스마트 시티 에코시스템은 새롭고 혁신적인 관련 애플리케이션들이 밀려들면서 보다 효율적인, 지속가능성의 사회를 만드는 핵심 전략으로 주목받고 있다. 스마트 시티는 스마트 공공 조명, 스마트 전력 및 가스 미터링, 스마트 센서 노드, 스마트 빌딩, 스마트 주차, e-모빌리티, 스마트 쓰레기 등의 기술을 포함한다. 이 글에서는 IoT 기술을 활용한 스마트 시티의 단면에 대해 살펴본다.

IoT(Internet of Things, 사물 인터넷)는 스마트 노드, 주로 저전력 저비용 센서 노드를 이용하는 네트워크를 일컫는 용어로, 데이터를 센싱하여 사람의 직접적인 개입 없이 클라우드와 정보를 송수신(communication)하는 것을 말한다. 웹 클라우드는 이러한 데이터 정보를 수집, 처리하고 보호한다. 이를 지정된 사람과 공유하거나 공공재에 서비스를 제공한다. 결국 이러한 기술을 통해 삶의 질을 향상시키는데 목적을 두고 있다.

이러한 IoT 시나리오는 웨어러블, 스마트 홈, 스마트 카, 스마트 시티를 네 개의 주요 애플리케이션 축 (pillars)으로 삼는다. 현재 스마트 시티용 애플리케이션이 사물 인터넷을 키우는 시장으로 부상하고 있다. 스마트 시티에는 스마트 빌딩, 스마트 미터링, 가로등 모니터 및 제어, 교통 및 모빌리티 관리, 스마트 주차, 환경 모니터링, 스마트 쓰레기 수거, 스마트 및 원격 의료 서비스 등이 포함된다.

또한 웨어러블에는 피트니스 및 헬스 케어 애플리케이션에 이용되는 스마트 안경, 스마트 밴드, 스마트 시계 등이 포함되며, 스마트 홈에는 스마트 조명, 스마트 가전, 에너지 모니터 및 제어를 위한 스마트 플러그, 안전 및 보안 등을 포함한다. 스마트 자동차는 이 주제에서 벗어나므로 제외한다.

스마트 미터

스마트 미터는 스마트 시티 시나리오에서 가장 먼저 꼽을 수 있는 새로운 트렌드이다. 자동 검침(Automatic Meter Reading, AMR) 및 자동 검침 인프라(Automatic Meter Infrastructure, AMI)가 이러한 핵심적인 역할을 가능하게 했다.

AMI로 각 사용자 미터기와 전력 공급사 간에 양방향 데이터 교환이 가능해졌으며, 전력 소비와 지역적으로 생산되는 전력에 대한 정보 교환 또한 가능하다. 이 기술로 전력 공급사는 전력 소비를 실시간으로 확인할 수 있고 모든 미터기에서 정보를 수집하여 전력 부하 프로파일 전체를 파악 할 수 있으며, 사용자 계약에 기반한 특별 요금을 적용하는 등 전체 시스템을 모니터링 및 유지를 할 수 있다. 이와 동시에 고장과 에너지 손실을 방지할 수 있다.

이렇게 스마트 미터 인프라를 구축하는 데 있어서는 통신이 핵심 요소가 된다. 전력선 통신(PLC) 또는 무선 통신을 통해서 스마트 미터가 데이터를 수집하고 주기적으로 전력 공급업체와 공유하는 데이터 집중 장치에 정보를 전송할 수 있기 때문이다.

1. 전력 미터

전력선 통신(PLC) 기술은 주로 에너지 전력 미터에 사용된다. ST는 이 분야에서 축적한 20년 이상의 경험을 바탕으로 다양한 전력선 모뎀(PLM) 옵션을 제공하고 있다. STarGRID 제품군은 IEC 61334-5-1, METERS AND MORE®, PRIME처럼 다양한 네트워크 프로토콜과 호환되는 협대역 PLM 통신을 제공하는 플랫폼이다. 이러한 프로토콜은 각각 ST7570, ST7580, ST7590 제품을 사용한다. METERS AND MORE® 프로토콜은 미국, 유럽, 아시아 지역의 유수 기술 업체 및 유틸리티 회사로 구성된 비영리 협회에 의해 관리되는 개방 규격이다.

최근 ST는 스마트 미터, PLC 시스템온칩(SoC)인 STCOMET을 출시했다. STCOMET은 PLM, 고성능 ARM Cortex M4 애플리케이션 코어 및 계량 기능을 통합하고 있다. 이 STCOMET PLC 모뎀 아키텍처는 최대 500KHz에서 PRIME, G3, IEEE 1901.2, METERS AND MORE® 및 기타 협대역 PLC 프로토콜 규격을 지원하도록 설계되었다. 이 디바이스는 AC 미터링 애플리케이션을 위한 class1, class0.5, class0.2를 준수하는 계량 서브시스템을 내장하고 있다. 

2. 가스 미터

스마트 가스 미터는 무선 통신을 이용하는 배터리로 구동되는 솔루션이다. 이미 이탈리아에서는 전국적으로 방대한 규모의 스마트 가스 미터기 시설 구축이 시작됐으며, 이러한 미터기는 500mW에서 RF 169MHz로 데이터 집중장치와 통신한다. 정보 교환에 사용되는 통신 프로토콜은 무선 M-버스(WMBUS)와 DLMS/COSEM이다(그림 1).

▲ 그림 1. 스마트 미터 시나리오

무선 M-버스는 원격 자동 검침을 위한 개방형 표준이다. DLMS(Device Language Message specification) 및 COSEM(COmpanion Specification for Energy Metering)은 에너지 미터와 데이터 교환을 위한 추상 계층을 구현한다.

이러한 통신 구현을 위해 ST는 경쟁력이 뛰어난 RF 디바이스 SPIRIT1을 공급하고 있다. SPIRIT1은 150MHz ~ 920MHz 범위의 다양한 주파수 대역에서 동작할 수 있는 초저전력 RF 트랜스미터이며 최대 16dBm 출력 전력과 -118dBm 감도를 제공한다. 스마트 가스 미터 시나리오에서 동작하기 위해 외부 PA를 사용하면 최대 27dBm를 달성할 수 있다. 

ST는 유럽 표준 EN13757-3:2013 및 EN13757-4:2013을 준수하는 WMBUS 펌웨어 프로토콜 스택을 개발하여 고객에게 제공하고 있다. STM32L1 및 SPIRIT1 플랫폼 관련 C 소스 코드는 요청 시 구입할 수 있다. STM32L1은 ARM Cortex-M3 기반의 초저전력 MCU 제품군이다. Cortex M0+ 및 M4에 각각 기반한 STM32L0 및 STM32L4도 나와 있다. 

 

스마트 조명 

스마트 가로등은 에너지 소비, 유지보수 최적화와 다양한 서비스 제공을 위해 몇몇 지방 자치 정부에서추진하고 있는 최신 트렌드이다. 가로등을 원격으로 제어하면서 도로의 동작 프로파일, 비, 스모그, 안개와 같은 환경 조건에 따라 빛의 밝기를 탄력적으로 조절할 수 있다. 램프 상태, 수명 시간, 각 램프의 에너지 소비에 대한 정보뿐 아니라 각 가로등 전주의 수직 기울기도 모니터링할 수 있다. 램프가 깨지거나 오작동이 발생하는 경우의 가속 동작을 모니터링하여 운영자에게 전송함으로써 결함 있는 램프의 교체를 최소화하고 유지보수 비용을 크게 줄여주기도 한다(그림 2).

▲ 그림 2. 스마트 가로등 시나리오

스마트 시티에서 가로등은 단순히 조명 기능만이 아니라 많은 도시 서비스를 관리하는 중요한 역할을 하면서 지자체에 여러 가지 서비스를 제공한다. 공공 조명 네트워크는 다양한 종류의 센서를 탑재하고 첨단 통신 시스템을 이용하므로 교통 모니터링, 모빌리티, 도로 안전, 대기 오염 모니터링, 기상 관측, 전기 모빌리티 관리와 같은 서비스를 제공할 수 있다.

스마트 가로등에서는 램프의 제어 및 구동에 필요한 고효율적인 회로와 기술 외에도 센서와 통신 시스템이 핵심적인 역할을 수행한다. 

ST는 가속도 센서(LIS2DS12), 압력 센서(LPS25HB), 습도 및 온도 센서(HTS221) 같은 우수한 MEMS 센서와 마이크(MP34Dxx)을 비롯하여 폭넓은 제품 포트폴리오를 제공한다. 간편한 테스트를 위해서 아두이노 UNO R3 커넥터와 호환되며 환경 및 관성 센서가 탑재된 X-NUCLEO-IKS01A1 평가 보드가 제공된다. 

과거의 공공 조명 형태에서 스마트 공공 조명으로 발전할 수 있는 핵심 요소 중 하나는 통신이다. 스마트 가로등의 경우 무선 및 전력선 통신의 두 가지 통신 유형이 가장 널리 사용되고 있다. 

1. RF 6LoWPAN 네트워크 

무선 통신의 경우, 유럽에서는 169MHz, 433MHz, 868MHz 주파수 대역의 RF sub-GHz가 주로 사용된다. SPIRIT1은 이러한 주파수 대역에서 동작하면서 고성능 및 저전력 소모를 제공하고 최대 -118dBm 감도를 갖는 RF sub-GHz 트랜시버이다.

이는 주파수 호핑과 안테나 다이버시티(antenna diversity), AES-128 암호화를 지원한다. 다양한 통신 프로토콜을 이용할 수 있으며, 가장 광범위하게 이용되는 프로토콜로는 무선 M-버스 또는 IPv6 with 6LoWPAN, 6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network)이 있다.

6LoWPAN은 저전력 무선 네트워크에서 IPv6 패킷 전송을 위한 통신 프로토콜이다. IETF(Internet Engineering Task Force) 워킹그룹에서 규정하고 있다. 6LoWPAN은 클라우드에서 고유 IP 주소로 무선 네트워크 노드를 식별할 수 있다. 

6LoWPAN 통신 계층은 저전력/손실 IPv6 네트워크를 위한 라우팅 프로토콜인 RPL 프로토콜을 구현한다. RPL 프로토콜은 배터리 구동 노드를 위한 효율적인 동적 라우팅 경로를 제공한다.

메시 네트워크에서 디바이스는 메시지를 서로 중계할 수 있어 도달 범위를 확장할 수 있다. 메시 네트워크는 자율적으로 형성하고 자체적으로 처리할 수 있다.

오픈 소스 운영 시스템인 Contiki는 오픈 소스 6LoWPAN 스택 릴리스를 제공한다. ST는 STM32 플랫폼을 위한 Contiki 3.0 포트를 개발했다. NUCLEO 보드는 이러한 개발을 위해 사용되며, 지원되는 확장 보드를 꽂을 수 있다.

특히 6LoWPAN 데모 솔루션은 STM32L152RET6 초저전력 마이크로컨트롤러 기반 NUCLEO-L152RE 및 SPSGRF-868 기반 X-NUCLEO-IDS01A4 보드 쉴드, RF sub-1GHz SPIRIT1 인증 모듈에서 구현할 수 있다. 

2. 가로등을 위한 PLM 네트워크 

스마트 가로등용 RF 네트워크 통신의 대안은 PLM으로 구축한다. PLM STarGRID 제품군은 앞에서 스마트 전력 부분에서 언급했듯이 가로등 조명의 통신쪽 니즈를 만족시킨다.  

PLM 네트워크를 위한 STEVAL-IHP007V1(그림 3)은 HID 또는 LED 안정기 모듈과 결합해 스마트 가로등 제어 시스템을 구현하는 전력선 통신 보드이다. 이 데모 보드는 STM32F103, ARM Cortex-M3 마이크로컨트롤러 및 ST의 최대 +28.8kbps 데이터 전송속도의 ST7580 PSK 협대역 전력선 모뎀을 기반으로 하며, ST의 STarGRID PLM 제품군에 속한다.

▲ 그림 3. STEVAL-IHP007V1

이 평가 보드는 CENELEC B 대역에서 동작하도록 설계되었으며, 가로등 애플리케이션에 최적화된 데이터 링크 계층 펌웨어 프로토콜을 내장하고, 충돌 방지 및 반복 알고리즘을 탑재하고 있다. 

스마트 홈 … 무선 커넥티비티

스마트 홈 에코시스템에는 스마트 조명, 스마트 가전, 에너지 모니터 및 제어를 위한 스마트 플러그, 안전 및 보안 등이 있다(그림 4). 

▲ 그림 4. 스마트 홈 구상도

스마트 시티의 스마트 가로등 네트워크처럼 커넥티비티 통신은 스마트 홈을 구현하는 핵심 요소이다. ST는 커넥티비티 통신에서 PLM, 와이파이, 블루투스 클래식 및 블루투스 4.1, NFC/RFID, RF Sub-GHz 등 스마트 홈 요구사항을 충족시키는 광범위한 포트폴리오를 제공한다. 현재 ST는 이러한 모든 무선 통신 기술을 단일 보드 STEVAL-IDI004V2에 내장한 데모 솔루션을 제공하고 있다(그림 5).

▲ 그림 5. STEVAL-IDI004V2

STEVAL-IDI004V2는 STM32F103 마이크로컨트롤러에 기반한 무선 통신 브리지이며 와이파이, BT 3.0, RF SubGHz 868MHz, NFC 등 무선 커넥티비티 기술을 통합하고 있다. 

• ‌와이파이 모듈(SPWF01SA.11) : 2.4GHz IEEE 802.11 b/g/n에서 동작하는 사전 인증 획득(FCC, IC, CE) RF 모듈로, 완벽한 보안을 위한 TCP/IP 및 TLS/SSL을 통합하고 AT 명령으로 사용자에게 친숙한 인터페이스를 제공한다.

• ‌‌Sub-GHz RF 모듈(SP1ML-868) : sub-GHz SPIRIT1 트랜시버 및 STM32L1 초저전력 MCU를 기반으로 하는 868MHz ETSI 인증 획득 모듈. 이 모듈은 발룬(BALF-SPI-01D3) 및 칩 안테나를 내장하고 있다. 

• ‌BT 모듈(SPBT2632) : SPP 및 iAP 프로파일을 포함한 블루투스 스택 펌웨어 내장 블루투스(Bluetooth®) 클래식 3.0 버전. AT 명령 인터페이스를 제공하며 CE, FCC, IC, TELEC 인증을 획득했다. 

• ‌‌NFC 리더 IC(CR95HF) : 다중 프로토콜 무접점 트랜시버 IC를 탑재한 NFC 13.56MHz 리더/라이터. SPI 및 UART 직렬 액세스를 제공한다. 

이 플랫폼에서는 SP1ML RF Sub-GHz이  6LoWPAN 메시 프로토콜 네트워크 이용하여 무선 센서 노드로부터 정보를 전달하고 수집한다. RF 저전력 센서 노드 네트워크를 구현하려면 평가 보드 STEVAL-IDI003V2 및 STEVAl-IDI002V2(그림 6)를 사용하도록 한다.

▲ 그림 6. RF 노드

STEVAL-IDI002V2는 초저전력 마이크로컨트롤러 STM32L1 및 RF sub-GHz LP 트랜시버 SPIRIT1에 기반한 RF 보드이며 이 데모 솔루션에서는 868MHz에서 동작하도록 조정됐다. STEVAL-IDI003V2는 10핀 커넥터를 사용하여 RF 보드에 연결한 멀티 센서 보드이며, 다음과 같은 특징을 같는다.

• ‌습도 및 온도 센서를 제공한다. HTS221은 상대 습도 및 온도용 초소형 센서로 SPI 및 I2C의 디지털 직렬 인터페이스를 통해 측정 정보를 제공한다. 

• ‌MEMS 압력 센서 LPS25H를 제공한다. 이 센서는 초소형 절대 압전 저항 압력 센서로 260-1260 hPa의 절대 디지털 출력 바로미터를 구현한다.

• ‌MEMS 3축 ‘나노’ 가속도 센서 LIS3DH를 제공한다. I2C/SPI 직렬 출력 인터페이스를 탑재한 초저전력 고성능 선형 센서이다. 

또한 RF 저전력 노드가 있다면 X-NUCLEO를 6LoWPAN 네트워크에 연결할 수 있으며, 다양한 센서 파라미터를 제공할 수 있다. 노드는 NUCLEO-L152RE, X-NUCLEO-IDS01A4 및 X-NUCLEO-IKS01A1을 사용하여 구성할 수 있다(그림 7). 

▲ 그림 7. x-NUCLEO 방식

무선 브리지 보드(STEVAL-IDI004V2)와 RF 센서 노드(STEVAL-IDI003V2+STEVAL-IDI002V2) 사이의 통신은 앞서 언급한 6LoWPAN Contiki 3.0 통신(IPv6)을 기반으로 한다. 무선 브리지 보드에서 6LoWPAN 스택은 SP1ML-868 모듈에 직접 탑재된 STM32L1에서 실행된다. 전용 안드로이드 APP를 사용하여 스마트폰을 BT를 통해 무선 브리지 보드에 연결하면 무선 센서 네트워크에서 센서 파라미터를 모니터링할 수 있다(그림 8). 각각의 RF 센서 노드는 IPv6 주소 또는 별칭에 의해 식별된다. 

▲ 그림 8. 블루투스 APP

NFC 인터페이스를 사용하여 BT 이름, 와이파이 SSID/비밀번호, 채널 설정 등 무선 브리지 보드를 구성해 무선 센서 노드와 통신할 수 있다. 이 구성은 또한 전용 PC GUI를 사용하여 USB VCOM을 통해 수행할 수 있다. 무엇보다도 와이파이를 사용하여 클라우드와 통신을 구현할 수 있으며, WEB 애플리케이션(개발 중)을 이용해 클라우드에서 모든 RF 센서 노드 파라미터를 모니터링하고 제어할 수 있다. 이들 데모 보드는 스마트 홈 데모 솔루션을 생성할 수 있게 해주며, ST에서 제공하는 대부분의 무선 및 센서 솔루션을 사용할 수 있는 간편한 툴을 제공한다. 

필리포 콜라이안니 _ ST마이크로일렉트로닉스