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IoT 응용 제품 개발을 위한 모듈 접근 방식



글/Digi-Key's 북미 편집자 제공


IoT 응용 제품은 하드웨어 부품과 소프트웨어 부품 간 매우 긴밀한 융합을 야기하므로 개발자는 각 영역의 여러 세부 사항을 고려해야 한다. 두 편으로 구성된 이 기사에서는 이러한 융합을 용이하게 하도록 설계된 모듈 접근 방식을 사용하는 단일 플랫폼에 대해 살펴본다. 1부에서는 플랫폼의 하드웨어 옵션이 IoT 장치 구현을 간소화하는 방법에 대해 살펴보고?2부에서는 플랫폼의 소프트웨어 아키텍처와 IoT 응용 제품의 엔드 투 엔드 개발을 가속화하는 데 있어 이러한 아키텍처의 역할에 대해 알아본다.


대규모 IoT 응용 제품의 경우 일반적으로 기본적인 기능적 성능을 구현하는 데 여러 연결 옵션과 소프트웨어 서비스를 요구한다. 점점 더 까다로워지는 요구 사항을 충족하기 위해 개발자는 여러 제조업체와 작동 환경의 매우 다양한 솔루션을 결합해야 했다.
그러나, 각 솔루션의 요구를 충족하기 위해서는 접근 방식을 재고해야 하는 경우가 많다. 개발자는 응용 제품의 주요 요구 사항뿐만 아니라 다양한 솔루션을 완벽한 응용 제품으로 조화시키는 것과 관련된 문제도 해결해야 한다.?삼성의?ARTIK 플랫폼을 사용하면 IoT 응용 개발 및 배치를 위한 단일 통합 플랫폼에 호환 가능한 하드웨어 모듈과 소프트웨어 서비스를 결합하는 손쉬운 접근 방식을 사용할 수 있다.

IoT 응용 개발 문제

개발자에게, IoT 응용 제품과 연관된 여러 요구 사항은 까다로움을 의미할 수 있다. 센서 시스템은 최소한의 잡음과 최대한의 대역폭으로 정확한 신호 컨디셔닝과 정밀한 데이터 변환을 제공해야 한다. 무선 장치는 전체적인 전력 소비를 억제하는 동시에 충분한 RF 전송 전력을 제공하면서 응용 제품의 기존 통신 인프라에 손쉽게 맞출 수 있어야 한다.
더 높은 수준에서, IoT 장치는 스마트폰과 같은 중간 호스트를 통해 또는 로컬 게이트웨이 장치를 통해 효과적인 클라우드 연결을 실현할 수 있어야 한다. 동시에, 개발자는 엔드 투 엔드 보안 조치를 통해 전체 IoT 정보 체인에 걸쳐 모든 링크에서 IoT 응용 제품을 공격할 수 있는 위협을 완화할 수 있어야 한다.
개발자가 이러한 개별적인 문제 영역을 처리할 때 근시안적으로 대응하기 쉽다. 즉, 각각의 수직적 요구 사항에 집중하면서 응용 제품의 광범위한 필요 사항을 놓칠 수 있다. 이럴 경우, 방향을 전환해야 할 수 있는 설계 경로에 필요 이상의 노력을 기울이게 될 수 있다.
삼성 ARTIK 솔루션과 같은 엔드 투 엔드 플랫폼은 완전한 IoT 응용 제품에 쉽게 결합할 수 있는 포괄적인 하드웨어 및 소프트웨어 부품을 제공하여 IoT 개발자가 편협한 시야와 이로 인한 결과를 회피할 수 있도록 한다.


통합 부품 및 서비스 플랫폼

삼성 ARTIK 에코 시스템은 전체 IoT 응용 계층 구조를 처리할 수 있도록 설계된 부품 및 서비스의 통합 플랫폼을 제공한다. IoT 계층 구조의 최하위층에서 하드웨어 모듈은 고성능 데이터 취득 및 신호 처리를 지원하면서 여러 무선 연결 옵션을 제공한다.
상위층의 ARTIK 클라우드는 다양한 자사 및 타사 서비스를 제공한다. 전체 플랫폼에서 실행되는 통합 보안 모델은 개발자가 공인된 장치, 서비스 및 사용자만 기본 리소스 또는 IoT 응용 제품 자체에 액세스할 수 있도록 보장하기 위한 일관된 서비스를 제공한다.


통합 모듈

ARTIK 에코 시스템의 토대 역할을 하는 일련의 교환 가능 하드웨어 모듈은 무선 센서 노드와 게이트웨이를 위한 드롭 인 솔루션을 제공한다. 예를 들어, 삼성의?ARTIK 053 모듈은 ARM®?Cortex®-R4 프로세서, 메모리, 주변 장치 인터페이스와 Wi-Fi 연결 및 보안을 위한 전용 서브 시스템을 결합한다. 개발자는 GPIO, PWM, 직렬 인터페이스, 1Msamples/s 이상의 변환 속도를 지원하는 4채널 및 12채널 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 비롯한 완전한 직렬 인터페이스 및 장치를 통해 모듈 서브 시스템에 액세스할 수 있다(그림 1).

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[그림 1] ARTIK 제품군의 다른 모듈과 마찬가지로, ARTIK 053 모듈은 프로세서, 메모리, 인터페이스 및 보안 및 무선 연결을 위한 전용 서브 시스템으로 구성된 완전한 무선 시스템을 제공한다.

ARTIK 모듈에서 삼성은 특정 IoT 장치 등급에 적합한 ARM Cortex 프로세서를 기반으로 하여 통신 및 보안을 위한 시스템과 같은 여러 전용 시스템을 공간 제약적인 통합 설계에 결합한다. 예를 들어, 053 모듈은 실시간 데이터 취득 및 제어가 가능한 단자 IoT 노드용으로 고안되었다. 따라서, 053 모듈은 ARM Cortex-R4를 사용한다. 이 장치는 저전력 실시간 응용 제품용으로 특별히 설계된 ARM Cortex-R 계열 중 가장 작은 제품이다.
320MHz에서 실행되는 ARM Cortex-R4는 별도의 명령어 및 데이터 캐시를 활용하여 빠른 응답이 요구되는 설계의 성능을 최대화한다. 다른 ARTIK 모듈과 마찬가지로, 053은 온모듈 메모리를 통해 프로세서 통합 메모리를 보완한다. 이 경우, 8Mb 플래시와 1280Kb RAM이 제공된다.
Wi-Fi가 지원되는 053 모듈 외에도 개발자는 053 등급 처리 기능을 제공하면서 다른 무선 연결 옵션을 제공하는 다른 ARTIK 모듈을 찾을 수 있다. 예를 들어,?ARTIK-020-AV2R?모듈은 스마트폰 및 기타 모바일 장치와 상호 작동할 수 있도록 설계된 IoT 단자 노드를 위한 완전한 Bluetooth 저에너지 서브 시스템을 제공한다.
연결 방법에 관계없이 장치 계층 구조의 모든 레벨에 있는 모든 IoT 장치는 IoT 응용 제품에 있는 여러 위협 소스를 완화할 수 있는 견고한 보안 정책을 지원해야 한다. ARTIK 모듈 각각에서 삼성의 엔드 투 엔드 보안 정책은 하드웨어 기반의 보안 메커니즘을 기반으로 한다. 예를 들어, 053 모듈은 암호화 엔진, 진정한 난수 생성기, 보안 키 스토리지, 보호된 실행 환경을 포함하는 포괄적인 보안 서브 시스템을 통합한다.
053 모듈은 또한 위조를 방지하도록 설계된 디지털 지문을 지원하고 위조된 장치에서 발생할 수 있는 중간자 공격을 방지하는 물리적 복제 방지 기능(PUF) 장치를 포함한다.


드롭인 솔루션

053 및 기타 ARTIK 모듈의 모든 기능적 성능을 위해, 개발자는 이 완전하게 실현된 무선 시스템을 설계에 손쉽게 드롭할 수 있다. ARTIK 053 모듈은 하드웨어 인터페이스를 완성하는 데 추가적인 부품을 거의 요구하지 않는다. 실제로 이 모듈의 GPIO는 추가적인 버퍼링 없이 최대 12mA를 직접 구동할 수 있다. 입력측에서, 이 모듈의 GPIO, I2C, SPI, 디버그 포트는 3?A에 불과한 전류를 소비하면서 상대적으로 높은 임피던스 입력을 제공한다(최대, 풀다운 저항기 없음). 개발자는 전압 소스에서 직접 모듈의 ADC 채널을 구동할 수 있지만 ADC의 0V~1.8V 입력 전압 범위와 일치하도록 해당 소스 신호를 증폭하거나 감쇠시키기 위해 저잡음 연산 증폭기를 추가해야 할 수도 있다.
PC 기판 물리 설계의 경우, 엔지니어는 대상 PC 기판이나, 모듈과 대상 기판 사이에 있는 캐리어 기판에 직접 79핀 15mm x 40mm 모듈을 납땜할 수 있다. 내장된 RF 서브 시스템으로 인해 모듈의 배치는 매우 중요하다. 그러나, 삼성은 기판에 053 모듈을 배치할 때 RF 성능을 최적화하기 위한 세부적인 기계적 사양을 제공한다(그림 2).

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[그림 2] 개발자는 삼성의 회로도 및 설계 지침(여기서는 인쇄 회로 기판 레이아웃에서 RF 성능을 최대화하기 위한 라우팅 권장 사항)을 사용하여 자신의 설계에 ARTIK 모듈을 신속하게 통합할 수 있다.

맞춤형 PCB를 설계하고 생산하기 전에 개발자는 연관된 ARTIK 개발 키트를 사용하여 이러한 모듈을 기반으로 하여 IoT 설계를 평가할 수 있다. 예를 들어, ARTIK 053 시험용 키트의(SIP-KITNXF001) 개발 기판은 인터포저 기판을 통해 053 모듈을 호스트하며 테스트 LED, 버튼, USB 연결, Arduino 실드 인터페이스 커넥터, I/O 브레이크아웃 커넥터를 제공한다(그림 3).

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[그림 3] 개발자는 053 모듈과 전력, IO 커넥터, LED, 버튼을 결합하는 ARTIK 053 시험용 키트 개발 기판을 사용하여 ARTIK 053 모듈 평가를 빠르게 시작할 수 있다.

개발 중에 USB 인터페이스를 통해 기판에 전력을 공급하는 것 이외에, 엔지니어는 5V~12V DC 전원 잭 또는 5.6V~6.4V 외부 배터리 연결을 통해 개별적으로 독립형 기판에 전력을 공급할 수 있다.
하드웨어 개발을 위해 삼성은 전체 회로도 및 BOM을 제공하여 개발자가 유리하게 맞춤형 설계를 시작할 수 있도록 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 모듈의 하드웨어 인터페이스 요구 사항은 매우 간단하다. 회로도에 지정된 시험용 키트 참조 설계는 기판 커넥터에서 모듈로 버퍼링되지 않은 디지털 신호를 전달한다. ADC 입력의 경우, 이 회로도에서는 간단한 저항기 네트워크를 사용하여 필요한 전압원을 제공하는 것을 보여준다(그림 4).

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[그림 4] ARTIK 053 시험용 키트 회로도는 모듈의 4개 ADC 입력 채널에 전압원을 공급하기 위한 기본 저항기 네트워크를 비롯하여 053 모듈의 간단한 인터페이스 요구 사항을 나타낸다.

IoT 게이트웨이

Wi-Fi 053 및 Bluetooth 052 같은 모듈은 IoT 단자 노드 설계를 위한 솔루션을 제공한다. 그러나 더 복잡한 IoT 계층 구조의 경우 IoT 개발자는 종종 단자 노드 바로 위의 계층에 고성능 처리 노드를 추가한다. 이러한 중간 노드는 클라우드에 대한 게이트웨이로 작동하며 로컬 레벨의 데이터를 종합하여 사전 처리하거나, 단자 노드 간에 짧은 지연 루프를 보장하거나, 클라우드에서의 주기적 연결 끊김으로부터 단자 노드를 버퍼링한다.
삼성은 점점 더 강력해지는 ARM Cortex-A 응용 프로세서를 기반으로 하는 모듈을 통해 이러한 요구 사항을 처리한다. 예를 들어, ARTIK 520 모듈(SIP-005AYS001)은 이중 코어 32비트 ARM Cortex-A7를 기반으로 하고, ARTIK 530(SIP-005AFS301)은 4코어 32비트 ARM Cortex A-9를 제공하며, ARTIK 710(SIP-007AFS001)은 8코어 64비트 ARM Cortex A-53 프로세서를 제공한다. 이들 제품의 공통적인 설계 덕분에 개발자는 특정 처리 부하 및 성능 요구 사항에 맞게 모듈을 믹스 앤 매치할 수 있다.
이러한 모듈 각각은 전력 처리 성능과 함께 게이트웨이 장치의 광범위한 요구 사항을 처리하는 데 필요한 견고한 주변 장치 및 인터페이스 모음을 제공한다. 예를 들어, ADC 및 GPIO 채널의 개수를 늘리는 것 이외에도 ARTIK 53은 최대 1920 x 1080 @ 30fps(초당 프레임 수)를 지원하는 4회선 MIPI 카메라 인터페이스와 최대 1920 x 1080 @ 60fps의 4회선 MIPI 디스플레이 인터페이스, 2개의 오디오 IO 채널을 통해 사용자 인터페이스 지원을 제공한다.
주변 장치 지원 향상과 함께 ARTIK 520/530/710 모듈은 게이트 설계의 또 다른 주요 요구 사항을 해결한다. IoT 게이트웨이 장치는 일반적으로 다양한 IoT 장치와 통신해야 한다. 따라서 이러한 게이트웨이 모듈은 Wi-Fi, Bluetooth, zigbee, Thread 및 이더넷을 비롯한 여러 무선 옵션을 지원한다.
게이트웨이 설계의 광범위한 요구 사항에 대한 지원 덕분에 ARTIK 520/530/710 모듈은 일반적으로 이에 상응하는 더 많은 설계 작업을 필요로 한다. 그러나 삼성은 개발자를 위해 관련 개발 기판을 통해 각 게이트웨이 모듈을 지원한다(예: ARTIK 520 키트(SIP-KITNXB001), 530 키트(SIP-KITNXD001), 710 키트(SIP-KITNXE001)). 각 키트의 개발 기판과 함께 회로도, BOM, PCB 기판 물리적 레이아웃을 비롯한 완전한 참조 설계도 제공한다.
이 키트는 개발자가 게이트웨이 장치에 필요로 할 수 있는 추가적인 부품과 함께 더욱 복합적인 모듈 인터페이스 설계를 보여준다. 053 인터포저 기판 및 플랫폼 기판의 간단한 설계와 달리, 이 키트에는 게이트웨이 모듈의 확장된 기능을 지원하는 데 필요한 많은 부품 목록이 포함되어 있다.
예를 들어, ARTIK 530 개발 기판은 오디오 코덱, USB 컨트롤러, 배터리 충전기, 연료 게이지 및 심지어 추가적인 GPIO 및 ADC 채널을 위한 Microchip Technology-ATMEGA48PB-M?AVR MCU를 추가한다(그림 5).

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[그림 5] The ARTIK 530 개발 기판은 ARTIK 530 모듈과 외부 Microchip Technology ATMEGA48PB-M MCU, 오디오 코덱, 이더넷 및 USB 부품, 배터리 관리 회로를 결합하는 정교한 게이트웨이 장치의 설계를 보여준다.

053 인터포저 기판의 간단한 설계와 달리, 530 키트에는 플랫폼 기판, 530개 모듈을 수용하는 인터포저 기판, 추가적인 확장을 위한 인터페이스(IF) 기판이 포함되어 있다. 053 인터포저가 단순히 053 모듈을 위한 캐리어 기판으로 작동하는 반면 530 인터포저 기판은 530 모듈의 여러 기능을 직접 지원한다. 결과적으로, 530 인터포저 기판은 게이트웨이 시스템 설계 내에 모듈을 통합하는 데 더욱 능동적인 역할을 수행하여, 다양한 설계 부품과 연관된 여러 전력 도메인을 지원하는 데 필요한 레벨 변환 같은 기능을 제공한다.
이 개발 키트 및 연관된 회로도는 이러한 다양한 인터페이스 요구 사항을 충족하는 데 필요한 특정 설계 솔루션을 보여준다. 예를 들어, 참조 설계에서는 설계자가 설계 내에 중요한 회선을 안전하게 접속할 수 있도록?ON Semiconductor?NLSX4373MUTAG?2비트 및?NLSX5014MUTAG?4비트 레벨 변환기를 통합하는 방법을 보여준다(그림 6).

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[그림 6] 개발자는 ARTIK 게이트웨이 참조 설계를 통해, 디지털 제어 회선을 위해 기성 레벨 변환기를 사용하여 ARTIK 520/530/710 모듈을 접속하는 작업에 대한 자세한 내용을 확인할 수 있다.


결론

과거에 복잡한 IoT 응용 요구 사항을 해결할 때 개발자들은 선택의 여지가 거의 없이 여러 제조업체에서 제공하는 상이한 부품으로 작업하고 관련된 통합 문제를 처리해야 했다. 그러나 이제는 ARTIK 에코시스템을 사용하여 IoT 단자 노드 및 게이트웨이의 무선 연결, 기능, 성능에 대한 특정 요구 사항을 충족하도록 설계된 호환 가능한 하드웨어 모듈을 결합할 수 있다.
완전한 IoT 장치 솔루션을 제공하도록 설계된 ARTIK 모듈은 IoT 단자 노드를 구현하는 데 필요한 모든 부품을 통합하거나 더욱 복잡한 게이트웨이 설계를 구현하기 위한 기반을 제공한다. ARTIK 개발 키트 및 회로도를 구축함으로써 개발자는 임의 IoT 응용 제품의 하드웨어 기반을 제공하는 장치를 빠르게 구현할 수 있다. 개발자는 ARTIK 에코 시스템의 소프트웨어 아키텍처의 이점을 추가적으로 활용하여 엔드 투 엔드 설계와 해당 IoT 응용 제품의 구현을 신속하게 완료할 수 있다.

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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