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IoT 하드웨어는 센서, 브리지, 라우팅 장치 등 다양한 장치로 구성됩니다. 이러한 IoT 장치는 시스템 활성화, 통신, 동작 조건, 보안, 세부 동작 및 목표 감지 등 필수 작업 관리에 중요한 기능을 수행합니다. 아래에서는 MOKOSmart에서 제공하는 IoT 기술을 사용하는 IoT 하드웨어 장치, IoT 하드웨어 구성 요소, IoT 소프트웨어 아키텍처, 그리고 일반적인 IoT 하드웨어 플랫폼에 대해 알아보겠습니다. 또한, IoT 프로젝트 구축에 필요한 필수 IoT 하드웨어 요구 사항과 마이크로컨트롤러 개발 보드, 단일 보드 컴퓨터, 프로세서에 대한 모든 것을 다룹니다.
IoT 하드웨어 구성 요소
이 섹션에서는 IoT 하드웨어의 일부 구성 요소에 대해 살펴보겠습니다.
의회
IoT에서 "사물"은 측정, 모니터링 또는 제어 대상 자산을 의미합니다. 대부분의 IoT 제품은 스마트 기기를 "사물"과 완벽하게 통합합니다. 예를 들어, 자동차나 스마트 냉장고와 같은 제품은 스스로를 철저하게 모니터링하고 제어합니다.
"사물"이 단독 장치로 사용되는 일부 다른 애플리케이션에서는 특정 제품을 연결하여 스마트 기능을 보유하고 있음을 인증해야 합니다.
데이터 수집 모듈
이 IoT 하드웨어 구성 요소는 모니터링되거나 관찰되는 대상으로부터 물리적 신호를 수집하는 데 중점을 둡니다. 이후 이 신호를 컴퓨터가 쉽게 해석하거나 조작할 수 있는 디지털 신호로 변환합니다. 압력, 밀도, 온도, 빛, 진동, 움직임 등 실제 신호를 수집하는 데 필요한 모든 센서가 이 IoT 하드웨어 구성 요소에 포함되어 있습니다. 애플리케이션은 필요한 센서의 수와 유형을 결정합니다.
또한, 데이터 수집 모듈은 입력 센서의 신호를 컴퓨터에서 사용하는 디지털 데이터로 변환하는 데 필수적인 하드웨어로 구성됩니다. 여기에는 입력 신호의 습관화, 해석, 아날로그-디지털 변환, 스케일링, 그리고 노이즈 최소화가 포함됩니다.
데이터 처리 모듈
로컬 데이터 저장, 로컬 분석 및 기타 컴퓨팅 작업과 같은 작업을 실행하는 데이터 처리에 사용되는 중요한 단위로 구성됩니다.
통신 모듈
이 모듈은 클라우드 플랫폼과 클라우드 또는 로컬의 타사 시스템 간의 효과적인 통신을 가능하게 합니다.
IoT 하드웨어 센서
센서는 IoT 하드웨어에서 가장 중요한 요소입니다. IoT 센서는 전력 관리 모듈, RF 모듈, 센싱 모듈, 에너지 모듈 등 여러 모듈로 구성됩니다. 이러한 센서는 다음과 같은 분야에 적합합니다.
- 근접
- 광학 주변광
- 누출 감지
- 온도 및 습도 측정
- 전기 자기
- 가속
- 음향 및 진동
- 화학 가스 식별
- 배수량
- 압력을 가하다
센서
IoT 데이터는 센서 없이는 존재할 수 없습니다. 모든 IoT 센서는 물리적 자산에 비례하는 아날로그 전기 신호를 생성합니다. 센서는 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 사용하여 이러한 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환합니다. 또한, 전류, 인덕턴스, 전압, 저항, 임피던스와 같은 간단한 전기적 특성도 센서를 사용하여 측정할 수 있습니다.
더욱이, 센서를 사용하여 자기장과 전기장의 방향과 세기를 측정할 수 있습니다.
센서로 측정되는 비전기적 특성은 변환기를 사용하여 물리적 특성을 아날로그 전기 신호로 변경합니다.
가장 흔한 물리적 특성은 다음과 같습니다.
- 속도, 가속도, 변위, 진동과 같은 3차원 매개변수.
- 습도와 온도와 같은 생태학적 특성.
- 압력, 유량, 소리와 같은 액체 유체 역학.
웨어러블 전자 기기
머리, 팔, 목, 발, 몸통에 착용하는 작은 장비입니다. 현재 시중에 판매되는 웨어러블 전자 기기에는 다음과 같은 것들이 있습니다.
- 머리에 착용하는 스마트 안경
- 목에 착용하는 칼라
- 팔에 착용하는 스마트워치
배낭과 기타 일부 의류는 몸통에 착용됩니다.
기타 IoT 하드웨어 장치
우리는 태블릿, 휴대폰, 데스크톱과 같은 기기를 IoT 시스템의 필수 요소로 매일 사용합니다. 휴대폰은 원격 제어 및 기타 필수적인 설정 변경 기능을 제공하며, 데스크톱은 사용자가 시스템을 완벽하게 제어할 수 있도록 지원합니다.
태블릿은 사용자가 시스템의 주요 기능에 액세스할 수 있게 해주고 스위치와 라우터와 같은 원격, 표준화된 네트워크 장치로도 사용되며, 다른 주요 연결 장치도 이에 해당합니다.
IoT 하드웨어 장치의 특성
새로운 산업용 IoT 하드웨어 플랫폼의 빠른 도입으로 IoT 환경은 끊임없이 발전해 왔습니다. IoT 기기는 새로운 IoT 네트워크 구성이나 기존 네트워크의 확장 및 개발에 사용되는 하드웨어 및 소프트웨어 선택 시 평가 기준이 되는 공통적인 주요 특징을 가지고 있습니다. IoT 기기의 핵심 기능은 다음과 같습니다.
입/출력 라인
모든 IoT 기기는 네트워크 연결을 주요 특징으로 합니다. IoT 기기는 로컬에서 다른 기기와 통신할 때 클라우드 기반 서비스를 사용하여 데이터를 게시합니다. 대부분의 IoT 기기는 다음과 같은 방법으로 무선으로 정보를 전송합니다. 블루투스 비콘, 802.11(Wi-Fi), 셀룰러 네트워크, RFID 또는 SigFox, LoRa, NB-IoT와 같은 LPWAN 기술을 지원합니다. 모든 고정형 장치에는 유선 통신 시스템이 장착되어 있습니다. 이러한 고정형 장치는 산업 제어 애플리케이션, 홈 오토메이션, 스마트 빌딩에 설치됩니다. CAN(Controller Area Network)이나 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)와 같은 표준 프로토콜은 직렬 통신의 한 형태로 장치를 연결합니다.
전원 관리
태양광 전지나 배터리와 같이 무선 전력원에 크게 의존하는 휴대용 및 웨어러블 기기는 전력 관리를 위험 요소로 간주합니다. 대부분의 사용자는 전력을 절약하기 위해 기기를 저전력 모드 또는 절전 모드로 전환합니다. 이는 사용자의 사용 패턴과 관련 집적 회로(IC), 센서 또는 액추에이터의 전력 요구량에 따라 달라집니다. 연결된 부품이 늘어날수록 기기의 전력 소비량은 증가합니다.
마이크로컨트롤러 개발 보드
마이크로컨트롤러는 데이터를 처리하고 방대한 양의 데이터를 저장할 수 있는 SoC의 한 형태입니다. 마이크로컨트롤러는 메모리, 프로세서 코어, 그리고 모든 사용자 정의 프로그램을 마이크로컨트롤러에서 실행하는 데 사용되는 소거 가능 프로그래밍 가능 읽기 전용 메모리(EPROM)로 구성됩니다. 또한, 마이크로컨트롤러 개발 보드는 마이크로컨트롤러를 지원하는 추가적인 전기적 구조를 갖추고 있어 칩을 이용한 프로그래밍이나 프로토타입 제작에 더욱 유용합니다.
마이크로컨트롤러는 하드웨어 버스 또는 아날로그 또는 디지털 범용 입출력(GPIO) 핀을 통해 액추에이터 및 센서와 연결됩니다. 모든 구성 요소는 SPI, I2C와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하여 버스에 연결되며, SPI를 통해 통신합니다. 사용자가 특정 표준을 채택하면 버스에 연결된 구성 요소를 교체하거나 추가하는 것이 더 쉬워집니다.
단일 보드 컴퓨터(SBC)
단일 보드 컴퓨터는 마이크로컨트롤러보다 더 즉흥적입니다. 단일 보드 컴퓨터는 사용자가 화면, 키보드, 마우스와 같은 주변 장치를 연결할 수 있도록 합니다. 또한, 처리에 필요한 전력과 메모리도 더 많이 제공합니다. 예를 들어, 마이크로컨트롤러는 8비트 16kHz 마이크로프로세서를 사용하는 반면, 단일 보드 컴퓨터는 1.2GHz 32비트 ARM 마이크로프로세서를 사용합니다.
마이크로컨트롤러 개발 보드와 단일 보드 컴퓨터 중 어떤 것을 선택하는 것이 가장 좋은가요?
마이크로컨트롤러 개발 보드나 단일 보드 컴퓨터를 구매할 계획이라면, 애플리케이션 요구 사항과 관련하여 해당 장치의 주요 특성을 신중하게 고려해야 합니다. 또한, 다음과 같은 사항을 고려하여 결정을 내리십시오.
- 필요한 경우 구성 요소의 설계 회로에 필수적인 출력 구성 요소와 주변 센서의 수량과 종류를 확립합니다.
- 주변 시스템의 구성 요소를 제어하고 조정하기 위해 단일 보드나 마이크로컨트롤러를 선택합니다.
- 장치 내 통신에 필요한 필수 데이터 통신 프로토콜을 선택하세요. 예를 들어, 마이크로컨트롤러와 연결된 센서 간 통신에는 I2C를 사용합니다.
- 애플리케이션 및 클라우드 서비스와 통신하는 데 필수적인 프로토콜과 네트워킹 하드웨어를 결정합니다.
- IoT 조경 설계를 더욱 발전시킨 후 달성하고자 하는 디자인 의도를 비교해보세요.
- 임베디드 소프트웨어, 프로토타입, 장치 설계를 검토하고 최적의 애플리케이션과 서비스를 선택하세요. 보안, 성능, 신뢰성 등 기능적 및 비기능적 요구 사항과 함께 프로토타입을 수시로 평가할 수 있습니다. 그런 다음 필요하다고 생각되는 선택 사항을 다시 검토하세요.
IoT 프로젝트 배포를 위한 IoT 하드웨어 요구 사항
IoT 기기는 특정 환경에서만 작동하며, 하드웨어 프로젝트는 매우 다양하기 때문에 고도로 전문화되어 있습니다. 그럼에도 불구하고, 일반적인 기성 하드웨어를 사용하여 프로토타입을 제작함으로써 IoT 솔루션 요구 사항에 맞춰 맞춤형 PCB와 부품을 개발하고 설계할 수 있습니다. IoT 프로젝트를 구축할 때는 다음과 같은 IoT 하드웨어 요구 사항을 반드시 고려해야 합니다.
보안 요구 사항
보안은 사물 인터넷의 필수 요소입니다. 모든 개발 및 설계 단계에서 기기의 보안 요구사항을 고려하는 것은 필수적입니다. 프로토타입을 개발하는 경우에도 모든 기기에서 수집되는 데이터의 보안과 무결성이 손상되지 않도록 해야 합니다. 모든 IoT 기기, 네트워크, 웹사이트 및 모바일 서비스 애플리케이션은 보안 요구사항을 준수해야 합니다.
개발 용이성
개발 용이성은 프로토타입 제작 시 최우선 사항입니다. 개발 용이성은 사용자가 IoT 기기를 빠르고 효율적으로 작동시키고 데이터를 수집하고 다른 기기 및 클라우드와 연결할 수 있도록 지원합니다. IoT 프로젝트를 배포할 때는 API 문서의 품질, 접근성, 가용성을 고려해야 합니다. 또한, 기기 제조업체 또는 개발팀에서 제공하는 개발 도구와 지원도 고려하십시오.
데이터 수집, 처리 및 저장 요구 사항
수집된 데이터의 해상도에 연결된 센서 수와 샘플링 속도는 처리해야 할 데이터 양을 결정하는 주요 요소입니다. 또한 데이터 저장 및 처리 요구 사항에도 영향을 미칩니다.
연결 요구 사항
무선 네트워킹에는 작동 범위, 전송 신호가 도달하는 거리, 예상 데이터 및 전송량과 같은 연결 요구 사항이 있습니다. 장치의 연결 요구 사항을 확인할 때는 내결함성, 장치의 재연결 기능, 그리고 장치 연결이 끊긴 후 데이터 전송을 재시도하는 데 걸리는 시간 등을 고려하는 것이 중요합니다.
전원 요구 사항
전력 요구 사항은 주로 네트워크 전송 속도와 기기 내 센서 수에 영향을 받습니다. 따라서 IoT 프로젝트를 구축할 때는 기기에 슈퍼 커패시터나 배터리와 같은 모바일 전원이 필요한지, 아니면 전원을 직접 공급받아야 하는지 여부를 반드시 고려해야 합니다. 또한 배터리의 크기, 용량 요구 사항, 무게, 그리고 배터리가 방전되면 재충전, 교체 또는 폐기되는지 여부를 파악해야 합니다. 배터리가 재충전 가능한 경우, 어떤 방식으로 얼마나 자주 충전하는지 확인하십시오.
물리적 장치 설계 요구 사항
여기에는 하드웨어 장치의 크기와 외관이 포함됩니다. IoT 장치를 설계할 때는 장치가 설치될 환경적 상황을 고려하는 것이 필수적입니다. 예를 들어, 장치에 내구성이 필요한지, 방수 기능이 필요한지 고려해야 합니다. 차량 모니터링 애플리케이션의 일부로 트럭 하부에 설치되는 모든 기기는 혹독한 환경에서도 제대로 작동하도록 항상 보호되어야 합니다. 장치는 방수 기능을 갖추고 충격, 먼지, 진동에 강해야 합니다.
비용 요구 사항
원래 하드웨어의 비용과 센서와 같은 관련 구성 요소가 하드웨어 가격의 주요 결정 요인입니다. 하드웨어 비용을 결정하는 다른 요소로는 유지 관리 및 전력 비용과 같은 지속적인 운영 비용이 있습니다. 또한, 일부 장치의 드라이브 및 구성 요소에 대한 합리적인 라이선스 비용을 신중하게 고려하는 것이 중요합니다. 맞춤형 보드를 조립하는 것은 시중에서 구할 수 있는 기성 개발 보드를 구매하는 것보다 비용이 더 많이 듭니다. IoT 네트워크에서 여러 기기를 사용하여 확장할 때는 하드웨어 장치를 별도로 구매하는 것이 더 현명한 대안입니다.
프로세서
센서 데이터가 데이터를 수집하면 처리된 후 결과를 클라우드로 전송합니다. 따라서 후속 센서 데이터를 생성하는 데 필요한 데이터 처리량과 센서의 복잡성에 따라 처리 수준이 결정됩니다. 예를 들어, 온도 측정값은 설정값의 평균 또는 시간 경과에 따른 단일 데이터 값을 나타내는 간단한 예시입니다. 더욱이, 장면 감지 알고리즘이 이벤트를 표시하지 않고는 디지털 비디오를 녹화할 수 없는 보안 카메라는 더욱 복잡할 수 있습니다.
데이터 처리에 필요한 복잡성과 성능을 기준으로 네 가지 IoT 하드웨어 처리 클래스가 필요합니다. 다음과 같습니다.
PC 기반 시스템
PC 기반 시스템은 시스템 통합업체가 저렴한 일반 프로세서, 기성품 마더보드, 케이스, 전원 공급 장치를 사용하여 맞춤형 시스템을 쉽게 구축할 수 있도록 하는 구성 가능한 플랫폼입니다. 대용량 로컬 데이터 저장 기능은 주로 SSD(솔리드 스테이트 드라이브) 또는 테라바이트급 하드 드라이브를 통해 제공됩니다.
모바일 시스템
모바일 시스템은 스마트폰과 태블릿에 최적화된 특수 서브셋을 갖춘 임베디드 시스템을 통합합니다. 모든 모바일 시스템은 배터리로 구동되므로 잦은 충전이 필요합니다. 이러한 개인용 기기는 에너지를 절약하고 배터리 수명을 연장하는 고급 전력 관리 시스템 기능을 갖추고 있습니다. 또한, 모바일 시스템은 고성능 처리 기능을 제공합니다.
마이크로프로세서(MPU) 기반 임베디드 시스템
특정 제품의 요구 사항을 충족하도록 강화된 기능과 성능을 갖춘 포괄적인 옵션을 제공합니다. 이러한 요구 사항은 주로 통신 시스템, 가전제품, 자동차 및 산업용 제어 장치, 의료 기기 및 기타 수직 시장 애플리케이션에 적용됩니다.
마이크로컨트롤러(MCU) 기반 임베디드 시스템
이러한 시스템은 최소한의 처리만 필요하며 저비용 솔루션을 제공합니다. 그럼에도 불구하고, 마이크로컨트롤러는 이미지 처리 속도를 높이고 공개/개인 키 교환을 위한 암호화 가속 및 순수 난수 생성(TRNG)과 같은 보안 기능을 제공하는 임플란트 전용 고급 하드웨어 모듈입니다.
IoT 하드웨어 아키텍처
마이크로컨트롤러 유닛은 IoT 기기 하드웨어 아키텍처를 구성하는 데 사용될 수 있습니다. 시스템의 칩 리소스, 인터페이스 및 전력은 마이크로컨트롤러 유닛의 선택을 결정합니다. IoT 하드웨어 설계를 완료하기 위해서는 몇 가지 특징이 필요합니다. 이러한 특징들은 완벽한 IoT 하드웨어 프로토타입과 필수 IoT 하드웨어 키트의 가격을 결정하는 데 도움이 됩니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 액추에이터 또는 센서 유형
- 통신 인터페이스 유형
- 캡처 및 전송된 데이터의 양
- 데이터 전송 빈도
IoT 소프트웨어 아키텍처
오픈소스 구성 요소는 IoT 소프트웨어 아키텍처의 기반입니다. 위 그림은 대부분의 시스템에서 IoT 아키텍처가 일반적으로 어떻게 사용되는지 보여줍니다. Linux는 대상 IoT 하드웨어 및 소프트웨어 개발에 대한 제약이 없기 때문에 더 널리 사용됩니다.
현재 대부분의 기업은 수많은 IoT 세부 애플리케이션에 즉시 사용 가능한 IoT 프레임워크를 제공하는 것을 목표로 합니다. CoAP 프로토콜은 IoT 애플리케이션 전용으로 주로 사용됩니다. 또한, 이 프로토콜은 IoT 기기와 연결하는 표준 메커니즘을 제공합니다.
일반적인 IoT 하드웨어 플랫폼
사물 인터넷(IoT) 애플리케이션의 필수 구성 요소는 IoT 하드웨어 플랫폼입니다. 이러한 장치는 DIY 프로토타입이나 프로젝트를 빠르게 구축하는 데 도움을 줄 수 있습니다. IoT 개발에 사용되는 가장 일반적인 하드웨어 플랫폼은 다음과 같습니다.
- 라즈베리파이 - 라즈베리파이는 기술 마니아, 실험가, 교육자 사이에서 작고 저렴한 컴퓨팅 보드로 널리 알려져 있습니다.
- 아두이노(Genuino) – 사용하기 쉬운 소프트웨어와 하드웨어를 기반으로 한 오픈소스 프로토타입 플랫폼입니다.
- ESP8266 – 160MHz 마이크로컨트롤러와 액세스 및 클라이언트 포인트를 결합하여 전체 TCP/IP 스택과 DNS가 포함된 Wi-Fi 프런트엔드를 제공합니다.
- Intel Edison – 이 소형 개발 플랫폼은 Intel Atom CPU가 탑재된 32바이트 Intel Quark 마이크로컨트롤러를 갖추고 있습니다.
- Intel Galileo – 이 Intel 기반 아키텍처 AWS IoT 하드웨어 플랫폼은 Uno R3용으로 설계된 Arduino 쉴드와 핀 호환이 가능한 소프트웨어 패키지입니다.
- BeagleBone – 이 오픈 하드웨어는 집에서 구할 수 있는 모든 종류의 품목에 플러그인할 수 있는 작은 오픈 소프트웨어 컴퓨터이기 때문에 조립하기 쉽습니다.
- 바나나파이(Banana Pi) – 매일 사용하기에 충분히 작고 저렴하며 유연한 단일 보드 컴퓨터입니다.
- NodeMCU 개발 키트 - ESP1 Wi-Fi 칩을 기반으로 PWM, ADC, 8266-Wire, GPIO, IIC를 모두 통합한 일체형 보드입니다.
- 플러터 - 플러터는 고속 ARM 프로세서, IoT 하드웨어 보안 칩, 내장형 충전 배터리, 안정적인 장거리 무선 통신 기능을 갖추고 있습니다.
오픈 소스는 IoT 하드웨어에 널리 퍼져 있습니다.
대부분의 IoT 개발자는 오픈소스 활용에 익숙하며, 91% 이상이 개발 스택의 여러 부분에 오픈소스 소프트웨어, 오픈데이터 또는 오픈하드웨어를 적용하고 있어 오픈소스 활용에 대한 설득력이 높습니다. 그러나 IoT 개발자 2명 중 10명 미만이 특허 기술에 주로 의존하고 있으며, 오픈소스 옵션을 채택할 가능성도 낮습니다. 대부분의 IoT 하드웨어 회사에서 IoT 오픈소스 하드웨어 사용이 지배적입니다. 이러한 높은 사용률은 개발자의 동기가 학습, 재미, 또는 금전적 이익 등 어떤 것이든 항상 유지됩니다.
오픈소스는 새로운 표준화입니다
표준 솔루션을 사용하면 개방형 표준을 사용할 때와 동일한 생산성 향상 효과를 얻을 수 있습니다. 또한, 오픈 소스에 공개 표준을 적용하면 새로운 사물 인터넷(IoT)의 중요한 문제인 상호 운용성 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 사용하는 오픈 소스 기술을 익히는 신입 인력의 교육 비용 절감을 항상 고려해야 합니다. 구글이 MapReduce 기술을 하도급할 때 이러한 방식을 취한 것이 바로 그 예입니다. 오픈 소스 솔루션은 주로 Azure IoT 하드웨어 분야에서 사용됩니다.
오픈소스는 개발자들을 끌어들인다
오픈소스는 개발자들 사이에서 엄청난 호응을 얻고 있는데, 이는 오픈소스가 제공하는 가치와 표준에 대한 개발자들의 인식이 더 깊기 때문입니다. IoT 개발자의 78% 이상이 독점 기술보다 우수한 대안보다는 가능하면 적어도 한 가지 개발 분야에서 오픈소스 기술을 사용하는 것을 선호합니다. 기업이 오픈소스를 운영하고 지지하는 것은 세 가지 중요한 측면에서 개발자에게 최고 수준의 기술을 제공한다는 것을 의미합니다.
- 개발자의 정신과 윤리에 맞춰서
- 솔루션 가치와 개발자 지원을 강조합니다.
- 기술을 최첨단으로 묘사
