연기 감지기는 화재를 감지하고 인명을 구하는 데 보편적으로 사용되는 중요한 기기다. 연기 감지기는 연기를 감지하고 사이렌을 울려 건물 안에 있는 사람들이 신속하게 대피할 수 있도록 한다.
전통적으로 연기 감지기는 유선 시스템이지만, 무선으로 연결된 연기 감지기가 점점 일반화되고 있으며, 이는 유선 연기 감지기에 비해 설치 및 유지보수가 간편하고 비용이 절감된다.
그러나 무선 연기 감지기의 설계는 전력 소모, 빌딩 전체를 커버하기 위한 무선 네트워킹, 네트워크 연결로 인한 보안 문제를 야기한다.
텍사스 인스트루먼트(이하, TI)의 SimpleLinkTM Sub-1GHz CC1310 및 듀얼 밴드 CC1350 무선 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하면, 이와 같은 설계상의 문제를 해결함으로써 무선 연기 감지기를 손쉽게 설계할 수 있게 된다.
시스템 요구사항
무선 연기 감지기를 설계할 때 가장 일반적인 시스템 요구사항 중 하나는 배터리 수명이 길어야 한다는 것이다. MCU는 셧다운 및 대기 전류가 낮고(0.185A, 0.7A), CC13xx 디바이스는 MIPS/MHz 전류 소모가 낮아(51A/MHz) 연산 및 하우스키핑 작업을 효율적으로 안정화시킨다.
결국 빠른 전환 시간과 더불어 RX 모드(5.4mA)와 TX 모드(13.4mA@10dbm)가 전반적으로 전류 소모를 낮추게 된다.
또한 CC1310과 CC1350 무선 MCU에는 고유의 MCU 코어인 센서 컨트롤러가 포함되어 있어, 외부 상황 트리거를 기다리는 동안 시스템의 나머지 부분은 슬립 모드로 전환될 수 있다. 때문에 무선 연기 감지기는 코인 전지로 최소 10년까지 작동될 수 있다.
그림 1은 패널로 연결된 일반적인 화재 감지기 시스템의 프로파일이다.
▲ 그림 1. 무선 연기 감지기의 전력 프로파일
연기 감지기 시스템의 또 다른 요구사항은 전송 시 반드시 필요한 보안과 견고성이다. 그러므로 전송을 보호하기 위한 보안 기능이 포함된 포괄적인 소프트웨어 스택이 요구된다.
예를 들어 SimpleLink Sub-1GHz 무선 MCU는 CC13x0 소프트웨어 개발 키트(SDK)에서 지원되는데, 802.15.4g 표준 기반의 성형망(Star Networking) TI 15.4-Stack이 포함되어 있으며, 주파수 호핑과 부가적인 보안 기능들이 있다.
TI 15.4-Stack은 첨단 CSMA/CA 네트워킹 알고리즘을 사용해 LBT(Listen Before Talk) 메커니즘을 구현함으로써 충돌을 최소화하고 견고한 네트워크를 만든다. 또한 Sub-1GHz 주파수 대역은 공중 또는 벽체를 통과해서, 그리고 모퉁이를 돌아서도 잘 전달되므로 대형 빌딩과 사무실 공간을 제대로 커버할 수 있다.
TI의 듀얼 밴드 CC1350 디바이스는 단일 칩에서 Sub-1GHz와 블루투스 저에너지를 모두 지원하므로 시스템의 확장성을 높일 수 있다. 특히 연기 감지기 같은 안전 시스템에 블루투스 저에너지를 추가하면 연기 감지기 유닛에 고유 인터페이스를 추가할 수 있어 사용자 경험이 향상된다.
사용자는 스마트폰 애플리케이션을 사용해서 블루투스 저에너지 연결을 통해 상태 업데이트와 네트워크 상태를 전송하고, 소프트웨어 업데이트를 푸시할 수 있다. 또한 블루투스 저에너지 비콘 기능을 사용해, 연기 감지기가 근처의 스마트폰으로 알림 메시지를 전송하도록 할 수 있다.
SimpleLink Sub-1GHz 무선 MCU
무선 연기 감지기를 설계할 때, 사용자는 전류를 전압으로 변환하는 증폭기를 통해 MCU의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 연기 감지 센서를 연결하거나 비교기에 연결하고 인터럽트를 사용해 MCU를 트리거할 수 있다.
CC1310/CC1350 디바이스는 다수의 범용 입출력(GPIO), I2C, UART, SPI 등 기타 필요한 인터페이스를 제공한다.
무선 MCU와 MCU RF 트랜시버 칩의 조합을 선택하면 시스템의 전력, 크기, 비용을 낮출 수 있으며 제품 개발 시간을 단축해 출시할 수 있다. 그림 2는 일반적인 연기 감지기 시스템의 블록 다이어그램이다.
▲ 그림 2. 광전(Photoelecric) 연기 감지기 시스템 블록 다이어그램
클라우드 커넥티비티
클라우드에는 사용자가 시스템을 원격으로 모니터링 및 제어하는 기능이 있기 때문에, 보안 및 안전성 시스템에서도 클라우드 커넥티비티가 유용하게 쓰일 수 있다. 하지만 Sub-1GHz는 인터넷에 연결하기 위해 게이트웨이를 필요로 하는데, Sub-1GHz 네트 워크로부터의 메시지를 버퍼링하고 이더넷 패킷으로 변환하며 이더넷이나 와이파이를 통해 클라우드와 통신한다.
TI의 Sub-1GHz 센서 대 클라우드 산업용 IoT 게이트웨이 레퍼런스 디자인은 원거리 Sub-1GHz 네트워크를 통해 데이터를 전송 및 수신하도록 클라우드 커넥티비티 기반의 엔드-투-엔드 시스템을 제공한다(그림 3).
▲ 그림 3. 센서 대 클라우드 블록 다이어그램
이 레퍼런스 디자인에는 AES-128 암호화, 메시지 무결성 코드, 주파수 호핑, 클라우드 통합 같은 기능들이 포함되어 있다.
☆
무선 연기 감지기는 원거리 커버리지, 우수한 배터리 수명, 보안, 견고성, 확장성 같은 설계상의 새로운 과제들을 제기한다.
SimpleLink Sub-1GHz CC1310 및 듀얼 밴드 CC1350 무선 MCU는 빌딩 전체의 커버리지, 코인 전지를 사용해 10년 이상의 동작, 보안 기능을 포함하는 포괄적인 소프트웨어, 엔드-투-엔드 게이트웨이 솔루션을 제공함으로써 이러한 과제들을 해결한다. 따라서 엔지니어는 무선 연기 감지기를 훨씬 더 수월하게 설계할 수 있으며, 유선으로 연결되는 연기 감지기 디자인에 비해 비용을 절감하고 제품 개발 시간을 단축해 출시할 수 있다.
텍사스 인스트루먼트(TEXAS INSTRUMENTS)
