무선 측정 시스템과 유선 데이터 수집 시스템의 통합

무선 기술을 사용하게 되면, 케이블 설치 비용 절감, 물리적 위치로 인해 제한되었던 측정 가능, 분산 측정 및 지능적인 자가 치료 (self-healing) 네트워크 등의 다양한 가능성과 장점들을 활용할 수 있습니다. 이렇듯 무선은 미래 측정 시스템의 기능을 제시하는 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 그렇다면 무선은 정확히 어떤 역할을, 어떤 방식으로 하는 것일까요? 무선이 유선 시스템을 대체하게 될까요? 기존의 투자가 미래의 시스템에도 유용하게 사용될까요? 무선 데이터 수집 디바이스를 선택하기 전에 고려해야 할 중요한 사항은 무엇일까요? 무선이 솔루션으로 적당하지 않을 때는 언제일까요?
이와 같이 무선에 관한 여러 가지 의문점이 존재하며, 기존 유선 시스템의 기술에 대해서도 다시 한번 생각해 보아야 할 것입니다. 본 문서에서는 무선 측정 시스템의 여러 가지 하이 레벨 디자인 결정에 대해 살펴보고, 무선 기술로 기존의 유선 시스템을 보완하는 방법에 대해 생각해 보겠습니다. 이를 통해서 앞서 언급한 여러 가지 의문에 대한 해답을 제시하게 될 것입니다.

무선 측정 시스템

테스트, 측정, 컨트롤 어플리케이션에 무선 기술을 채택하는 비율이 소비 가전 업계에서 감소되고 있는 추세이지만, 그에 대한 관심은 전혀 줄어들지 않고 있습니다. 그러나 유선 시스템을 무선으로 대체하는 것은 케이블을 빼내고 그 자리에 무선 네트워크를 설치하는 것처럼 그렇게 간단하지는 않습니다. 엔지니어들은 지난 수십 년간의 사용 경험과 기술 혁신 등을 통해 무선 시스템에서 충분히 해결될 수 없는 몇 가지 요소를 발견하였습니다. 무선 시스템과 관련된 가장 중요한 두 가지 우려 사항은 보안과 안정성입니다. 이 같은 우려를 불식하기 위해서, 무선 표준 기구 (주로 실리콘 제조업체들이 주도)는 무선 표준 프로토콜에 보안 및 안정성을 개선하고자 지속적인 노력을 기울여 왔습니다. 또한 이를 통해 데이터 수집 업체들이 라디오와 소프트웨어 아키텍처를 사용함으로써 보안과 안정성 개선을 활용하는 기회를 제공하고자 하였습니다.

무선 측정 시스템을 유선 시스템과 비교하면 보완이 필요한 추가 요구 사항이 여전히 많습니다. 다시 말해, 데이터 대역폭, 지연시간, 동기화, I/O 선택 그리고 멀티벤더 시스템 내에서 통합 등을 들 수 있습니다.

대역폭 및 지연시간

PC 기반의 측정 시스템은 통신을 위해 사용하는 물리적인 버스의 대역폭과 지연 시간 스펙의 한계로 인해 그 기능이 제한적입니다. 대역폭은 특정 시간에 버스에서 전송될 수 있는 데이터의 양을 의미합니다. 그리고, 지연 시간은 시작 위치에서 목적지로 얼마나 신속하게 데이터가 이동하는지에 대한 대략적인 기준을 제시합니다. 여기서 무선의 대역폭과 지연시간을 데이터 수집 어플리케이션에 보편적으로 사용되는 버스 (PCI Express, PXI, USB 2.0)와 비교하면 이는 타임머신을 타고 25년전으로 되돌아가는 것과 같습니다.
무선 측정 제품에 채택되는 일반적인 무선 네트워크에는 IEEE 802.11과 IEEE 802.15.4가 있습니다. Wi-Fi로도 알려진 IEEE 802.11은 가정과 사무실 네트워크에 보편적으로 사용됩니다. ZigBee가 기반으로 사용하는 프로토콜인 IEEE 802.15.4는 낮은 전력, 분산 네트워킹에 유용합니다. 이 두 가지 버스의 이론적 대역폭은 1980년대에 널리 보급되었던 ISA 버스와 비교하여도 떨어집니다. 1세대인 1배속 (by-one) PCI Express 링크와 비교하면 802.11n과 802.15.4는 각각 10배, 1000배 더 낮은 대역폭을 제공합니다.
무선 네트워크의 이 같은 내재적 한계가 의미하는 바는 무선이 유선을 모두 대체할 수는 없다는 점입니다. 고속, 다채널 수의 다이나믹 측정은 PC에 연결된 높은 대역폭 버스를 통해서만 가능합니다. 그러므로 기존 버스의 대역폭 한계에 미치지 못하는 저속 (static) 및 적은 채널 수의 다이나믹 및 센서 측정에 새로운 무선 기술을 활용할 수 있을 것입니다.

동기화

측정 시스템의 중요한 기준 중 하나는 다채널, 다중-디바이스, 다중-시스템들 간의 동기화된 측정을 들 수 있습니다. 동기화는 여러 가지 방식을 통해 이루어지지만 일반적으로는 물리적인 와이어를 통한 클럭, 트리거 신호 공유, 또는 시간 기반 방식으로 이루어집니다. 이러한 동기화 기술에는 각각 장단점이 있습니다. 신호 기반의 동기화는 서로 다른 채널, 디바이스, 시스템 간 더욱 정확하며 긴밀한 동기화 (ns- 또는 ps-레벨 정확도)를 가능하게 하지만 동기화된 시스템간의 거리를 제한합니다. (최대 100 m 또는 그 이하) 시간 기반의 동기화를 사용하면, 더욱 멀리 떨어진 장거리 시스템도 동기화 할 수 있지만 (GPS 사용시 거의 무제한) 정확도는 떨어지게 됩니다. (일반적으로 ms).
타이밍과 트리거링에 관련하여, 현재 여러 무선 측정 시스템은 다른 시스템과 독자적으로 작동되므로 동기화를 위해 신호 또는 시간 기반 신호를 공유하기 위한 방법을 제공하지는 않습니다. 여러 채널에서 수집된 데이터와 신호의 위상 관계가 중요한 관계가 있는 경우, 동기화는 최우선적으로 중요합니다. 현재 사용되는 여러 유선 측정 시스템은 매우 정확한 타임베이스, PLL (phased-locked loop) 회로 및 임피던스 매치된 신호 경로를 사용합니다. 이론적 기반으로만 말한다면, 가장 엄격한 동기화 기준을 위해서는 유선 시스템이 필요합니다. 그러나 IEEE 1588 및 GPS 기술에서도 볼 수 있듯이, 유선 네트워크와 무선 네트워크는 신생 표준과 추가 연구를 통해 이점을 얻을 수 있습니다.

I/O 선택 및 전원 사용가능성

무선이라는 용어가 아직도 사람들의 호기심을 자극하는 것처럼, 그 기술 역시 테스트, 측정 및 컨트롤 업계에서 업계 사람들을 자극하는 신생 기술입니다. 따라서 아직 사용 가능한 디바이스의 개수나 기능에도 한계가 있습니다. 수 백 가지의 다른 센서가 있고, 이 모든 센서는 정확한 측정을 제공하기 위해 특별 신호 컨디셔닝이 요구됩니다. 지난 20 여 년 동안, 내쇼날인스트루먼트는 전 세계적으로 5천만 개 이상에 이르는 측정을 구현하기 위하여 PC 기반의 측정 제품을 개발하고 제공하였습니다. 무선 측정 시스템이 기존 측정 채널을 대체할 수는 없지만 기존 시스템을 보완하는 여러 장점들을 제공합니다.

멀티벤더 시스템 내 통합

본 문서가 포괄적인 내용을 다루고 있지는 않지만, 현재 무선 측정 시스템의 가장 중요한 제약은 유무선을 막론하고 다른 측정 및 컨트롤 시스템과 함께 작동시킬 경우, 비효율적이라는 점을 들 수 있습니다. 여러 업계에서 지금까지 보아왔듯이, 기술이 새롭고 무한한 잠재성을 보유하고 있다면 해당 솔루션의 시장 출시 시간은 그 어떤 요소보다도 더 중요하게 여겨질 수 있습니다. 일반적으로 현재의 무선 제품은 일반적인 측정(전압 또는 전류)에 초점을 맞추고, 그 후 데이터를 안전하고 안정적으로 전송하는 동시에 가능한 한 소량의 전력을 소비하도록 하는 것에 초점을 맞추게 되었습니다. 즉, 하드웨어에 초점이 맞춰져 있고 때때로 독점 무선 네트워크에 초점이 맞춰집니다.
그러나 대규모 기업에 상호운영성을 제공하는 디바이스의 소프트웨어 쪽에는 관심이 없었습니다. Control Engineering의 편집장은 2007년 11월, 무선 토폴로지에 관하여 “디바이스에서 데이터를 수집하고 컨트롤 시스템으로 보내는 작업을 하는데 플랫폼간에 연동성이 없는 독점 소프트웨어를 사용한다.”라는 내용의 기사를 발표하였습니다. 물론 기사를 읽으시는 여러분은 각 플랫폼들이 본분을 다하는 것이라고 생각할 수 있을 것입니다. 문제는 모든 업계에 배포된 측정 제품은 데이터가 어디에서 어떤 방식으로 수집되는가와 상관없이 반드시 다른 측정 및 컨트롤 제품과 통신해야 한다는 점입니다. 따라서 무선의 채택이 그저 말에 그치지 않고 진정한 발전을 거듭하기 위해서는 하이 레벨의 소프트웨어 환경을 통한 상호운영성이 반드시 해결되어야 할 과제입니다.

하이브리드 측정 시스템과 무선 기술

기존 무선 기술과 제품의 한계로 인해 여러 어플리케이션은 특정 무선 솔루션에 의해서만 해결될 수 있는 상황입니다. 대부분의 측정 시스템에는 유선 시스템 통합이 필요한 몇 가지 조건이 있습니다. 대역폭, 동기화, I/O 사용가능성, 전원 조건, 그리고 시스템 통합 등입니다. 하이브리드 시스템에서의 사용을 통해 무선의 최대이점을 실현할 수 있습니다. 하이브리드 시스템은 위치, 데이터 전송 방식과 벤더 등에 상관없이 여러 측정 및 컨트롤 플랫폼의 컴포넌트를 통합합니다. 하이브리드 시스템은 이더넷 또는 GPIB에 기반한 독립형 계측기, PXI PC 기반 인스트루먼트, USB를 통한 휴대용 측정, Wi-Fi 또는 ZigBee에서의 무선 측정 등을 결합하는 PC 아키텍처가 될 수 있습니다. 하이브리드 시스템은 전체 측정 및 컨트롤 시스템에서 관리와 통신하기 위해 개방된 소프트웨어 개발 환경을 사용합니다.

하이브리드 시스템을 구축하고 유지하는 데 있어 가장 중요한 사항은 다양한 버스 기술을 투명하게 수용하며, 개방된 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 벤더 특정 시스템에서 통신하는 시스템 아키텍처를 구현하는 것입니다. 본 개념을 통해서, 각각의 특정한 태스크에 최적인 데이터 수집 및 컨트롤 하드웨어들을 선택하여 통합할 수 있는 이점을 얻을 수 있습니다. 여기서 NI LabVIEW는 전체 시스템이 동작하기 위해 필요한 윤활유 역할을 합니다. LabVIEW로 PC 기반 데이터 수집, 모듈형 계측, 독립형 계측, 새로운 무선 제품 통합 등 기존 측정 시스템을 재사용할 수 있도록 합니다. LabVIEW를 무선 기술과 통합하는 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

LabVIEW에 내장된 라이브러리(TCP/IP를 포함)를 사용하여 표준 프로토콜 통신

• LabVIEW PDA 모듈과Wi-Fi와 Bluetooth 통신을 사용하여 PDA로 배포
• NI CompactRIO와 Compact FieldPoint와 같은NI 프로그래밍 가능한 자동화 컨트롤러 (PAC)를 산업용 Wi-Fi 액세스 포인트와 GPS 라디오에 연결
• 다양한 타사 무선 센서 노드와 통신하기 위해 제공된 LabVIEW 인스트루먼트 드라이버 사용

기존 시스템과 무선 측정 통합에 대한 추가적인 정보는 무선 측정 시스템 개발을 참조하십시오.

유무선 시스템의 공존

미래의 기술 전망도를 살펴보면 무선은 데이터 수집을 위해 가장 촉망되는 기술 중의 하나로 꼽힙니다. 그러나, 새로운 기술이 기존 기술을 대체하기 위한 전환기가 있기 마련이며, 반드시 그 둘이 상호 운영할 수 있어야 합니다. 실제로, PXI와 같은 새로운 모듈형 기반의 계측과 기존 독립형 또는 VXI 계측이 결합되어 새로운 시스템에 포함하게 됨에 따라 이 같은 트렌드가 실현되고 있습니다. 또한 LabVIEW와 같은 개방형 소프트웨어 플랫폼을 사용하면 무선 측정 기능을 추가하여 신기술의 장점을 이용할 수 있을 뿐 아니라 기존의 측정 시스템 투자를 유지할 수 있습니다.

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