스마트 공간: 임베디드 기기의 컴퓨팅 플랫폼에서 찾아야 할 사항

스마트 공간이란 무엇일까요?

IoT 관련 기술의 미래를 거론할 때 흔히 "스마트 공간"이라는 용어가 사용됩니다. 그러나 스마트 공간에서 하드웨어와 애플리케이션을 조사하기 전에 먼저 스마트 공간이 무엇인지 정의할 필요가 있습니다.

간단히 말해, 읽고 쓸 수 있을 정도로 디지털화된 환경은 모두 스마트 공간이라고 할 수 있습니다. 읽기 및 쓰기가 가능하다는 것은 환경에 관한 주요 데이터를 읽고 처리한 후 결과에 따른 영향을 받을 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 실내 환경은 온도 및 CO2 수치에 대해 실내 공기질을 측정하고 그 결과를 컴퓨터에서 처리한 후 오래된 공기를 교체하고 실내 공간의 온도를 높이거나 냉각을 실시하여 공기질을 개선할 수 있도록 창호 및 AC 장치를 조정하는 수단이 될 때 일종의 스마트 공간이라고 볼 수 있습니다. 그러나 기존의 환경 제어 시스템과는 달리, 스마트 제어 시스템은 현재 존재하는 사람의 수, 현재 에너지 가격 및 사용자의 행동 패턴과 같은 여러 요인에 따라 반응하도록 환경을 처리합니다.

기본적으로 스마트 공간은 실시간으로 대응할 수 있는 지능형 시스템에 의해 모니터링 및 제어될 수 있도록 환경을 디지털화하는 행위입니다. 도로, 숲, 심지어는 시내 거리까지 거의 모든 환경이 스마트 공간으로 바뀔 수 있습니다. 디지털화할 수 있는 환경이라면 스마트한 공간으로 탈바꿈할 수 있는 것이죠.

스마트 공간에서 임베디드 시스템의 기본 요구 사항은 무엇일까요?

모든 스마트 공간(또는 최신 전자 회로)의 기본 구성 요소는 센서 데이터를 읽고 I/O를 처리하며 원격 서버와 통신하여 데이터를 제공하고 명령을 수신하는 작업이 이루어지는 임베디드 마이크로컨트롤러(embedded microcontroller)입니다.

스마트 공간에서 두 번째로 중요한 구성 요소는 통신입니다. 임베디드 마이크로컨트롤러는 데이터용 원격 서버와 어떻게 통신하나요? 일부 공간(예: 산업 현장의 실내 공간)에서는 유선 이더넷 또는 RS-232를 사용할 수 있지만 스마트 공간에서는 대체로 무선 통신을 사용해야 합니다. 이 경우, 설계자는 셀룰러, Wi-Fi, 블루투스 및 LoRaWAN 중에서 원하는 통신 방식을 선택할 수 있습니다.

무선 통신을 사용하는 행위는 사용된 무선 기술에 관계없이 그 자체가 전력 사용 및 보안을 포함하여 설계에 여러 가지 압력을 가하는 원인이 됩니다. 전력 문제는 간헐적인 데이터 전송과 저전력 마이크로컨트롤러의 사용을 통해 관리할 수 있지만 무선 통신의 보안 측면은 몇 가지 큰 문제를 야기합니다.

일례로 외부의 공격자는 기기 옆에 위치하지 않고도 무선 보안을 활용해 원하는 기기에 침입할 수 있습니다. 둘째, 동일한 기술을 사용하는 여러 기기가 설치된 스마트 공간은 해커에게 매력적인 표적이 될 수 있습니다. 한 곳을 해킹하면 모든 기기에 침입할 통로가 열릴 수 있으며 이는 결국 성공적인 해킹에 대한 보상을 증가시킬 수 있기 때문입니다.

따라서 임베디드 기기는 저전력 기기여야 하며 하드웨어 암호화, 진성 난수 생성, 신뢰 영역 및 암호화 가속기와 같은 강력한 보안 기능도 통합해야 합니다.

스마트 공간과 이 공간이 직면하고 있는 제약 조건들을 더 잘 이해하기 위해 설계상의 문제들과 엔지니어가 찾아야 할 것들을 보여주는 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

예 1: 스마트 빈

스마트 빈은 이미 개발을 시작했으며 실시간으로 사용량에 대응할 수 있는 스마트 공간을 도시 내에 조성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 현재 사용량을 감지하는 센서가 있는 스마트 빈은 필요할 때만 쓰레기를 수거할 수 있도록 작동하기 때문에 쓰레기를 수거할 차량의 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다. 둘째, 스마트 쓰레기통은 현재 시각과 대조하여 쓰레기통의 사용량을 추적할 수 있으며, 이를 통해 도시계획 입안자들은 지역에서 경험하는 교통에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

이러한 기기는 작동 원리가 매우 간단하므로(여기서는 간단 PIR 센서가 작동함) 거의 모든 임베디드 마이크로컨트롤러에는 쓰레기가 있을 때 이를 감지하고 필요할 때 일부 원격 서버에 쓰레기 수거를 알리는 처리 기능이 있습니다. 쓰레기통은 기반 시설에 접근할 수 있는 도시 지역에 있지만 작업자가 쓰레기통을 방문한다는 사실은 쓰레기를 수거할 때마다 센서에 필요한 유지 보수를 수행할 수 있음을 의미하며 여기에는 배터리 교체가 포함됩니다. 배터리는 전력 변환기가 있는 주전원 케이블보다 쉽게 통합할 수 있으므로 이러한 센서는 배터리로 작동하는 것이 합리적입니다. 마지막으로, 도시 지역에서 이러한 센서를 사용한다는 것은 도시에 널리 구축된 셀룰러 네트워크를 활용할 수 있음을 의미합니다.

이 경우 설계 엔지니어에게 가장 중요한 요소는 셀룰러 모뎀과 통신하거나 자체 셀룰러 모뎀을 시스템 온 모듈(SOM) 형태로 통합할 수 있는 저전력 프로세서가 필요하다는 것입니다. 둘 중 어느 쪽이든 간에 저전력은 그러한 설계의 핵심이 될 것입니다.

예 2: 활동 모니터

활동 모니터는 실외든 실내든 상관없이 주변 환경의 즉각적인 활동을 관찰할 수 있는 기기입니다. 이러한 활동에는 해당 지역을 이동하는 사람들의 수, 배회자가 해당 지역에서 보내는 시간, 개인 식별 등이 포함됩니다. 이 예에서 그러한 장치에는 주로 카메라가 필요하며 그 결과, 이미 선택한 모든 마이크로컨트롤러에 대한 처리 요구가 커지게 됩니다. 안면 인식의 사용은 개인 정보 보호 목적(예: 에지 컴퓨팅)을 위해 로컬에서 수행해야 할 수도 있으며, 이를 위해서는 로컬 AI 처리가 필요합니다.

마지막으로, 대부분의 카메라 시스템이 메인 장치의 전원을 사용한다는 점을 고려할 때 이러한 기기에서 발생하는 전력 문제는 다소 무관합니다. 이는 비디오를 처리하는 데 필요한 모든 전력을 카메라에 공급하고 카메라의 신뢰성을 보장하는 데 그 목적이 있습니다.

예 3: 스마트 조명

조명을 사용하는 야외 공간에서는 조명이 필요한지 판단하기 위해 스마트 기기를 활용할 수 있습니다. 이 기기는 사용하지 않을 때 에너지를 절약할 수 있는 장점이 있으며, 조광 기능을 내장하고 있어 밤하늘의 시야를 확보하고 인근 주민들에 대한 광공해를 해소하는 데에도 도움이 됩니다. 또한 조명을 줄이면 조명 기구의 수명이 늘어나며 전자 폐기물을 줄이고 조명 시스템의 전체 수명 비용을 줄이는 데에도 도움이 됩니다.

이러한 시스템을 만들려면 활동을 감지할 수 있는 센서가 필요하지만, 이 센서는 이전 예(활동 모니터)에서 확인된 것과 같은 수준의 정확도 또는 분해능으로 작동할 필요는 없습니다. 이 경우 하나의 공간을 점유하고 있는지 그리고 고급 데이터에서 공간 점유자의 속도와 방향을 볼 수 있는지가 유일한 문제가 됩니다(이는 어떤 조명 기구를 끄고 켤지 알려주는 예측 경로를 만드는 데 사용할 수 있음).

또한 이러한 센서는 대부분의 처리를 온칩으로 수행할 수 있으며 원격 클라우드 서비스를 사용할 필요가 없습니다(물론 이는 조명 시스템에 기능을 추가하는 데 항상 사용할 수 있음). 스마트 조명 시스템의 전원 연결이 안정적으로 이루어진다는 점을 고려하면 배터리로 작동하는 센서 시스템은 거의 필요하지 않으며 이는 저전력 솔루션이 필수적인 것이 아님을 의미합니다.

그 대신, 이 애플리케이션의 임베디드 기기는 해당 기기에 대한 액세스 권한을 얻은 공격자가 마음대로 조명을 제어할 수 있고 이것이 악의적인 목적(예: 행방 은폐, 범죄 실행 등)으로 사용될 우려가 있으므로 강력한 보안을 갖추는 데 중점을 두어야 합니다. 카메라를 사용하는 경우 이러한 시스템이 개인을 식별할 수도 있으므로 강력한 보안도 필요합니다.

스마트 공간의 미래는 밝다

우리는 아직 스마트 공간의 초기 단계에 있으며 시장에 출시된 많은 제품은 "스마트"라는 이름으로 판매되고 있지만 그중 대부분은 사실 스마트하지 않습니다(즉, 실제 데이터 처리를 수행하지 않거나 실시간으로 이벤트에 반응하지 않음). 엔지니어가 스마트 공간에서 사용할 센서와 에지 컴퓨팅 기기를 설계하고 개발할 때 우리는 해당 용도에 적합한 종류의 기술이 선택되었는지 확인해야 하며 이를 위해서는 기기에 필요한 것이 무엇인지를 충분히 이해해야 합니다.

스마트 공간의 경우, 개인 정보 보호와 보안이 가장 큰 두 가지 영역이 될 것이므로 스마트 공간의 모든 임베디드 기기는 적어도 암호화, 키 저장, 인증서 등을 포함하는 다층 하드웨어 보안을 갖출 필요가 있습니다. 그 이후에는 스마트 공간 센서가 배터리로 작동할 가능성이 크기 때문에 에너지 소비량이 중요한 요인이 될 것입니다. 이러한 주요 문제로부터 통신 기술의 선택이 이루어지며 이 시점에서 임베디드 스마트 공간 설계가 마침내 구성될 수 있습니다.