사물인터넷 07. 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 – RFID 및 모바일 표준

 

 

이전 튜토리얼에서는 PAN( Personal Area Network ), HAN(Home Area Network) 및 LAN(Local Area Network)을 위한 다양한 물리적 및 MAC(미디어 액세스 제어) 프로토콜에 대해 설명했습니다. 이 튜토리얼에서는 RFID 및 모바일 표준을 기반으로 하는 물리적 및 MAC 프로토콜에 대해 설명합니다.

 

다음과 같은 RFID 기반 프로토콜 스택이 있습니다.

1) RFID

2) DASH7

3) NFC

 

IOT 애플리케이션을 수용하기 위해 진화하는 다음과 같은 공통 모바일 표준이 있습니다.

 

1) GPRS

2) GSM

3) CDMA

 

RFID 및 WSN- RFID

 

Radio Frequency Identification은 무선 주파수 기반 식별 및 추적 기술입니다. RFID는 무선으로 즉, 전파를 사용하여 항목을 고유하게 식별하는 방법입니다. 다양한 규제 ISM 대역을 기반으로 하는 이 기술은 고유 식별 번호가 있는 태그(내장 마이크로칩 포함)를 사용합니다. 태그는 RFID 리더를 사용하여 읽을 수 있습니다. 따라서 RFID 시스템은 태그, 리더 및 안테나로 구성됩니다. 리더는 안테나를 통해 태그에 질문(기지국 신호 또는 리더 신호) 신호를 보내고 태그는 고유한 정보로 응답합니다.

 

RFID는 출석 추적, 재고 관리 및 액세스 제어(RFID 태그는 사전 승인된 사람만 액세스를 제한함)와 같은 다양한 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다. RFID 태그에는 두 가지 유형이 있습니다.

 

• active tag – 온보드 배터리가 있으며 주기적으로 ID 신호를 전송합니다.

• BAP(Battery Assisted Passive) 태그 – 작은 배터리가 내장되어 있으며 RFID 판독기가 있을 때 활성화됩니다.

 

frequency and range of RFID

Frequency	120-150KH(LF), 13.56MHz(HF), 433MHz(UHF)
Range	10cm to 200m
Example	Roat tolls, Building Access, Inventory

 

RFID 및 WSN(Wireless Sensor Network 무선 센서 네트워크)은 모두 IoT 영역에서 중요한 기술입니다. 무선 센서 및 액추에이터 네트워크라고도 하는 무선 센서 네트워크는 온도, 소리, 압력 등과 같은 물리적 또는 환경적 조건을 모니터링하고 네트워크를 통해 데이터를 협력하여 주요 위치로 전달하기 위해 공간적으로 분산된 자율 센서입니다.

 

무선 센서 네트워크는 넓은 영역을 모니터링하고 단일 센서로 넓은 영역을 모니터링할 수 없는 경우와 같이 복잡한 활동을 모니터링하는 데 필요합니다. 무선 센서 네트워크에서 수만에서 수천 개의 센서 노드가 무선 기술을 사용하여 서로 연결되어 물리적 또는 환경적 조건을 모니터링합니다. 이러한 센서 노드는 스타, 메시 및 클러스터 기술과 같은 다양한 토폴로지를 사용하여 연결할 수 있습니다. 이러한 센서 노드는 물리적 환경에서 데이터를 수집하고 해당 정보를 게이트웨이에 전달한 다음 게이트웨이가 일부 프로토콜 변환을 수행하고 정보를 통신 네트워크에 전달합니다. 그러면 클라우드는 네트워크를 통해 정보를 얻습니다. WSN의 센서 노드 간 통신은 직접 또는 다중 홉일 수 있습니다.

 

WSN 네트워크의 센서 노드는 저전력 통신과 같이 제한된 특성을 갖지만 게이트웨이 노드는 충분한 전력 및 처리 리소스를 가지고 있습니다. WSN에서 대부분의 통신은 2.4GHz 무선 주파수를 사용하는 IEEE 802.15.4 표준 또는 IEEE 802.11(Wi-Fi) 표준을 기반으로 합니다. 예를 들어 Xbee 시리즈 1(WSN)은 네트워크와 통신하기 위해 IEEE 802.15.4 표준을 지원합니다. WSN에서 널리 사용되는 네트워크 토폴로지는 스타, 메시 및 클러스터 네트워크입니다.

 

WSN Network Topologies 이미지 http://www.ginsei-jp.com/wsn.html

 

RFID는 개체 식별에만 사용할 수 있습니다. 그리고 환경 조건을 감지하고 모니터링하는 데 사용되는 센서 네트워크. 따라서 RFID가 WSN 네트워크와 통합되면 두 기술을 모두 더 잘 활용하여 보다 생산적인 결과를 얻을 수 있습니다. 이 두 기술을 결합하여 감지 기능, 다중 홉 통신 및 임베디드 인텔리전스를 갖춘 스마트 네트워크를 설계할 수 있습니다.

 

RFID와 WSN 네트워크의 통합은 다음과 같은 방법으로 가능합니다.

 

• RFID 태그와 센서의 통합: 센서 태그라고 하는 센서와 연결된 RFID 태그는 주변의 데이터를 감지할 수 있으며 RFID 리더는 이 감지된 데이터를 태그에서 읽을 수 있습니다. 이 통합에는 통신 기능이 단일 홉으로만 제한된다는 제한이 있습니다.

 

• RFID 태그와 WSN 노드의 통합: 단일 홉 제한을 극복하기 위해, 즉 통신 기능을 확장하기 위해 센서 태그에 무선 트랜시버, 소형 플래시 메모리 및 계산 기능을 장착할 수 있습니다. 이러한 방식으로 멀티 홉 통신은 다른 노드 및 무선 장치와 확장될 수 있습니다. 이러한 방식으로 센서 노드는 메쉬 네트워크를 생성합니다. 이 방식을 사용하면 다수의 센서 노드가 연결되어 서로 통신하므로 장거리 통신이 가능합니다.

 

• RFID 리더와 WSN 노드 의 통합 : 이러한 유형의 통합은 RFID 태그 리더의 범위를 늘리기 위해 수행됩니다. 이 통합으로 인해 다중 홉 통신이 가능합니다. RFID 태그와 마찬가지로 RFID 리더에도 무선 트랜시버와 마이크로컨트롤러가 장착되어 센서 태그 데이터가 리더에 도달합니다. 판독기의 데이터는 궁극적으로 데이터를 통신 네트워크로 전달한 다음 서버/클라우드로 전달하는 중앙 게이트웨이 또는 기지국에 도달합니다.

 

DASH7 – DASH7은 활성 RFID 태그에 사용되는 무선 프로토콜입니다. Zigbee에 비해 DASH7은 확장성이 뛰어나고 네트워크 범위가 더 넓고 데이터 속도가 더 큽니다. 물리적 및 MAC 계층 프로토콜일 뿐만 아니라 네트워크 계층에 대한 IPv6 주소 지정도 포함합니다. 프로토콜은 IOT 네트워크에서 주소 지정을 위해 16비트 네트워크 식별자와 함께 고유 식별자를 사용합니다. 데이터는 주소, 센서 데이터 및 여러 필드를 포함하는 255바이트 길이의 프레임을 사용하여 전달됩니다.

 

이 프로토콜 스택은 IOT 네트워크가 장거리에 걸쳐 있는 소매 및 산업용 IOT 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. 마찬가지로 DASH7의 사용 사례 중 하나에는 공급망의 재고 항목 추적이 포함됩니다.

 

NFC(Near Field Communication) – NFC(Near Field Communication )는 일반적으로 비접촉 RF(무선 주파수) 통신 기술을 사용하여 10cm 이하의 거리에서 매우 짧은 범위의 데이터 통신입니다. 따라서 NFC도 RFID 기술을 기반으로 합니다. 이 기술을 사용하면 두 전자 장치 간에 간단하고 빠르고 직관적이며 쉽게 보안할 수 있는 통신이 가능합니다. 그러나 이 기술은 RFID를 기반으로 하지만 RFID와 달리 양방향 통신을 사용합니다. 자기장의 변화를 사용하여 두 개의 NFC 지원 장치 간의 통신을 제공합니다. NFC는 RFID가 작동하는 것과 동일한 주파수(예: 13.56MHz)에서 작동합니다.

 

NFC(Near Field Communications)는 전자 장치 간의 간편하고 안전한 통신을 가능하게 하는 근거리 무선 기술입니다. 자체적으로 또는 Bluetooth와 같은 다른 무선 기술과 함께 사용할 수 있습니다. NFC의 통신 범위는 5~10센티미터로 서로 가까이 있는 장치 가 통신하고 데이터를 공유할 수 있습니다.. 따라서 NFC는 계산대에서 비접촉식 결제와 같은 안전한 거래에 이상적입니다. NFC는 Android OS 장치에서 사용되어 특정 장치에 매우 쉽게 연결하고 데이터(사진, 동영상, 문서 등)를 다른 사람에게 쉽게 전송할 수 있습니다. 이것은 Apple OS 기기의 AirDrop 기능과 매우 유사합니다. 이 기능은 Wi-Fi와 블루투스를 조합하여 다른 Apple OS 기기에 연결하여 몇 초 안에 근처에 있는 다른 사람에게 데이터를 전송할 수 있습니다. NFC는 대중 교통 요금 지불, 호텔 체크인 및 체크 아웃, 박물관에서 예술가 또는 예술 작품에 대한 정보 로딩, NFC 지원 도어록 잠금 해제와 같은 다른 장소에서도 일반적으로 사용됩니다. 

 

Near Field Communications (NFC) 이미지 출처 https://cyberhoot.com/cybrary/near-field-communications-nfc/

 

NFC 기술을 구현하기 위해 능동 모드와 수동 모드의 두 가지 작동 모드가 있습니다.

 

• 활성 모드: 활성 모드에서는 두 장치 모두 자기장을 생성합니다. 오늘날의 많은 모바일 장치(안드로이드 및 IOS)는 능동 NFC를 사용하는 시장에서 사용할 수 있습니다. 모바일 장치에서 NFC의 주요 용도 중 하나는 신용 카드 정보를 저장하고 전송하는 것입니다. 예를 들어 Google 지갑과 같은 Android 앱을 사용하면 모바일 기기를 탭하기만 하면 매장에서 결제할 수 있습니다.

 

two modes of operations – Active mode and Passive mode 이미지 https://www.evolutionid.de/en/radio-frequency-identification/near-field-communication/

 

• 수동 모드: 이 모드에서는 한 장치만 필드를 생성하고 다른 장치는 부하 변조를 사용하여 데이터를 전송합니다. 예를 들어 학생증은 NFC 기술을 사용할 수 있습니다. 학생이 버스에서 카드를 탭하면 카드는 NFC를 통해 버스 시스템의 활성 카드 리더기로 정보를 수동적으로 전송하여 버스 시스템에서 특정 학교 학생의 신원을 인식한 다음 버스에 탑승할 수 있도록 합니다. 패시브 모드는 더 적은 전력을 사용하고 IOT 장치도 작동하는 데 더 적은 전력을 필요로 하기 때문에 배터리 구동 장치에 유용합니다.

 

Frequency	13.56MHz at rate from 106Kbit/s to 424Kbit/s
Range	<0.2m
Example	Smart wallets/cards. Action tags, Access control

 

다음과 같은 기존 모바일 표준도 IOT 시나리오에서 애플리케이션을 찾기 위해 진화하고 적응하고 있습니다.

 

GPRS(General Packet Radio Service) – 시장에서 무선 데이터 서비스에 대한 수요가 증가함에 따라 사업자는 현장에서 자체 데이터 및 서비스를 개발하고 치열한 경쟁에서 앞서기 위해 노력해야 합니다. 기존 GSM 네트워크는 9.6kbps의 데이터 전송 속도만 지원할 수 있어 고속 무선 데이터 서비스에 대한 사용자 요구를 충족할 수 없습니다. GPRS(General Packet Radio Service)는 무선 네트워크에서 사진, 음성 및 비디오, 멀티미디어 서비스를 포함하여 최대 115kbps 속도의 패킷 데이터 서비스를 제공할 수 있는 표준화된 패킷 교환 데이터 서비스인 기존 GSM 네트워크용으로 설계되었습니다. 

 

이미지 https://www.gearbest.com/blog/how-to/what-is-gprs-and-what-are-the-advantages-of-it-2849

 

GPRS는 2세대 이동 통신으로 간주됩니다. 회선 교환을 사용하는 GSM과 달리 GPRS는 고속, 저비용 데이터 속도 및 "항상 연결"을 제공하는 패킷 교환 기술입니다. 무선 데이터 전송 기술의 급속한 발전으로 GPRS 무선 데이터 서비스는 최고의 목적지가 되었습니다.

 

GSM(2G/3G/4G/5G) – GSM(Global System for Mobile Communications)은 모바일 음성 및 데이터 서비스 전송에 사용되는 개방형 디지털 셀룰러 기술입니다. 지상파 GSM 네트워크는 세계 인구의 90% 이상을 커버합니다. GSM 위성 로밍은 또한 지상파 서비스를 이용할 수 없는 지역으로 서비스 접근을 확장했습니다. 전 세계에 걸쳐 있는 기존 GSM 네트워크는 비용 효율성이 높기 때문에 IoT 애플리케이션에 활용할 수 있습니다. 소프트웨어 솔루션을 업그레이드하는 것만으로 IoT 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있는 하드웨어 인프라를 쉽게 사용할 수 있습니다.

 

Global System for Mobile Communications

 

차세대 GSM(5G)에는 IoT 솔루션을 위한 모바일 기술을 지원하기 위해 개발 중인 SDN(소프트웨어 정의 네트워킹) 및 NFV(네트워크 기능 가상화)와 같은 기능이 탑재됩니다.

 

CDMA – CDMA( 코드 분할 다중 액세스)는 또 다른 인기 있는 모바일 네트워킹 표준입니다. 기존 CDMA 네트워크는 다양한 IoT 애플리케이션을 지원하기 위해 LTE Cat M1 표준으로 진화하기 위해 변화를 겪고 있습니다.

 

다음 자습서에서는 네트워크 또는 적응 계층 프로토콜에 대해 설명합니다. 

 

동기부여도 그렇지만 다른 욕구와 욕망을 순화시키고, 정신이나 마음을 비우는 일도 빼먹지 말고 실행해야 한다고 생각해.