주로 거주용인 대부분의 건물은 HVAC, 엘리베이터, 보안 카메라 및 기타 장치와 같은 기존 시스템에 유선 연결을 사용하지 않습니다. LoRaWAN 또는 NB-IoT와 같은 기술을 사용하는 무선 IoT 장치는 새로운 장치나 센서를 연결하고 기존 시스템에 새로 장착할 수 있습니다.
새 센서 및 제어 시스템을 기존 자산에 연결하는 일은 까다로운 일입니다. 대부분의 경우 모든 장비, 엘리베이터, HVAC 및 보안 시스템은 가능한 경우 개별적인 연결 방법을 제공합니다.
지난 30년간 많은 건물주들은 설비를 연결해 제어실이나 여러 제어 패널에서 원격으로 시스템을 관리할 수 있도록 해 왔습니다. 이러한 접근법은 여러 건물 시스템의 현재 상태에 대한 실시간 정보를 제공하지만 운영 상태, 부품 마모, 환경 조건 등의 지난 데이터 수집 능력은 부족합니다.
분석 및 자동화를 활용하기 위해 인프라에는 센서 및 다른 인텔리전트 장치를 갖춰야 하며 통합 제어 시스템에 연결도 필요합니다.
새로운 건물을 설계할 때 어떤 연결 방법이 필요한지 결정하는 것이 중요합니다. 대부분의 신규 시설은 유선 연결을 갖추고 있지만 특히 배터리 전원 공급 센서와 같이 다양한 장치 유형을 사용할 수 있는 통신 및 다른 무선 네트워크를 고려하는 것도 좋은 생각입니다.
또한 무선 연결은 오래된 건물의 여러 시스템 유형을 연결하는 데도 좋은 솔루션입니다. 인프라 유선 연결은 복잡하고, 비용이 많이 들며 건물의 모든 영역에 닿지 못할 수 있기 때문입니다.
IoT를 위해 특별히 개발된 새로운 무선 통신 기술
IoT 장치의 빠른 증가와 수많은 IoT 장치를 연결하기 위한 전력량으로 인해 저전력 통신을 고려할 필요가 대두되었습니다.
4G라고 불리던 LTE(Long-Term Evolution)가 등장하기 전까지 대부분의 무선 연결 장치는 Wi-Fi나 2G 셀룰러 네트워크를 사용해 데이터를 전송하고 수신했습니다. 지금까지도 주로 보안 카메라와 모니터링 시스템 같은 일부 장치는 여전히 전 세계 대부분의 지역에서 널리 이용 가능한 2G를 사용합니다.
10년 전 4G가 변화를 일으키기 시작했습니다. 새로운 셀룰러 표준은 기존 음성 및 텍스트 기반 데이터 통신을 활용하기 위한 것이었습니다. 또한 4G의 다양한 릴리스는 캐리어 어그리게이션이나 저전력 통신 같은 추가 기능을 가능하게 합니다.
새 IoT 장치, 특히 산업 및 빌딩용 센서의 급격한 성장은 저전력의 광역 연결과 새 장치의 간편한 온보딩 같은 새로운 셀룰러 기능을 요구했습니다.
첫 번째인 저전력 연결은 2016년 기존 네트워크에 설치할 수 있는 2개의 4G 표준인 LTE Machine Type 통신(LTE-M)과 Narrow-Band IoT(NB-IoT)으로 가능하게 되었습니다. 두 표준 모두 3GPP 릴리스 13에 정의되었으며 2016년 6월에 표준이 되었습니다.
LTE-M과 NB-IoT는 4G 네트워크의 소규모 데이터 폭발을 사용해 동작합니다. NB-IoT보다 LTE-M이 유리한 점은 비교적 높은 데이터 속도와 이동성, 네트워크를 통한 음성 전달입니다. 그러나 LTE-M은 더 많은 광역폭이 필요해 장치 제조업체는 더 많은 비용을 들여야 합니다. NB-IoT는 저전력을 소모하고 모뎀이 저렴하지만 음성이나 SMS를 지원하지 않습니다.
서비스 사업자는 네트워크에서 소프트웨어 업데이트만 하면 되기 때문에 LTE-M을 선호합니다. 그러나 SMS나 음성이 필요하지 않은 장치 제조업체는 낮은 사용 전력과 저렴한 모뎀으로 NB-IoT를 선호합니다.
LTE-M은 북미에서 일반적이지만 서비스 사업자들은 이제 NB-IoT 연결도 제공합니다.
두 번째 문제인 새 장치의 간편한 온보딩은 내장 가입자 확인 모듈(eSIM)을 사용해 해결합니다. GSMA eSIM 사양이 정해지기 전까지 셀룰러 네트워크에 연결된 모든 장치는 현재 모든 스마트폰에 있는 것과 동일한 플라스틱 SIM 모듈을 위한 홀 및 슬롯이 필요했습니다.
eSIM은 핀 헤드만큼 작아지고 통합 SIM(iSIM)으로 다른 칩에 내장되어 장치 제조업체가 소형 장치를 설계할 수 있도록 하였고, 서비스 사업자들은 설치 후 OTA(over-the-air)를 통해 셀룰러 사업자 자격 증명을 제공할 수 있게 되었습니다. 수동 개입이 필요하지 않습니다.
스마트 장치에서 셀룰러 연결을 사용할 때의 주요 이점은 셀룰러 네트워크를 이용할 수 있고 보안이 더 뛰어나다는 점입니다. 현재 전 세계 수많은 셀룰러 네트워크 사업자는 동일한 표준을 사용하며 통신은 하드웨어 기반 보안 즉 SIM 모듈을 사용해 암호화됩니다. 그러나 가장 큰 단점은 다른 LPWAN과 비교해 전력 사용량이 높고 장치 및 셀룰러 공급업체에 지불할 사용 요금에 해당하는 비용이 높다는 점입니다.
셀룰러를 사용하지 않는 LPWAN의 비용 및 전력 사용 절감
현재 건물에서 가장 많이 사용되는 무선 연결은 Wi-Fi일 것입니다. 이 무선 표준의 유비쿼터스 성질은 Wi-Fi 모뎀이 있는 모든 장치와의 연결에 가장 이상적인 방법이 되었습니다. 온도 조절장치, 보안 카메라, 공조 장치 및 여러 스마트 장치는 Wi-Fi 액세스 포인트를 통해 간편하게 연결할 수 있습니다.
그러나 모든 것을 Wi-Fi로 연결한다면 여러 문제와 불편함이 발생합니다. Wi-Fi 범위가 심각하게 제한되고 신호 또한 벽, 바닥, 다른 물체로 차단됩니다. 네트워크와 장치 간 통신 상태를 양호하게 유지하려면 건물 내 액세스 포인트를 많이 설치해야 합니다.
두 번째로 Wi-Fi는 전력을 많이 사용합니다. 라우터뿐 아니라 스위티와 액세스 포인트도 전원 공급이 필요하지만 네트워크에 연결되는 수많은 장치 또한 그렇습니다. 크기가 큰 장치의 경우 문제가 되지 않지만 소형 센서와 배터리 전원 공급 유닛의 경우에는 문제가 됩니다.
새로운 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 표준은 최근 몇 년 새 시장에 등장했습니다. 이러한 표준은 특별히 대부분 배터리로 실행되는 저전력 장치를 sub-GHz 무면허 주파수를 사용하는 게이트웨이에 연결하기 위해 개발되었습니다. 가장 대중적이고 많이 설치된 것이 LoRa일 것입니다. 다른 사례로는 Zigbee와 Sigfox도 있습니다.
LoRaWAN과 같은 LPWAN은 Wi-Fi를 사용할 때 발생하는 두 가지 주요 문제점을 해결합니다. sub-GHz 무면허 주파수를 사용함으로써 범위를 크게 넓힙니다. 많은 사례에서 하나의 LoRa 게이트웨이가 전체 건물을 담당할 수 있습니다. 또한 낮은 소비 전력과 제한적인 광역폭(LoRaWAN의 광역폭 범위는 0.3kbps~50kbps임) 덕분에 제한적인 연결만 요구하는 배터리 사용 장치를 사용할 수 있습니다. 즉 소형 센서를 관리 없이 수 년간 운영할 수 있습니다.
또한 세계적인 LoRaWAN 네트워크 덕분에 현장에 게이트웨이를 설치할 필요가 없습니다. 셀룰러 연결과 마찬가지로 LoRaWAN도 적은 비용으로 더 적은 전력을 사용하며 수천 개의 IoT 장치를 연결할 수 있습니다.
LoRaWan의 보안에는 표준 AES-128 암호화 알고리즘을 사용합니다. 키는 시운전 중 제품 라인에 사전 설치되거나 현장에서 OTAA(Over-the-Air Activated)됩니다. OTAA 덕분에 필요한 경우 장치에 새로운 키 입력도 가능합니다.
만능 네트워크는 없다
당연하게도 스마트 빌딩을 위한 다양한 시스템과 부품, 장치는 다양한 연결 유형을 필요로 합니다.
환경 조건과 장치 상태를 모니터링하는 센서와 다른 시스템은 작은 데이터 버스트를 전송하거나 수신하기만 하면 됩니다. 이러한 경우 LoRa와 같은 LPWAN을 사용하면 전력 사용과 비용을 절감할 수 있습니다.
카메라, 모션 탐지기와 같은 보안 시스템과 다른 실시간 장비는 셀룰러 및 유선 연결이 제공할 수 있는 더 많은 광역폭과 안정적인 연결을 필요로 합니다.
온도 조절장치와 스마트 윈도우 같은 다른 장치는 Wi-Fi 액세스 포인트나 유선 연결에서 효율적으로 작동할 수 있습니다.
중요한 것은 상호 운영성
건물 설계자 및 개발자를 가장 어렵게 하는 것은 다양한 장치를 함께 동작하도록 하는 것입니다. 지금까지 건물을 위한 대부분의 솔루션은 독립적인 사일로를 기반으로 했습니다. 이는 인프라의 한 구역 또는 일부만을 해결하는 부분적인 해결책이었습니다.
그래서 현재 시장에는 새로운 플랫폼이 등장하여 다양한 시스템과 네트워크가 함께 동작할 수 있도록 합니다. 그 중 하나는 Building X by Siemens로 이 플랫폼은 Siemens의 하드웨어만을 사용하도록 제한을 두지 않습니다. 공급업체 및 다른 건물 관리 회사들은 기존 시스템을 플랫폼에 통합해 초기 투자 및 추가 비용을 절감할 수 있습니다. 이러한 방식으로 단일 관리 콘솔을 확보하거나 디지털 트윈을 확보해 건물을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
Microsoft 또한 IoT Central과 Azure Digital Twin을 통해 성장 중인 이 시장에 진입할 계획입니다. "우리는 다른 업계 리더와 힘을 합쳐 수직적 시장의 디지털 트윈 사용을 높일 예정입니다."라고 Sam George Microsoft Azure IoT 기업 부사장이 설명합니다. "우리는 개방형 커뮤니티를 구축하여 모범 사례와 상호 운영성을 촉진하여 특정 비즈니스 및 도메인을 확장하는 핵심 개념을 위해 검증된 즉시 사용 가능한 설계 패턴 및 표준 모델을 수립하는 데 도움이 되도록 노력할 것입니다."
