연결된 장치 및 센서의 확산
기술의 발전을 통해 다양한 형태의 장치 간 연결이 가능해졌다. 스마트폰과의 연동으로 시작된 기기간의 연결은 사물인터넷(IoT)로 불리는 자동 온도 조절 장치, 가전 제품, 차량 및 기타 다른 장치의 네트워크로 발전되었다. IoT는 다양한 인터페이스를 통해 데이터를 송수신하는 수많은 기기들로 구성되는데 무선 클라우드 인터페이스가 가장 일반적이다. 기기간 연동이 증가함에 따라 더 많은 데이터에 대한 요구도 늘어나는 추세이다.
데이터는 여러 소스를 통해 생성되는데 연동된 기기로부터 데이터를 수집할 때에는 일반적으로 전자 센서가 사용된다. 센서는 온도 및 습도와 같은 물리적 또는 환경적인 특성을 전기 신호로 변환하는 소자이다.
데이터에 대한 수요로 인해 다양한 유형의 센서(온도, 습도, 압력, 근접 센서 등)를 데이터 시스템에 공급하는 시장이 성장하게 되었다. IoT가 점점 더 방대한 수의 채널을 통해 수집한 데이터를 처리하게됨에 따라 전자 센서의 사용은 더욱 보편화될 것이다.
시장조사기관인 Markets and Markets의 발표에 따르면 전 세계 센서 시장의 규모는 2022년까지 미화 380억 달러를 초과할 것으로 예상된다. 더 많은 장소에서 더 많은 센서를 통해 데이터를 수집하고자 하는 시도가 늘어남에 따라 소형, 저전력, 저비용으로 여러 작은 공간에 쉽게 배치할 수 있는 새로운 유형의 센서 개발이 더욱 가속화될 전망이다.
전자 센서 아키텍처
기존의 전자 센서는 센서의 특정 설계와 관계없이 동일한 기능 블록(Functional Blocks)를 포함한다. 센서의 핵심 블록은 실제적인 감지 능력이다. 감지 능력은 실제로 센서 환경에 반응하여 환경 조건을 전기적 파라미터로 변환하는 센서의 기능이다. 센서는 감지 능력뿐 아니라 그 소자 자체의 전자 부품 및 데이터 처리와 연동을 위한 전원을 필요로 한다. 대부분의 전자 센서는 각 감지 노드의 감지 소자, 전원 블록 및 데이터 처리 블록을 포함한다. 추가 센서 데이터에 대한 요구가 증가함에 따라 일부 애플리케이션의 경우 다양한 감지 노드로 확장하는 비용이 장애가 된다.
센서 전력 및 통신 블록에 필요한 부품의 물리적인 크기에 따라 소형 폼 팩터 센서 옵션이 제한되는데, 배터리 전력 센서 관련 유지 보수 및 환경 문제에 대한 우려로 인해 일부 애플리케이션에서는 센서 배치가 제한되기도 한다. 기존 전자 센서의 비용 및 크기는 센서 네트워크를 확장하거나 멀티 센서 시스템 또는 일회용 센서를 스마트 센서로 배치해 IoT를 더욱 확산시키는 데 장애 요소가 된다.
부피가 크고 값비싼 배터리, MCU 및 관련 회로에 의존하는 것을 대신할 수 있는 방안이 점점 더 필요해지고 있다. 많은 연동 센서가 배터리 수명을 연장하기 위해 대기 모드 또는 절전 모드에서 대부분의 시간을 소비하고 있다. 그런가 하면 센서가 호스트 시스템과 소량의 데이터 패킷을 주고받기 위해 잠시 동작되는 짧은 시간 동안에만 전력 및 지능을 필요로 하기도 한다. 센서가 외부 소스를 통해 전력을 일시적으로 공급받아 데이터 처리의 대부분이 외부에서 처리되면 센서 네트워크를 더욱 원가 절감형으로 확장하는 것이 가능하므로 일회용 센서 등과 같은 다중 감지 또는 혁신을 경제적으로 실현할 수 있게 된다.
이를 실현하는 데에는 무선 패시브 센서 기술이 그 솔루션이다. 무선 패시브 센서에는 이미 메모리가 탑재되어 무선 리더기를 사용해 정보를 수집, 덮어쓰게 되는데 이는 무선 리더기의 송신 RF 부에 포함된 전력을 이용해 구동된다. 유용하고 강력한 기존의 RFID 통신 표준은 기존 전자 센서에서 요구되었던 전력 및 제어 회로와 감지 기능을 분리하는 스마트 패시브 센서의 새로운 애플리케이션을 개발하기 위한 강력한 플랫폼을 제공한다.
스마트 패시브 센서
스마트 패시브 센서는 편리하고 에너지 효율적인 무선 데이터 교환을 지원하기 위해 출력된 안테나 및 자극 검출 루프를 패시브 센서 태그 기능 수행용으로 설계된 RF IC와 통합하여 RFID 기술 및 표준의 잠재력을 활용한다. 그림 1은 안테나, 자극 검출기 및 센서 블록 제어 IC로 이루어진 스마트 패시브 센서의 주요 기능적 요소들을 보여준다.
▲ 그림 1. 스마트 패시브 센서는 RFID기술을 첨단 자체 전원에 MCU없는 센서 블록과 결합한다.
스마트 패시브 센서는 산업 표준 UHF Gen2 프로토콜을 활용해 통신하며 적절한 RFID 리더기를 사용해 판독할 수 있다. 고정형 또는 휴대용 타입의 다양한 상용 리더기를 태그를 이용해 테스트한 결과 그 기능이 검증되었다. 온세미컨덕터의 스마트 패시브 센서 에코 시스템은 내장형 안테나, GUI 및 IoT 연동 기능을 갖추고 배터리로 구동되는 휴대용 리더기를 제공한다. 이 리더기는 센서 태그에서 데이터를 수집하는 허브로 사용될 수 있다.
리더기가 통신을 시작하면 자가 동조 센서 IC는 자극 루프의 임피던스 변화를 측정하여 습기 또는 압력을 감지하고 이 데이터 및 온칩(On-Chip) 온도 센서의 디지털 온도 데이터를 리더기로 전송한다. 센서는 근접성, 움직임 또는 존재, 온도 및 습도를 감지하는 수신 전계 강도(RSSI)를 비롯한 여러 매개 변수들을 모니터링한다. 각 센서에는 고유의 식별을 위해 프로그래밍 가능한 EPC 코드가 있다. RFID 프론트 엔드는 습도, 압력 및 기타 매개 변수를 감지하기 위해 환경의 변화를 자동으로 보완한다.
일반적인 애플리케이션
저비용 혹은 일회용 패시브 센서의 등장으로 인해 다양한 주요 애플리케이션들이 혜택을 받고 있다. 예를 들어 데이터 센터 서버 랙 내부 또는 산업용 전력 스위치 기어 내의 고전력 회로 차단기 연결 내부 중 여러 위치에서 온도를 모니터링하여 온도 변화를 확인하고 비정상적으로 상승된 기온을 감지하여 예방적 유지 보수 또는 수리 필요성을 신속하게 발견할 수 있게 되었다. 금속 표면, 부품 패키지 또는 방열판 등 부품에 직접 부착된 스마트 패시브 센서를 통해 모든 센서의 RF 범위 내에 위치한 리더기를 이용한 주기적인 검지가 가능하게 되었다.
그림 2는 클라우드에 연동된 스마트 패시브 센서와 RFID 리더기/검지기를 이용한 모니터링 방법에 대해 소개하고 있다. 이 방법은 수동 온도 측정 또는 열 이미지 처리법 등 기존의 다른 접근법과 비교해 보다 즉각적이고 원가 절감적으로 장비를 보호해준다.
▲ 그림 2. 여러 스마트 패시브 센서를 이용하면 여러 위치의 온도를
원가 절감적으로 모니터링 할 수 있다.
또한 패시브 스마트 센서 태그는 가축의 질병 또는 배란 주기를 확인하는 디지털 농업 애플리케이션에도 활용된다. 농부들은 동물 식별 및 추적과 같은 간단한 목적으로 RFID 태그를 유용하게 사용하고 있는데 주 사용 태그에 대한 산업 표준 또한 이를 위해 잘 정립되어 있다. 이에 따라 스마트 패시브 센서는 장비 또는 시스템에 대한 점진적인 투자를 통해 동물 복지를 향상시키고 가축 사육량을 증가시키도록 해준다.
마찬가지로 스마트 패시브 센서를 활용한 습기 또는 압력 감지 기능은 건강 관리, 산업적 테스트 및 자동차 편의 및 안전에 적용된다. 예를 들어, 의료 분야에서는 습도 센서를 병원 침대 이불에 눈에 띄지 않게 부착, 환자의 사용 여부 및 휴식을 감지할 수 있으며 비 침습 온도 센서를 환자의 피부에 부착한 후 (그림 3 참조) 근처의 리더기를 사용해 무선 모니터링을 하기도 한다.
▲ 그림 3. 무선 체온 센서 태그는 설치가 용이하고 사용자에게 편안하며 편리하다.
이 센서는 자동차 산업 분야에 있어서 누수 테스트에 적용되기도 한다. 누수 테스트를 시작하기 전에 차량에 스마트 패시브 습도 센서를 신속하고 효율적으로 설치하면 데이터 수집 및 분석이 단순화되므로 구태여 사람의 손으로 직접 조사할 필요가 없어진다.
또한 안전띠 상태를 감지하는 근접각 센서가 추가된 습도 및 압력 감지 기능은 기존의 좌석 내 유선 또는 블리더(Bladder) 시스템을 활용한 것보다 더욱 지능적으로 차량 점유 상태를 감지하게 된다. 스마트 패시브 센서는 좌석에 착석한 것이 사람인지 물건인지 여부를 구별할 수 있으므로 최소한의 추가 비용만으로도 뒷좌석 및 탈착식 좌석으로까지 활용 범위를 넓힐 수 있다.
이처럼 스마트 패시브 센서 태그를 활용하면 가정 자동화 및 자동차 연동에서부터 산업 제어, 품질 테스트, 농업, 의료, 건설, 공급망 관리 등에 이르는 수 많은 애플리케이션에서 누설 감지, 점유 감지 및 온도 또는 습도 레벨을 모니터링 할 수 있다.
스마트 패시브 센서에 유비쿼터스 센서를 위한 새로운 기능들이 도입됨에 따라 압력, 온도, 습도, 근접성을 모니터링해 기존의 스마트 센서와 관련된 전력 소비 및 비용 문제를 대대적으로 해결할 수 있다. 이에 따라 장비 설계자는 크기나 비용의 제한 때문에 제대로 활용하지 못했던 애플리케이션을 스마트 시스템 및 IoT 분야로 더욱 넓힐 수 있게 됐다.
그레그 라이스(Greg Rice)
기술 마케팅 매니저, 온세미컨덕터
