지난 수년 동안 다양한 원격제어 기기가 우리의 일상생활 속에 더 폭 넓게 자리잡고 있다. 수년 전까지만 해도 텔레비전용 IR(infrared) 리모콘만이 가정에서 사용되는 유일한 원격제어 기기였다. 하지만, 현재 거의 모든 전자 기기들이 리모콘을 통해 제어되고 있으며, 이에 따라 수 많은 리모콘이 가정에서 사용되고 있다.
이제 왜 이렇게 많은 리모콘이 필요한지에 대해 의문이 생길 것이다. TV, 주차장 개폐기, 조명 및 팬 제어 등과 같은 기기들은 대부분 단방향 점대점(point-to-point) 제어 기능을 필요로 하고 있다. 이들은 상호 호환이 불가능하며, 일반적으로 1개의 기기만을 지원한다. 대부분의 원격 제어 디바이스들은 전유 기술에 기반하고 있고, 제조업체들 간 표준화가 이루어지지 않았기 때문에 심지어 동일한 기능(조명의 켜기 및 끄기 등)을 위해 사용되는 리모콘도 타 제조업체의 유사한 리모콘과 상호 호환이 되지 않는다. 다시 말해, 소비자들은 제어해야 할 기기의 수만큼 많은 개별독립적인 원격 제어 유닛을 사용해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 학습 기능을 갖춘 범용 리모콘이 지난 수년 동안 시장에서 이미 공급되고 있다. 하지만, 조준선, 짧은 통신 거리, 지원 기기 수 등에서의 제약으로 인해 홈 엔터테인먼트 분야에서 제한적으로만 사용되고 있다.
편의성 외에도 홈 시큐리티는 소비자들이 최근에 상당히 관심을 두고 있는 문제이다. 소비자들은 안전하다고 느낄 수 있는 홈 시큐리티 시스템을 찾고 있다. 보안 시스템은 가정에 대한 침입을 감지하고 보고하는 데 사용되는 전자 기기이다. 도난방지용 경보장치, 모션 감지기, 감시 카메라 등과 같은 시스템이 이미 일반적인 제품으로 시장에서 제공되고 있다. 하지만, 이러한 제품들은 다시 어느 정도 제한된 보안 기능만을 제공한다. 이러한 모든 것들이 전선 또는 거리에 대한 제약 없이 수 많은 기기들을 제어하고 모니터링할 수 있는 홈 네트워크의 필요성을 촉발시키고 있다.
홈네트워크는 다양한 기기들이 상호 통신할 수 있도록 지원하는 방법이다. 홈네트워크에서는 1개 이상의 기기들이 네트워크 내의 다른 기기들을 모니터링하거나 제어할 수 있다. 일반적으로 홈네트워크는 소수의 개인용 컴퓨터, 그리고 프린터, 모바일 컴퓨팅 기기 등과 같은 액세서리 장치들과 같이 가정 내에서 사용되는 디지털 기기들 간의 통신을 위해 사용된다. 주요 목적으로는 인터넷 액세스 또는 파일 및 유틸리티 등을 공유하는 것이다. 하지만, 다수의 기기 또는 특정 센서, 또는 중앙 제어를 위해 1개의 기기가 상당히 원거리에 있을 경우에도 건물 내부를 모니터링하는 단일 제어 유닛 등으로부터 데이터를 수집하는 것을 포함해 홈네트워크는 이제 확장된 애플리케이션을 모색하고 있다. 본고에서는 다양한 홈네트워크 기법과 애플리케이션 가능성들을 구현 사례들과 함께 검토할 것이다.
구현 기법
-1.jpg)
매우 초창기 시도로서, Sears Home Control System과 Radio Shack Plug’n Power System을 위해 홈네트워크가 1978년에 구현되었다. 당시 홈네트워크는 명령을 송수신하는 데에 전력선 배선을 사용했다. 그후 유선 네트워크에서부터 무선 네트워크에 이르기까지 수많은 기술들이 홈네트워킹을 위해 검토되었다.
기술이 발전함에 따라 이더넷이 가정 내에서 전통적으로 선택되었지만, Wi-Fi 무선 기술이 빠르게 기반을 확대해 가고 있다. 유선과 무선 기술 모두 서로 강점이 있다고 주장하고 있지만, 모두 홈네크워킹을 위해 실행 가능한 옵션들을 제시하고 있다.
유선 네트워크의 경우, 1개 이상의 기기들이 케이블을 통해 중앙 허브에 연결되고 필요에 따라 라우터 또는 리피터를 사용한다. 중앙 허브는 명령을 수신하여 이를 연결된 기기에 전달하는 사용자 인터페이스와 연결된다(그림 1). 다양한 유선 기술들 중에서 이더넷 10/100Mbps가 네트워크 카드의 낮은 가격, 신뢰성, 속도 등으로 인해 가장 대중적인 네트워크 방법으로 자리 잡았다: 하지만, 이더넷 10/100Mbps는 네트워크 케이블을 초기에 집안에 배치해야 하는 어려움이 있으며; 새로운 기기들을 지원할 수 있도록 향후 확장하는 것이 불가능하거나 제한될 수 있다.
-2.jpg)
PhoneLine 또른 HomePNA라고도 하는 HPNA는 또다른 홈 네트워킹 기법으로 음성 또는 DLS 통신을 방해하지 않으면서 가정 내의 기존 구리 전화선을 통해 동작한다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 이것이 제공하는 속도는 10Mbps에 불과하다. Firewire 네트워킹은 현재 대부분의 OS를 통해 지원되고 있다. 이것은 단거리 고속 통신에 가장 적합하다. 이러한 접근법들 외에도 PLM, Ethernet Gigabit, USB 등과 같은 다양한 유선 기술들이 홈네트워킹을 위해 사용되고 있다. 유선 토폴로지가 가지고 있는 공통적인 문제는 유선 네트워킹은 기존 가정에서 동작하는 것이 어렵고 사용자들이 자유롭게 노드를 장소에 따라 이동시킬 수 없다는 것이다. 또한 설치가 어렵고 비용이 높아 사용자의 유연성을 제한한다.
유선 네트워크 설치의 어려움은 무선 네트워크의 발전을 견인해 왔다. 무선 네트워크에서 기기들은 무선 통신 표준을 통해 중앙 허브 또는 스테이션에 연결되고 다시 사용자 인터페이스와 상호 동작한다(그림 2). 홈 네트워킹에 일반적으로 사용되는 무선 기술로는 Wi-Fi, Zigbee, 무선 HomeRF, 블루투스(Bluetooth) 등이 있다. 다양한 제조업체들 사이에서 단일성을 유지하기 위해서 모든 무선 통신 프로토콜들이 IEEE 표준들을 따르고 있다. 무선 기술들은 신호 간섭, 그리고 유선 기술에 비해 상대적으로 높은 비용과 낮은 데이터 전송속도 등으로 인해 어려-표1.jpg)
움을 겪지만, 간편한 설치와 접근성, 강화된 사용자 친근성 등과 같은 보다 우수한 특성들을 제공한다. 상대적으로 낮은 데이터 전송속도는 홈네트워킹에 있어서 무선 기술의 발전을 저해하지 못하는 데, 이는 제공되는 데이터 전송속도로도 애플리케이션을 충분히 제어하고 모니터링할 수 있고, 신호 간섭은 소프트웨어 기법들을 통해 관리될 수 있기 때문이다. 그리고 스위치를 켜는 것만으로도 새로운 기기를 간편하게 기존 네트워크에 연결할 수 있다.
표 1에 다양한 네트워킹 기술들을 속도, 거리, 비용에 따라 비교하여 정리하였다. 시일이 지남에 따라 무선 홈 네트워크가 보다 일반화되고 있으며, 사용자의 필요에 따라 유선 또는 무선, 또는 혼합 기술들을 통해 홈네트워크를 개발할 수 있다(그림 3). 다음으로 본고에서는 국소형(localized) 홈네트워크를 위한 무선 기술로서 Zigbee에 대해 검토하고 원거리 동작을 위한 GSM의 가능성에 대해서도 검토할 것이다.
-3.jpg)
무선 기술 선택
어떤 무선 기술을 사용할 것인가? 이 질문에 대한 답은 홈네트워크 사양에 따라 결정된다. 어떤 네트워크들은 가정 내에서만 사용하는 데 적합하다는 이유로 채택되며, 다른 네트워크는 경계 넘어로 제어 범위를 확장시켜주기 때문에 채택된다.
홈 오토메이션 제어를 위한 ZIGBEE 무선 네트워크
-4.jpg)
로컬 동작의 경우, Zigbee가 무선 홈네크워킹을 위한 최고의 대안 중 하나이다(그림 4). Zigbee는 저비용, 저전송속도, 저전력소모, 양방향 무선 통신을 위해 Zigbee협회(Zigbee Alliance)에서 개발한 통신 표준이다. Zigbee는 IEEE 802.15.4-2003 표준으로 발전해왔으며, 2.4GHz 주파수 대역에서 동작한다. Zigbee는 메쉬 네트워크 상에서 데이터를 전송할 때 나타나는 호박벌(bumble bee)의 지그재그 패턴으로부터 이름을 가져왔다. Zigbee가 홈네트워킹 솔루션으로서 유력한 대안이 될 수 있었던 주요 장점은 다음과 같다:
1. 긴 수명: 다른 기술들에 기반한 기기들은 충전 시 수 시간 동안만 지속이 가능했지만, Zigbee 기기들은 수년 동안 지속될 수 있도록 설계되었다. Zigbee 기기는 저전력 모드로 전환될 수 있도록 설계되어 네트워크의 수명을 한층 더 강화해 준다.
2. 장거리 통신: Zigbee의 주요 특성 중 하나는 라우터를 통해 큰 영역을 지원할 수 있다는 것이다. 이러한 특성은 Zigbee를 다른 기술과 차별화시켜준다. 메쉬 네트워킹은 라우팅을 통해 네트워크 거리를 확장시켜주는 동시에 심지어 라우터 없이도 Zigbee 기기들은 수십 미터 이상까지 전송을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 1개의 Zigbee 네트워크로 최대 65,536개의 기기를 지원할 수 있으며, 메쉬 네트워킹을 통해 네트워크 거리를 한층 더 확장할 수 있다.
3. 보안 네트워크: Zigbee 특성으로는 기기가 최상의 가능 채널을 선택하고 Wi-Fi짋 등과 같은 다른 무선 네트워크를 회피할 수 있도록 지원하는 에너지 감지, 클리어-채널 평가(clear-channel assessment), 채널 기민성(channel agility) 등의 기능을 제공하며, 메시지 통지 기능은 데이터가 해당 목적지에 전달되도록 보장한다. 다양한 수준의 보안 기능은 네트워크와 데이터가 손상되지 않고 안전하게 유지되도록 보장한다. Zigbee 기기는 특수한 네트워크 ID 번호와의 네트워크를 생성하기 때문에 다른 Zigbee 네트워크로 인한 간섭을 방지할 수 있다.
4. 유연성: Zigbee 기반 네트워크는 매우 유연하며, 최소한의 노력만으로도 대형 네트워크로 확장될 수 있다. Zigbee 네트워크의 명령과 데이터는 메시지로 전송된다. 100byte 이상의 메시지 필드를 통해 1개의 Zigbee 노드가 많은 수의 기기 파라미터 또는 복수의 기기들을 제어할 수 있도록 설정할 수 있다.
5. 지원: Zigbee 표준은 실리콘에서부터 최종 제품, 그리고 서비스, 지원, 툴, 테스트 플랫폼 등에 이르기까지 모든 것을 제공하는 많은 다양한 기업들이 회원사로 참여하고 있는 Zigbee협회에 의해 관리된다.
6. 낮은 데이터 전송속도: 비록 Zigbee가 최대 250Kbps의 낮은 데이터 전송속도를 제공하지만, 이러한 데이터 전송속도는 기기의 모니터링 및 제어를 주요 기능으로 하는 홈네트워크 애플리케이션에 적합하다.
홈네트워킹에서 Zigbee가 사용될 것으로 예측하여 Home-Automation 프로파일이 Zigbee 표준들에 꾸준히 소개되어왔다. 이 프로파일은 Zigbee-기반 홈네트워킹 기기가 단순히 프로토타입에 머물러 있기보다는 한층 더 일반화된 제품이 될 수 있도록 보장한다. Zigbee 기술과 Home-Automation 프로파일은 다양한 제조업체들의 유사한 제품들 사이에서 상호동작성을 제공하여 가정에서 보다 다양한 기기의 제어 및 통합을 가능하게 한다. 이것은 소비자들이 자유롭게 기기들을 구매하고 설치할 수 있도록 해준다. 낮은 RF 전력 특성 때문에 Zigbee는 장거리 통신을 위해 사용될 수 없다. 당신이 귀가하는 도중에 집에 있는 에어컨을 켜거나 집에 도착하는 즉시 샤워를 하기 위해 온수기의 전원을 켜고자할 경우를 상상해 보라. 모든 길에 라우터를 설치할 수 없기 때문에 이러한 형태의 네트워킹을 Zigbee를 통해 구현할 수는 없다. 하지만, 이러한 기능은 Zigbee 네크워크와 GSM 네트워크를 연결함으로써 달성할 수 있다.
기기들의 원거리 제어를 위한 GSM 네트워크
기술이 지난 20~30년 동안 비약적으로 발전하였고, 단일 발명품으로 휴대전화는 소비자의 삶에 가장 큰 영향을 미쳤다. 인터넷 연결은 심지어 저가 EDGE 전화에서도 현재 자유롭게 제공되고 있다. 이것은 네트워크에 연결되어 가정의 다른 기기들에 대한 액세스를 제공할 수 있다. 휴대전화의 이러한 기능은 원격 위치에서 홈네트워크를 제어하는 데 사용될 수 있다. 이를 통해 소비자들은 카메라가 인터넷을 통해 주기적으로 이미지를 자신의 휴대전화에 전송하도록 설정할 수 있다. 동일한 애플리케이션을 직장에 있는 부모들이 가정에 있는 아이들을 확인하는 데 사용할 수도 있다. 위의 애플리케이션은 휴대전화를 통한 인터넷 연결을 이용하지만, 제한된 감시 및 제어 기능을 가진 다른 애플리케이션들 역시 휴대전화에서 이미 제공되고 있는 SMS를 사용하여 구축할 수 있다.
이 메시지 서비스를 통해 사전정의된 SMS를 휴대전화에서 네트워크의 중앙 허브로 전송하고 네트워크에 연결된 디바이스를 제어할 수 있으며, 비슷한 방법으로 네트워크로부터 SMS를 수신할 수도 있다. 이를 통해 이동중에 에어컨, 온수기, 조명, 전자오븐, 그리고 다양한 다른 연결 기기 들의 전원을 온/오프시킬 수 있다. GMS-제어 홈네트워크에서 로컬 네트워크의 중앙 허브는 GSM 인터페이스 기능을 지원한다. 이 허브/스테이션은 원격 휴대전화로부터의 명령을 서비스 제공업체가 제공하는 GSM 네트워크를 통해 수신한 다음에 이 GSM 인터페이스는 기기를 제어하기 위해서 명령을 로컬 홈네트워크에 전달한다. 통신은 네트워크가 구현된 방법에 따라 SMS 또는 GPRS의 형태로 수행될 수 있다. 이러한 구현방법은 원거리 제어 기능을 제공하는 동시에 소비자의 비용을 최소화시킨다. 소비자들은 서비스 제공업체의 GSM 연결을 확보해야 하며, 정기적으로 서비스 요금을 지불해야 한다.
홈네트워킹 애플리케이션
1. 편의성 및 제어 기능: 홈네트워크는 사용자들이 기기들을 가정 내 또는 원거리에서 모니터링 및 제어할 수 있도록 해준다. 이제 사용자는 하나의 도구로 기기들을 편하게 제어할 수 있다. 사용자들은 한 방에 있으면서 다른 방에 있는 조명 또는 기기들을 온/오프시킬 수 있다. 이제, 사용자가 집에 도착하자마자 샤워를 하고 싶을 경우, 귀가하는 도중에 수도꼭지를 켤 수 있게 되었다. 사용자는 집안의 한 구석에 앉은 채로 집안의 문과 창들을 동작시킬 수 있다. 때때로 외출을 한 다음 텔레비전을 끄지 않았음을 깨닫는 경우가 있다. 홈네트워크는 TV를 원격으로 끌 수 있는 기능을 제공한다. 분명히 홈네트워크는 이러한 일들을 보다 쉽게 관리할 수 있게 해줌으로써 사용자의 스트레스를 낮춰준다.
2. 안전성 및 보안성: 조명, 보안 기능, 센서 등과 같은 다양한 형태의 기기들을 단일 시스템에 연결할 수 있기 때문에 보다 높은 수준의 안전성과 보안성을 제공한다. 온도, 습도, 화재, 연기, 가스, 창문 파손, 동작 등에 대한 센서를 포함하는 다양한 전용 기기들이 홈네트워크에 설치될 수 있다. 이러한 기기들은 비정상적인 조건을 감지했을 때 경보 신호를 발생시키거나 사용자에게 주의를 상기시킬 수 있는 메시지를 허브/메인 스테이션에 전달한다. 예를 들어, 가스, 화재, 연기 등에 대한 센서를 갖추고 있는 기기들은 부엌에 설치될 수 있으며, 창문 파손 센서는 다양한 창문 또는 문에 설치될 수 있고, 온도, 화재, 습도 등에 대한 센서는 가정의 다른 공간들에 설치될 수 있다. 카메라와 마이크를 내장한 기기는 문에 설치될 수 있다. 따라서 벨이 울리면, 집주인은 외부의 사람을 볼 수 있으며, 문을 열지 않더라도 대응할 수 있다. 특수한 경우에만 채택되는 사전 프로그래밍 동작을 통해 네트워크를 보다 지능적으로 제작할 수 있다. 예를 들어, 화재 감지 시 스프링클러가 켜지고, 도둑 감지 시 경찰을 자동으로 호출할 수 있도록 네트워크를 개발할 수 있기 때문이다. 홈네트워크는 다른 방법들에서와 같이 원격 모니터링 기능을 제공한다. 홈네트워크를 사용하여 유아, 노인, 애완동물 등을 모니터링할 수도 있다.
3. 에너지 관리 및 절약: 전기 에너지는 살아가는 데 반드시 필요한 것이며, 보다 오랜 시간 동안 사용할 수 있도록 보장하기 위해서 모든 사람들이 이를 효율적으로 사용해야만 한다. 대부분의 경우, 사용하지 않는 기기의 전원을 꺼서 에너지를 절약하고자 할지라도 실천하는 것이 어렵다. 홈네트워크를 통해 우리는 단일 리모콘을 통해 원거리에서 기기들을 제어할 수 있다. 집안에 있는 모든 방의 스위치 보드/전력 보드에 설치 가능한 특수한 도구 또는 기기를 개발할 수 있으며, 모든 스위치를 단일 도구로 제어할 수 있다. 자동화된 제어 기능은 네트워크의 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 예를 들어, 방에 아무도 없을 경우에 조명과 팬이 자동으로 꺼지도록 할 수 있다. 이러한 작은 전기 에너지 절약효과는 현대 사회의 많은 사용자들을 통해 크게 증대될 수 있다.
구현 예제
-5.jpg)
설명 목적만을 위해 특별히 설계된 소형 홈네트워크를 검토함으로써 홈네트워크의 시스템 접근법을 이해할 수 있다. 이 홈네트워크는 Zigbee 표준 상에서 동작하며, 중앙 스테이션 또는 베이스 스테이션은 네트워크 조정장치로서 동작하고 노드는 최종 기기로서 동작한다. Zigbee 네트워크의 경우, 조정장치는 네트워크를 생성할 수 있는 기기이며, 노드는 명령과 데이터를 수신하여 조정장치로 전송하여 최종 기기의 동작을 제어할 수 있는 기기이다. 조정장치와 노드 모두 Zigbee 트랜시버를 통합하고 있는 마이크로컨트롤러 기반 기기이다.
마이크로컨트롤러는 Zigbee 트랜시버, TFT 디스플레이, 터치스크린/LCD, USB 등을 관리한다(그림 5, 그림 6). 베이스 스테이션은 최대 8개의 다른 노드를 제어 및 모니터링할 수 있으며, 각 노드는 전자오븐, 조명, 팬, 에어컨 등과 같은 1개 이상의 가정용 기기들에 연결된다. 노드는 또한 온도, 습도, 동작, 주변조명 등에 대한 센서를 가지고 있으며, 이러한 데이터는 Zigbee 네트워크 상의 베이스 스테이션으로 전달될 수 있다. 베이스 스테이션과 노드는 각각 3.7V 리튬이온 배터리를 전원으로 사용하며 USB를 통해 공급되는 전력을 통해 재충전이 가능하다.
-6.jpg)
네트워크 설치 시 초기에 베이스 스테이션을 켜면 이것은 환경을 스캔하고 독특한 Zigbee 네트워크를 생성한다. 이제 네트워크 주변의 모든 노드에 전원이 공급되고 베이스 스테이션이 전체 정보를 확보하여 이 새로운 공동 노드를 위한 독창적인 ID 또는 이름을 생성한다. 노드에 연결된 기기에 따라 사용자는 ‘히터’, ‘에어컨’, ‘침실 조명’ 등과 같은 이름을 노드에 할당할 수 있다. 사용자는 또한 모든 노드의 상태를 확인할 수도 있다. 베이스 스테이션의 터치 디스플레이를 사용하면 기기의 상태를 원거리에서 변경할 수 있다.
-7.jpg)
이것은 사용자들이 기기들을 원거리에서 자유롭게 모니터링하고 제어할 수 있도록 해준다. 제어 기능 외에도 베이스 스테이션은 주기적으로 센서로부터 데이터들을 수집하여 자체 내부 메모리에 저장한다. 이 데이터는 추가적인 활용 또는 분석을 위해 USB를 통해 다운로드가 가능하다. 이러한 네트워크의 흥미로운 애플리케이션으로는 무선 제어 플러그가 있는 데 이것은 1개 이상의 전력 스위치를 제어하기 위해 모든 스위치 또는 전력 보드에 연결될 수 있는 Zigbee-지원 노드를 제공한다(그림 7). 이 시스템에서 Zigbee-지원 노드는 스위치 보드 및 전기 기기에 있는 전기 온/오프 스위치 사이에 연결된다. 노드가 제어 명령을 베이스 스테이션으로부터 수신하여 부착된 기기들을 제어한다. 이러한 설치 과정을 통해 1개의 Zigbee-지원 노드를 통해 수많은 기기들을 제어할 수 있다.
위의 시스템은 최소한의 기능들을 설명하기 위해 개발되었지만, 소비자/사용자의 요구들을 처리할 수 있도록 다양한 수준으로 맞춤화 또는 확장이 가능하다.
요약 또는 결론
지속적인 기술의 발전과 함께 소비자들의 기대와 요구 역시 높아지고 있다. 그들은 자신들의 세계를 제어하고 모니터링하기를 원하며, 높은 수준의 보안성과 안전성과 함께 제어력을 제공하는 시스템을 기대하고 있다. 홈네트워크는 이미 소비자들의 요구를 충족시키기 위해 시도하고 있다. 의심할 여지 없이 홈네트워크는 삶을 단순화시키고 있으며, 모든 소비자의 삶에 있어서 필수불가결한 요소가 될 것이다.
참고문헌
1. ZigBee Specification, ZigBee Document 053474r13
2. http://www.zigbee.org
Home >
Application Review
상세기사 보기
.jpg)
기자 : 뉴스관리자 기자 
.jpg)
