지그비(ZigBee) 의 SEP 2.0 표준 살펴보기

An overview of ZigBee's Smart Energy Profile 2.0 standard

Srinath Balaraman and Anil Khanna, Mentor Graphics

5/14/2013 11:30 AM EDT 

IoT 의 부분으로서 정의된 디바이스들은 상호 연결된 디바이스/네트워크를 이용하기 위한 혁신적인 방법을 찾는 방향으로 빠르게 개인/산업에서 성장하고있다.  머신간(M2M)에 통신을 할수있게하는것은 무한한 가능성을 가지고있으며, 스마트 에너지의 떠오르는  아주 유망한 기술분야의 하나일것이다.

홈 미터장치로서, 개인 디바이스/어플라이언스는 서로 연결되기 시작하며, 어떻게 현명한 에너지 소비결정을 할수있는지에 대해 이해하기 쉬운 그림을 그려나가게 한다.

스마트 그리드를 위한 집과 로컬인터넷네트워크에서 디바이스들의 연결은 집주인과 전력회사간에  양방향 통신을 할수있게 해주며 점점 현실화 되고있다.

이 기사에서는 지그비얼라이언스에 의해 개발되는 스마트 에너지 마켓의 떠오르는 표준인 SEP 2.0 에 대한 전반적인 모습을 보여줄것이다.

SEP 2.0 에 대한 기본적인 이해를 바탕으로, 소프트웨어 개발자들은 스마트 에너지 어플리케이션을 개발하기위해 적합한 임베디드 소프트웨어를 선택하기위한 준비를 더 잘 하게될것이다.

IoT 와 새로운 개척자 

IoT 는 요즘 들려오는 시끌시끌한 단어인데 ,먼가 미래엔 흥미로운것들이 일어날것 같은 상상을 하게 해준다. 스스로 내용물을 체크하는 냉장고인데 만약 필요한 식료품이 없으면 알아서, 직장에서 돌아오는 길에 쇼핑을 할수있도록  쇼핑 리스트를 정리해서 이메일을 보내준다던지 하는것말이다. 집에 돌아오면 알아서 적당 온도가 맞춰져 있고 저녁식사를 위해 오븐이 미리 데워져있는 그런 쿨한 것들 말이다.  

무선연결기,센서,마이크로 프로세서등과 컴비네이션된 임베디드 디바이스의 빠른 확산은 기능적으로 풍부하고 지능적인 결과를 만들고있으며, 기기들이 현명하게 연결된 세상에 대한 비전을 우리에게 보여주고있다.

Figure 1: Energy providers, the development of a nationwide smart grid and energy-conscious consumers will usher in a new era of smart energy use

이런 기술셋을 적용하면 스마트 에너지라는 단어로 불리는 에너지 소비를 발전시킨다. 스마트 에너지뒤에 있는 개념은 내부에서 외부까지 모든 디바이스,네트워크,스마트 그리드 그자신을 포함하여 에너지를 조절하는것이다. 홈 네트워크와 발전소사이의 양방향 통신은 신뢰성/지속성을 증가시켜서 큰 가능성을 열어준다.

Figure 2: In a typical smart home, devices such as a washing machine, an in-home display, and a power meter all work together in tandem –to make the home and grid smarter

스마트 에너지에 대해 스마트해지기

스마트그리드와 스마트홈 (스마트 가전, 게이트웨이 등) 과 스마트 미터(전기,가스,물) 은 스마트 에너지 에코시스템의 중요한 요소이다. 스마트 홈 가전들은 매일 사용자와 상호작용하는 전형적인 기기이다. 이런 기기를 서로서로 소통하게하고 소비자에 의해 컨트롤되는것은 figure 2) 처럼 전체적으로 새로운 편리함이 더해진다. 

스마트 온도장치, 스마트 스위치, 스마트 냉장고 등 오늘날에는 무선으로 연결될수있고 지능적으로 작동할수있는 여러 제품이 있다. 몇몇 진보된 가전제품들은 커넥티드 홈안에서 다른 디바이스들과 상호작용을 하기위해  빌트-인 웹서버를 포함한다. 스마트미터들은 이런 홈/오피스 에서 게이트웨이이고 스마트 그리드와 함께 이런 정보들 모두 혹은 일부를 공유하기 전에 리소스 사용처를 측정하고 수집한다.  그리드는 이런 정보로서 부하조절 , 피크 단축(peak curtailment) , 수요매니지먼트등의 작동을 할수있게 된다. 

스마트 에너지 디바이스들(그들의 표준 기능으로부터 좀 떨어진)은 로컬 네트워크안에서 다른 스마트 에너지 디바이스와 반드시 통신할수있어야한다. 그리고 관련정보(과금,사용상황,알림등)들을 서로 주고 받고 할수있어야한다. 데이타 교환은 전반적인 효율성과 장애극복을 높힐뿐 아니라 에너지 사용을 효율적으로 옵티마이징할수있게 해준다.  

스마트 미터들은 에너지 제공자에게 사용데이터를 모으고 전송해주고 소비자들에게는 그들의 에너지 소비상황을 조절하고 모니터링할수있게 해준다. 즉 사용자로부터 사용데이터(usage data) 가 에너지 제공자로의 흘러가는 동시에 과금데이터가 에너지 제공자로부터 소비자로 흘러들어가게된다. 이런 양방향 흐름정보는 소비자로 하여금 현명한 소비를 하게 한다.

이런 양방향성과 실시간 커뮤니케이션은 에너지 제공자가 에너지 공급 & 분산정책을 잘 계획하도록 도와줄수도있다.

스마트 에너지 디자인 표준화 하기

ZigBee 얼라이언스는 SEP 2.0 이라는 명세를 스마트 에너지 에코시스템의 여러가지 측면(디바이스간 통신, 연결성 , 정보공유등) 에 대해 형식화 하기위해 만들었다. 

SEP 2.0 은 디바이스들끼리 커뮤니케이션하는것에 관한 가이드라인을 제공하며, 여러가지 디바이스 속성(조절될수있음)을 정의한다. 이런 속성 ("리소스"라고도 말해짐) 은 SEP 2.0 기능 ("기능 셋" 이라고 불려짐) 을 구현한 논리그룹에서 서로 어울려서 작동하게된다. 

미터링 시스템이나 과금시스템은 특정 어플리케이션 기능셋 (application-specific function set) 의 전형적인 예이다. 스마트미터같은 디바이스들은 사용통계나 경향같은 속성이 추가된서비스들을 제공하기 위해 하나 또는 그 이상의 기능셋을 구현한다. 이런 과금통계나 경향정보는 에너지 제공자나 소비자 모두에게 서비스 및 에너지사용을 더 잘할수있게 해준다.

디바이스상에서 기능셋과 그들의 리소스들은 HTTP URLs 를 통해 접근되어진다. 이런 디바이스들은 DNS-SD 나 mDNS 같은 기술을 사용하여 네트워크상에서 동적으로 주변의 서비스들을 탐색한다. 그리고 그들 자신을 SEP 2.0 기능셋을 구현한 리소스에 접근하기위해 스스로 등록한다. 

스마트 에너지 디바이스간에 진정한 상호작용할수있는 에코시스템을 제공하기위해 TCP/UDP 와 IP-Based 네트워킹의 사용은 필수적이다. 또한 외부 네트워크에 노출된 취약점이 있기때문에 디바이스간의 보안에 관한것도 중요하다. 

많은 스마트 디바이스들은 꾸준하면서 신뢰성있고 실시간데이터를 서비스하기 때문에, 디바이스들은 반드시 "항상켜져있고" "항상 연결되었는" 상태를 유지해야한다. 그것은 또한 스마트 에너지 디바이스들은 그들 스스로 굉장히 에너지에 있어서 효율적이어야한다는 말이된다. 

마지막으로 그들은 반드시 유/무선네트워킹을 지원해야한다. 

상호 연결된 디바이스를 위한 하드웨어

현재 주요 홈 가전 디바이스들은 떠오르는 M2M 물결에 맞춰진 진보된 모습을 아직 가지고있지 않다. 그래서 하나의 디바이스안에 여러 능력을 통합하는것은 매우 비싼 하드웨어 업그레이드 비요을 지불해야한다는걸 의미한다. BOM의 증가를 초래하는데 제조업자들은 스마트 에너지기능을 가진 가전제품을 추가비용과 함께 제공할때 생기는 이윤의 밸런스를 맞추어야한다. 

좀 가전제조사들은 스마트 에너지기능을 가진 가전제품을 디자인 하기위한 비용을 효율화할수있는 솔루션을 찾기위한 여러 옵션을 가지고있다. 이런 가전제품에 대한 SoC 하드웨어사는 기능성, 폼 팩터, 소프트웨어 지원, 비용사이에서 올바른 밸런스를 찾아가기위해 고군분투하고있다.

32-bit 마이크로 컨트롤러스(MCUs) 는 그들을 강력한 후보군으로 만들기위한 맞춤형의 프로세싱파워,메모리,연결성등을 제공하려한다.  현세대의 Freescale, Kinetis,STMicroelectronics STM32, TI Stellalris (ARM Cortex-M core) 같은 마이크로컨트롤러는 합리적인 가격에 엄청난 기능을 제공한다.  옳바른 하드웨어의 선택은 그저 시작일뿐이다. 이 방정식을 마져 풀기위해서 소프트웨어 선택이 남아있다. 

Figure 3: An example of a hardware design that can support a wide range of peripherals, powered by a real-time operating system such as Nucleus RTOS, which offers all the services required by SEP 2.0
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옳은 소프트웨어 선택하기

소프트웨어기술에 관한 요구사항은 SEP2.0 스펙에 포함되어져있다. 풍부한 TCP/IP , UDP 스택지원; mDNS 나 DNS-SD 같은 동적 서비스 탐색 능력을 가진 IPv6 서비스; 그리고GET,PUT,POST,DELETE 같은 기본메소드를 지원하는 HTTP 구현같은것; 또한 의무적으로 SSL/TLS 같은 보안구현사항들과 다양한 현대 인터넷 테크놀러지 아키텍처 (Restful, XML, EXI 인코딩 스킴). 그런 소프트웨어 테크놀러지를 지원하는 베이스로 사용하기 충분한 Linux. 그러나 불행하게도 96~128k 범위의 RAM 을 가진 마이크로 컨트롤러의 사용은 옵션에서 리눅스를 제외한다.  그런 기술을 개발하는것은 매우 비싸며 시간이 많이 소모되는데, 그런 제약사항은 RTOS 시스템을 이런 디바이스에 구현하도록 만드는 역할을 하고있다.  

이런 RTOS 들은 빠르고 효율적일뿐만 아니라 강력하다. 그들은 전형적으로 네트워크 스택을 포함하며 SSL/TLS 같은 보안에 대한것들도 제공한다. 꽤 무거운 소프트웨어들도 지원할수있는 메모리사이즈를 가질수도있다. Nucleus RTOS 는 그런 솔루션중에 하나이다. (Figure 3). 이것은 많은 스마트 그리드 디바이스 요구사항을 충족시켜줄수있다. 무겁고, 실시간 성능 및 파워 매니지먼트 서비스를 통합하고있다. 그런 RTOS 메모리 제약이 있는 MCU 에 적합하며, 스마트 그리드 디바이스와 연결되는것에 의해 요구되는 커다란 기능셋을 제공할수도있다.

결론 

With the projected rapid growth in the adoption of smart grid technologies, designing fully compliant devices that keep the bill of materials minimized will become a major challenge for manufacturers. To create a device compliant with the SEP 2.0 specification, a homegrown software design is likely not an option due to the high number of functional requirements and the expensive in-house development efforts. On the other extreme, using a general purpose operating system will result in unacceptable cost increases because of the need for significantly upgraded hardware resources. Device manufacturers need to find the right balance when choosing both the software design and hardware platform. The use of a scalable, power-efficient, real-time operating system with extensive networking support (wired and wireless) — along with one of the 32-bit MCUs now available in the market—is the closest to meeting all of these requirements. Following this design paradigm, designers will significantly reduce their time-to-market and still realize all of their smart grid application goals.

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http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1280846 번역