IoT 기기 상호운용성 문제 해결 방안

스마트 홈 애플리케이션 분야에서는 다양한 IoT 장치들이 시장에 출시되어 있습니다. 하지만 이러한 장치들 간에 지원되는 프로토콜은 다양하고 복잡하여 서로 다른 브랜드의 장치 간 상호 운용성이 부족해 사용자가 불편을 겪는 경우가 많습니다. 본 기사에서는 스마트 홈 IoT 장치를 위한 Matter 프로토콜의 특징과 개발 과정, 그리고 NXP, Murata, ST를 결합한 통합 솔루션을 제공하는 Arrow Electronics에 대해 소개합니다.

다양한 스마트 홈 기기가 상호 운용성 문제에 직면하고 있습니다

스마트 홈 및 빌딩에서는 IoT 기기들이 여러 로컬 네트워크를 통해 상호 연결되고, 데이터 처리 및 저장을 위해 클라우드에 연결됩니다. 하지만 통일된 언어가 없으면 사용자 경험이 최적화되지 못하며, 기기 관리가 복잡해질 수 있습니다.   현재 스마트 홈 기기들은 상호운용성 문제에 직면해 있습니다. 사용자는 시장에 출시된 100종 이상의 다양한 IoT 기기를 연결해야 할 수 있는데, 이 기기들은 30개 이상의 서로 다른 프로토콜을 사용하고 유선 및 무선 방식으로 연결될 수 있어 IoT 기기 간 상호운용성에 과제를 안깁니다.   연결 표준 연합(Connectivity Standards Alliance, CSA)이 출시한 Matter 프로토콜은 플랫폼과 브랜드에 상관없이 IoT 연결성을 단순화하고 통합할 수 있는 범용 표준을 제공합니다. 스마트 홈에서는 연결된 기기들이 Wi-Fi, Thread, 혹은 Ethernet 기술을 기반으로 작동하며, Matter 네트워크 내 각 기기들은 종단 기기, 라우터/브리지, 또는 컨트롤러와 같은 특정 역할을 가집니다.   Matter 프로젝트의 목표는 제조업체의 개발 노력을 단순화하고 소비자 호환성을 개선하는 것입니다. Matter는 스마트 홈 기기들이 안전하고 신뢰할 수 있으며 매끄럽게 상호운용 가능해야 한다는 공통된 믿음을 바탕으로 구축되었습니다. 이 프로젝트는 인터넷 프로토콜(IP)을 기반으로 하며, 스마트 홈 기기, 모바일 애플리케이션, 클라우드 서비스 간의 통신을 촉진합니다. 기기 인증을 위한 IP 기반 네트워킹 기술 세트를 정의합니다.   Matter는 스마트 홈 생태계에 상호운용성을 제공하며, 소비자에게 신뢰성을 향상시키고 보안 및 개인 정보를 보장하며, IoT 기기의 개발 과정을 간소화합니다. 소비자의 경우 Matter는 단일 애플리케이션으로 Matter 프로토콜을 지원하는 모든 기기를 제어할 수 있게 해주어 사용자 경험을 개선합니다. 제조업체의 경우 단일 하드웨어 세트로 모든 사용자의 요구를 충족할 수 있습니다. 서비스 제공업체의 경우 특정 제조업체에 제한되지 않고 더 다양한 제조업체의 제품 중에서 선택할 수 있게 됩니다.   점점 더 많은 개발자들이 Matter IoT 기기 플랫폼에 주목하고 있습니다. Matter IoT 기기는 브랜드 간 상호운용성을 제공하기 때문입니다. Matter는 스마트 홈 전체 도메인에서의 매끄러운 통신을 가능하게 합니다. 이전에는 개발자들이 디바이스를 위해 단일 스마트 플랫폼(HomeKit, Alexa, Google Assistant 등)을 선택해야했고, 이는 호환성 및 판매에 영향을 끼쳤습니다. Matter 기술을 활용하면 개발자들은 브랜드에 상관없이 통합 플랫폼을 사용해 디바이스를 설계할 수 있습니다. 예를 들어, Matter를 지원하는 디바이스는 삼성 SmartThings와 Apple HomeKit에서 작동할 수 있습니다.   이전에 HomeKit을 지원하던 많은 하드웨어 디바이스가 이제 Matter도 지원하고 있습니다. Matter와 협력하면 Apple HomeKit은 더 많은 하드웨어 옵션을 사용할 수 있게 되며, 개발자들은 기존 HomeKit 애플리케이션, Siri, 제어 인터페이스와의 호환성을 유지하면서도 HomeKit 디바이스처럼 작동하는 디바이스를 만들 수 있습니다.    Matter를 도입하면 통합 개발 프레임워크를 활용할 수 있습니다. Matter는 사용자에게 공통 스마트 홈 인터페이스를 제공하며, 개발자들은 동일한 플랫폼을 사용하여 Matter를 지원하는 디바이스를 구축할 수 있어 일관성 있고 빠른 로컬 연결을 보장합니다. 이러한 통합 개발 프레임워크는 스마트 홈 제품 제작 과정을 단순화합니다.    Matter는 또한 하위 호환성을 제공합니다. 이전 HomeKit 디바이스들이 Matter를 지원하는 새로운 장치들과 매끄럽게 통합되도록 합니다. 사용자는 기존 HomeKit 디바이스를 Matter 디바이스와 함께 끊김 없이 계속 사용할 수 있습니다.   요약하자면, Matter는 더 넓은 생태계, 교차 호환성, 그리고 일관된 개발 경험을 제공하여 Apple Home 생태계를 진입하려는 개발자들에게 매력적인 선택이 됩니다.   제품 개발 주기를 단축하기 위해 Arrow Electronics는 NXP, Murata, ST의 솔루션을 통해 Matter 생태계 참조 설계를 개발했습니다. 이들 솔루션에는 NXP의 i.MX 8M 및 i.MX 93의 Thread 보드 라우터, Murata의 Type 2FR 및 Type 2EL 라디오 코프로세서, Type ABR 및 Type 2HV Wi-Fi 종단 노드, Type 2FR Thread/Wi-Fi 종단 노드가 포함됩니다. 또한, ST는 OpenThread 종단 노드용 STM32WB를 제공합니다. 아래에서 이들 솔루션의 기능적 특징을 소개하겠습니다. 

다양한 애플리케이션 요구를 충족하는 애플리케이션 프로세서

NXP의 i.MX 8M 시리즈 애플리케이션 프로세서는 Arm® Cortex®-A53 및 Cortex-M4 코어를 기반으로 설계되었으며, 고급 오디오, 음성 및 비디오 처리 기능을 갖추고 있어 소비자 가정용 오디오부터 산업용 빌딩 자동화 및 모바일 컴퓨팅 등 광범위한 애플리케이션에 적합합니다.    i.MX 8M은 고품질 비디오를 지원하며, 풀 4K UltraHD 해상도 및 HDR(Dolby Vision, HDR10, HLG)을 제공합니다. 20개 이상의 오디오 채널에서 각각 최대 384KHz를 지원하는 높은 수준의 전문 오디오 품질과 DSD512 오디오 기능을 제공합니다. 팬 없는 작동이 가능하고, 저비용 열 방출 시스템, 긴 배터리 수명, 유연한 메모리 옵션을 제공합니다. 최신 고속 인터페이스로 유연한 연결성을 제공하며, NXP는 10년 및 15년 제품 장기 지원 프로그램을 통해 포괄적인 지원을 제공합니다. i.MX 8 애플리케이션 프로세서는 NXP의 EdgeVerse™ 엣지 컴퓨팅 플랫폼의 일부로 포함됩니다.   NXP의 i.MX 93 애플리케이션 프로세서는 높은 에너지 효율을 갖춘 엣지 컴퓨팅을 지원하기 위해 통합된 EdgeLock® 보안 엔클레이브를 통해 효율적인 머신 러닝(ML) 가속 및 고급 보안을 제공합니다. i.MX 시리즈에서 확장 가능한 Arm Cortex-A55 코어를 처음으로 통합하여 Linux® 엣지 애플리케이션의 성능과 효율성을 높이며 Arm Ethos™-U65 microNPU를 통해 개발자가 더 강력하고 비용 효율적이며 에너지 효율적인 ML 애플리케이션을 구축할 수 있도록 지원합니다.   i.MX 93 프로세서는 NXP의 혁신적인 Energy Flex 아키텍처를 채택하여 산업, IoT 및 자동차 장치의 성능과 효율을 최적화합니다. SoC는 자동차, 산업 및 소비자 전자 제품 IoT 시장 세그먼트를 위해 맞춤화된 다양한 주변 장치 세트를 제공합니다. EdgeVerse™ 지능형 엣지 솔루션 포트폴리오의 일부로서 i.MX 93 시리즈는 소비자 전자 제품, 산업, 확장 산업 및 자동차 애플리케이션에 인증된 제품을 제공하며, NXP의 제품 장기 지원 프로그램에 의해 지원됩니다.

고도로 통합된 무선 네트워크 컨트롤러 모듈

Murata의 Type ABR은 NXP 88MW320(무선 마이크로컨트롤러)를 기반으로 한 작은 모듈(PCB 안테나 통합)로, Wi-Fi® 802.11 b/g/n을 지원하며 최대 PHY 데이터 속도는 72.2 Mbps입니다. 이 모듈은 호스트 측 애플리케이션을 위한 통합 200MHz ARM Cortex-M4F MCU를 특징으로 합니다. Type ABR 모듈의 크기는 통합 PCB 안테나와 U.FL 커넥터를 포함하여 전형적으로 22.0 x 19.0 x 2.4 mm로 매우 작습니다. 이 모듈은 최대 2MB의 SPI 플래시를 제공하며 UART Wi-Fi 호스트 인터페이스와 GPIO 제어를 지원하며, FCC/IC 인증을 받았고 CE 시험 보고서를 제공합니다.   Type ABR은 통합 ARM Cortex-M4F MCU를 통해 독립적인 소비자 애플리케이션 구현을 간편하게 합니다. 고객은 NXP의 강력한 EZ-Connect™ 도구(WMSDKA)를 사용하여 빠르고 쉽게 솔루션을 맞춤 설정할 수 있습니다. 독립형 WMSDKA 구성 외에도 NXP는 Murata의 ABR mikroBUS EVB 및 LPCXpresso55S16/28/69 개발 보드와 함께 사용할 수 있는 MCUXpresso 통합 솔루션도 제공합니다. Type ABR 모듈은 NXP LPC MCU와의 WLAN 링크를 WMSDKA 펌웨어에서 지원하는 간단한 직렬 인터페이스를 통해 제공합니다.   Murata의 Type 2EL은 NXP IW612 콤보 칩셋을 기반으로 한 작고 고성능의 모듈로, Wi-Fi® 802.11a/b/g/n/ac/ax 및 Bluetooth® 5.3 BR/EDR/LE + 802.15.4를 지원합니다. 이 모듈은 Wi-Fi®에서 최대 601Mbps, Bluetooth®에서 최대 2Mbps의 PHY 데이터 속도를 지원합니다. WLAN 섹션은 SDIO v3.0 DDR50 인터페이스를 지원하며, Bluetooth® 섹션은 고속 4-와이어 UART 인터페이스와 오디오 데이터를 위한 PCM을 지원합니다. Type 2EL 모듈은 매우 작은 차폐형 폼팩터로 포장되어 크기 및 전력 제한이 있는 응용 프로그램(IoT 애플리케이션, 핸드헬드 무선 시스템, 게이트웨이 등)에 적합합니다.   반면 Murata의 Type 2FR/2FP는 NXP RW612/RW610 칩셋을 사용하여 Wi-Fi/BLE/Thread 기능을 갖춘 MCU를 결합한 호스트리스 모듈입니다. 이 모듈은 260MHz Arm® Cortex ® M33 MCU와 802.11 a/b/g/n/ac/ax, BLE 5.3, Thread(2FR만)를 통합하고 있습니다. 최대 크기는 12.0 x 11.0 x 1.5 mm에 불과하며, Ethernet 802.3(유선), SDIO 3.0(WLAN), USB-OTG, I2C, I2S, SPI, USART를 지원하며, FCC/IC/TELEC "기준" 인증(TBD) 및 CE 전도 테스트 보고서(TBD)를 제공합니다. 이 모듈은 단일 또는 이중(독립 BLE/(Thread-2FR만)) 안테나 구성을 지원하며, U.FL 커넥터 PCB 안테나 또는 Murata의 커스텀 PCB 트레이스 안테나 옵션을 제공합니다.   Murata는 또한 리셋 버튼, 두 개의 사용자 정의 버튼 및 다섯 개의 구성 가능한 LED가 포함된 Type 2FR 평가 키트(EVK)를 제공합니다. EVK의 온보드 PCB 안테나는 인증 대기 중이며 PIR 모션 및 온도 I2C 센서를 포함합니다. 이 키트는 mikro-BUS, Arduino, PMOD, I2C 확장 인터페이스, USB 디버깅/콘솔, USB OTG, ARM 10핀 인터페이스(SWD 또는 JTAG), 점퍼 구성을 통한 부트 제어, QSPI 플래시 및 32KHz 저속 클럭, 전류 측정 점퍼(저항 옵션), 이더넷 포트를 지원합니다.   Type 2HV은 Murata의 최신 저비용 IoT Wi-Fi®/BT 호스트리스 모듈로, 무선 연결 및 네트워크 프로토콜 스택을 통합하여 초저전력 소비를 제공합니다. 이는 IoT 애플리케이션에 이상적인 선택입니다. 통합 초저전력 32비트 ARM MCU는 최대 160MHz로 실행되며, Type 2HV는 쉽게 독립적인 소비자 애플리케이션을 구현하며 2MB 플래시와 288KB RAM 메모리를 제공합니다. UART/I2C/SPI 및 다양한 GPIO를 포함한 다양한 통신 인터페이스를 제공하며, Type 2HV SDK는 고객이 솔루션을 빠르고 쉽게 맞춤 설정할 수 있도록 합니다.

다목적 듀얼 코어 다중 프로토콜 무선 마이크로컨트롤러

ST의 STM32WB 시리즈는 STM32WB 마이크로컨트롤러를 기반으로 한 듀얼 코어 멀티 프로토콜 무선 마이크로컨트롤러로, Bluetooth® 저에너지, Zigbee®, Thread®, Matter 연결을 지원합니다. STM32WB 무선 마이크로컨트롤러는 64 MHz로 실행되는 Arm® Cortex®-M4 코어(애플리케이션 프로세서)와 32 MHz로 실행되는 Arm® Cortex®-M0+ 코어(네트워크 프로세서)로 구성되어 독립적인 솔루션을 제공합니다. 이러한 마이크로컨트롤러는 연결 기능과 범용 마이크로컨트롤러를 통합한 시스템 온 칩(System-on-Chip, SoC) 패키지로 제공됩니다.   STM32WB는 인증된 Bluetooth® 저에너지 5.4 라디오 스택, Bluetooth SIG 프로파일 및 V1.0 표준과 호환되는 Mesh 토폴로지를 제공합니다. STM32WB SDK는 Bluetooth® 저에너지 솔루션을 위한 호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)를 지원하며 여기에는 Zephyr와 Arm Cordio 스택도 포함됩니다. STM32WB는 IEEE 802.15.4 표준(Zigbee 및 Thread) 및 IEEE 802.15.4 MAC 계층을 지원하여 디자이너가 임의의 독점 프로토콜을 도입할 수 있도록 합니다.   STM32WB는 또한 Zigbee(Zigbee PRO 2017)를 지원하며 최적화된 풋프린트를 제공하여 모든 Zigbee 네트워크 토폴로지를 수용할 수 있습니다. Zigbee RFD와 FFD는 엔드 디바이스, 코디네이터, 라우터와 같은 역할을 포함하며 OpenThread도 지원하여 모든 MTD, FTD 및 보더 라우터에 통합됩니다. 여기에는 Sleepy End Device(SED), 라우터 및 리더 역할이 포함되어 게이트웨이 인프라를 지원합니다. 이 마이크로컨트롤러 시리즈는 OTA 기능과 크기 측면에서 설계 유연성을 높이고 플랫폼 최적화를 가능하게 하는 다양한 인증된 구성 옵션을 제공합니다.   STM32WB MCU는 Matter 프로토콜을 지원하며, Bluetooth® 저에너지를 디바이스 프로비저닝에 사용하며 Thread 프로토콜과 동적 경쟁 모드에서 동시에 실행할 수 있습니다. STM32WB의 멀티 프로토콜 MCU는 Bluetooth® 저에너지 5.4와 802.15.4 무선 프로토콜, Zigbee 또는 OpenThread 프로토콜을 동시 실행 모드에서 동시에 실행할 수 있습니다. 이를 통해 설치와 구성 과정에서 디바이스 관리를 보다 쉽게 하고, 사용자 경험을 크게 향상시킵니다.   STM32WB MCU의 통합 솔루션은 연결 기능뿐만 아니라 무선 애플리케이션 MCU 프로세서를 포함하여 설계 작업을 간소화합니다. Bluetooth® 저에너지 5.4 기술을 활용하여 출력 전력이 10 dBm을 초과하는 혁신적인 디바이스를 생성하고, 원격 통신 범위를 확대하며, 디바이스 간 브로드캐스트 확장을 지원하고 배터리 수명을 연장하며, 빠르고 신뢰할 수 있는 데이터 전송을 보장하고, 애플리케이션 효율성을 향상시킵니다(평가 점수 407 CoreMark). 또한 SESIP3 인증을 통해 IP 및 개인정보를 보호합니다. 성숙한 STM32Cube 에코시스템은 제품 출시 시간을 단축시킵니다.

결론

Matter 프로토콜의 도입으로 IoT 디바이스 간의 상호운용성 문제가 해결되었으며, 이는 사용자들이 이러한 디바이스를 채택하려는 의지를 증가시킬 것으로 예상됩니다. 이는 스마트 홈과 같은 응용 프로그램의 인기를 가속화할 가능성이 있으며 시장 발전에 커다란 잠재력을 갖고 있습니다. Arrow Electronics는 NXP, Murata, 그리고 ST의 솔루션을 통합하여 여러 참조 디자인을 출시했으며, 이를 통해 고객의 관련 제품 개발이 더욱 빠르게 이루어질 수 있도록 지원합니다. 자세한 내용은 Arrow Electronics에 직접 문의해 주시기 바랍니다.