상업용 건물은 전세계 에너지 소비의 30% 이상(1)을 차지한다. 건물의 에너지 서비스로는 조명 모니터링, 제어 및 유지 보수, 온도 조절, 온수 시스템 등이 있다. 주거용 및 상업용 건물은 미국 전체 에너지 소비의 41%(2)를 차지하며, 이는 1980년부터 2011년까지 51% 상승했다.
과거에는 건축 기술의 발전과 비교적 낮은 에너지 소비로 건물 관리가 용이해졌으나, 전력망이 정전에 점점 취약해지면서 건물주들은 에너지 비용을 한층 더 줄이기 위해 건물 자동화에 지속적으로 투자하고 있다. 이러한 시스템은 자급 자족 기능으로 전체적인 운영 효율성을 향상시킨다. 그리고 자동화가 명확하게 에너지 관리를 향상시키지만, 기본적으로 구현 방식이 복잡하여 레거시 유선 통신 설정은 물론 첨단(고속) 유무선 통신 시스템을 지원해야 한다.
TI(텍사스 인스트루먼트)의 SimpleLink™ 마이크로컨트롤러(MCU) 플랫폼은 규모에 상관 없이 새로운 시스템 또는 기존의 레거시 빌딩 자동화 시스템(building automation system, BAS)에 유무선 디바이스를 추가할 수 있는 가장 광범위한 옵션들을 제공하고 있다.
전력 소비가 낮은 SimpleLink MCU는 배터리 구동 디바이스를 교체하지 않아도 몇 년 동안 작동이 가능하다. 또한 SimpleLink 제품은 별도의 고객 전용 온칩 환경을 제공하여 외부로부터의 보안 위협에 대한 노출을 줄여준다. 통합된 공통의 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 이용하여 설계자는 하나의 단일 MCU에서 개발을 시작한 후, 다른 유무선 SimpleLink 디바이스에서 개발된 소프트웨어를 재활용할 수 있다.
이번 글에서 BAS 솔루션에 대해 설명한 후, TI의 SimpleLink MCU 플랫폼이 유무선 프로토콜을 구현하고 제어 시스템의 지능형 자동화를 어떻게 촉진하는 지를 살펴보고자 한다.
빌딩 자동화 시스템
BAS는 여러 빌딩 서비스들을 관리하는 통신 네트워크 인프라이다. 그림 1에서 알 수 있듯이, 효과적인 BAS의 핵심은 신규 및 기존 건축 기술은 물론 소규모 및 대규모 상업 시설에도 도움을 줄 수 있는 유비쿼터스 시스템을 갖추는 데 있다. 안정된 자동화 솔루션을 갖는다면 건물 대 그리드 통신이 아닌 건물 대 건물 통신을 통해 능숙한 에너지 관리가 가능하다. 유무선 통신 프로토콜 모두 이러한 시스템에 잘 구현돼야 한다.
그림 1. BAS의 사례
빌딩 관리 서비스(Building management service, BMS)는 재발 비용이다. 자동화 시스템은 건물 서비스들을 정기적으로 감시하면서 장애 감지와 기본 결함 진단을 위해 설계를 하기도 한다. 조기 감지와 잘 기록된 시스템 데이터는 운영 효율성을 높이는 데 기여한다. 또한 커넥티드 시스템을 통해 수집된 데이터도 거주자의 라이프 스타일을 개선하고, 친환경적이고 편리하며 안전한 근로 및 생활 환경을 제공할 수 있다.
복합 디바이스 네트워크는 건물 거주자의 쾌적함과 안전을 관리한다. 이러한 디바이스는 에어컨 및 조명 제어와 같이 필수 편의 시설을 관리하는 수요 기반 서비스를 제공한다. 최종 사용자는 무선 및 클라우드 기반 애플리케이션을 통해 이러한 디바이스에 접근할 수 있어야 한다.
토폴로지
빌딩 자동화 디바이스 네트워크에는 일반적으로 다음과 같은 다양한 시스템 노드에 연결된 1차 및 2차 버스를 모두 포함한다.
● BMS 유닛
● 빌딩 제어 시스템
● 존 컨트롤러 및 엔드 노드
BMS 유닛
BMS 유닛은 애플리케이션 및 데이터 서버들을 수용한다. 서버 외에도 여기에는 데이터 모니터링과 제어를 위한 유저 인터페이스가 탑재됐다.
그림 2에서 알 수 있듯이, 빌딩 제어 시스템(Building Control System, BCS)은 1차 버스를 통해 이 BMS와 연결된다. 이러한 백엔드 제어 시스템은 해당 환경을 모니터링 및 제어하는 디바이스들이 중앙 집중식 연결 네트워크로 구성되어 있다. 이 제어 유닛은 특히 빌딩 자동화를 위해 설계된 것으로 한 개 또는 복수의 네트워크와 통신 프로토콜을 지원할 수 있다.
▲ 그림 2. Simple Link MCU 플랫폼
다음의 1차 및 2차 버스를 디바이스와 연결 가능하다
● 로우레벨 컨트롤러(Low-level controllers)
● 단순 입력/출력 디바이스
● 실내 온도 조절 장치나 경보 모니터링 시스템 같은 최종 사용자 애플리케이션
1차 및 2차 버스는 RS-485, 이더넷, CAN(Controller Area Network), 무선 커넥티비티 네트워크 등을 통해 연결한다. BAS 엔드 노드 네트워크에서 잠재력 있는 애플리케이션으로는 보안 감시 장치, 화재 경보기, 무장/해제 정보를 BMS 장치로 전달하는 경보기 등이 있다. 또한, 실내 또는 실외 존 컨트롤러는 필요할 때 차가운 공기나 따뜻한 공기를 불러오는 시스템을 모니터링 및 제어가 가능하다. 기존 시스템을 개량할 때 무선 접속을 다시 BCS로 연결하는 것이 일반화되고 있으며, 새로운 시스템에는 꼭 필요한 요건이다.
빌딩 제어 시스템
건물에 디지털 제어 시스템이 배치되면서 진정한 의미의 자동화 시스템이 유행하기 시작했다. 하지만 통신 표준이 없었기 때문에 제조사들은 개별적으로 사설 통신 프로토콜을 시스템 개발에 투자했다. 결과적으로, 전통적인 BAS 솔루션은 자동화임에도 불구하고 여러 제조사 간에 상호 동작이 불가능했다.
다양한 맞춤형 솔루션으로 인해 건물 시스템은 특정 제조사와 긴밀하게 연결되어 있다. 표준 통신 표준을 확립해야 할 필요성이 공개 통신 프로토콜을 등장하게 만들었으며, 현재 전 세계적으로 수용되고 있다.
▲ 표 1. 전형적인 BAS 토폴로지
제어 솔루션, 존 컨트롤러, 엔드 노드
제어 시스템은 BAS에 분배된 디바이스들을 모니터링 하고, 네트워크의 우선 순위 구조를 관리하며 다른 컨트롤러에 피드백을 제공한다.
이러한 컨트롤러 핵심 기능에 다른 기능을 결합시켜 차별화할 수 있고, 시스템 솔루션에 부가 가치를 더할 수도 있다.
적응 제어(adaptive control) 기능을 갖춘 BCS는 네트워크 구성요소들을 지속적으로 미세하게 조정하고, 여러 노드의 상태 데이터를 실시간으로 제공하며 유지 관리 및 진단해 고장을 예방·감지한다. 확장이 가능한 유연한 아키텍처를 가진 배치 환경은 맞춤형 애플리케이션을 가능하게 한다. 또는 미리 프로그래밍된 애플리케이션을 만들어 설치 시간을 개선하고 엔지니어링 개발 시간을 줄일 수도 있다.
여러 시스템 노드의 데이터를 BSC로 가져가려면 통신 프로토콜이 필요하다. 특히 일부 레거시 시스템들은 유선 프로토콜에 의지해 컨트롤러와 엔드 노드 사이의 통신을 한다. 대다수의 새로운 애플리케이션은 더 빠른 유선 프로토콜을 이용해 더 많은 센서의 데이터를 즉시 전송한다. 그런데 여기에는 건물 재배선 등 막대한 인프라 업그레이드가 필요하다. 통신에 무선 프로토콜을 사용한다면 막대한 인프라 변경할 필요가 없다. 사물 인터넷(IoT) 디바이스의 증가와 스마트 센서 기술을 사용하면 이러한 엔드 노드에 닿을 수 있다. 이렇게 무선 기술을 존 컨트롤러와 엔드 노드에 추가하면 인프라 문제가 해결된다. 하지만 이러한 엔드 노드에서 사용된 여러 무선 기술의 혼재로 인해 소프트웨어 및 시스템의 통합 역시 복잡해진다.
유선 건물 자동화 프로토콜은 더 빠른 통신을 위해 RS-485나 이더넷 같은 직렬 인터페이스에 기반할 수도 있다. 이들은 BAS 시스템에서 사용되는 가장 유명한 유선 통신 프로토콜이다:
● BACnet : 공개 건물 제어 통신 표준으로 미국 난방냉동공조학회(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE)를 통해 확립 및 관리되고 있다. 수 년 간의 발전을 거듭한 후 현재 국제 표준, 세계표준화기구(ISO) 16484-5로 인정을 받았다.
● LonMark : LonTalk 사설 통신 프로토콜에 기반한 표준으로, 디바이스들 간의 통신을 관리하는 데 필요한 일련의 규칙을 정한 것이다. LonWorks가 그들 간에 교환되는 정보의 내용과 구조를 정의한다. BACnet처럼, LonWorks도 국제 표준 기구들인 미국 표준협회, 소비자전자협회(ANSI/CEA) 709.1, 전기전자협회(IEEE) 1473-L의 인정을 받아 널리 채택되고 있다.
● Modbus : 진정한 의미의 공개 표준으로서 산업 제조 환경에서 가장 널리 사용되는 표준 중 하나이다. 그 메시징 구조가 디바이스들 간의 마스터/슬레이브 및 클라이언트/서버 통신을 확립한다. Modbus 인증을 받은 시설은 비교적 적은 편이다.
앞에서도 언급했듯이 엔드 노드 애플리케이션에 무선을 지원하는 추세가 늘어나고 있으며, 현재 4 개 무선 프로토콜 중 하나가 사용되고 있다:
● Bluetooth? : 저에너지는 개인용, 산업용, IoT용 네트워크를 위한 오픈소스 표준화 프로토콜이다. 이것은 작은 코인전지 배터리나 에너지 수확 애플리케이션에서 작동하는 디바이스에 적합하다. 블루투스 저에너지는 소형 센서에서 스마트 도어락까지 건물 자동화에서 다양하게 응용된다. 블루투스 저에너지 기술은 본래부터 스마트폰과 상호 작동하도록 되어 있어서 폰이나 태블릿으로 엔드 노드를 쉽게 제어할 수 있다.
● Sub-1GHz : 벽을 통과하는 무선 주파수(RF) 감쇠가 낮은 장거리 무선 프로토콜로, 실내 가청 범위가 뛰어난 입증된 솔루션이다. Sub-1GHz는 콘크리트 벽과 그 밖의 장벽을 통과하여 통신을 해야 하는 엘리베이터 모니터링 시스템 같은 엔드 노드에 이상적인 프로토콜이다. 또한, Sub-1GHz는 온도 조절 장치와 동작 감지기에서 작은 코인 전지 배터리로 무선 접속을 제공할 수 있다.
● Wi-Fi? : 배터리 구동 또는 라인 구동 엔드 노드를 빠르게 인터넷에 연결하도록 한다. 이렇게 하면 온도 조절 장치와 여러 센서, 비디오 카메라, 심지어 가전 등과 같은 건물 자동화 시스템도 쉽고 안전하게 클라우드에 연결할 수 있다. 사용자는 와이파이 통신을 이용해 인터넷 원격 제어 및 감시가 가능한 매우 혁신적인 엔드 노드들을 만들어낸다.
● 게이트웨이 또는 듀얼밴드 디바이스 : 와이파이와 블루투스 저에너지의 결합, Sub-1GHz와 블루투스 저에너지의 결합과 같이 다른 세 개 프로토콜을 조합해 사용한다. 두 개의 프로토콜을 하나의 애플리케이션으로 결합시키면, 설계자는 완벽하게 접속되는 유연하고 튼튼한 BAS를 만들 수 있다. 설계자는 복수의 무선 커넥티비티 기술을 활용해 각 프로토콜의 장점을 결합한 장거리 클라우드 커넥티비 또는 스마트폰 접속을 결합할 수 있다.
건물 자동화 애플리케이션의 또 다른 중요 요소는 시스템 보안으로 해커가 스마트 락 같이 민감한 디바이스의 통제권을 획득하지 못하게 하는 것이다. 보안 프로토콜에는 많은 양의 처리 능력과 메모리가 필요한데, 대다수 디바이스는 이를 할애하지 못한다. TI의 SimpleLink MCU에는 온칩 하드웨어 가속기와 엔진이 들어있어 컨트롤러의 부담을 덜어주고 오늘날의 디바이스가 필요로 하는 견고한 보안을 제공한다.
TI의 SimpleLink MCU 플랫폼은 BCS 애플리케이션에 딱 맞는 선택이다. SimpleLink 디바이스는 건물 자동화 시스템에 사용되는 대다수 무선 표준과 기술을 지원한다. 무선 선택의 폭이 넓은 것 외에도, TI의 SimpleLink MCU는 저전력이라 최대 10년까지 배터리 수명이 긴 스마트 엔드 노드를 만드는 데 도움이 된다. 또한 이 SimpleLink 플랫폼은 독립 MCU로 무선 커넥티비티를 추가할 수 있고 호스트 MCU와 통신하는 네트워크 프로세서 구성으로 무선 커넥티비티를 추가하는 유연성을 가지고 있다. 설계자는 커스텀 애플리케이션 코드를 유지하면서 네트워크 프로세서의 추가로 커넥티비티를 원활하게 추가할 수 있다.
또한 TI는 무선 MCU를 위한 집적회로(IC) 및 모듈 옵션들을 제공한다. 모듈은 완전한 통합과 사전 인증, RF 설계 복잡도 감소 등과 함께 더 빠른 개발을 가능하게 하며, TI의 무선 모듈은 공급 지속성과 변함없는 성능을 제공한다.
시스템 에너지 자동화
BAS의 주된 역할은 여러 시스템과 디바이스를 특정 설비 안에 묶어두는 것이다. BAS는 개별 건물 구성요소들을 연결하여 중앙집중식 코어를 제공하는데, 이것은 메인 슈퍼바이저에서 관리된다. 이 통신 네트워크 인프라는 신뢰할 수 있는 데이터 전송 및 로깅을 가능하게 해준다.
BCS에서 유무선 프로토콜을 다양하게 지원할 경우, 서로 다른 프로토콜에 기반한 엔드 노드들에 접근 및 제어할 수 있는 확장 가능한 브릿징 시스템을 배치할 수 있다. 이러한 시스템은 신뢰성의 확보뿐만 아니라 운전의 효율성도 크게 개선시켜준다. 운전 비용 및 에너지 비용을 절감하는 것 외에도, 데이터 로깅 및 클라우드 컴퓨팅은 학습 기반 애플리케이션의 도입을 가능하게 하고, 더 쾌적한 라이프스타일의 수준을 구축해줄 수 있다. 제조사가 사전에 프로그래밍된 용도별 설비를 통해 차세대 BAS에 투자한다면 설비 비용을 낮추는 것도 가능하다.
설계자는 TI의 SimpleLink 디바이스를 통해 소방 패널, 침입 패널, 무선 락, 스마트 도어벨, 연기 감지기, 온도 조절 장치 같은 엔드 노드 애플리케이션을 개발할 수 있다. 또한, SimpleLink 플랫폼을 이용하면 고도로 집적된 확장 가능한 저전력 ARM? 기반 MCU로 다양한 유무선 프로토콜의 손쉬운 구현이 가능하다. 새로운 SimpleLink SDK는 설계자가 하나의 개발 환경을 배우고 나면 그것을 이용하여 지원되는 모든 SimpleLink 디바이스에서 무수히 많은 애플리케이션을 개발할 수 있게 한다. SimpleLink 플랫폼과 그 개발자의 에코 시스템에 대해 알고 싶다면, www.ti.com/simplelink을 참고할 수 있다.
BAS 개발자는 표준화된 공개 통신 프로토콜들을 지원하는 확장성과 가격 경쟁력을 갖춘 솔루션을 끊임없이 모색하고 있다. 유무선 프로토콜들이 이제 건물 제어 시스템의 모든 곳에 통합됐다. TI의 SimpleLink MCU는 고도로 통합된 저전력 솔루션으로, 개발자는 이를 통해 커넥티비티 프로토콜들을 BCS 시스템의 엔드 노드들에 재빨리 추가할 수 있다. 전용 온칩 실행 환경을 통한 보안 강화로 SimpleLink MCU는 MCU의 부담을 덜고 최신 보안 프로토콜들을 제공할 수도 있다. 공통 소프트웨어 플랫폼이란 애플리케이션마다 코드를 재사용할 수 있어 신규 애플리케이션이든 기존 애플리케이션이든 기능을 빠르고 쉽게 추가할 수 있다는 것을 의미한다. 에너지 비용의 상승으로 점유자의 안전과 생활 편의성까지 우수한 친환경 건물에 건물 솔루션의 미래가 달려 있다.
참고자료
1. IEA, “에너지 효율 시장 보고서 2015.” (2015): 67. 국제에너지기관. IEA. Web. 2017년 3월6일. <http://www.iea.org>.
2. 국가에너지효율정책 협력위원회. 주거용 및 상업용 건물. (7011 So. 19th St., P.O. Box 11700, Tacoma 98411- 0700): APA-가공목재협회, 2013. https://www.ase.org. 에너지절약협력, 2013년 1월. Web. 2017년 3월6일. <http://www.ase.org>.
푼야 프라카시(Punya Prakash) SimpleLink 마이크로컨트롤러 제품 라인 매니저
캐시 오그레이디(Casey O’Grady) SimpleLink 마이크로컨트롤러 제품 마케팅 엔지니어
▶▶ 텍사스 인스트루먼트
