무선을 선택하는 이유: 무선 원격 모니터링의 장단점

무선 모니터링에 무선 기술을 사용하고자하는 연구에 막대한 시간과 비용이 투자되었습니다. 하지만, 업계에서 의미있는 무선 배포는 이제 막 시작하는 구체화단계입니다. 원격 모니터링 어플리케이션에서 케이블을 제거함으로써 얻을 수 있는 많은 장점이 있는 반면 여전히 해결 과제도 산적해 있습니다. Wi-Fi와 ZigBee 같은 무선 표준이 지속적으로 무선 센서 네트워크에서 사용되고 발전됨에 따라 이와 관련된 문제도 해결되고 있는 중입니다. 본 문서에서는 무선 기술이 어떻게 발전되어 왔으며, 무선 원격 모니터링 어플리케이션을 설계하는데 고려해야할 사항은 무엇인지 살펴보겠습니다.

무선 원격 모니터링의 장점

유선 방식 대신 무선 네트워크를 선택하여 얻을 수 있는 두 가지 주요 이점은 케이블과 와이어를 제거하여 생기는 유연성과 비용 절감을 들 수 있습니다.

유연성

연결할 와이어나 케이블이 필요하지 않은 무선 모니터링 시스템은 기존의 네트워크에 비해 내재적으로 훨씬 더 유연합니다. 무선 모니터링 시스템은 고정된 네트워크 토폴로지나 시스템 셋업에 제한받지 않고, 추가, 업그레이드, 확장 등에 무한한 가능성이 열려있습니다. 이렇게 편리하다는 것은 측정 설정과 관련해 오버헤드가 덜 발생한다는 것이기 때문에, 이로 인해 추가적인 측정을 할 수 있는 더 많은 기회가 생겨 시스템에 대해 더 자세히 알 수 있는 시각이 생깁니다. 또한 무선은 모아놓은 데이터의 휴대성을 더욱 확대합니다. 필드 측정은 통상적으로 시간과 비용이 대거 소요됩니다. 케이블 없는 센서를 사용하면 셋업 시간이 상당 부분 단축됩니다.

여러 어플리케이션에서 와이어와 케이블 사용이 그리 실용적이지 않은 경우가 있습니다. 예를 들어, 크레인 또는 석유 시추 헤드 등 이동하거나 회전하는 기기는 수많은 케이블들이 엉키지 않도록 정리를 해야합니다. 이로 인해 시스템에 복합성이 더욱 가미되며, 정기적인 유지보수가 필요합니다. 특히 슬립 링을 사용하는 경우, 링 자체가 마모되면서 신호 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다. 무선 방식을 사용하면 센서 자체가 테스트 중인 디바이스와 함께 회전하거나 이동하기 때문에 앞서 말한 것과 같은 추가적인 케이블링 작업을 없애줍니다. 또한 아날로그-디지털 변환이 실제 신호 소스에 더 가까이 접목되면 신호 무결성이 더욱 향상됩니다.

비용

무선 원격 모니터링 시스템의 유연성은 대규모 비용 절감으로 이어집니다. 한 예로, 머신의 상태가 공장 운영에 절대적인 영향을 끼치게 되는 제조 현장을 생각해 보겠습니다. 비용 절감은 두 가지 단계인 비작동 시간의 단축과 설치 인력 감소로 이루어져 있습니다. 더욱 많은 진단 측정을 수행하면 머신의 상태와 프로세스 효율성에 대해 더욱 향상된 시각으로 살펴볼 수 있습니다. 추가된 각 센서는 파트가 작동 중지하려는 시점을 알 수 있게 해주어 잠재적인 비작동 시간을 줄일 수 있습니다. 더 많은 데이터가 있으면 유지보수와 관련된 문제에 더욱 신속하게 대응하여 예방할 수도 있습니다. 그러나, 이같은 통찰력을 위한 비용이 추가 측정에 드는 비용과 비례해서는 안됩니다. 산업 환경에서 케이블이나 와이어 연결에 드는 비용은 새로운 모니터링 시스템의 투자 대비 수익 (ROI)을 계산할 때에 무시해서는 안되는 요소입니다. 엔지니어링 개발에 드는 노력, 원료, 시스템 비작동 및 케이블 연결 비용 등은 피트당 10달러에서 1000달러까지 소요된다는 사실을 간과해서는 안됩니다. 복잡하게 분산된 측정을 하고 있다면 센서 추가에 비용이 많이 소요되어 진단으로 얻을 수 있는 이점이 무마되어버립니다. 무선 모니터링 시스템은 설치 및 유지보수에 드는 비용이 낮습니다.

무선 원격 모니터링의 문제점

원격 모니터링에 무선을 사용하여 얻을 수 있는 재정적인 혜택은 막대합니다. 그렇지만 업계에서 본 기술을 채택하는 속도는 더디게 진행됩니다. 보안, 안정성, 통합, 전력 등 무선 측정 시스템을 널리 보급하기 이전에 해결해야 할 많은 과제가 있기 때문입니다. 

보안 및 안정성 문제

보안은 무선 사용을 고려하는 엔지니어와 과학자들에게 있어 가장 큰 우려 요소입니다. 그 배경적인 이유는 허가되지 않은 접근을 막지 못했던 Wired Equivalent Privacy (WEP)와 같은 초기 무선 표준이 실패했기 때문입니다. 무선이 보편화되기 이전에 해결되어야 할 네트워크 보안에는 두 가지 주요 컴포넌트 (1) 액세스, (2) 암호화(encryption)가 있습니다.

본질적으로 무선 네트워크는 유선 네트워크 (이더넷 등)에 비해 접근이 수월합니다. 그 이유는 무선 네트워크가 폐쇄된 시스템이 아니므로 데이터가 공중에서 이동하기 때문입니다. 그러나, 무선 네트워크 액세스를 제한하기 위한 여러가지 옵션이 있습니다. ZigBee와 기타 저전력의 PAN (personal area networks)에는 방송 범위가 제한되기 때문에 물리적 영역을 제한하는 것이 보다 쉽습니다. 대규모 시스템의 경우, IEEE 802.11X와 같은 표준은 EAP(Extensible Authentication Protocol)에 기반한 무선 네트워크에 인증(authentication)을 제공하도록 발전되었습니다. 네트워크의상의 클라이언트는 네트워크 접근을 허가받기 전에 반드시 신원을 보장해야 합니다. 뿐만 아니라 허가받지 않은 네트워크 접근을 방지하기 위한 더 단순한 전략도 있습니다. 무선 네트워크에 대한 우수한 보안 사례는 MAC 그리고/또는 IP 주소 필터링 및 SSID (서비스 세트 식별자) 은폐를 들 수 있습니다.

허가받지 않은 사용자가 데이터에 접근할 수 있을지라도 데이터의 해독이 쉽지 않습니다. 무선 네트워크상의 데이터 암호화는 평문(clear-text) 형식에서 128비트 암호에 이르기까지 지난 십 여년간 큰 폭으로 발전을 거듭하였습니다. Advanced Encryption Standard (AES)는 현재 NIST 표준이며, 모든 US 정부 기관에서 의무적으로 사용하고 있습니다. ZigBee 및 Wi-Fi는 모두 128-비트 AES 암호 옵션이 있습니다. 안타깝게도 대부분의 무선 사용자들은 새로운 인증 및 암호 기술을 활용할 수 없습니다. 따라서 이에 대한 교육이야 말로 무선 보안 문제의 가장 큰 화두입니다.

기존 시스템과 통합

무선 보안 취약점에 대한 보편적인 솔루션은 독점 (proprietary) 네트워킹 프로토콜입니다. 독점 네트워크는 그 세부사항이 공개되어 있지 않기 때문에 더욱 보안이 강화된 것으로 널리 알려져 있습니다. 본 솔루션의 문제점은 두 가지로 요약됩니다. 첫째, 프로토콜 등과 같은 세부사항이 유출되면 전체 시스템이 타격을 받습니다. 두 번째, 독점 네트워크는 기존의 유선 시스템과 통합이 어렵습니다. 독점 프로토콜을 선택하였다면, 특정 벤더가 생산하는 네트워크 컴포넌트를 사용해야만 하며, 기존 사용자의 기기와 연동하지 않을 가능성이 있습니다. 이는 소프트웨어에도 적용됩니다. 턴키 데이터 로깅 소프트웨어는 통상 개방되어 있지 않습니다. 즉, 변경이 어렵습니다. 벤더가 정의한 솔루션을 사용할 경우, 미래에 그 벤더가 존재하지 않을 가능성을 생각해본다면 그로 인한 위험 부담이 큽니다. 표준 기반의 무선 솔루션을 선택하면 사용자가 여러 옵션을 제공받음으로써 앞서 말한 위험 부담이 경감됩니다.

표준 기반의 무선 네트워크를 사용하는 장점은 낮은 비용, 다른 공급업체 제품과의 상호 연동가능, 및 이미 입증된 최고 사례 등으로 열거됩니다. 또한 IEEE 802.11과 같은 표준은 기존 이더넷 기반 시스템과 편리하게 통합됩니다. 개방적인 소프트웨어 시스템을 선택하는 것은 통합과 확장성 모두에 동등하게 중요합니다. 예를 들어 NI LabVIEW는 독점 및 표준 기반 무선 네트워크와 모두 통신할 수 있습니다.

배터리 수명

무선 네트워크를 사용하는 세 번째 잠재적인 문제는 특정 어플리케이션에 해당하는 문제지만 전원입니다. 예를 들어, 화학 공장에서는 네트워크 연결에 비해 전원이 더 중요할 수 있습니다. 따라서 네트워크 케이블을 제거하여 전원에 영향을 미치는 것을 최소화해야 합니다. 다른 어플리케이션에 경우, 무선 네트워크는 반드시 완벽하게 케이블이 없어야 합니다. ZigBee와 802.15.4는 위치적으로 멀리 떨어져있는 분산된 모니터링 어플리케이션을 위해 고안되었습니다. 무선 센서 또는 “모트(motes)”는 수집하는 데이터 양을 제한하고 전송하는 주파수를 제한함으로써 배터리만으로 수 년 동안 작동 가능합니다. 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 태양열 패널, 마이크로발전기 등의 대안 에너지 소스가 연구 중에 있습니다.

무선 기술의 미래

Venture Development Corporation의 연구에 따르면 무선 측정 디바이스와 서비스에 대한 전세계 시장이 2012¹년에 이르면 15억 달러에 이를 것으로 추정됩니다. 

Current and Forecast Worldwide Shipments of Wireless (RF/Microwave) Products
Under Study for Industrial On-Site Monitoring & Control Applications
Segmented by Network Interface Classes (US Dollars in Millions)¹

무선 네트워크 프로토콜은 초기 기술과 관련된 문제점들을 해결하는 과정에서 더욱 발전을 거듭하고 있습니다. Wi-Fi와 ZigBee 같은 표준과 LabVIEW 무선 원격 모니터링과 같은 개방적인 소프트웨어는 앞으로도 지속적으로 널리 보급될 것으로 전망됩니다.

참조

¹James K. Taylor Venture Development Corporation. 분산 및 프로세스 제조에 있어 RF/마이크로웨이브 무선 모니터링과 컨트롤 제품의 전세계 시장 2008년 3월

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