Z-Wave 장단점

 

현재 회사에서는 스마트 전기/수도 공급장치의 무선통신으로 Z-Wave 를 활용하고 있다. 

무선통신을 위한 RF 통신중에 하나인데 , 다음 글을 통해서 장,단점을 살펴본다.

https://www.hellot.net/magazine/magazine_print.php?idx=12895

HEMS/BEMS에서 이용하는 네트워크

마쓰모토 노부유키 (松本 信幸)  IT 테크니컬 라이터


이번 회에는 HEMS/BEMS에서 이용할 수 있는 네트워크 기술에 대해 소개한다.

HEMS/BEMS에서 이용하는 데이터의 특징

네트워크를 구축하는 기술에는 다양한 종류가 있다. 그 이유는 각각이 장점과 단점을 가지고 있어 사용 목적이나 사용자의 기술, 혹은 상황에 따라 적절히 사용할 수 있도록 돼 있기 때문이다.
따라서 HEMS나 BEMS 혹은 스마트그리드에서 이용하는 스마트미터에 적합한 통신방식을 선택할 때는 그 환경에서 이용하는 정보의 특징을 고려해야 한다.
HEMS나 BEMS의 경우 그 목적은 (i) 전력소비정보의 수집, (ii) 운전 개시 및 종료와 운전 중의 미세 조정, (iii) 참고가 되는 환경정보의 수집 등을 들 수 있다.
참고가 되는 환경정보란 온도나 습도, 그리고 밝기나 음향 등을 들 수 있는데 경우에 따라서는 보안 관련 정보가 추가되기도 한다(표 1 참조).



이러한 정보를 감안하여 HEMS나 BEMS에 요구되는 특징을 보면 다음과 같다.
① 정보 송수신의 빈도가 대체로 높지 않을 것(빈번한 경우라도 대략 수초에서 수분에 한 번 정도면 충분)
② 1회 통신에 필요한 정보량이 적을 것(전력정보만이라면 수바이트, 다른 정보가 추가되더라도 40~50바이트만 있으면 충분하다. 단 보안상 감시 카메라를 설치한 경우에는 송수신이 빈번해지거나 1회당 정보량이 증대될 가능성이 있다)
③ 정보를 관리하는 마스터가 존재하기 때문에 네트워크 구성은 ‘별형 네트워크’일 것
④ 가정 내(HEMS)라면 상관없지만 사무실에서의 사용(BEMS)을 가정하면 접속 대수는 수십에서 수백 대까지 이용할 수 있을 것
⑤ 마스터에 등록이 용이(범용성이 있는 방식)할 것
⑥ 인접 가옥의 기기를 잘못 등록하지 않을 것
사실 위의 ⑤와 ⑥은 내용이 상충하기 때문에 주의가 필요하다.
즉 ⑤는 HEMS와 같이 일반가정에서 사용하는 것을 가정하고 있기 때문에 새로 구입한 가전제품을 설정할 때 어렵지 않게 설정할 수 있어야 한다.
즉 ‘기계치’라고 하더라도 쉽게 다룰 수 있어야 한다. 물론 세탁기나 냉장고와 같이 구입 후에 택배 배송을 해야 하는 경우에는 업자에게 설정을 부탁할 수도 있지만 전자레인지나 데크(HDD나 블루레이 등) 같은 경우 직접 가지고 가는 경우도 있을 것이다.
그럴 경우 가정 내의 네트워크에 쉽게 접속할 수 있어야 한다는 것이다.
반면 ⑥은 예를 들면 네트워크에 자동으로 접속할 경우에 실수로 옆집 네트워크에 접속되지 않도록 해야 한다는 것이다. 잘못해서 옆집 네트워크에 접속되면 전력소비정보가 옆집에 계상되는(유감스럽게도 옆집이 지불해 주는 것은 아니다) 경우가 생길 수도 있으므로 주의해야 한다.
이를 바탕으로 HEMS나 BEMS 혹은 스마트미터에서 사용이 검토되고 있는 통신방식에 대해 알아보자. 지금 거론되거나 필드테스트가 진행 중인 통신방식에는 Z-Wave, ZigBee, Wi-Fi, PLC가 있다(표 2 참조).



그 외에 특정 소전력 무선이 사용되는 경우도 있지만 이용 범위가 적어 사라지는 추세이다.

Z-Wave

Z-Wave는 미국에서는 대중적인 홈 네트워크에서 사용하는 프로토콜이다. 주로 현관 열쇠의 시정/개정이나 침입 센서 등 보안 관련 부분에서 사용되고 있다. 특히 기기의 상호 접속 면에서는 PLC나 ZigBee보다 훨씬 우수하다.
미국에서는 900MHz대의 무선을 이용하지만 일본에서는 대응하는 주파수대가 존재하지 않았기 때문에 잘 알려져 있지 않다. 그러나 일본에서도 920MHz(915.9~927.7MHz)대를 센서 네트워크 기기용(액티브계 소전력 무선 시스템)으로 이용하여 좋아졌기 때문에 일본에서도 Z-Wave를 사용할 수 있게 됐다. 대역은 당초 950MHz대가 할당되었지만 뒤에 설명하는 ZigBee를 스마트미터에서 사용하는 것을 감안하여 대역을 5MHz 증강하여 지금까지 휴대전화에서 이용되던 대역의 일부인 920MHz대로 변경됐다.
스루풋은 다른 방식에 비해 좁기 때문에 센서 네트워크로는 충분하지만 보안에 감시 카메라를 추가하게 되면 한계를 드러낸다.
또 접속 가능한 단말 대수도 가정용 HEMS라면 충분하지만 BEMS 이상의 규모가 되면 조금 불안하다. 통신거리에 있어서 Z-Wave는 중계 동작이 가능하기 때문에 1대향의 접속은 비록 30m 정도이지만 네트워크 규모로는 수백m 규모까지 대응이 가능하다.
미국에서는 HEMS/BEMS 관련 전시나 스마트미터 관련 전시를 통해 Z-Wave를 자주 접할 수 있는데 장단점을 묻는 질문에 돌아오는 답변은 언제나 사용 실적에 관한 것만 있을 뿐 성능 면의 항목에 대한 것은 찾아볼 수 없다.
그래서인지 개인적인 느낌으로는 그다지 장래성이 있어 보이지는 않는다.

ZigBee/IEEE802.15.4

Z-Wave의 대항마가 되는 기술은 역시 소전력으로 동작하는 무선 프로토콜이다. 다만 ZigBee라는 명칭은 실은 네트워크를 제어하는 소위 OSI7 레이어 중 제3층과 제4층을 주요 수비 범위로 한다.
무선 기술로는 IEEE802.15.4인 PAN(Personal Aria Network)을 기반으로 한다.
즉 물리층(L1)과 데이터 링크층(L2)은 IEEE802.15.4를 이용하고 이 무선 통신을 효과적으로 결합시키는 네트워크층(L3) 기술로 ZigBee가 이용된다. 엄밀히 말하자면 ZigBee는 라우팅 프로토콜이지만, 일반적으로 레이어가 낮은 곳(L1이나 L2)은 대다수의 사람이 선호하는 부분이기 때문에 IEEE802.15.4 부분을 포함하여 ZigBee라고 칭하는 경우가 많다.
Z-Wave와 비교해 스루풋이 높고 접속 가능 대수도 늘기는 했지만(통신 상황에 따라 달라지기 때문에 실질적인 접속 대수는 Z-Wave와 큰 차이가 없다고 생각해도 좋다) 기본이 되는 사용 주파수 대역이 2.4GHz의 소위 ISM(산업, 과학, 의료)에 적합한 광대역(전자레인지도 여기에 포함된다)이기 때문에 특히 가정에서는 방해원이 많이 존재한다.
단적인 예로 전자레인지의 전력소비를 측정하려 할 경우 전자레인지 자체가 ZigBee와 동일 주파수 대역의 방해원이 되어 통신을 방해한다.
휴대 단말인 무선 마이크에서 이용하는 블루투스(Bluetooth)도 마찬가지로 2.4GHz 대역을 이용하기 때문에 역시 방해원이 된다.
다만 IEEE802.15.4d로는 950MHz(950.8~955.8MHz)대의 센서 네트워크 기기(액티브계 소전력 무선 시스템) 용도로 (일본에서)권고되고 있어 Z-Wave와 동일한 주파수 대역을 이용하는 것이 가능해졌지만 2012년에 920MHz대로 변경됐다. 이 경우 스루풋이 40kbps 정도로 Z-Wave와 큰 차이가 없다.
표 2에서 통신거리를 수백m까지로 했는데 그 이유는 과거 한 전시회에서 장거리용 ZigBee 모듈로 전시됐던 것이 400m를 표방하고 있었기 때문에 이를 반영했다.
실제로는 Z-Wave와 동일한 1접속당 30m 정도라고 생각하면 되는데 Z-Wave나 ZigBee 모두 중계 동작이 가능하기 때문에 네트워크의 규모는 수백m의 범위에 달한다고 생각해도 무방하다.

Wi-Fi

Wi-Fi는 소위 무선 랜이다. 노트북에서 태블릿 단말기에 이르기까지 최근의 휴대기기에는 반드시 탑재되어 있는 통신방식이다.
단독 통신거리가 짧지 않고 스루풋도 높기 때문에 동영상 전송이 가능한 고성능 통신방식이다. 상호 접속성이 높고 디바이스도 특별하지 않기 때문에 입수가 용이하며 시장에 많이 출시되어 있어 가격도 그다지 높지 않다.
Z-Wave나 ZigBee는 센서 네트워크 목적이기 때문에 버튼 전지로 수 개월간 동작시킬 수 있는 반면 Wi-Fi는 버튼 전지로는 동작하지 않는 것이 단점이다.
즉 Z-Wave나 ZigBee는 정전 시에도 버튼 전지로 백업이 가능하지만 Wi-Fi는 배터리를 준비해 두는 것이 좋다.
높은 신뢰성을 요구하는 시스템이 필요할 경우에는 상당한 비용을 각오해야 한다.
또 Wi-Fi에서 이용하는 2.4GHz대는 ISM 대역이기 때문에 주위에 방해원이 되는 시스템(전자레인지나 일부 무선전화 등)이 다수 존재한다는 점도 단점이다.
5GHz대 역시 기상 레이더와 동일한 주파수대를 사용하기 때문에 근방(수k~수십km 이내)에 기상 레이더가 있으면 사용이 불가능할 수도 있다.
시험적으로 시스템을 구축하는 것이라면 다른 방식에 비해 가장 간단하다는 이점이 있는 반면 센서 네트워크로는 성능이 높은 데 비해 방해원으로 인해 통신환경이 그리 좋지 않기 때문에 시스템으로서 신뢰성을 높일 수 없다는 측면에서 추천하고 싶지는 않다.
어느 날 필자의 지인으로부터 가정에서 노트북에 내장된 무선 LAN으로 자택의 무선 라우터에 접속하려다 옆집에 접속했다는 이야기를 들었다.
‘갑자기 무선 LAN을 사용할 수 없게 되었다’면서 어떻게 해야 할지 도움을 청해와 알아보니 지인의 자택에 있는 무선 라우터의 SSID와 지인의 노트북에 기록된 SSID가 다르다는 걸 확인할 수 있었다.
‘최근에 근처에 이사 온 집이 있나?’ 하고 물어보니 ‘그러고 보니 옆집이 이사 온 뒤로 사용할 수 없게 된 것 같다’는 대답을 들었다. 최근에는 암호와나 자동설정 등 상당히 발전하긴 했지만 여전히 방심할 수 없는 기술임에는 틀림없다.

PLC

PLC는 Power Line Communications의 약칭으로는 ‘전력선 반송파 통신’ 정도로 해석할 수 있다. 가전제품을 작동시키기 위해 사용하는 전력용 배선에 변조된 신호를 중첩시켜 통신하는 방식이다. 굳이 말하자면 ‘전력 케이블에 통신용 신호도 실어 보내는’ 통신방식이다. 이로 인해 가장 큰 장점은 ‘새로운 케이블의 부설이 필요하지 않은 유선통신 방식’이라는 점을 들 수 있다.
전력원으로서의 교류는 50/60Hz이지만 이와 비교해서 주파수가 높은 신호를 정보용으로 이용한다. PLC로 이용이 허용된 주파수대에는 100~450kHz의 장파대를 이용하는 것과 2~30MHz의 단파대를 이용하는 것 두 가지가 있다.
그 중 단파대를 이용하는 것을 ‘고속 전력선 통신’이라고 하며 2006년에 규제완화를 통해 이용이 가능해진 새로운 기술이다. 장파를 이용하는 PLC는 이전부터 있던 것으로 단독주택의 인터폰 등에서 이용되고 있다.
기본적으로 전력선이 연결되어 있는 범위에서 통신하기 때문에 무선인 다른 방식에 비해 오접속 가능성은 낮지만 원룸 등에서는 전력량계를 통과하여 옆집까지 신호가 미치는 경우도 있기 때문에 유선이라고 해서 방심해서는 안 된다. 다만 단독주택에서는 특별히 문제는 없을 것으로 보인다.
PLC의 단점은 크게 두 가지가 있다. 하나는 통신에 이용하는 전력 배선이 애초에 통신을 목적으로 하는 것이 아니기 때문에 가정 내의 배선 부분이 안테나가 되어 주로 단파대의 방해원을 방출하지 않을까 하는 우려가 큰데, 특히 전파천문이 영향을 받을 수 있어 문제시 되고 있다. 이로 인해 일본에서는 2012년 3월 말 시점에서도 PLC를 이용한 액세스계의 이용을 포함한 옥외 이용이 불가능하다.
다만 2011년에 규제완화에 대한 논의가 시작되어 자택의 정원 등 부지 내에서 건물 외부에서의 이용에 대해서는 완화시키는 분위기에 있지만 향후의 동향이 어떻게 변할지 알 수 없기 때문에 아직은 정해진 바가 없다.
그러나 스마트미터에 PLC를 탑재하여 전력 사업자가 전력소비량을 원격으로 계측할 수 있는 이용 방법은 대상에서 제외되었기 때문에 옥외 이용에 대한 기대가 불가능하다(한국에서는 일반적으로 실시되고 있다).
두 번째는 표준화의 지연 문제로 현재는 규격이 난립해 있다. 일본에서는 주로 HD-PLC, 미국에서는 Home Plug, 유럽에서는 ITU-T G.hn, 한국은 Xeline 등 복수의 방식이 존재하는데 의외로 상호 접속성이 상당히 낮다.
HD-PLC와 Home Plug는 상호 접속성을 확보하기 위해 IEEE로 표준화를 진행하고 있는데 ITU-T G.hn은 ITU-T, Xeline는 OSI와 각각 다른 표준화 단체에서 표준화를 진행하고 있기 때문에 현 시점에서는 공존의 전망이 보이지 않는다.
HD-PLC는 무선 LAN으로 도달하기 어려운 부분을 보완하는 용도에 맞는 소위 인터넷 액세스를 위한 기술이기 때문에 센서 네트워크에는 그다지 적합하지 않다.
HEMS나 BEMS 혹은 스마트미터 등을 사용하는 센서계의 네트워크로서 생각한다면 한국의 Xeline 방식이 적합할 것으로 보인다.
*한국의 Xeline사는 2012년 4월에 사실상 소멸되어 한국국내에서 스마트미터용 PLC는 Crenus사가 이어가고 있다. Crenus사와 Xeline사의 PLC칩은 호환성이 없다.


本 記事는 日本 OHM社가 發行하는  OHM 誌와의 著作權協約에 依據하여 提供받은 資料입니다.