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지그비 vs.블루투스 :  IoT 어플리케이션에 적합한 프로토콜 선택 

Charles Adams, Product Owner/Systems Engineer, Digi International

지그비 및 블루투스 무선 프로토콜은 모두 IoT(Internet of Things) 어플리케이션의 로컬 통신에 널리 사용되며, 어플리케이션에 적합한 것을 선택하기 위해서 검토해야 할 절충점이 있습니다. 각 프로토콜에는 새로운 네트워크를 설계할 때 구현할 솔루션에 맞는 고유한 장점이 있습니다.

어떤 상황에서는 한 프로토콜이 다른 프로토콜보다 더 적합 할 수도 있지만, 이 글에서 논의할 것처럼 다른 어떤 상황에서의 올바른 솔루션은 결합된 장점을 활용하기 위해 둘 다를 함께 구현하는 것입니다.

이러한 IoT 프로토콜 옵션을 더 잘 이해하기 위해 지그비의 장점과 한계를 살펴보고 블루투스  Classic, BLE 및 BT Mesh의 세 가지 "flavors”에 대해서도 동일하게 살펴 보겠습니다. 이 것들을 통하여 스마트 시티, 산업용 IoT, 디지털 신호 또는 기타 연결된 기술 사용 사례와 같은 IoT 어플리케이션에 적합한 프로토콜을 선택할 수 있도록 트레이드오프를 설명하고 각각의 사용 사례를 확인할 수 있습니다.

IoT 어플리케이션의 지그비 기술

지그비는 지그비 얼라이언스(Zigbee Alliance)의 기업 컨소시엄이 개발한 비용 효율적인 저전력, 저대역 무선 메시 네트워킹을 위한 개방형 글로벌 표준입니다. 지그비 프로토콜은 중간 노드의 메쉬 네트워크를 통해 정보를 전달하여 멀리 위치한 앤드 노드까지 정보가 도달함으로써 장거리 데이터 전송을 가능하게 합니다. 메시지가 목적지로 가는 도중에 중개 무선 노드를 통해 "홉"이 됩니다. 지그비의 2.4GHz 주파수 범위는 전 세계적으로 라이센스없이 구현할 수 있으며 현재 약 3억 개의 지그비 노드가 배치되어 있습니다.

지그비 프로토콜의 장점

Zigbee를 사용하면 어떤 무선 도달 범위보다 훨씬 큰 실질적인 메쉬 네트워크를 만들 수 있습니다. 지그비의 메쉬 네트워크는 자동으로 스스로를 구성하고(Self-forming) 노드가 비활성화되거나 제거되면 동적으로 재구성해 스스로 네트워크를 재정비합니다(Self-healing). 상호운용 가능한 표준으로서, 서로 다른 제조업체의 기기들도 원활하게 통신할 수 있기 때문에 가정용 자동화 및 산업용 IoT 시장 모두에서 폭 넓게 지그비를 사용할 수 있습니다. 공개 시장에는 OEM 장비 옵션이 많기 때문에 비용이 적당합니다.

라우팅 테이블, 주소 확인, 보안, 재시도 및 승인이 프로토콜에 내장되어 있기 떄문에 상당한 엔지니어링 시간을 절약할 수 있으며 다양한 사용 사례들을 다룬 문서들이 많습니다. 지그비는 포인트-투-포인트, 포인트-투-멀티포인트, 스타 구조, 메쉬 네트워크 등과 같은 다중 네트워크 토폴리지를 지원하며, 네트워크당 65,000개 이상의 노드 구성이 가능하고 아주 이상적인 아웃도어 라인 오프 사이트 환경에서 최대 2마일(3.2km)의 통신이 가능합니다.

지그비 프로토콜의 한계

대부분의 메쉬 네트워크와 마찬가지로 메시지를 라우팅하거나 "홉"하는 Zigbee 노드들은 항상 전원을 공급되어야 합니다. 배터리 수명을 연장하기 위해 절전 상태를 유지할 수 있는 엔드 디바이스들은 메쉬 네트워크에 참여할 수 있지만 연장할 수는 없습니다.

Zigbee는 IP 주소 지정을 사용하지 않습니다. 따라서 인터넷 및 클라우드 서비스와 통신하려면 게이트웨이를 설치해야 합니다. 또한 대부분의 전화, 태블릿 및 컴퓨터에는 지그비가 포함되어 있지 않기 때문에 게이트웨이도 그들과 통신해야 합니다. 노드가 올바른 네트워크에 참여하고 적절한 게이트웨이와 통신할 수 있도록 의도적으로 프로비저닝을 수행해야합니다. 지연 시간은 단순한 포인트-투-포인트 프로토콜보다 메쉬가 더 길지만 메쉬의 훨씬 더 효과적인 통신 범위 및 안정성과 관련하여 고려하여야 합니다.

Note. 메쉬 네트워크를 구성하고 있는 모든 노드들을 절전 상태로 유지하여야 하는 경우, Digi의 전용 메쉬 네트워킹 기술인 DigiMesh를 확인하십시오. DigiMesh는 지그비 메쉬 네트워킹의 대안으로 네트워크 전체 절전과 같은 어플리케이션 요구 사항을 지원하는 일부 기능을 제공합니다. Digi는 지그비 및 DigiMesh 솔루션을 모두 제공하여 모든 메쉬 네트워크 어플리케이션의 요구를 지원합니다. 첨부된 파일에서 지그비와 DigiMesh이 차이점을 확인하십시오.

스마트시티, 농업 등의 지그비 사용 사례

홈 오토메이션은 지그비의 발상지였지만 스마트 에너지, 조명, 의료기기 시스템, 공장 자동화, 가로등, 모니터링 시스템 등 상업적 및 산업적 이용 사례가 동등하게 두드러지게 되었습니다. 스마트시티 가로조명은 대형 기기 네트워크의 원격 관리 등 핵심 기능을 가능하게 하여 지그비가 잘 어울리는 메쉬 네트워킹의 성장 추세를 보여주는 좋은 예입니다. 이 사용 사례의 예는 Digi.com의 CIMCON 고객 사례를 참조하십시오. 농업 어플리케이션은 스마트 워터링 시스템을 연결하는 장치를 관리하는 등 메쉬 네트워크 기술을 활용하고 있습니다.

IoT 어플리케이션의 블루투스 기술

블루투스는 근거리 통신을 위해 설계된 개인 영역 무선 네트워킹 프로토콜입니다. 원래는 컴퓨터 및 휴대폰과 같은 장치를 헤드폰, 키보드 및 마우스와 같은 주변 장치에 연결하는데 필요한 배선을 대체하기 위해 만들어졌습니다. Wi-Fi 및 지그비와 마찬가지로 2.4GHz 주파수 범위에서 작동하며 전 세계적으로 사용이 가능하며 별도의 라이선스가 필요하지 않습니다.

블루투스 표준은 장치 제조업체 간의 상호 운용성을 조정하는 블루투스 SIG (Special Interest Group)에서 개발 및 관리합니다. 블루투스는 다소 다른 몇 가지 프로토콜을 가지고 있습니다. 이 프로토콜들 사이에는 어느 정도 상호운용성이 있지만, 서로 분리해서 고려하는 것이 가장 쉬우므로, 블루투스: 클래식, BLE(Bluetooth Low Energy), 블루투스 메쉬를 각각의 섹션으로 정리하도록 하겠습니다. 매년 약 40억대의 블루투스 장치가 출하됩니다.

블루투스 "Classic"

블루투스 Classic은 배터리 수명이 큰 문제가 되지 않는 단거리에서 최대 2.1Mbps의 고속 데이터를 처리하도록 설계되었습니다. 대역폭이 크고 매일 충전할 수 있는 오디오·비디오 기기용으로 탁월한 솔루션입니다. 블루투스 Classic 장치에는 일반적으로 컴퓨터, 차량 엔터테인먼트 시스템 또는 휴대 전화에 연결된 모바일 헤드셋, 이어폰, 키보드, 마우스, 프린터 및 기타 주변 장치가 포함됩니다. 블루투스는 마스터/클라이언트 구조를 사용합니다. 하나의 마스터는 소규모 개인 영역 네트워크에서 최대 7개의 클라이언트 장치와 통신할 수 있습니다.

블루투스 "Classic"의 장점

진행 중인 프로젝트가 많은 데이터를 보내거나 받아야 한다면 블루투스 Classic의 높은 처리량이 이를 잘 제공할 것입니다. Classic을 구현하는 많은 장치들이 있습니다. 오디오 및 비디오 피드의 경우 전화기, 태블릿 또는 랩톱과 페어링하여 정보를 수신할 수 있으며, 시리얼 스트림도 지원할 수 있습니다. 클래식(Classic)은 매우 성숙한 프로토콜이며, 책, 온라인, 그리고 공식 표준 문서 등의 다양한 자료들이 쉽게 찾을 수 있습니다.

블루투스 "Classic"의 한계

블루투스Classic은 프로세스 관리를 위한 사용자 인터페이스와 함께 페어링이 필요하여 구현이 복잡할 수 있습니다. 또한 높은 대역폭은 상대적으로 전력이 부족하다는 것을 의미합니다. 이 프로토콜은 매일 또는 매주 쉽게 재충전할 수 있는 장치용으로 설계되어 있기 때문에 저전력이 필요한 많은 IoT 응용 프로그램에 적합하지 않습니다. 이 프로토콜은 단거리 주변 장치 케이블 교체 용으로 설계되었고 수백 개의 장치를 호스팅하는 확장 가능한 센서 네트워크용이 아니기 때문에 네트워크 크기가 상당히 제한되어 있습니다.

블루투스 "Classic"의 사용 사례

블루투스의 클래식 버전은 오디오 헤드셋, 스마트폰-차량 페어링 및 홈 엔터테인먼트에서 매우 인기가 있습니다. 높은 대역폭과 업계 표준으로 허용되어 한동안 이러한 유형의 어플리케이션에서 계속 사용될 것입니다. 하지만 대부분의 IoT 어플리케이션의 경우 다음 두 버전의 블루투스가 더 적합 할 것입니다.

 

BLE(Bluetooth Low Energy)

BLE는 뛰어난 전력 관리로 단거리의 저대역폭 연결을 지원합니다. 이는 소규모 네트워크가 대용량 데이터 스트림을 처리할 필요가 없고, 배터리가 몇 달 또는 심지어 몇 년 동안 지속되어야 하는 상황에서 사용됩니다. BLE 장치에는 로케이션 비콘, 디지털 스케일, 온도 모니터, 조명 컨트롤러, 스마트 워치, 쿡 포트 및 수천 개의 기타 저 대역폭 배터리 작동기기 등이 포함됩니다.

BLE는 하드웨어가 필요한 통신 기능만 구현하여 비용, 배터리 및 대역폭을 절약할 수 있는 클라이언트/서버 구조를 구현합니다. BLE 네트워크는 이론적으로 많은 수의 장치를 포함할 수 있지만 대역폭, 물리적 공간 및 가장 중요한 범위는 단일 BLE 개인 영역 네트워크의 크기를 수백 개의 노드로 제한합니다.

BLE의 장점

이름 그대로 BLE는 전력을 많이 사용하지 않습니다. 이는 코인 셀에서도 장기간 사용할 수 있으므로 한 번에 몇 달 동안 무인으로 작동해야 하는 저용량 데이터 장치에 적합한 블루투스 프로토콜입니다. 또한 이 간단한 프로토콜은 하드웨어가 덜 복잡하기 때문에 BLE 칩과 장치가 상당히 저렴합니다.

클라이언트-서버 모델은 통신을 구현하기 쉽게 만들어 엔지니어링 및 개발 시간을 단축합니다.  또한 통신을 위해 장치를 페어링할 필요가 없고 필요할 때마다 비동기식으로 데이터를 읽고 보낼 수 있습니다. 이 프로토콜은 많은 문서, OEM 장비 및 숙련된 개발 인력들과 함께 전세계 수십억 개의 기기에 널리 받아들여지고 구현되고 있습니다.

BLE의 한계

BLE는 포인트 투 포인트 프로토콜입니다. 따라서, 라디오는 그들의 개별적인 범위를 넘어서는 의사소통을 할 수 없습니다. 이는 네트워크의 물리적 크기를 BLE의 일반적인 10m 범위로 제한하며, 홈 오피스는 괜찮지만 농업용 모니터링 어플리케이션이나 가로등 제어에는 그리 좋지 않습니다. IP 주소 지정이 구현되지 않았으므로 게이트웨이를 사용하여 인터넷 및 클라우드 솔루션에 정보를 전달하여야 합니다.

많은 BLE 애플리케이션은 스마트 폰을 게이트웨이로 사용하도록 설계되었습니다. 그러나 이것은 스마트폰이 있는 경우에만 작동합니다. 스마트 워치나 피트니스 밴드와 같은 웨어러블 기기의 경우 문제가 되지 않지만 상업용 및 산업용 어플리케이션에 사용되는 센서는 일반적으로 무인 상태이므로 스마트폰 게이트웨이를 구현하기가 어렵거나 불가능합니다. BLE는 블루투스 Classic보다 훨씬 낮은 대역폭이며 미디어 스트리밍에 효과적으로 사용할 수 없습니다.

BLE 사용 사례 

가전, 피트니스 모니터, 차량 네트워크를 포함한 개인의 소규모 네트워크는 BLE의 주요 사용 사례입니다. BLE의 beaconing은 상점이나 공장 내에서의 위치를 확인할 수 있는 실내 포지셔닝 시스템을 지원하도록 설계가 되었습니다.

홈 오토메이션이 핵심 시장이지만, 소규모 상업 시스템도 BLE를 활용하여 가정 규모의 공간 내에서 통신할 수 있습니다. 따라서 BLE는 대규모 농업에는 적합하지 않지만 소규모 상업용 온실을 모니터링하는 데 완벽하게 적합합니다. 또한 지그비 메시 또는 셀룰러 모바일 데이터와 같이 더 긴 범위의 프로토콜을 통해 통신할 IoT 장치를 구성하는 설치자에게 로컬 통신을 제공 할 수도 있습니다.

블루투스 메쉬(BT Mesh)

블루투스 메쉬(BT Mesh)는 매우 새로운 프로토콜입니다. 추가 라우팅과 네트워크 형성 표준을 사용하여 단순한 포인트 투 포인트 BLE를 확장하여 노드가 하나의 장치의 범위를 넘어 네트워크를 확장하는 릴레이 역할을 할 수 있는 메시 네트워크를 만듭니다. BT 메쉬는 전반적인 기능과 아키텍처에서 지그비와 대체로 유사하지만 몇 가지 매우 중요한 차이점이 있습니다. BT Mesh 네트워크는 이론적으로 32,000개 이상의 노드를 지원할 수 있지만, 다른 프로토콜과 마찬가지로 대역폭과 물리적 공간의 실질적인 한계로 인하여 일반적으로 개별 네트워크가 수백 개정도로 유지됩니다.

BT Mesh의 장점

메쉬로 형성된 네트워크는 개별 무선 노드의 도달 범위에 의해 제한되지 않습니다. 대신 각 노드는 데이터를 라우팅하여 매우 큰 물리적 네트워크를 형성할 수 있기 때문에 메시지를 기존 범위를 훨씬 넘어서 먼 거리에 있는 대상으로 전달할 수 있습니다. BT Mesh는 BLE를 기반으로 하기 때문에 낮은 에너지 사용, 우수한 보안, 비콘 기능 지원 및 널리 사용되는 기본 문서를 포함하여 해당 프로토콜의 많은 이점을 제공합니다. BT Mesh 네트워크는 자가 형성 및 자가 치유 기능을 갖추고 있으며 지그비와 유사한 저장 및 전달, 부모/자식 관계, 엔드 디바이스에 대한 절전 지원을 제공합니다.

BT Mesh의 한계

블루투스 메시는 여전히 새로운 프로토콜이며, 여전히 개선 및 수정 중입니다. 아직 널리 지원되지 않아 OEM 장비, 게이트웨이 및 휴대용 장치가 아직 완전히 호환되지 않을 수 있습니다. 이것은 프로토콜이 견인력을 얻음에 따라 개선될 것입니다. 그러나 현재 설계되고 있는 어플리케이션에 대한 우려는 확실히 존재합니다.

“Managed Flood” 프로토콜은 네트워크 설계를 단순화하지만 지그비와 같은 완전히 라우팅 된 메시 프로토콜과 비교할 때 효율성과 전력 사용면에서 절충됩니다. Zigbee 노드와 같이 BT Mesh 라우터는 절전 모드로 전환될 수 없기 때문에 경로를 지정하는 모든 장치는 배터리로 실행되는 것이 아니라 상시 전원이 공급되어야 합니다. IP 주소 지정을 사용하지 않으므로 인터넷 및 클라우드 서버와의 상호 작용은 BLE와 일반 인터넷 프로토콜간에 변환되는 고정 게이트웨이 또는 경계 라우터를 사용하여야 합니다. 메시 네트워크는 메시지가 목적지로 가는 여러 노드를 통해 "홉"을 하여야 하기 때문에 항상 더 높은 대기 시간을 갖습니다. 따라서 어플리케이션은 메시 네트워크 규모가 클수록 느린 응답 시간에 대한 고려를 하여야 합니다.

BT Mesh의 사용 사례

BT Mesh는 처음에 조명 시장을 염두에 두고 설계가 되었습니다. 라우터 노드는 지속적으로 전원이 공급되어야 하는데, 대부분의 기기가 풀타임 주 전원에 대한 충분한 접근성을 가질 수 있는 조명은 BT Mesh에게 훌륭한 어플리케이션입니다. 또한 BT Mesh가 각기 다른 조명의 상호운용성을 위해 특별히 구현한 어플리케이션 계층이 있기 때문에 어느 한 업체가 만든 스위치로 다른 업체가 만든 조명 장치를 제어할 수 있습니다. 센서 네트워크는 BT Mesh에 의해 쉽게 지원될 수 있지만, 메쉬의 라우팅 노드는 배터리로 동력을 공급 받을 수 없기 때문에 센서 자체는 BT Mesh 조명이 이미 설치되어 있는 건물과 같이 주 전원과 네트워크를 사용할 수 있는 상황에서 가장 잘 구현이 됩니다.

지그비와 BLE 결합

Digi XBee3 지그비 RF 모듈은 하나의 제품에서 BLE를 지원합니다. BLE는 지그비와 함께 사용되어 Digi XBee Mobile App을 사용하여 스마트폰 기반 모듈을 쉽게 구성할 수 있습니다. Beaconing 애플리케이션은 Digi XBee 모바일SDK (Software Development Kit)로 개발할 수 있습니다.

SDK에는 Digi XBee3 모듈과 상호 작용하기 위해 iOS 및 Android 모바일 앱을 만드는 프로세스를 단순화하도록 설계된 라이브러리, 코드 예제 및 문서 세트가 포함되어 있습니다. SDK는   Beaconing 어플리케이션을 지원할 수 있으며, 또한 블루투스와 지그비 장치를 결합하여 대규모의 상호운용 가능한 멀티 벤더 네트워크를 형성하는 미래의 어플리케이션에서 로컬 BLE 센서와 통신하는 데 유용할 것입니다.

지그비와 블루투스는 각각 다른 종류의 IoT 솔루션에서 유용합니다. 가장 중요한 것은, 그들은 잘 확립되어 있고 상호운용 가능한 각 프로토콜의 장점을 결합한 극적으로 유연한 어플리케이션을 만들기 위해 협력할 수 있다는 것입니다. Bluetooth의 많은 버전을 포함하여 각각의 장단점을 이해하는 것은 개발자들이 전력 사용, 대역폭, 장치 비용의 균형을 맞춰 강력한 무선 IoT 네트워크를 만드는 가장 효율적인 통신 시스템을 만드는 데 도움이 될 것입니다.