무선 측정 시스템 개발

무선 통신을 사용하면 배선 비용의 감소, 원격 모니터링 등의 장점을 측정 어플리케이션에 적용할 수 있습니다. 그러나 무선 통신을 활용한 어플리케이션 구현 기술과 그 방식은 각각의 무선 표준의 장단점을 이해하지 않고는 구현하기 힘듭니다.
본 문서에서는 현재 사용 가능한 다양한 무선 기술에 대해 알아보고, NI하드웨어 및 LabVIEW로 무선 통신을 활용하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.

측정 및 자동화를 위한 무선 기술

지난 몇 년 간에 걸쳐 무선 통신 기술은 널리 보급되어 왔으며, 그 활용은 소비 가전 분야에서 더욱 두드러졌습니다. 여러 무선 기기 제조업체와 여러 종류의 표준이 등장했지만, 각 기술에 대한 장단점을 이해한다면 수월하게 선택할 수 있을 것입니다. 특히, 데이터가 외부의 영향을 받아서는 안 되는 측정 및 자동화에 있어서는 그 선택이 더욱 중요합니다. 측정 시스템을 향상하기 위해 다음과 같은 무선 기술을 선택할 수 있습니다. 각 기술은 저마다의 다른 장점과 기능을 가지고 있습니다.

Wi-Fi (802.11 b/g): IEEE 802.11 표준은 무선 LAN 기술을 위한 성능을 포함하고 있습니다. 본 표준은 무선 클라이언트와 베이스 스테이션간의 무선 인터페이스 뿐 아니라, 두 개의 무선 클라이언트간의 통신을 지칭합니다. 초기의 IEEE 802.11은 2.4 GHz 대역에서 1 ~ 2 Mb/s의 통신 속도를 지원합니다. 전송 방식에는 FHSS(frequency hopping spread spectrum) 방식과 DSSS(direct-sequence spread spectrum) 방식이 있습니다.

802.11b는 Wi-Fi 규격을 기반으로 더욱 발전시킨 기술이며, 가정 및 기업의 무선 네트워크로 폭넓게 보급되었습니다. 이 표준은 2.4 GHz 대역에서 11 Mb/s 전송 속도를 지원합니다.

802.11g는 20 Mb/s 또는 그 이상의 대역폭을 제공하며, 이 수치는 환경에 따라 달라질 수 있습니다. 내쇼날인스트루먼트는 802.11g를 안정성, 보안성, 그리고 시장에서 입증된 성능 등을 고려하여 Wi-Fi 데이터 수집의 표준으로 선택하였습니다. NI Wi-Fi 데이터 수집 (DAQ) 제품에 대한 더 자세한 정보는 본 문서의 후반부를 참고하십시오.

IEEE 802.11의 주요 기능:

• 작동 주파수: b/g – 2.4 GHz
• 데이터 속도: b/g – 11 Mb/s, g – 54 Mb/s
• 거리: b/g – 100 m
• 네트워크: PTMP (Point to multipoint)
• 전력 소비: 높음

Bluetooth (802.1a): 이 통신 표준은Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba로 구성된 컨소시엄에서 제안되었습니다. 본 무선 통신 표준의 주요 목적은 근거리 즉, 10m 이내의 디바이스를 편리하게 사용하기 위한 것이었습니다. 그러나 거리의 제한과 라디오 칩 가격 등을 이유로 802.11만큼 빠르게 보급되지 않았습니다. 하지만, 통상적으로 PC 주변기기 연결, 전화기 및 헤드셋 연결 및 PDA에서 주로 사용됩니다. 본 무선 표준은 2.4 GHz 범위에서 작동되며, 데이터 변조를 위해 GFSK (Gaussian frequency-shift keying: 가우스 주파수 편이 변조) 방식을 사용합니다. 본 주파수 스펙트럼은 79개 채널로 나뉘며, 각 각의 채널은 1 MHz의 간격을 가집니다. 802.11과 마찬가지로, Bluetooth는 보안의 목적으로 주파수 호핑(hopping)을 사용하여 초당 최대 1600번으로 채널을 변경합니다.

측정에 있어 Bluetooth의 단점은 데이터 속도와 전송 범위가 제한된다는 점입니다. 구성과 보안에 있어서도 802.11g 보다는 그 활용영역이 제한적입니다.

Bluetooth (802.1a)의 주요 기능:

• 작동 주파수: 2.4 GHz
• 데이터 속도: 1 Mb/s
• 거리: 10–100 m
• 네트워크: 애드혹 (Ad hoc)
• 전력 소비: 중간

GPRS, GSM: GPRS (General Packet Radio Service)는 모바일 전화 네트워크에서 정보 송수신을 위해 제작된 비음성 서비스입니다. GPRS를 사용하면, 라디오 신호를 사용하여 데이터를 제작한 즉시 송수신 할 수 있습니다. 기존의 지상 라인과는 달리, 시스템 연결은 항상 연결되어 있으므로, 시간과 이벤트에 대한 신속한 응답이 필요한 어플리케이션에 유용합니다. GPRS는 기존의 회로 스위치 GSM (Global System for Mobile Communications) 네트워크에 패킷 기반의 무선 인터페이스를 추가하였습니다. 이론적인 최대 데이터 전송 속도는 172.2 kB/s이지만, 이 또한 단 한 명의 사용자 접속한 상태에 에러 보호가 없음을 전제로 할 때 가능한 속도입니다. 그러므로, 실질적인 속도는 고정 네트워크보다 느리며, 주변 구조, 라디오 신호 강도 및 사용자 수에 따라서도 좌우됩니다.

GSM의 주요 기능:

• 작동 주파수: GSM-850은 이동국에서 송수신 기지국 (uplink)으로 정보를 보내기 위해 824–849 MHz를 사용하며, 다른 방향 (downlink)에는 869–894 MHz를 사용합니다. GSM-1900은 이동국에서 송수신 기지국 (uplink)으로 정보를 보내기 위해 1850-1910 MHz를 사용하며, 다른 방향 (downlink)에는 1930-1990 MHz를 사용합니다. GSM-900은 이동국에서 송수신 기지국 (uplink)으로 정보를 보내는데 890-915 MHz를 사용하며, 다른 방향 (downlink)에는 935-960 MHz를 사용하여, 200 kHz에서 124 RF 채널을 제공합니다. 이중 스페이싱은45 MHz입니다. GSM-1800은 이동국에서 송수신 기지국 (uplink)으로 정보를 보내는데 1710-1785 MHz를 사용하며, 다른 방향 (downlink)을 위해 1805-1880 MHz를 사용하여 299채널을 제공합니다. 이중 스페이싱 (Duplex spacing)은 95 MHz입니다.
• 데이터 속도: 172.2 kb/s
• 거리: b35 km
• 네트워크: 포인트 투 포인트
• 전력 소비: 송신기 복합성에 따라 높고 낮음

무선 모뎀 및 독점 네트워크 (proprietary network): 극도의 온도 범위와 높은 충격 및 진동이 있는 환경을 위해 특수 설계된, 산업용 등급의 모뎀을 제공하는 다양한 업체들이 있습니다. 협대역 (UHF, VHF)에서 비허가 대역 확산에 이르는 범위의 제품을 사용할 수 있습니다. 협대역은 일반적으로 라이센스를 요구하며, 긴 범위 및 우수한 전달을 제공하고, 송수신 직결선(line of sight) 없이 전송을 지원하며, 낮은 대역폭을 요구하는 어플리케이션에 적합합니다. 대역 확산(Spread spectrum)의 경우, 라이센스가 필요하지 않으며, 다양한 범위(short-, medium-, long-range) 기능을 제공하고, 송수신 직결선(line of sight)을 요구하지 않으며, 중/ 고 대역폭 어플리케이션에 적합합니다.

무선의 장점

측정 어플리케이션을 위한 무선 기술의 주요 장점은 유선 및 케이블이 필요치 않거나, 그 사용을 최대한 줄일 수 있다는 점입니다. 어플리케이션 및 환경의 특성에 따라, 물리적 배선이 고가이고 불편하거나 심지어 불가능할 경우가 존재합니다. 직접적인 예로는 배선 설치가 어려운 구동부 플랫폼, 모바일 어플리케이션 (예, 차량 또는 크레인) 및 구조 테스트 등이 있습니다. 또한 무선 통신은 유선 통신에 비해 데이터 수집의 거리, 영역, 그리고 I/O를 확장합니다. 따라서, 수질 처리 시설 및 석유 탱크 집합 지역(tank farm)과 같은 대규모의 작업에서 무선 기술이 널리 사용됩니다. 무선 네트워크 하드웨어에 요구되는 초기 투자 비용은 기존의 유선 하드웨어에 비해 높지만 설치 비용과 작동 비용 등을 포함한 전체 시스템 비용은 일반적으로 매우 낮습니다.

무선 네트워크를 선택할 때 고려해야 할 여러 가지 요소가 있습니다.

• 성능
• 범위
• 보안

성능
성능을 고려할 때에는 스펙트럼 크기, 거리, 데이터 속도, 전력, 사용자 수 및 기술 호환성 등을 염두에 두어야 합니다. 여러 다른 표준마다 다른 데이터 속도를 정의하고 있지만, 실제로는 이론상 최대 처리량의 약 30퍼센트 또는 그 이하 정도의 처리가 가능합니다. RF 간섭 요소 및 사용자 수가 무선 네트워크의 성능에 밀접한 영향을 미칩니다. 또한, 다양한 표준을 동시에 사용할 경우, 빠른 표준이 느린 표준에 의해 제한 받기 쉽습니다. 예를 들어, 동일한 네트워크에서 802.11b와 802.11g 컴포넌트를 사용하면 802.11g 컴포넌트는 802.11b로 인해 속도가 낮아집니다.

범위와 처리량은 상호관계적입니다. 신호가 약해졌을 경우 전송 속도를 낮추어야 합니다. 예를 들어 802.11b를 사용하면, 자동적으로 속도를11 Mb/s에서 5.5, 2, 심지어 1 Mb/s로까지 낮춥니다. 대부분의 인터넷 연결에 있어 이정도 대역폭이면 충분합니다.

범위
일반적으로 무선 디바이스의 범위는 주파수가 증가할수록 떨어지지만, 항상 그렇지는 않습니다. 테스트를 통해 살펴보면, 같은 주파수를 사용한다 하더라도 802.11g는 802.11b와 동일하거나 좀 더 양호한 범위를 갖습니다. 시장에 출시된 디바이스 중에는 카드의 전력을 Wi-Fi 허용 범위 100 mW보다 증가시켜서 노트북에서 활용시 무선 범위를 추가하도록 설계된 제품들이 있습니다. 시스템에 대한 추가의 액세스 포인트를 구입하기 전에 확장 범위 카드 구입을 고려하십시오.

지향성(Directional) 안테나가 점대점(point-to-point) 방식 사용에 가장 유용하게 쓰입니다. 본 안테나는 기지국에서 볼 수 있는 등방성(isotropic) 안테나처럼 모든 방향으로 반사되는 것이 아니라 신호를 좁은 빔으로 맞춥니다. 안테나의 게인이 높으면 높을수록 빔의 포커스가 좁다는 것을 확인할 수 있습니다. 따라서, 게인이 증가할 수록, 안테나를 더욱 적절하게 맞춰야 합니다. 이는 수신기가 제대로 정밀 조정되어 있지 않으면 전송된 데이터를 잃어버릴 위험이 더 높아집니다. 지향성 안테나는 일반적으로 게인 등급에 따라 판매됩니다. 각 안테나에 대한 “빔의 폭" 설명을 보면 게인의 영향을 살펴볼 수 있습니다.

보안
무선 네트워크를 설치할 때의 주요 관심사는 보안입니다. 상업 지구와 주거 지역 모두에서 무선 네트워크가 급속도로 대중화된 결과, 여러 가지 다양한 어플리케이션의 구현으로 이어졌습니다. 사적인 정보 보호에 대한 요구가 높아짐에 따라 무선 보안 프로토콜이 개발되었으며, 무선을 더욱 안전한 기술로 만들기 위한 노력이 가속화되었습니다.

원래의 802.11 표준에는 Wired Equivalent Privacy (WEP)라고 불리는 보안 프로토콜이 포함되었습니다. 대부분의 도청을 막을 수 있을 정도로 충분하게 데이터 패킷이 암호화되었지만 여전히 취약점이 존재했습니다. 따라서 업계에서는 더욱 강력한 암호/인증 시스템이 필요하였으며, 그 결과로 IEEE 802.11i (WPA2)를 구축하게 되었습니다. WPA2는 EAP(Extensible Authentication Protocol)와 AES(Advanced Encryption Standard)를 제공하는 128비트 암호화(cryptographic) 알고리즘으로서 NIST가 인증하고 모든 미국 정부 기관에서 이 표준을 요구합니다.

또 다른 암호 방식은 전파를 물리적으로 컨트롤되는 시설의 외부로 파급되는 것을 최소화하는 방식입니다. 이로 인해 도청의 가능성이 줄어들며 서비스 공격을 거부하므로 무선 네트워크가 더욱 안전합니다.

무선 보안 에 대한 더욱 자세한 정보를 여기에서 보십시오.

측정 시스템에 무선 기능 추가

Wi-Fi 및 802.11 b/g: NI Wi-Fi 데이터 수집 (DAQ) 디바이스는 표준의 안정적인 무선기술로 고성능 스트리밍 기능을 사용하여 더욱 간단하며 안전한 측정을 구현합니다. 데이터를 실시간으로 확인 가능하며, 채널당 최고 51.2 kS/s 로 다이나믹 파형 측정을 스트리밍할 수 있습니다. 또한, 내장된 신호 컨디셔닝은 열전대, 가속도계, 로드 셀 및 기타 등과 같은 다양한 센서를 위한 연결을 제공합니다. 본 디바이스는 USB 데이터 수집 및 NI CompactRIO 프로그래밍 가능한 자동화 컨트롤러 (PAC)에서 사용하는NI C 시리즈 측정 모듈을 함께 사용할 수 있습니다.

NI Wi-Fi DAQ 가이드 투어 보기

가장 상용화된 네트워크 보안인 WPA2를 사용하면, Wi-Fi DAQ 디바이스는 원치 않는 액세스로부터 시스템을 보호합니다. 이 인증을 사용하면 승인된 디바이스에만 네트워크 액세스를 허용하며, 암호가 있어 데이터 패킷이 중간에서 차단되는 것을 방지합니다. Wi-Fi DAQ 디바이스는 DAQ 디바이스와 무선 액세스 포인트 간의 상호 인증을 제공하는 여러 가지의 EAP (Extensible Authentication Protocol : 확장 가능한 인증 프로토콜) 방식을 지원합니다. 또한, NIST가 인증하였고 모든 미국 정부 기관에서 사용하는 128비트 AES 암호를 지원합니다. 강력한 보안 프로토콜로, 무선 연결을 기존의 기업 네트워크와 안전하게 통합합니다.

Wi-Fi DAQ 디바이스에는 NI-DAQmx 드라이버뿐만 아니라, 직관적인 어플리케이션 프로그래밍 인터페이스, 구성 유틸리티, I/O 어시스턴트 및 도구가 포함된 측정 서비스 소프트웨어가 있어 시스템 설정, 구성 및 개발 시간이 절감됩니다.

어떤 NI 측정 하드웨어를 사용하느냐에 따라 다양한 옵션이 존재합니다. 모든 NI PAC에는 이더넷 포트가 있습니다.

NI Compact FieldPoint, CompactRIO, Compact Vision System, PXI 시스템 등의 NI PAC은 NI WAP-3701와 같은 Wi-Fi 액세스 포인트에 연결하면 그 즉시 시스템은 무선 네트워크에서 사용 가능하며, 통신이 투명하게 되어 마치 유선 네트워크에 연결된 것처럼 작동합니다.

데스크탑 PC나 노트북으로 NI 데이터 수집 디바이스를 사용하는 경우, Wi-Fi 액세스 포인트에 연결하기 위해 컴퓨터의 이더넷 포트를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 상용화된 PCMCIA 및 PCI Wi-Fi 어댑터를 사용할 수 있습니다. 대부분의 모든 새로운 노트북과 데스크탑 컴퓨터에는 Wi-Fi 기능이 내장되어 있습니다.

LabVIEW 에서 TCP/IP와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하면, 어플리케이션은 디바이스간에 데이터를 전송하며 그 매개가 물리적인 이더넷 케이블이거나, 공중을 통한 전파인지에 관계없이 투명하게 전송합니다.

예를 들어, LabVIEW는 TCP 통신을 위한 내장된 함수를 제공합니다. (그림 1) 본 함수는 측정 시스템이 케이블이나 또는 무선 모뎀을 통해 연결되어 있으면 동일한 방식으로 작동합니다.

그림1. LabVIEW TCP VIs

Bluetooth 또는802.1a: 현재 사용되는 Bluetooth 기술의 포맷은 범용 OS (예, Windows)에서 가장 적합합니다. PC를 사용하면 LabVIEW 내장된 Bluetooth 라이브러리를 활용할 수 있습니다. (그림 2) Bluetooth 기능을 데스크탑 또는 노트북 컴퓨터에 추가하기 위한 여러 가지 serial-Bluetooth 또는 USB-Bluetooth 어댑터가 존재합니다. 최근에는 노트북에 Bluetooth 트랜시버를 내장하고 있는 경우도 있습니다. PDA 또한 Bluetooth 통신을 포함하므로, LabVIEW PDA 모듈로 프로그램적으로 접근할 수 있습니다.

그림 2. LabVIEW Bluetooth 함수

GPRS, GSM: GPRS 네트워크를 사용하여 무선 측정 시스템 구축은 다른 기술을 사용하는 것보다 더욱 복합적입니다. 시작하기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족시켜야 합니다.

1. GPRS를 지원하는 터미널

2. GPRS를 지원하는 모바일 전화 네트워크 가입
* 참고: GPRS 사용을 위해서는 특정 사용자를 위한 구성이 되어 있어야 합니다. 일부의 모바일 제공업체들은 GPRS 네트워크로의 자동 액세스를 허용하는 반면 다른 모바일 제공업체들은 옵트인(opt-in)을 요구합니다.

3. 사용하는 특정 하드웨어에 따라 (소프트웨어 및 하드웨어 구성 포함) GPRS 데이터 송수신을 위한 몇 가지 노하우가 필요합니다.

4. GPRS를 통해 정보를 송수신하기 위한 목적지 * 참고: 목적지는 URL, 다른 GPRS 활성화된 디바이스 (또는 데이터를 수신하는 소프트웨어 어플리케이션) 또는 전화가 될 수도 있습니다.

CompactRIO용 GPRS/GSM 모듈(S.E.A. Science and Engineering Applications Datentechnik GmbH (SAE))과 같은 NI 하드웨어(그림 3)를 위해 특수 설계된 모듈이 존재합니다. 본 모듈이 있으면, 모바일 전화 네트워크를 통해 모바일 측정 시스템을 원격으로 컨트롤하고 모니터링 할 수 있습니다. 추가적으로 정확한 위치 결정을 위해 GPS 모듈 사용이 가능합니다. 또한 분산 시스템은 RCC 모듈에 의해 동기화될 수 있습니다. 이 같은 측정 데이터 수집 어플리케이션을 위한 플랫폼은 CompactRIO입니다. 본 플랫폼이 cRIO Gxxx Mobile 모듈과 통합될 경우, 모바일 시스템을 위한 훌륭한 솔루션(자동차, 선박, 우주항공 및 텔레서비스 어플리케이션 등)을 구현할 수 있습니다. cRIO Gxxx Mobile 콤보 모듈은 GPRS, GPS 및 Radio Clock 기능을 제공합니다. 본 모듈은 측정 데이터나 이벤트 메시지의 위치 결정과 전송을 허용합니다. 또한, 소형의 데이터 패킷 또는 파라미터는 양방향으로 SMS 메시지를 통해 교환될 수 있습니다.

그림 3. cRIO Gxxx 모듈과 NI CompactRIO 시스템 (자료 제공 S.E.A.)

본 기술이 사용되는 일반적인 어플리케이션에는 ATM 터미널, 자동차, 원격 데이터 수집, 가솔린 펌프, 산업용 및 의학 원격 모니터링 시스템, 원격 진단, 원격 미터링, 보안 시스템 및 자판기, 게임 머신 등이 있습니다.

무선 모뎀 및 개인 네트워크: 자유 주파수 대역이나 개인 허가 주파수 대역에서 작동하는 산업용 디바이스를 제공하는 여러 업체들이 있습니다. 개인 RF 네트워크의 장점은 데이터가 전송되는 시스템과 주파수를 직접 보유할 수 있다는 점입니다. 이는 실시간 데이터 교환을 가능하게 하며, 가입해야 하거나 사용료를 지불해야 할 필요가 없습니다. 측정 기기, 거리, 보안, 비용 조건에 따라, 여러 종류의 모뎀 중에서 선택 가능합니다. 이 모뎀들은 소프트웨어에 투명하게 무선 연결합니다.

결론 

기존 시스템이나 새로운 측정 시스템에 무선 통신 기능을 추가하면, 범위와 유연성을 대폭 향상시킬 수 있으며 비용도 절감할 수 있습니다. NI Wi-Fi DAQ, 데이터 수집 디바이스가 있는 PC 또는 노트북, NI PAC 등과 같은 다양한 디바이스에 시스템 무선화 기술을 적용할 수 있습니다. 무선 기술이 발전을 거듭하고 비용과 복합성이 낮아짐에 따라, 측정 시스템에 무선 기술을 간단하게 추가함으로써, 시스템의 편의성을 더욱 향상 시킬 수 있습니다.

참고 자료:
Wi-Fi 데이터 수집
PAC
원격 모니터링을 위한 NI LabVIEW