사물인터넷 통신기술(Zigbee) 이해하기

왜 Zigbee를 쓰는가

4차 산업혁명, IOT, IOE와 같은 용어들 사이에서 핵심이 되는 기술은 무엇일까?? 그것은 바로 무선통신 시스템을 구현하는 프로토콜일 것이다. 여기서 프로토콜이란 통신방법의 명세를 의미한다. 이들은 여타의 설계과정과 마찬가지로 요구사항을 받고 개발이 되었다. 특히 사물인터넷을 구현하기 위한 통신 프로토콜이 갖춰야 할 조건은 다음과 같았다.

· 다양하고 많은 device간의 data 교환이 원활하게 이루어질 것

· 사물간의 통신은 real time을 보장받을 것

· 저전력으로 동작할 것

· 저가로 제작이 가능할 것

엔지니어들이 노력한 결과, 위의 사항들을 만족하는 많은 통신 기술들이 개발되었다. 대표적인  통신 기술에는 다음의 것들이 있다.

ZigBee IEEE 802.15.4 기반 각 노드가 라우팅 기능을 내재해 릴레이 기능 가능 전송거리 : 10 ~ 100	ANT 저전력으로 센서간 무선 통신 자전거, 헬스케어 디바이스, 스포츠 센터 등에서 사용 중
블루투스 근거리 무선 통신을 위한 산업 표준 IEEE 802.15.1 기반 2.4GHz 주파수 대역 사용 산업전반에 걸처 가장 범용적인 프로토콜 중 하나	NFC Near Field Communication RFID 기술 중 하나. (접촉식) 전송거리 : 4cm 이내 데이터 교환 가능

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Zigbee 모듈의 모습.

PART 1 - About Zigbee

What is Zigbee?

 

1. IEEE 802.15.4-2003 프로토콜에 관하여

Zigbee는 IEEE 802.15.4-2003 protocol을 기반으로 한 무선 통신기술이다. 그렇기 때문에 프로토콜이 갖는 특징들을 그대로 가지게 되었다. 결국 Zigbee를 이해하기 위해서는 IEEE 802.15.4-2003 프로토콜에 대한 이해가 선행되어야 한다.

1) Features

. 저전력이다.

. 연결 장치 수가 많다

. 저렴한 제조단가를 추구한다.

. 제조사 마다 Energy detection을 사용한 전력 관리 시스템을 구성시킬 수 있다. 

 

2) Protocol layout

 

 

여타의 통신들과는 다르게 프로토콜의 스택이 매우 간단한 것을 확인할 수 있다. 이는 곧 설계와 유지보수의 용이성을 확보할 수 있다. Upper layers 는 추상화의 개념에서 온  개념이다. IEEE 802.15를 활용하더라도 아래계층을 직접 구현하지 않도록 하여 엔지니어에게 편리성을 제공하고 설계과정에서의 효율성 증대를 기대할 수 있다.

2. Zigbee란??

Zigbee는 위에서 보았던 802.15.4 프로토콜을 기반으로하여 개발된 통신 방법으로써 저전력, 저가의 장비 개발에 적합한 통신 기술이다. Zigbee의 구성을 수식으로 나타내면 다음과 같다. 

Zigbee 표준 = IEEE 802.15.4 표준 + 네트워크 계층 + 애플리케이션 계층

 

1) Specification

· 최저전력 : 100mW 미만 → 저전력 동작이 가능하다.

· 통신거리 : 100미터 정도 → 통신거리가 여타 근거리 무선통신에 비하여 긴 편이다.

· 통신주파수 : 2.4GHz (16채널) , 915MHz (10채널) , 868MHz (1채널) 

· 데이터 전송속도 : 250Kb/sec → 속도가 느린편

 

2) the field of use

Zigbee 는 많은 디바이스간의 통신이 필요한, 그리고 저전력과 저비용을 요구하는 IOT 분야에 있어서 두각을 나타낸다. 이에 따른 주 사용처는 다음과 같다.

· 홈IOT 분야(화재 경보기, 홈 엔터테인먼트 제어)

· 스마트 팩토리(프로세스 통제, 재고 및 자재 관리, 공정 모니터링)

· 보안 솔루션(침입경보 시스템, 도난방지 시스템)

 

3) How to Zigbee works

Zigbee의 네트워크를 구성하는 디바이스는 크게 세 가지가 존재한다.

Coordinator, Router, End device 이 각각의 디바이스는 서로 긴밀하게 협약하여 데이터를 주고 받게 된다. 각 디바이스들의 특징을 표로 정리하면 다음과 같다.

	Coordinator	Router	End device
역할	·  네트워크를 만든다	·  네트워크 커버리지를 넓히고 자식노드를 관리하는 역할을 한다	·  아주 간단한 기능의 제한된 프로토콜의 저전력 장치들을 지칭한다
특징들	·  단 1개만 네트워크에 존재   ·  네트워크 정보를 저장함   ·  다른 노드로 데이터 Routing가능	·  Mesh및 Tree 네트워크 상에서 Routing을 담당   ·  선택적인 구성요소임   ·  네트워크 범위를 넓힘   ·  자식노드들을 네트워크에 연결/해제하는 역할을 함   ·  자식노드들의 통신속도를 조절함	·  저전력에 최적화 되어 있음   ·  센서 등의 장치는 End device로 구현되어야 함   ·  오직 부모 노드와만 통신   ·  다른 노드와는 연결될 수 없음

 

4) Networking topology에 따른 디바이스들의 구성도 

                                                                  ※각 노드 색상별 디바이스

                                                                  Yellow symbol = Coordinator

                                                                  Blue symbol = router

                                                                  Red symbol = End device

 

디바이스들의 특징대로 토폴로지가 구성되어 있음을 볼 수 있다.. 각 토폴로지 마다 Coordinator는 단 하나씩 존재하며, 모든 노드의 끝은 End device로 이루어져 있다.