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IoT 기술로 구동되는 다기능 센서 통합

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글/Digi-Key 유럽 편집자 제공

사물 인터넷은 세상을 변화시키고 있다. 네트워크 말단에 있는 여러 초저전력 스마트 장치의 조합에는 매우 큰 잠재력이 있다. 클라우드 컴퓨팅을 사용하면 방대한 데이터에서 패턴을 찾아내 유용한 정보를 생성할 수 있다. 이러한 기술이 개발될 수 있었던 두 가지 측면에는 매우 낮은 비용과 전력 소비로 제작이 가능하여 기술적 측면 및 경제적 측면 모두에서 광범위한 배포를 지원하는 스마트 네트워크 에지 장치와 고성능 프로세서 칩이 있다.
네트워킹과 빅 데이터는 IoT를 일반적인 원격 모니터링 및 제어와 구분하는 핵심 측면이다. 환경을 보호하고 비즈니스 성과를 향상시키며 일상 생활을 혁신할 수 있는 IoT의 잠재력은 하나 이상의 변수를 개별적으로 감지하고 이에 반응하는 기능이 아니라 여러 데이터 채널을 분석하여 추세를 감지하고 적절한 대응을 결정하는 기능을 통해 실현된다.
자동차 업계에서 몇 가지 예를 찾을 수 있는데, 이는 주요 제조업체들이 현장의 많은 차량으로부터 수집된 센서 정보를 사용하여 고객 서비스와 신제품 개발을 향상시키고 있기 때문이다. 소비자 가전과 같은 다른 소비자 시장에서는 업계 최고의 제조업체들이 IoT의 역량을 활용하여 고객의 기계로부터 데이터를 수집함으로써 확보한 통찰력으로 제품 및 비즈니스 성과를 향상시키고 있다. 건물 서비스 분야에서는 전 세계에 설치된 엘리베이터 및 에스컬레이터로부터 클라우드 IoT 플랫폼으로 수집된 데이터가 유지 보수 및 미래 제품 설계를 향상시키는 데 도움이 될 것으로 예상된다.
이외에도, 감지된 데이터의 조합을 활용할 수 있는 시나리오는 여러 가지가 있을 수 있으며, 그 중 일부는 다음과 같다.
• 광산 작업장 안전 개선을 위한 가스 탐지와 같은 환경 감지
• 자율 주행 및 사고 예방을 지원하기 위한 도로의 근접 센서 및 차량의 가속 및 자세 센서
• 호텔 객실에서 개인 정보 침해 없이 투숙객이 있는지 여부를 알 수 있는 센서. 이 센서를 사용하여 직원이 투숙객을 방해하지 않고 객실을 청소하고 운영 효율을 높일 수 있음.
• 환자 및 환경 데이터를 기록하여 의료 전문가에게 전송하는 의료 센서
• 안전 운전을 장려하기 위해 차량 데이터 기록으로 주행 습관에 따라 보험료를 책정하도록 지원하는 컴퓨터 통신
다중 센서 솔루션의 수요 및 개발
여러 변수를 동시에 모니터링하기 위한 센서가 필요한 경우 센서 및 지원 전자 부품을 통합하면 비용을 줄이면서 간단하게 설치할 수 있다. 이러한 고집적 센서 평가 플랫폼은 IoT에 연결할 수 있는 다중 센서 스마트 제품을 개발하는 데 도움이 된다.
Arduino는 다중 센서 솔루션의 개발을 간소화하는 환경 중 하나이다. 예를 들어, Arduino Lucky 실드는 모든 표준 5V 및 3.3V Arduino 기판과 호환되는 확장 기판이다. 이 기판에는 기압, 상대 고도, 광도, 온도, 동작 및 재/부재 여부 확인을 위한 센서가 결합되어 있다. 센서는 콤팩트한 68.6mm x 53.4mm 폼 팩터에 패키징되어 있다.
Arduino Lucky 실드를 손쉽게 시작할 수 있도록, Arduino.org에서는 온도, 습도, 압력 센서의 출력을 읽고 이러한 데이터를 OLED 디스플레이로 보내는 방법을 보여주는 기상 관측소 애플리케이션을 비롯한 여러 자습서를 제공하고 있다. 그림 1은 제공되는 코드의 일부를 발췌한 것이며 그림 2는 판독된 센서 값을 표시하는 실행 코드를 보여준다.

tmp_lbl = “Temper.:”;
hum_lbl = “Humidity:”;
pre_lbl = “Pressure:”;

tmp_um = “ C.”;
hum_um = “ %”;
pre_um = “ hPa”;
}

void loop() {

luck.oled().clearDisplay();

tmp_val = String(luck.environment().temperature());
lucky.oled().setCursor(5, 10);
lucky.oled().print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);
Serial.print(tmp_lbl + tmp_val + tmp_um);

hum_val = String(luck.environment().humidity());
lucky.oled().setCursor(5, 30);
lucky.oled().print(hum_lbl + hum_val + hum_um);
Serial.print(hum_lbl + hum_val + hum_um);

pre_val = String(luck.environment().temperature() / 100.0F);
lucky.oled().setCursor(5, 50);
lucky.oled().print(pre_lbl + pre_val + pre_um);
Serial.printIn(pre_lbl + pre_val + pre_um);

[그림 1] Arduino 기상 관측소 자습서 코드

[그림 2] Arduino Lucky 실드 다중 센서 기판으로 환경 조건 감지

ST의 X-NUCLEO-IKS01A2 기판 및 SensorTile
STMicroelectronics는 STM32 에코시스템 내에 여러 다중 센서 평가 기판을 사용한다. X-NUCLEO-IKS01A2는 STM32 Nucleo 마이크로 컨트롤러 베이스 기판용 환경 감지 확장 기판이다. 이 기판에는 MEMS 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 절대 기압 센서, 정전 용량 상대 습도 및 온도 센서가 포함되어 있다.
STM32Cube 에코시스템은 STM32 마이크로 컨트롤러를 초기화 및 실행하기 위한 도구 및 소프트웨어를 제공한다. 또한 X-CUBE-MEMS1 환경 센서 소프트웨어 확장 라이브러리는 X-NUCLEO-IKS01A2에서 응용 제품을 제작하는 데 필요한 구동기를 제공한다. 그림 3의 전체 시스템 아키텍처 구성도에서 X-CUBE-MEMS1은 구동기 계층 요구 사항을 충족한다.
그림 3의 미들웨어 계층에 맞는 추가 소프트웨어 예를 사용하여 활동 및/또는 동작 인식과 같은 특정 기능용 센서를 활용할 수 있다. 소프트웨어 예는 다음과 같다.

[그림 3] STM32 에코시스템에서의 센서 개발을 위한 시스템 아키텍처

• osxMotionAW: STM32Cube용 손목 소프트웨어 확장을 위한 실시간 활동 인식
• osxMotionID: STM32Cube용 실시간 동작 강도 감지 소프트웨어 확장
• osxMotionFX: STM32Cube용 실시간 센서 퓨전 소프트웨어 확장
• osxMotionGC: STM32Cube용 실시간 자이로스코프 보정 소프트웨어
• osxMotionPE: STM32Cube용 실시간 자세 예측 소프트웨어 확장
아래 유사 코드는 MotionFX가 실시간 동작 센서 데이터 퓨전을 구현하는 방법을 보여 준다.
유사 코드 시퀀스 초기화(한 번만 수행)
① 센서 초기화(6x 퓨전의 경우 acc 및 gyro, 9x 퓨전의 경우 mag). 우수한 데이터 샘플을 얻기 위해 전원을 켤 때 과도 현상 완료까지 대기
② MotionFX 융합 초기화: osx_MotionFX_initialize()
③ mag 보정 초기화: osx_MotionFX_compass_Init()
④ osx_MotionFX_getKnobs(); modify settings; _setKnobs()
⑤ 퓨전 비활성화에 의한 리셋: osx_MotionFX_enable_ 6X(0) / _9X(0)
퓨전 시작
① gyro 보정 초기화(가능한 경우): osx_MotionFX_setGbias()
② mag 보정 초기화(가능한 경우): osx_MotionFX_compass_setCalibrationData()
③ 데이터 퓨전 활성화: osx_MotionFX_enable_6X(1) / _9X(1)
이제 센서 데이터를 읽을 수 있으며, osx_MotionFX_propagate() 및 osx_MotionFX_update()와 같은 명령을 사용하여 트랜잭션을 제어할 수 있다.
소형 폼 팩터 IoT 랩
ST는 최근 내장형 시스템의 감지 및 연결 허브로 사용되거나 스마트폰 앱을 사용하여 센서 데이터를 캡처하는 독립형 장치로 사용할 수 있는 더 작은 다중 센서 모듈을 발표했다. 이 SensorTile은 엽서 크기의 기판에 MEMS 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 절대 압력 센서 및 마이크와 STM32L4 마이크로 컨트롤러 및 BLE(Bluetooth Low Energy) 무선 통신 장치를 통합한다. 이를 호스트 기판에 용접하거나 꽂을 수 있다.
독립형 모드에서 사용하기 위해, ST는 추가 온도 및 습도 센서를 포함하고 필요한 경우 대체 센서를 추가하도록 손쉽게 수정할 수 있는 크래들 기판을 제공한다. 이 모드에서 사용될 경우, BLE를 통해 SensorTile을 구성하여 스마트폰에서 센서 데이터를 빠르게 획득할 수 있다.
내장형 개발의 경우 다른 확장 크래들 기판을 통해 Sensor-Tile을 STM32 Nucleo 평가 기판에 연결할 수 있다.
엔터프라이즈 보안이 지원되는 삼성 ARTIK 플랫폼
삼성의 ARTIK™ 플랫폼은 ARMⓇ CortexⓇ-M4 마이크로 컨트롤러와 Bluetooth 4.2 지원을 갖춘 작은 장치부터 이중 Cortex-A7 처리와 Bluetooth 지원, Wi-Fi, ZigBeeⓇ 및 Thread를 갖춘 ARTIK 5 제품군, Cortex-A35 응용 프로세서를 활용하는 ARTIK 7 제품군까지 확장할 수 있는 모듈 계열을 제공한다. ARTIK 5 및 ARTIK 7 제품군의 성능은 게이트웨이 또는 컨트롤러에 사용하기에도 충분하다. 두 제품군에는 키 저장 및 암호화 알고리즘의 보안 실행을 위한 하드웨어 보안 요소와 신뢰할 수 있는 실행 환경을 구축할 수 있는 보안 OS를 포함하는 엔터프라이즈급 보안이 통합되었다. 여러 우량 브랜드에서 ARTIK 에코시스템을 사용하여 IoT 솔루션을 구축하고 있으며, ARTIK 020 Bluetooth 4.2 IoT 종단 장치 키트, ARTIK 520 Bluetooth/Wi-Fi/ZigBee/Thread 키트 및 하이엔드 ARTIK 710 키트와 같은 내장형 개발을 위한 키트를 사용할 수 있다. 신속한 다중 센서 개발로 ARTIK 5 및 ARTIK 7 키트와 호환되는 ARTIK 센서 확장 기판을 활용할 수 있다. 이 기판은 가속도계, 자이로스코프, 습도 센서, 자력계, 압력 및 온도 센서를 포함하고 있으며, 그림 4에 표시된 것과 같이 에지 커넥터를 통해 메인 평가 기판에 컴패니언으로서 연결된다.

[그림 4] ARTIK 5 또는 ARTIK 7 평가 키트를 포함하는 센서 확장 기판 사용

결론
시장에 새롭게 출시된 센서 개발 기판은 IoT 말단용으로 사용될 최종 제품에 직접 사용되거나 최소한의 맞춤 작업을 통해 사용될 수 있는 콤팩트한 다중 센서 모듈이다. 사용자 수요가 높아지고 클라우드 기반 분석 응용 제품이 더욱 정교하고 저렴해짐에 따라, 보다 다양한 센서 데이터를 활용하는 높은 창의력의 서비스도 출시될 것이다.