사물이 측정하고 공유하는 정보는 에너지, 환경, 가정, 자동차 등 매우 다양한 데이터를 제공할 것이고 이를 통해 다양한 파급 효과를 기대할 수 있기 때문에 미래 기술로 각광을 받고 있다. 이 글에서는 사물인터넷 기술을 융합하여 전력 에너지를 실시간 모니터링 및 절감하는 기술을 소개한다.

사물인터넷이란

사물인터넷은 컴퓨터 및 네트워크 기술의 발전을 바탕으로 기존 사람 간의 연결성을 제공하던 인터넷을 확장하여 사물도 인터넷의 구성원으로 발전하여 정보를 공유하는 것을 일컫는 용어이다. 사물이 측정하고 공유하는 정보는 에너지, 환경, 가정, 자동차 등 매우 다양한 데이터를 제공할 것이고 이를 통해 다양한 파급 효과를 기대할 수 있기 때문에 미래 기술로 각광을 받고 있다.
이 시대는 소셜 네트워크로 사용자가 콘텐츠를 생산하는 시대를 넘어 사물이 인터넷에 연결되어 콘텐츠를 생산하는 것을 의미한다. 사물은 유선이나 무선으로 연결되어 인터넷에 연동되게 할 수 있다.
하지만 유선은 인터넷 선을 연결해야 하는 번거로움과 비용 문제를 가지고 있어 쉽게 적용하기가 힘들다. 사물인터넷은 무선 인터넷의 발달과 함께 사물이 무선으로 쉽게 인터넷과 연결하고 정보를 제공하는 것이다.

그림 1. 사람간의 인터넷에서 사물인터넷으로 진화(출처 : www.casaleggio.it)

사물인터넷의 기원

사물인터넷은 요즘에 와서 이슈가 된 키워드이지 예전부터 이 분야에 많은 연구가 이루어졌다. 대표적인 것이 근거리 무선 통신을 기반으로 한 유비쿼터스 센서 네트워크인데 우리나라에서도 국가 차원에서 다양한 프로젝트를 진행하여 육성한 적이 있다. 현재 사물인터넷의 많은 기술은 유비쿼터스 센서 네트워크에 영향을 직/간접적으로 받아 발전 중이다.
그러면 유비쿼터스 센서 네트워크는 왜 성공하지 못했을까. 그 이유는 대표적인 어플리케이션을 찾지 못해서이다. 과거 블루투스 기술이 자리를 잡지 못하다가 핸즈프리라는 대표 어플리케이션을 찾음으로써 지금까지 살아날 수 있었던 반면 유비쿼터스는 대표 어플리케이션을 찾지 못했다.
그럼 왜 갑자기 사물인터넷이란 용어로 또 나타난 것일까.
기존 유비쿼터스와 같은 트렌드 용어는 새로움을 나타내지만 자주 사용하면 새로운 의미는 퇴색하고 진부한 느낌을 준다. 그 예로 예술에서 사용하던 모더니즘을 들 수 있다. 모더니즘은 문학 및 예술에서 기존을 거부하고 새롭고 혁신적인 창조를 추구하는 경향을 의미한다.
하지만 이 용어를 자주 사용하면서 ‘모더니즘’이 가지고 있는 새롭다는 의미는 퇴색하고 더 이상 새롭고 혁신적인 의미를 주지 못하게 됐다. 그래서 나온 새로운 용어가 ‘포스트모더니즘’이었다. 이처럼 유비쿼터스는 더 이상 새로움을 주지 못하게 됐고 새로운 의미를 줄 수 있는 사물인터넷이라는 용어가 나오게 된 것이다.
그 이유는 국내외 기존 이동통신사업자(국내 SKT, KT, LG U+)가 LTE 망을 보급하면 기존 3G망 및 남는 LTE 망의 대역폭을 활용하여 새로운 수익을 창출하기 위해 이 분야에 많은 투자를 시작했기 때문이다. 사실 엄밀하게 말하면 이동통신 계열에서 새로운 트렌드로 제시한 키워드는 M2M(Machine to Machine)이다.

그림 2. 건물 전체의 에너지 사용 평가 3D 응용 서비스

하지만 기존 네트워크 계열 쪽에서 제시한 새로운 키워드인 사물인터넷(Internet of Things)이 좀 더 보편적으로 활용되면서 사물인터넷이라는 용어로 통칭하는 추세이다.
사물인터넷은 근래 들어서 이슈화된 용어이지만 기술은 과거에서부터 계속 점진적으로 발전하고 있었고 현재까지 진행 중이다. 다만 문제는 기술이 파급력을 가지기 위해서는 대중성이 필요한데 대중성을 가질 만한 응용이 현재까지는 없는 상태이다. 그나마 가장 파급력 있는 응용 분야로는 웨어러블 디바이스 중 대표적인 스마트 워치, 구글 글라스, Nest의 스마트 온도조절기, 에너지 분야의 스마트그리드를 꼽을 수 있다.

그림 3. 공간별 재실자 여부에 따른 에너지 낭비 판단 응용

사물인터넷의 미래

영국의 역사학자 E. H. 카(Edward Hallett Carr)는 1961년도 저서 ‘역사란 무엇인가’에서 “역사는 현자와 과거 사이에 끊임없는 대화이다. 현재는 미래를 껴안는다. 역사는 미래를 아는 열쇠이다. 우리가 과거와 현재를 연구하는 것은 궁극적으로 미래를 알기 위해서이다”라고 말했다. 사물인터넷의 미래도 과거와 현재의 기술 흐름을 살펴보면 그 미래가 어렴풋이 보인다.
사물인터넷과 맞물려서 현재 일어나고 있는 기술 트렌드는 오픈 하드웨어 플랫폼(아두이노, 라즈베리파이, 인텔 에디슨 등), 3D 프린터, 스타트업 열풍으로 볼 수 있다. 오픈 하드웨어 플랫폼은 더 이상 하드웨어를 많은 비용과 노력으로 만들지 않아도 된다는 것을 보여준다. 이렇게 제작된 하드웨어로 3D 프린터를 이용해 규모가 작은 기업에서 제품화할 수 있다. 이는 기존 제조산업의 무대가 소품종 대 량생산 체계에서 앞으로는 다품종 소량 생산 체계로 변할 것을 보여준다.
그렇다고 기존 제조산업이 모두 없어지는 것을 의미하는 것은 아니며, 다만 차별화된 제품이 아니면 중국 같이 저렴하고 풍부한 노동시장을 가진 곳과 경쟁해서 살아남기 쉽지 않은 것을 의미한다. 이런 흐름에 열광하듯이 생겨난 스타트업들이 각자 아이디어를 3D 프린터와 오픈 하드웨어 플랫폼을 활용해 제품을 생산할 수 있는 시대를 맞이하게 됐다.

그림 4. 열 쾌적도 및 재실 여부 기준 건물 전체 전력 소비 절감량 분석

다양한 사물인터넷 사례를 살펴보면 현재를 살고 있는 우리에게 있어 절실하게 필요한 기술이 아니라 조금 더 편리함을 제공하는 기술로 볼 수 있다. 기존 자동차, 비행기, 스마트폰은 모든 사람에게 보편적 편리함을 제공할 수 있는 것과는 달리 필요성을 느끼는 소수 사람에게 제공할 수 있는 서비스 형태를 의미한다.
사물인터넷이 마치 모든 사람에게 편리함을 주는 만병통치약 같은 제품이나 서비스가 아님을 명심해야 한다. 향후 이런 사물인터넷 서비스는 다양한 수요의 맞춤으로 제공하는 다품종 소량의 서비스 형태가 될 것이다. 정장에도 보편적 타입의 기성 양복이 있으나 맞춤형이 있듯이 기존 자동차, 비행기, 스마트폰 같은 기술이 기성 타입의 제품과 서비스라면 사물인터넷은 향후 맞춤형 제품과 서비스 형태가 될 것이다. 사물인터넷이 보편적 타입의 제품과 서비스가 된다면 이는 기성 타입의 제조 환경에서 생산하는 제품이 될 것이다. 하지만 대부분의 제품과 서비스는 개별 수요에 적합한 형태의 다품종 소량의 형태가 유지될 것으로 생각한다.

그림 5. 사물인터넷 무선 메쉬 네트워크를 이용한 스마트 미터링 적용

사물인터넷을 통한 전력 에너지 융합 서비스

아래에서는 사물인터넷 기술을 융합하여 전력 에너지를 실시간 모니터링 및 절감하는 기술을 소개한다.

(1) 사물인터넷 환경 모니터링을 통한 전력 에너지 절감 기술
사물인터넷 디바이스는 실내 공간의 환경정보를 센싱하여 인터넷으로 전송한다. 전송된 데이터는 클라우드에서 분석을 거쳐 개별 공간의 상태 정보로 추출되고 이를 통해 전력 에너지 사용 실태 및 절감 방법을 도출한다. 사물인터넷 디바이스는 온도/습도/조도/CO2/인체 감지 센서를 가지고 데이터를 취득하고 이 데이터를 기반으로 각 공간별로 재실자 수, 열 쾌적도, 공기질의 분석 결과를 추출하고 이를 기반으로 건물 전체의 에너지 사용 패턴을 실시간 모니터링한다.
개별 공간은 중앙난방이나 개별난방을 통해 계절별로 실내 열 쾌적도를 유지하나 기준이 없어 과잉으로 소비하는 경우가 많다. 또 남향과 같은 공간의 위치에 따라 에너지를 덜 소비해도 되는 경우가 있으나 정확한 데이터가 없어 에너지 소비를 판단하기 힘들다.
또 대부분의 공간의 경우 사람이 없는 경우에도 실내 쾌적도를 유지하고 있어 많은 에너지가 낭비되고 있다. 사물인터넷 디바이스를 통해 실시간 재실자 유무를 판단하고 이를 기반으로 절감 대상을 선별할 수 있다.
개별 공간별로 취득된 데이터와 실시간 스마트 미터링 사물인터넷 디바이스를 통해 들어오는 전력 사용량을 분석하여 에너지 절감량을 분석한다. 재실자가 없는 경우와 열쾌적도를 적정 수준으로 낮췄을 경우의 전체 전력 에너지 절감량 분석을 통해 가시적으로 건물 전체나 개별 공간의 에너지 절감량을 산출한다.

(2) 무선 메쉬 네트워크를 통한 스마트 미터링 사물인터넷 
에너지는 기본적으로 현재 어디서 얼마를 사용하는 정확하게 알아야 어디를 절감할 수 있을지가 나온다. 과거에는 건물이나 공장, 가정에 많은 비용을 투자해야 받아 볼 수 있었으나 에너지 가격 상승과 사물인터넷의 보급으로 쉽게 에너지 데이터를 수집할 수 있다. 사물인터넷은 기존 네트워크 인프라가 없는 열약한 환경에도 무선 메쉬 네트워크를 통해 쉽게 전력 에너지 데이터를 수집할 수 있다. 이렇게 수집된 전력 데이터는 분석을 통해 패턴으로 추출되고 사용자는 이 분석된 정보를 활용하여 효율적으로 에너지를 사용할 수 있다.

그림 6. 국가 전력 에너지 패턴과 시간대별 수요 패턴 상관관계 분석

전력 요금은 특성상 최대 수요(피크)가 발생하는 시점의 요금이 가장 비싸다. 실시간 전력 모니터링은 전력 요금이 비싼 시간대에 어떤 장비가 최대 수요에 동참하고 있는지 알아내고 부하 이동을 시켜 전력 요금을 절감할 수 있다. 또 개별 장비의 이상 전력 사용 패턴을 파악하고 사고를 미연에 방지할 수도 있다.

사물인터넷은 사물이 인터넷으로 연동되어 기존에 받아 보지 못하던 정보를 사람에게 제공하고 또 이 정보를 기반으로 지시를 내릴 수가 있다. 기존의 유선 기술은 보급에 많은 초기 투자비용이 필요했지만 사물인터넷은 무선을 기반으로 저가의 다양한 서비스를 가능케 하는 기술이다.
그리고 이런 사물인터넷은 완전히 새로운 것을 창조하는 것이라기보다는 기존에 알 수 없던 영역, 즉 사람과 사물 사이에 위치하여 연결성을 만들어내는 것이다. 그리고 단순히 사람과 사물 사이에 연결을 넘어서 융합의 기반을 조성하는 것이다. 에너지, 자동차, 건물, 전력 등과 사람 사이에서 융합을 만들어 새로운 가치를 만들어 내는 것이 바로 사물인터넷이다.

지영민  선임연구원
전자부품연구원 임베디드소프트웨어 융합연구센터