20은 여러 구성 요소를 고도로 통합된 SoC로 대체함으로써 설계 크기를 줄이고, 효율적인 처리, 초저전력 무선 및 최소한의 대기 전류를 지원하면서 배터리 수명을 연장하거나 배터리 크기를 줄일 수 있습니다. 이 제품은 장거리 전송을 지원하며, Bluetooth Low Energy의 경우 10 dBm TX 전력, -100 dBm RX 감도, 802.15.4의 경우 -104 dBm RX 감도를 제공합니다. 또한 nRF54H20은 보안 부트, 안전한 펌웨어 업데이트, 안전한 스토리지 및 물리적 공격 방어를 통해 최첨단 보안을 제공하여 보안 위협을 완화합니다.   nRF54L15는 차세대 멀티 프로토콜 SoC로, 초저전력 Bluetooth 5.4 SoC이며, 고급 멀티 프로토콜 무선 및 보안 기능을 갖추고 있습니다. nRF54L 시리즈는 뛰어난 처리 성능과 효율성, 확장된 메모리 및 새로운 주변 장치를 자랑하며, 모두 더욱 컴팩트한 패키지에 담겨 있습니다.

Bluetooth 저전력 플래그십 SoC는 복잡한 IoT 애플리케이션의 요구를 충족합니다

언급된 nRF54H20 및 nRF54L15 SoC 외에도, Nordic은 Bluetooth 저에너지 플래그십인 nRF5340 SoC를 도입했습니다. 이는 nRF53 시리즈의 첫 번째 SoC이며, 전 세계적으로 두 개의 Arm® Cortex®-M33 프로세서가 장착된 최초의 무선 SoC입니다. 유연한 두 개의 프로세서와 고급 기능 세트의 결합은 Low Energy 오디오, 첨단 웨어러블 기기 및 기타 복잡한 IoT 응용 프로그램에 이상적인 선택이 됩니다.   nRF5340은 nRF52® 시리즈의 주목할 만한 기능을 대부분 통합한 SoC입니다. Bluetooth® 5.4, 고속 SPI, QSPI, USB 지원 및 최대 105 °C 온도에서 작동하는 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 기능을 제공하면서도 높은 성능, 메모리, 통합을 결합하고 전류 소비를 최소화합니다. 또한 신뢰 실행, 루트 오브 트러스트, 안전한 키 저장과 같은 보안 기능도 제공합니다.   또한, Nordic은 7개의 멀티 프로토콜 Bluetooth 5.4 SoC로 구성된 nRF52 시리즈도 제공합니다. 이 시리즈는 강력하고 효율적인 64 MHz Arm Cortex-M4 CPU를 통합하고 있습니다. 플래시 메모리는 192 KB에서 1024 KB, RAM은 24 KB에서 256 KB까지 다양합니다. nRF52 시리즈는 단순하고 비용 효율적인 옵션부터 고도로 발전된 옵션까지, 모두 초저전력 소비로 제공됩니다.   nRF52 및 nRF53 시리즈는 모두 완전 플래시 기반 SoC에 기반을 두며, 제품에 대한 완전한 유연성과 업그레이드 가능성을 제공합니다. 공장에서든 현장에서든 무선 장치 펌웨어 업그레이드(OTA DFU)를 통해 언제 어디서나 제품을 업데이트하고 기능을 추가할 수 있습니다.   IoT 응용 프로그램을 위해 Nordic은 또한 LPWAN 기술의 nRF91 시리즈를 도입했습니다. nRF91 시리즈는 관련된 모든 구성 요소를 소형화된 nRF9160 SiP 및 nRF9161 SiP의 10x16mm System-in-Package(SiP), nRF9151 SiP의 11x12mm, nRF9131 Mini SiP의 7x11mm 내에서 완전한 통신 및 애플리케이션 모듈로 통합함으로써 전례 없는 수준의 통합을 실현합니다. 이러한 통합은 경쟁 솔루션이 도달할 수 없는 비용 효율적이고 컴팩트한 설계를 가능하게 합니다. 예를 들어, 무게가 단 2.5그램에 불과한 가벼운 솔라 동물 추적기를 만들 수 있습니다.

포괄적인 IC 및 소프트웨어 개발 도구 세트를 제공합니다

Nordic은 다중 프로토콜 SoC 외에도 고객의 제품 개발 속도를 높일 수 있는 보완 IC와 소프트웨어 개발 키트를 제공합니다. 예를 들어, nRF7002는 저전력, 높은 보안성을 갖추고 있으며 Wi-Fi 6와 원활히 공존할 수 있는 컴패니언 IC로, 매끄러운 Wi-Fi 연결과 Wi-Fi 기반 위치 파악(로컬 Wi-Fi 허브 SSID 스니핑)을 제공합니다. nRF7002는 Nordic의 기존 nRF52® 및 nRF53® 시리즈 Bluetooth SoC와 nRF91® 시리즈 셀룰러 IoT SiP 외에도 Nordic이 아닌 호스트 디바이스에서도 사용할 수 있도록 설계되었습니다.   nRF7001은 Nordic의 nRF70 시리즈 Wi-Fi 컴패니언 IC 중 두 번째 디바이스로, Nordic의 기존 초저전력 기술과 쉽게 통합되도록 설계되었습니다. nRF7001은 저전력 2.4GHz 라디오 기능을 제공하여 배터리 수명을 연장하며, 다양한 애플리케이션에서 Wi-Fi 6 연결을 원활히 지원합니다. 또한, nRF7002의 간소화된 버전으로 SSID 기반의 Wi-Fi 위치 파악에 특화된 nRF7000 Wi-Fi 6 컴패니언 IC도 있습니다. 이 컴패니언 IC는 메인으로 Wi-Fi 액세스 포인트의 활성 및 비활성 스캔에 집중하며, 위치 기반 애플리케이션을 위한 신뢰성과 에너지 효율성을 갖춘 솔루션을 제공합니다.   Nordic은 Bluetooth 저전력, Wi-Fi, 셀룰러 IoT, Bluetooth 메시 네트워크, Thread, Zigbee 및 Matter 제품을 개발할 수 있는 소프트웨어 개발 키트인 nRF Connect SDK도 제공합니다. 이 SDK는 nRF52, nRF53, nRF70 및 nRF91 시리즈를 포함한 Nordic의 모든 무선 디바이스에 기반한 제품을 구축할 수 있도록 설계된 확장 가능하고 통합된 소프트웨어 패키지입니다. 개발자가 메모리 제한 디바이스에 최적화된 크기의 소프트웨어부터 복잡한 애플리케이션을 위한 견고한 고급 소프트웨어까지 구축할 수 있는 확장 가능한 프레임워크를 제공합니다. Zephyr RTOS와 통합되며 다양한 예제, 애플리케이션 프로토콜, 프로토콜 스택, 라이브러리 및 하드웨어 드라이버를 포함하여 고객의 제품 개발 시간을 단축시킵니다.

결론

스마트 홈은 사람들의 삶의 질을 향상시키고 가정의 지능 수준을 높이며, 애플리케이션 개발에서 인기 있는 방향이 되고 있습니다. 스마트 디바이스와 시스템의 신뢰성과 보안을 보장하려면 모든 스마트 홈 디바이스를 연결하기 위해 안정적이고 안전한 무선 통신 기술을 선택하는 것이 필수적입니다. Nordic에서 선보이는 멀티 프로토콜 SoC 제품 시리즈는 스마트 홈 제품의 설계를 크게 단순화하고 시스템의 안정성과 보안을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 Nordic은 스마트 홈 관련 제품을 개발하기 위한 최적의 파트너가 될 수 있습니다.