2013년도 5월에 발표한 매킨지의 리포트‘생활, 비즈니스 및 글로벌 경제를 변화시킬 파괴적 기술’에 의하면, 2025년 IoT 기술이 경제에 미칠 잠재적 영향력이 연간 3~6조 달러에 이를 것으로 예상하고 있다. 본 고는 임베디드소프트웨어·시스템산업협회 주윤영 선임연구원의 연구내용을 바탕으로 정리하였음을 밝힌다.

출처/임베디드소프트웨어·시스템산업협회주윤영선임
기고/한국오라클 최윤석 전무
정리/이공흠 기자(leekh@semiconnet.co.kr) 

IoT/M2M환경 구축 기술

(1) IoT/M2M환경에서 디바이스
불과 몇 년 전까지만 하더라도, 장치/디바이스 산업은 보다 빠르고, 배터리 소모최적화 및 초정밀집약적 생산에 몰두하였다. 디바이스는 폐쇄적 개발환경에서 특수목적에 부합하는 애플리케이션을 탑재하는 사업에서 부가가치를 창출하였다.
최근 다양한 산업군에서 다양한 스마트 기기를 활용한 서비스들에 대한 수요가 늘어나고 있다. 스마트폰 제조사는 스마트기기와 연동하는 다양한 종류의 웨어러블(Wearable) 디바이스를 통해 스마트폰으로의 락-인 효과를 노리고 이와 함께 추가 수익구조를 만들어가고 있다. 통신사의 경우는 활용가치가 떨어지고 있는 2G/3G통신망을 이용한 M2M서비스 사업에 집중하고 있다. 그리고, 다양한 물품 및 배송분야의 많은 수작업 인력이 필요한 유통산업이 모바일 및 스마트기기를 활용한 M2M솔루션들을 도입 운영하고 있으며, 헬스케어 산업과 에너지 관리 산업 또한 빠르게성장해 나가고 있다.

자동차 산업의 경우, 자동차의 경쟁력을 높이기 위해 자동차에 다양한 센서들을 부착하여 텔레매틱스 서비스를 제공하기 시작하고 있다. 이와 같이 다양한 산업에서 다양한 종류의 IoT/M2M 서비스가 출시되면서, 가장 중요한 기술요소인 스마트 기기를 어떻게 구성하는지가 매우 중요하게 부각되고 있다. 과거에는 Windows CE/Mobile기반이거나 모바일 리눅스기반 하에서 단일 목적으로 서비스 별로 특화된 디바이스를 제작하는 방향으로 집중하였었다. 디바이스에 탑재되는 기능들은 폐쇄적으로 특수목적에 맞게 제작되기 때문에 판매 후에 수정하거나 새로운 서비스를 추가하기에 어려운 점이 많이 있었다. 또한 M2M 산업표준이 부족한 상태였으며, M2M 솔루션/서비스와 상호 연동에도 제약이 많이 있었다.

최근에 좀더 효율적이고 유연한 개방된 M2M 디바이스 플랫폼을 통해 통합과 상호운용성을 제공하기 위한 움직임이 생겨나고 있다. 모바일 칩셋의 대표적인 기업인 퀄컴(Qualcomm)은 QSC6270터보 칩셋을 기반으로 하는 IOE(Internet Of Everything) 개발 플랫폼을 올해(2013년)에 발표하였다. 퀄컴은 자사의 칩셋에 Java ME(Mobile Embedded) 3.2플랫폼을 내장하여 3G모뎀과 다양한 통신 모듈을 손쉽게 탑재하고 유연하고 광범위한 애플리케이션 개발환경을 제공하고 있다. 이는 타임 투 마켓을 가속화하여 신속하게 원하는 목적의 디바이스를 개발할 수 있도록하기 위함이다. 이러한 디바이스 개발환경은 3G를 통한 다양한 앱세서리 디바이스를 만들고자 하는 AT&T사와 사업제휴를 통해 미국 시장에서의 스마트 기기 시장을 만들어가고 있다. 이 IOE개발 플랫폼은 가속도계, 광센서, 온도센서 등 여러 온 보드 센서와 표시기가 포함되어 있다. 

통신모듈을 공급하는 회사인 신테리온(Cinterion)사는 산업용 애플리케이션의 광범위한 무선 연결을 제공하기 위해서 자사의 초소형/고속 M2M 통신모듈인 Gemalto EHS5 모듈
에 원하는 애플리케이션을 구성할 수 있는 Java ME 플랫폼을 탑재하였다. 특히, 산업용 애플리케이션의 경우 Java 언어를 대부분 사용하기 때문에 코드의 재사용뿐만 아니라, 디바이스 개발자들의 교육양성 시간을 단축할 수 있다. 신테리온은 산업 자동화영역, 헬스케어영역, 자동차영역 등에서 기존보다 전세계 기업 고객들을 유치하고 있다. 

그렇다면, M2M을 위한 디바이스를 구성하는데 중요하게 고려해야 할 사항들은 어떤 것들이 있을까? 가장 먼저, 원가부분이 될 수 있다. 실제 M2M 디바이스의 제작에 가장 중요한 핵심부품은 CPU인데, CPU에서 동작하는 플랫폼이 가벼울수록 저가 CPU를 사용할 수 있다. 예를 들어, Cortex M3는 $10대의 가격으로 120MHz 정도의 성능을 제공한다.  

이러한 CPU에서 동작 가능 하도록 구성하여야 가격 경쟁력이 있다고 할 수 있다. 두 번째로는 RTOS(ARM 계열)에서 개발 유연성을 가질 수 있는 M2M플랫폼이라고 할 수 있다. RTOS나 모바일 리눅스와 같은 운영체제에 직접 애플리케이션을 개발하는 것은 개발 복잡도가 크고, 유연한 애플리케이션 개발환경으로서 적합한 방법이 아니기 때문에, M2M플랫폼을 구성 할 필요가 있다. 최근에는 안드로이드를 최소화하거나 Tizen과 같은 독자적인 플랫폼을 구성하는 움직임도 있으며, 전세계의 범용적 사용이 가능한 Java ME 플랫폼을 사용하는 글로벌 업체들이 많이 생겨나고 있다. Java ME의 경우, Cortex M3정도의 CPU에서 동작가능하며, 메모리는 1.6MB정도로 동작가능하기 때문에 M2M플랫폼으로 많이 사용되고 있다.

무엇보다도 M2M 디바이스의 경우, Java활용도가 높은 B2B 시장에서 개발 익숙한 플랫폼이라 할 수 있겠다. 또한 CPU가 멀티쓰레딩을 지원하지 않더라도 소프트웨어적으로 Java ME가 제공하기 때문에 동시에 여러 애플리케이션을 동작할 필요가 있는 경우에 활용도가 높을 수 있다. 

세 번째로는 다양한 통신/연결 기능과 센서 기능이라고 할 수 있다. M2M 디바이스의 경우 사용목적에 따라 매우 다양한 종류의 통신/연결 방법을 사용하게 된다. 예를 들면, 스마트폰과의 통신은 블루투스나 BLE(Bluetooth Low Energy)통신을 사용하고, 스마트 미터기는 지그비(Zigbee)통신을 사용한다. 그 외에 와이파이(WiFi), GPS, SMS, GPIO, I2C, SPI 등 여러 종류의 통신/연결 모듈과 드라이버가 필요하다. 또한 속도센서, 광센서, 온도센서, 모션센서 등 여러 종류의 센서 모듈과 드라이버가 필요하게 된다. M2M 디바이스를 설계할 때, 이러한 통신/센서에 대한 준비를 하지 않게 된다면 개발 기간이 상당히 소요할 수 밖에 없다. 오라클 Java ME의 경우는 거의 대부분의 JSR(Java Specification Request) 드라이버를 통해 범용적으로 사용되고 있는 통신/연결 모듈과 센서 모듈에 대한 API를 제공한다. 이와 같은 JSR을 이용하게 된다면, 사용 목적에 맞게 원하는 통신 방법과 센서링을 설계하여 손쉽게 디바이스를 제작할 수 있다.

국내외 적으로 이미 많은 종류의 M2M디바이스들이 사용되고 있다. 이 중 오라클 M2M플랫폼을 활용한 사례를 보면 다음과 같다. 먼저, Livescribe사의 스마트 펜은 페이퍼기반의 고급 펜 컴퓨터로 듣거나 쓰는 모든 것을 녹음하고 오디오와 필기 내용을 동기화하는 디바이스이다. Oracle Java ME 플랫폼 기반에 Microphone, Speaker, OLED Display센서모듈과 WiFi와 USB 통신모듈을 탑재하였다. 물류/유통 산업에서 컨테이너와 상품을 효율적으로 관리하기 위한 디바이스로 Oracle SPOT(Sensor Platform for Oracle Technology)디바이스가 있는데, 이 디바이스는 크게 3개의 레이어로 구성되어 있다. 침입/습도/온도/충격을 감지하는 센서 레이어, GPS/GPRS/이리듐 통신 레이어, 그리고 배터리와 저장소 레이어로 구성된다. 전세계적으로 3만여 개의 디바이스가 실제 물류산업에서 원격 관리용으로 사용되고 있다. 

독일 도이치(Deutche) 텔레콤사는 자사의 통신 인프라를 사용할 수 있는 모든 종류의 M2M 디바이스 플랫폼을 마켓플레이스를 통해 사업제휴를 하고 있다. 예를 들어, 스마트폰 애플리케이션을 통해 커피머신을 리모트 관리 및 제어하는 서비스를 하고자 하는 고객이 손쉽게 M2M 마켓플레이스를 통해 사업을 시작할 수 있게 되었다. 장기적으로 M2M 플랫폼을 구성하여 다양한 종류의 M2M 사업을 하고자 하는 고객들이 늘어나고 있으며, 무엇보다 많은 고객들이 표준과 M2M 디바이스 생태계를 공유하고자 하는 데 관심을 기울이고 있다.

(2) IoT/M2M환경에서 게이트웨이
국내, 해외의 IoT/M2M디바이스의 사례에서 보여주듯이, 다양한 형태의 IoT/M2M 디바이스가 출시되고 있고, 이보다 좀 더 진화된 구글 글래스나 스마트워치와 같은 다양한 웨어러블 디이스가 지속적으로 국내외에서 출시되고 있다. 이렇게 상용화된 디바이스에서 발생된 데이터, 좀 더 구체적으로 말하면, 디바이스 내에서 발생한 여러 센서로부터 발생한 데이터는 디바이스의 컴퓨팅 성능 제한, 배터리 지속시간 등을 고려하여 자체적으로 분석하거나 결과를 보여주는 형태이기 보다는 대부분 서버로 데이터를 전송하여 저장 및 분석을 하는 것이 일반적이다. 

이때, 디바이스는 특히나, 웨어러블 디바이스 같은 경우는, 통신 모듈로 블루투스를 통하여 서버로 데이터를 전송한다. 또한, 항상 데이터를 수집해야 할 필요성이 있는 산업용 디바이스나, 특수 목적으로 항상 서버와 데이터 통신을 하는 필요성이 있는 디바이스 같은 경우에는 자체적으로 2G/3G 같은 통신사망으로 연결성을 확보하여 서버로 데이터를 전송한다. 이렇게 서버로 수집된 데이터는 수집, 저장, 분석의 과정을 거치게 되면서 사용자에게 이전에는 관심을 가지고 있지 않았던 데이터에서 의미를 추출하여 통계적인 수치로 보여주며, 다른 사용자와의 비교나 공공의 목적으로 감시 등을 위한 다양한 용도로 활용이 된다.

(3) Gateway 활용 사례

의료분야
이탈리아 Eurotech Group은 임베디드 디바이스전문 기업이며, 이러한 임베디드 디바이스 생산뿐만 아니라 이를 제어하고 통합하는 솔루션도 공급한다. 아래의 그림 8 처럼 Eurotech의 의료용 게이트웨이는 포도당 측정 기기, 체중계, 혈압측정기기와 같은 의료용 IoT/M2M디바이스를 연결하여 거기로부터 발생되는 데이터를 서버로 전송한다. 이렇게 서버에 수집된 데이터는 원격환자 진료의 목적으로 당뇨, 심장질환, 만성 폐질환 등의 병증과 연관된 데이터의 수집/분석하며 처방약의 투여에 대한 모니터링을 하기 위한 용도로도 사용된다.

GE 의료기기 내에는 부분에서는 병원 내에서 환자의 맥박, 체온, 심전도 등의 측정기기에서 발생하는 데이터를 수집하고 그 추이를 분석하는 Eview라는 게이트웨이가 있다. 이 제품은 최장 3일간의 의료기기에서 발생한 수치를 보관하며, 이에 대한 추이도 분석가능하며, LAN을 통해서 서버에 데이터를 전송하거나 SD 카드를 통하여 데이터를 제공할 수 도 있다. Eview는 2010년 5월 미국 FDA의 승인을 완료하였다.

유통분야
유통분야에서 대표적인 사례로는 전자가격표시태그 (Electronic Shelf Label)이 있다. 삼성전기의 경우 전자가격표시태그와 게이트웨이는 지그비 통신으로 연결되어 있으며, 게이트웨이를 통하여 가격정보를 태그로 전송하고, 또한태그의 배터리상태나 이상 유무를 모니터링한다.

(4) IoT/M2M 게이트웨이 일반적인 기능정의
IoT/M2M 디바이스 게이트웨이는 일반적으로 연결성(Connectivity), 확장성(Scalability), 관리성(Management), 보안 (Security)의 4가지 특성을 가진다. 연결성은 디바이스간의 통신과 백엔드의 서버와의 통신을 담당한다. 다양한 종류의 디바이스를 수용하고 또한 디바이스가 늘어 나게 되면 게이트웨이 또한 이에 맞춰 수평적 확장이 가능한 구조이어야 한다. 관리성은 IoT/M2M디바이스를 원격에서 제어하고 때론 디바이스의 모듈을 업데이트하거나, 게이트웨이의 서비스를 쉽게 관리할 수 있어야 한다.
보안은 디바이스에서 생성된 데이터와 서버와의 통신데이터에 대한 암호화 같은 보안을 위한 기능이 제공되어야 하며, 게이트웨이 자체에 대한 보안도 포함된다. 이러한 기능요소들은 게이트웨이에서 표준 기반으로 모듈화 되어 탑재될 경우 IoT/M2M 디바이스는 그 기능에 목적에 특화 하여 개발이 가능하며, 서버와의 연결성을 확보하여 좀 더 다양한 서비스를 제공할 수 있는 플랫폼적인 성격을 가지게 된다.

(5) IoT/M2M 게이트웨이의 확장된 기능
일반적인 게이트웨이의 기능들 이외에도 IoT/M2M 게이트웨이는 몇 가지 추가된 특성을 가진다. 빅데이터 분석 관점에서 이전보다 센서에서 발생하는 데이터에서 분석을 하여 의미를 데이터를 추출 및 패턴 분석을 하기가 이전보다 용이해졌다. 센서 데이터의 특성은 볼륨이 크며, 데이터의 포맷이 다양하며, 스트림 형태로 데이터가 출력이 된다. 또한, 이러한 데이터는 바이너리 형태로 출력이 되는 경우가 많아서, 데이터를 파싱하고 변환하는 과정을 거쳐야 비로서 분석이 가능하다. 이러한 빅데이터 특성을 포함한 센서데이터를 분석하기위하여, 서버에서는 하둡기반으로 데이터를 저장, 파싱, 변환, 가공 및 분석을 하는 아키텍처를 도입하기도 한다.

하지만, 하둡의 맵리듀스 처리가 일괄 배치 처리하는 특성을 가지고 있어 실시간 분석 요건에는 적합하지 않을 뿐만 아니라, 대용량의 데이터를 저장하기에는 센서데이터의 특성상, 1% 정도만이 의미 있는 데이터라고 가정하였을 경우에도 이러한 데이터 전체를 서버에서 분석하기에는 불필요한 데이터 처리비용이 많이 소요된다. 그래서, 서버에서 이러한 데이터를 전부 수용하기 보다는 어느 정도 의미 있다고 판단되는 데이터만 필터링하여 서버로 전송하는 것이 서버에서 데이터를 처리하는 비용관점이나, 네트워크 IO를 줄일 수 있다는 관점에서 좀 더 효율적인 아키텍처이다. 이러한 요구사항이나 효율성 측면에서 M2M 게이트웨이의 역할은 중요해지고 있다.

(6) IoT/M2M 게이트웨이에서의 이벤트 프로세싱
IoT/M2M 게이트웨이는 서버만큼의 고성능 컴퓨팅 파워를 가지고 있지 않기 때문에 저 사양에서도 실시간으로 데이터파싱, 필터링을 이행해야 하며, 필터링을 위한 로직 구성도 중앙에서 쉽게 원격으로 동적 업데이트가 가능해야 하는 것이 필수 요건이다. 오라클에서는 저 사양의 컴퓨팅 환경에서 구동이 가능하도록 기존의 JVM을 가볍고 꼭 필요한 라이브러리만 포함하여 출시간 제품이 Java ME Embedded 제품이다.
또한 센서데이터를 특성, 즉 스트리밍 형태의 데이터 출력과 필터링과 패턴분석 동적 로직 업데이트가 가능한 Oracle Event Processing 제품을 Java ME Embedded 버전에서도 구동이 가능하게끔 출시하였다.

IoT/M2M 게이트웨이를 장점을 정리하면 다음과 같다.

1) 산업용 IoT/M2M 디바이스는 게이트웨이를 통하여 사용하는 경우가 일반적임
2) IoT/M2M 게이트웨이는 연결성, 확장성, 관리성, 보안을 위한 모듈이 탑재됨

3) IoT/M2M 게이트웨이는 디바이스로 생성된 센서데이터를 수집, 정제, 보관, 분석, 전송, 제어 하기 위한 기능이 강조됨
4) IoT/M2M 게이트웨이는 저 사양에서도 이러한 업무를 구성 가능해야 하며, 실시간 처리가 가능해야 함

<반도체네트워크>