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블루투스 스마트 – 저전력 커넥티비티의 혁명

BlueNRG 블루투스 스마트 IC
BlueNRG 블루투스 스마트 IC(이미지. ST)

블루투스 스마트(Bluetooth Smart)나 BLE(Bluetooth Low Energy: 저전력 블루투스)는 저전력 디바이스와 센서를 스마트폰 및 태블릿에 연결하는 무선 개인통신망이다. 2.4GHz 대역의 단파 무선전송 방식을 이용한다. BLE는 Bluetooth SIG가 프로모션을 하고 있으며 의료, 피트니스, 보안, 웨어러블 및 홈 오토메이션 등과 같은 혁신적인 애플리케이션들을 겨냥하고 있다. 이 기술은 소형 하드웨어 액세서리에서는 배터리 수명을 굉장히 길게 사용하며 지원되고, 새로운 제품 개발에서는 스마트폰과 원활히 호환되는 제품, 이 기술이 제공하는 풍부한 사용자 인터페이스와 커넥티비티의 장점을 활용하는 제품 개발이 가능하다.

[글_ 비샬 고얄(Vishal Goyal), ST마이크로일렉트로닉스]

 

전통적 블루투스 vs. 블루투스 스마트(BLE)


기존 블루투스는 가까운 거리에서 데이터나 음성을 교환할 때 사용하는 무선 기술 표준이다. 이 기술은 스마트폰, 노트북, PC 주변장치, 이어폰 등 장치간에 데이터, 오디오 및 비디오를 전송하는 데 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 블루투스 기술은 고전류를 소모하기 때문에 배터리 교체나 충전 없이 장시간 동작을 바라는 배터리 기반 애플리케이션들에는 적당하지 않다.

블루투스 로우 에너지 기술은 기존 블루투스 기술과 동일한 스펙트럼에서 작동되지만 사용되는 채널은 다르다. 블루투스 기술의 1 MHz 폭 채널 79개 대신에 블루투스 로우 에너지 기술은 2 MHz 폭 채널 40개를 사용하며, 주파수 호핑(frequency hopping) 기법을 이용해 협대역 간섭 문제를 해결한다. BLE로 이전까지 전력 소모 때문에 어려웠던 애플리케이션에서도 초저전력 커넥티비티와 기본적인 데이터 전송이 가능하다.

전통적 블루투스 vs. 블루투스 스마트(BLE)
전통적 블루투스 vs. 블루투스 스마트(BLE)

 

블루투스 로우 에너지[BLE]의 버전들


블루투스 스마트(Bluetooth Smart)

블루투스 스마트는 극히 낮은 수준의 전력 소모가 가능하여 순수한 의미의 저전력 소모를 구현한다. 블루투스 스마트 디바이스는 일반 코인 셀(coin cell) 배터리 하나로 수 개월에서 수 년까지 작동이 가능하다. 다른 블루투스 스마트 디바이스나 블루투스 스마트 레디(Bluetooth smart ready) 기능이 적용된 스마트폰이나 태블릿 또는 노트북에 정보를 전송하는 액세서리 제품들을 예로 들 수 있다.

 

블루투스 스마트 레디(Bluetooth Smart Ready)

블루투스 스마트 레디는 하나의 칩 상에 기존 블루투스와 블루투스 로우 에너지를 결합한 것이다. 허브 디바이스의 형태로, 기존 블루투스 및 블루투스 스마트 디바이스 모두에서 데이터를 받을 수 있고 이러한 데이터를 적절한 정보로 컨버팅한다.

블루투스 디바이스의 상호운용성
블루투스 디바이스의 상호운용성

 

BlueNRG 블루투스 스마트 IC의 주요속성


전류소비

블루투스 스마트 애플리케이션들은 대부분 배터리로 동작한다. 배터리 수명에 직접적인 영향을 미치고 이러한 애플리케이션의 90%에서 결정적인 역할을 차지한다. 경쟁력 있는 BLE IC는 초저전력 휴면 모드 같은 전력 모드들과 매우 짧은 동작 모드 전환 시간으로 평균 전류 소비를 크게 낮추어 배터리 수명을 연장시킨다. ST의 BlueNRG는 초저전력의 블루투스 로우 에너지(BLE) 단일 모드 네트워크 프로세서로, 블루투스 사양 v4.0을 준수한다. BlueNRG을 사용하면 일반 코인 셀 배터리를 사용할 때 지켜야 하는 까다로운 권장 피크 전류 요건들을 충족시킬 수 있다.

 

펌웨어 업데이트 기능

블루투스 SIG가 스택을 변경할 경우 이를 반드시 준수해야 하므로 블루투스 스마트 디바이스는 스택을 업데이트할 수 있어야 한다. ST의 BlueNRG IC는 블루투스 로우 에너지 스택 전체가 내장된 Cortex-M0 코어 상에서 동작한다. 비휘발성 플래시 메모리 덕분에 현장에서의 스택 업그레이드가 가능하다.

 

RF 네트워크

BLE IC는 RF 통신 기능을 제공하기 위해 발룬(Balun), 매칭, 필터 네트워크도 필요하다. 병목지대의 역할을 담당할 때가 많은데 완벽한 기능을 발휘하되 중요한 PCB 공간을 차지해서는 안 되기 때문이다. ST가 선보인 실리콘 기반의 안정성 높은 발룬 IC는 통합 솔루션이므로 PCB 공간과 비용을 절감해 주고 통합시키기도 보다 쉽다.

 

시스템 분할

BLE 시스템은 주로 두 부분으로 나뉜다.

 

(a) 시스템온칩(SoC)

시스템온칩에는 BLE 트랜시버와 마이크로컨트롤러가 통합되어 있다. SoC에는 BLE 스택 뿐만 아니라 프로파일과 애플리케이션도 포함되어 있다. SoC의 이점은 비교적 단순한 시스템에 집적하기 더 좋고 적합성도 더 낫다는 점이다. 그러나 SoC는 사용자가 시스템의 주변장치들에 따라 적합한 마이크로컨트롤러를 선택하거나 다수의 센서들을 관리하는 일과 같은 복잡한 작업을 위한 유연성을 제공하지 않는다.

 

(b)네트워크 프로세서

네트워크 프로세서는 프로파일과 애플리케이션의 실행을 위해 외부 마이크로컨트롤러를 필요로 한다. 네트워크 프로세서는 스택을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 스택이 포함되어 있지 않을 경우에는 마이크로컨트롤러 내부에 있어야 한다. ST사의 BlueNRG는 스택을 내장하고 있으며 마이크로컨트롤러와의 손쉬운 SPI 인터페이스를 갖춘 네트워크 프로세서이다. 이러한 시스템 분할은 주변장치와 시스템의 복잡성에 따라 적합한 마이크로컨트롤러를 선택할 수 있는 유연성을 제공한다. 이는 시스템의 전력 요구를 보다 잘 관리할 수 있도록 해준다.

 

블루투스 스마트 IC 의 사양


ST마이크로일렉트로닉스의 블루투스 스마트 IC인 BlueNRG의 계층화 아키텍처
ST마이크로일렉트로닉스의 블루투스 스마트 IC인 BlueNRG의 계층화 아키텍처

 

블루투스 스마트의 애플리케이션

Bluetooth Smart

피트니스와 웨어러블

커넥티드 스마트 워치, 활동 모니터, 만보기는 사용자들이 스마트폰을 통해 자신들의 피트니스 활동을 모니터링 할 수 있도록 해준다. 이는 심박수, 속도/페이스, 거리, 리듬, 총 걸음 수 및 칼로리 소모와 같은 생체 데이터를 포착할 수 있도록 해준다. BLE는 이러한 데이터를 스마트폰이나 태블릿에서 실행되는 앱으로 보내 이를 소셜 커뮤니티와 공유하며, 이를 통해 운동 성과, 목표 모니터링, 체중 조절, 방향 데이터 및 위치 공유 기능을 최적화할 수 있다.

의료 및 건강

BLE를 통해 심박수 측정기, 혈당 측정기, 산소포화도 측정기를 스마트폰에 연결할 수 있다. BLE 덕분에 이러한 장치들은 스마트폰에 무선 연결 될 수 있을 뿐만 아니라 스마트폰을 통해 인터넷과도 연결할 수 있다. 24시간 간호하지 않고도 하루 종일 우리의 활동을 추적하여 생체 데이터를 기록하고, 정보를 클라우드에 저장하여 의사 및 가족들과 공유할 수 있도록 해준다. 또한 이러한 장치들을 신발, 손목 등과 같은 위치에 배치할 수 있다. BLE는 혈당 측정, 심박수 측정, 체온 및 혈압과 같은 수많은 의료 관련 프로파일들을 지원한다.

스마트 홈

BLE로 조명, 가전기기, 도어록, 차고문, 보안 시스템, 에어컨 및 히터를 손쉽게 제어할 수 있다. 이러한 기기들에 블루투스 스마트를 탑재하면 블루투스 스마트 레디 기능을 갖춘 폰이나 태블릿과 통신할 수 있으며, 개인의 필요에 따라 스마트폰의 다양한 요소들을 제어할 수 있는 혁신적인 앱들을 개발할 수도 있다. BLE는 가정의 전기 소비를 정확하게 계량 및 제어하도록 해주는 안전한 무선통신 기능도 제공한다.

노인 생활 도우미 (Assisted Living)

BLE는 자녀들이 노부모를 멀리 떨어진 곳에서도 모니터링 할 수 있도록 해준다. 가속도 센서와 BLE를 갖춘 약 상자는 제시간에 상자를 열어 약을 먹지 않을 경우 사용자에게 경보가 울린다. 가속도 센서와 BLE를 가전기기, 변기 시트 및 문에 설치하면 노인들의 활동 수준이 스마트폰에 기록된다. 이를 통해 자녀들은 직접하지 않고도 노부모들의 활동 수준을 확인하고, 비상시에 찾아갈 수 있다.

리모콘

현재로선 적외선이 리모콘에 가장 널리 사용되고 있는 무선통신 매개체다. 그러나 적외선은 가시선 요건과 일방 커뮤니케이션이라는 제약을 안고 있다. BLE 호환 리모콘은 가시선을 맞출 필요가 없고 MEMS 센서를 통합하면 제스처 기반 리모콘도 만들 수도 있다. BLE 호환 리모콘은 심지어 주요 미디어들로부터 입력을 수신할 수도 있어서, 멀리 있는 LED 조명을 켠다거나 방안에서 잃어버린 리모콘을 찾을 수도 있다. 또한, BLE는 블루투스 스마트 레디 기능을 갖춘 스마트폰을 리모콘으로 이용할 수할 수 있게 해준다. 주 매체에 블루투스 스마트를 추가하고, 별도의 리모콘 사용만 피하면 된다.

산업 자동화

산업 장비들은 이제 성능 및 안전 관련 주요 정보를 긴 케이블 없이도 블루투스 스마트 레디 기능을 갖춘 휴대폰이나 태블릿 또는 컴퓨터로 직접 전송할 수 있다. 따라서 기계 설치를 탄력적으로 할 수 있으며, 네트워크 통합도 쉬워진다.

근접감지 및 도난방지 액세서리

작은 BLE 액세서리를 붙인 애완 동물이나 아이들이 일정한 반경 외로 벗어나면 스마트폰을 통해 경보가 울리게 된다. BLE 기능을 탑재한 자동차 키는 연결된 스마트폰으로 쉽게 찾을 수 있다. BLE 태그가 붙은 지갑이나 수하물 가방을 누가 훔치려 한다면, 스마트폰으로 경보 메시지가 전송된다. BLE는 스마트는 이런 애플리케이션을 원활하게 구현할 수 있는 근접성 및 파인드 미(FIND ME) 프로파일을 지원한다.

자동차

BLE는 자전거 주행거리, 이동, 주요 파라미터 등과 같은 많은 기능들을 스마트폰에 표시할 수 있도록 해준다. ST사의 BlueNRG는 통합 키(Integrated Key) 식별 기능을 갖추고 있으므로 인코더/디코더 회로 없이도 1M의 고유 코드를 구현할 수 있다. 이러한 특징 덕분에 자전거나 자동차를 적합한 리모콘이나 스마트폰과 페어링 할 수 있다. 따라서 BLE를 파인드 미 램프의 구현에 사용하여 주차장에서 자신의 자전거를 찾아낼 수도 있다.

 

블루투스 스마트 인증


블루투스 스마트 제품은 블루투스 SIG의 인증을 받아야 비로소 인증된 블루투스 스마트 제품으로 기재될 수 있다. 성공적인 인증을 위해서는 인증 설계 리스트(QDL), RF-PHY 테스트, 스택의 검증 그리고 블루투스 GATT 기반의 프로파일이 필요하다.  ST에서는 마스터와 슬레이브 기능 양쪽의 인증된 스택을 제공하고 있으므로 스택을 추가로 검증할 필요가 없다.
 

결 론


BLE는 스마트폰과 같은 허브 기기와 주변 장치이나 액세서리들 간의 다리 역할을 한다. 이 기술은 IoT와 웨어러블 디바이스라는 신기술에 혁신을 불어 넣었으며 의사 결정에서 인간의 개입을 줄였다. BLE는 이제 iOS나 윈도우, 안드로이드와 같은 주요 운영체제와 함께 주요 스마트폰 신제품들에서도 지원된다. BLE는 이미 기본 기능으로 자리잡고 있는 것이다. 이처럼 블루투스 스마트 레디 기능을 갖춘 스마트폰, 노트북 및 태블릿이 수백만 대 규모에 이르면서 블루투스 스마트 액세서리를 위한 플랫폼도 마련됐다. BLE는 초저 피크 전력, 코인 셀 배터리 기반으로 수년간 구동 가능함, 저렴한 비용과 같은 특징으로 커넥티비티 구현에서 선호도가 높아졌다. ST마이크로일렉트로닉스에서는 이 기술에 대대적으로 투자하고 있으며, 해당 하드웨어 제품군을 완성하기 위한 여러 가지 센서와 아날로그 제품들을 제공하고 있다.

글_ 비샬 고얄(Vishal Goyal), 수석 기술 마켓 매니저, ST마이크로일렉트로닉스 인도
 
 




pemag
파워일렉트로닉스 매거진 에디터입니다.
http://powerelectronics.co.kr

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