주간기술동향 2017. 7. 5. 스마트홈기술현황및트렌드 이상엽 가온미디어기술사 2000 년초반시작된홈오토메이션서비스는닷컴버블과함께꺼지는듯하다가, 2010 년대초반 IoT 기술의부상과더불어, 스마트홈서비스로불리며다시각광을받기시작했다. 스마트홈서비스는주로통신사업자들을중심으로서비스전개가이루어지고있으나, 실제비지니스규모와서비스확산속도는그관심에비해현저히낮은것으로보인다. 최근글로벌 IT기업들이주도하는 AI 기술이적용된홈단말기들이스마트홈서비스를지원하면서, 스마트홈서비스의급격한확산이기대되고있다. 본고에서는스마트홈서비스구현을위한구성요소와요소기술그리고스마트홈확산을위한과제에대해고찰하고자한다. I. 서론 편리한집을구현하기위한홈오토메이션서비스는 2000 년초, 닷컴붐시절에댁내에 IT 기술을접목하려는노력으로시작되었다. 당시대규모신규아파트단지를중심으로아파트자동화붐이일어났으며, 지금도고급아파트들은댁내에장착되어있는월패드를통해입주자들에게다양한편의서비스를제공하고있다. 이러한홈오토메이션서비스는 2010 년대부터신규기술패러다임인 IoT 개념과접목되면서기존서비스보다 스마트 함을강조한스마트홈 (Smart Home) 이라는용어가쓰이기시작했고기업들의신규비즈니스수익원으로각광받았다. 그러나스마트홈역시, 표준및비즈니스모델부재문제로서비스확산속도가더디었다. 그러던중, 2016 년구글인공지능알파고와이세돌 9 단의바둑대결이후세계적인센세이션을일으킨 AI 기술이탑재된디바이스들이선보이고, 다양한전자제품들에 IoT 기술이융합되면서스마트홈은향후그확산에가속도가붙을것으로기대된다. * 본내용은이상엽기술사 ( 031-724-8830, youp123456@gmail.com) 에게문의바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 2 www.iitp.kr
기획시리즈 - IoT II. 스마트홈개요 1. 홈 IoT 서비스, 스마트홈개념한국스마트홈산업협회에따르면스마트홈은 주거환경에 IT 를융합하여국민의편익과복지증진, 안전한생활이가능하도록하는인간중심적인스마트라이프환경 으로정의되고있다. 개념도에서볼수있듯이스마트홈사용자는스마트폰앱을통해서댁내에설치되어있는다양한센서를통해정보를입수하고, 디바이스들을제어할수있기에, 한마디로표현해서스마트홈은댁내에구현된 IoT 서비스라고할수있다. 2. 스마트홈기술구성 스마트홈서비스를위해서는스마트폰애플리케이션과디바이스 (IoT 의 Thing 해당 ), 클라우 드서버, 그리고이들을서로연결해주는 GW(Gateway) 및각종통신기술이요구된다. [ 표 1] 스마트홈기술구성 구분구성요소설명 솔루션 / 디바이스 통신기술 < 자료 > 가온미디어자체작성 클라우드서버 게이트웨이 디바이스 스마트폰앱 저전력장거리통신 저전력 IP 통신 저전력 RF 통신 - 클라우드에위치하며사용자및디바이스를관리하고연동하는기능제공. 스마트홈서비스제공자에의해관리됨 - 인터넷을통해디바이스들을클라우드서버와연결해주는장치로써허브 (Hub) 라고불리기도함 - 디바이스와통신하기위한통신프로토콜 (Z-Wave, ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi 등 ) 과클라우드서버와통신하기위한통신프로토콜 (CoAP, MQTT, XMPP 등 ) 을선택적으로지원 - 온도센서, IP 카메라등과같이댁내에설치되는 Things 으로써센서및소형엣지디바이스혹은최근 IoT 를지원하는스마트홈융합가전등으로구성 - 사용자가스마트폰에설치하여디바이스들로부터정보를입수받거나디바이스들을제어할수있는인터페이스를제공 - LoRa, LTE-NB, SigFox 등과같은저속, 저전력, 장거리통신기술로써, 일반적으로옥외용디바이스들에게사용됨 - 스마트홈 GW 와클라우드서버사이에통신하기위한프로토콜로써 CoAP, XMPP, MQTT 등이사용됨 - 스마트홈 GW 와디바이스간에사용되는 Bluetooth, Z-Wave, ZigBee 등과같은저전력 RF 통신프로토콜로써 IP 통신비지원 정보통신기술진흥센터 3
주간기술동향 2017. 7. 5. III. 스마트홈구현기술소개 1. 스마트홈구현을위한통신기술개요 스마트홈은 IoT 에서사용되는통신기술들을그대로사용하며, 옥외에서사용되는저전력장 거리통신기술과옥내에서사용되는저전력 IP/RF 통신기술로나뉘어진다. < 자료 > 가온미디어자체작성 [ 그림 1] IoT 통신기술개념도 2. IoT 통신기술상세설명 가. 저전력장거리통신기술 (1) LTE-M 통신 KT 가전국망서비스상용화를개시한 LTE-M(machine type communication) 은글로벌표준인 3GPP 기반기술로써, 비표준기술인 LoRa, SigFox 와차별된다. LTE-M 은 Release 8 에정의된 Cat. 1 단말을이용하고 Release 12 에서정의된 Power Saving Mode(PSM) 기능을추가하였다. 전국망이구축되어있는 LTE 망을이용하므로전국서비스가가능하고, 면허대역주파수를사용하므로주파수간섭으로인한통신품질의저하가없으며, 로밍을통해글로벌확장이가능한장점이있다. 3GPP 는더효율적인소물인터넷통신을위해 Release 12 에서 Cat. 0 를표준화하였고, Release 13 에서는 Cat. M 을표준화하고있으며동시에 clean-slate solution 으로 NB-IoT 를표준화하고있다. 4 www.iitp.kr
기획시리즈 - IoT (2) LTE-NB(NB-IoT) 통신 LTE-Narrow-band 나 Narrow-Band IoT 를의미한다. LTE-M 보다더좁은 LTE 대역을사용하여저가, 장기배터리사용, 대규모디바이스연결을목표로하는데, LTE 상용주파수밴드를그대로사용하거나혹은가드밴드처럼사용되지않는대역에서도서비스가가능하다. [ 표 2] IoT 통신에사용되는 LTE 표준비교 구분 LTE Cat 1 LTE Cat 0 LTE Cat M1 (emtc) LTE Cat NB1 (NB-IoT ) 3GPP Release Release 8 Release 12 Release 13 Release 13 Downlink Peak Rate 10Mbps 1Mbps 1Mbps 250kbps Uplink Peak Rate 5Mbps 1Mbps 1Mbps 250kbps(multi-tone), 20kbps(single-tone) Number of Antennas 2 (MIMO) 1 (SISO) 1 (SISO) 1 (SISO) Duplex Mode Full Duplex Full or Half Duplex Full or Half Duplex Half Duplex Device Receive Bandwidth Device Transmit Power < 자료 > preliminary specification(source: 3GPP) (3) LoRaWANTM 통신 1.08~18MHz 1.08~18MHz 1.08MHz 180kHz 23dBm 23dBm 20/23dBm 20/23dBm 프랑스기업인 Cycleo 에서개발한저전력저속장거리통신비표준기술 (Low Power Wide Area Network: LPWAN) 로써 Lora-Alliance 를통해협의체를구성하고있으며, 국내에서는 SKT 가 최초로 LoRa 망을포설하였다. LoRa 를이용하기위해선신규네트워크구축 (LoRa 기지국 ) 이필 요한데, 비면허대역인 ISM 대역을이용하므로주파수라이센싱이불필요하며, 기존 LTE 망에 비해수 ~ 수십배의커버리지가가능하여기지국건설비용을수십분의 1 로축소할수있는 < 자료 > www.semtech.com [ 그림 2] LoRaWANTM 파형특징 [ 특징 ] 통신속도 : 0.3~5kbps 전파도달거리 : 5~45km ( 시골 ) Spread Spectrum 기반 FSK 보다 sensitivity 개선 잡음과재밍에강함 spreading codes orthogonal 멀티시그널이동일채널사용 DSSS 보다주파수오프셋에강함 정보통신기술진흥센터 5
주간기술동향 2017. 7. 5. 장점이있다. LoRa 는 spread spectrum 기반의모듈레이션을사용하여 Noise Floor 이하로디모듈레이션이가능한데 (FSK 보다 30dB 향상 ), IEEE802.15.4g 기반의 LoRa Alliance 개방형표준을지향하는개방성을특징으로그세력을넓혀가고있다. (4) SigFox 통신기술프랑스회사인 SigFox 가개발한통신기술로써, UNB(Ultra Narrow Band) 통신기술을사용한다. 통신속도는 0.01~1kbps 에다다르며전파도달거리는약 10~50km( 시골지역 ) 인데, 주로단방향통신에적합한통신규격으로써, 다양한사물에칩셋기반의통신모뎀을연결, 가까운거리에서서로꼭필요한데이터들만주고받을수있도록하여별도의망구축비용과전력소모를최소화하는점에서는 LoRa 와유사하나 SigFox 개발사자체규격을지향한다는점에서 LoRa 와차별된다. 나. 저전력 IP 통신기술 (1) Jabber 인스턴트메시지에서발전한저전력통신기술, XMPP 개념 Client-Server architecture Addressing Scheme: node@domain/resource - JID = Jabber ID - Node: identity, e.g. user name - Domain: DNS domain name - Resource: device identifier, case-sensitive node@domain identifies a person Client talks to local server - Wherever the user account is hosted - Tied to directory if desired - Organization policy enforced Servers talk to other servers - DNS lookup on domain portion of address - Dialback, MTLS for security - One connection for many conversations < 자료 > Cisco XMPP Tutorial [ 그림 3] XMPP 동작절차 (2) 경량메시지프로토콜, MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 의개념저전력, 저대역폭환경에서사용할수있도록설계한경량의 Publish/Subscribe 메시징프로토콜로써, CoAP 와유사하게모바일기기나낮은대역폭의소형디바이스들에최적화되어있고, 6 www.iitp.kr
기획시리즈 - IoT 메시지를 Publisher 가발행 (publishing) 하여 Broker 을통해등록해두고관심있는주제를 Subscriber 가구독 (subscribe) 하는형태 < 자료 > Device o Cloud: MQTT and the power of topic notation/ www.embedded.com [ 그림 4] MQTT 동작절차품질이낮은네트워크에서도메시지를안정적으로전송할수있도록설계되어있다. Broker 를통해 topic 을발행 (publish) 하고구독 (subscribe) 하는구조로다대다송출이가능하다. 또한, 메시지버스구조 (Broker 가생성한메시지버스에애플리케이션이접속하여메시지를읽어가는방식 ) 를지원하는데, 항시연결을유지하는구조로써, 기기의휴식을제한 (MQTT-S 를이용하여해결가능함 ) 하는점은단점이다. 현재 TCP/IP Base, ISO/IEC 20922 로표준화가진행되고있다. (3) 6LoWPAN 기반의 IoT 통신기술, CoAP(Constrained Application Protocol) 개념 6LoWPA 을지원하며 REST 아키텍처를기반으로한프로토콜로써, 저사양 Constrained 노드를대상으로 Resource Discovery, 멀티캐스트서비스, 비동기트랜잭션요청및응답등을수행한다. 웹공간에서 HTTP 라는프로토콜로데이터를교환하며, 사물인터넷 (Internet of Things) 시대에는우리주변의다양한사물들이 CoAP 라는프로토콜을통해소통 < 자료 > ARM IoT Tutorial [ 그림 5] CoAP 개념도 다. 저전력 RF 통신기술스마트홈 GW 와디바이스간에는 Bluetooth, Z-Wave, ZigBee 등과같은저전력 RF 통신프로토콜이주로사용되며, Wi-Fi 를사용하기도한다. 본장에서는비표준사설통신프로토콜로써잘알려지지않은 Z-wave 만을소개하기로한다. 정보통신기술진흥센터 7
주간기술동향 2017. 7. 5. (1) 800~900MHz 대역비표준저전력무선통신기술, Z-Wave 개념 Z-wave 는 2003 년 Zen-Sys(2008 년칩회사인 Sigma Designs 에합병 ) 에서개발된홈오토메이션용비표준무선통신기술이다. Z-wave 호환제품표준수립과제품인증을통한호환성검증을 Z-Wave 얼라이언스에서수행하고있으며, Sigma Designs 와 Mitsumi 사가칩셋을독점공급한다. [ 표 3] Z-Wave 의특징및스펙구분구분상세스펙 기술스펙 기술특징 < 자료 > Z-Wave alliance 주파수대역 데이터전송속도 유효서비스거리 노드간 Hop-up 868.4MHz(Korea, China), 908.42MHz(USA) 100Kbps( 스루풋 40Kbps) 30M 4 Times 연동디바이스개수 32 Source Routed Mesh 구조 Network 구성 - 중간노드들을사용하여시그널라우팅통신수행하는 MESH 기술활용하며새로운노드들은페어링을통해추가가능 - Z-Wave 네트워크는노드라고불리우는디바이스들이모여하나의네트워크를구성 - 각디바이스는 Device ID(1Byte) 를, 네트워크는 4Byte 의 Network ID ( 혹은 Home ID) 를갖게됨 3. 서버기능스마트홈에서서버는외부사용자가인터넷을이용하여댁내에설치되어있는 GW 를통해센서장비들과연결시켜주는역할을한다. 일례로서버는댁내디바이스들이보내주는데이터를사용자에게이벤트형태로전달하며현황을파악할수있게해주며, 반대로, 사용자의명령을다시디바이스에게전달하는기능을수행한다. 서버가디바이스로부터수신하는데이터는데이터베이스에저장되며, 스마트홈서비스사업자들은이렇게축적되는빅데이터를분석하여사용자만족도와사업자 ARPU 를동시에높이기위해노력하고있다. 예를들어, 사용자의에너지사용패턴을분석및예측하고사용자와공유함으로써, 사용자는에너지소비를줄일수있으며, 스마트홈서비스에대한만족도가상승하여새로운서비스를구매함으로써사업자의 ARPU 를높여주게된다. 일반적으로서버는디바이스및유저의스마트폰애플리케이션과의통신을담당하는통신서버와사용자및디바이스를관리하는관리용서버로구성된다. 8 www.iitp.kr
기획시리즈 - IoT < 자료 > Friendly Technology The IoT & Device Management Company and Line of Products Overview [ 그림 6] 스마트홈서버 UI 사례 [ 그림 6] 은스마트홈서버에서관리하고있는사용자및디바이스정보를보여주고있으며, 해당사용자가보유중인디바이스및운영상태등을 dash-board 형태의 UI 를통해한눈에파악할수있게해준다. 4. 모바일앱기능 가. 홈디바이스제어및모니터링홈디바이스를제어하기위해서사용자는스마트폰용모바일앱을다운받은후, 앱을통해서서버에사용자등록을한후, GW 와디바이스를페어링해야한다. 일단페어링된디바이스들은사용자가모바일앱을통해서장소에상관없이제어하고모니터링할수있으며, 외부에서도통신이가능한이유는클라우드서버를사용하기때문이다. 모바일앱을통한사용자조작은클라우드서버를통해서댁내 GW 에전달이되고, 다시디바이스로전해진다. 댁내디바이스들이보내주는데이터들도 GW 및클라우드서버를통해서사용자에게전달이되므로사용자는원격에서스마트하게홈디바이스들을제어하고모니터링할수있다. 정보통신기술진흥센터 9
주간기술동향 2017. 7. 5. 나. 원-터치환경설정디바이스가늘어날수록제어가복잡하고어려워지는데, 이러한불편함을개선하기위해일종의배치작업을구성할수있도록앱을스마트하게만들수있다. 예를들어, Home 모드로설정시, 모든전등이자동으로켜지나, 프라이버시보호를위해서 IP 카메라만꺼지게하고, 반대로 외출 모드로설정하면 IP 카메라만작동하도록세팅하는것이다. 이러한설정은 IFTTT(If- This-Then-That) 방식을이용하여구현이가능한데, 예를들어, 도어가열리면 (if this), 모든전등이켜지고 (then) IP 카메라도자동으로연결되도록 (that) 한다. < 자료 > icontrol 애플리케이션사례 [ 그림 7] 스마트홈앱 UI 사례 5. 디바이스기능및트렌드 가. 스마트홈디바이스유형스마트홈디바이스들은기본적으로홈오토메이션 ( 편의 ), 안전 / 보안및에너지관리 ( 유틸리티 ) 용제품들로구성되며, 최근 KT 에서선보인골프퍼팅기와같이새롭고다양한디바이스들이속속출시되고있다. [ 표 4] 는홈 IoT 용으로사용되는디바이스사례이다. 10 www.iitp.kr
기획시리즈 - IoT [ 표 4] 스마트홈디바이스사례 제품 PIR 모션센서스마트플러그스마트전구 IP 카메라 PET Feeder 사진 용도 동작감지 플러그 on/off, 소비전력량측정 컬러조절이가능한스마트전구 원격모니터링및녹화 < 자료 > ttp://www.climax.com.tw, http://www2.meethue.com/nn-no, https://www.nhnent.com/ko, http://www.petstation.co.kr 앱을이용한애완동물사료공급기 나. IoT 제품융합화트렌드 IoT 통신모듈이점차소형화되면서, 기존의가정용전자제품들에융합되어가고있다. 예를들어, Wi-Fi 공유기나 VDSL 모뎀같은 CPE(Consumer Premise Equipment) 장치에내장되어공간을줄인다던가, USB 형태로소형화되어이동편의성이극대화되고있다. [ 표 5] IoT GW 제품융합사례제품 Z-Wave 내장 CPE USB 타입 IoT Wireless IoT 스피커 제품형상 설명 댁내센서 / 디바이스제어, 전면 LCD 통해날씨제공 ZigBee 와 Z-Wave 지원 IoT Hub 기능 USB dongle < 자료 > https://www.o2.cz/osobni, www.kaonmedia.com, http://www.musaic.com/en-wo AllJoyn AllPlay 지원무선스피커 / 라디오 다. IoT 허브기능의 AI 기기확산최근글로벌기업들의주도로 AI 열풍이불고있으며, 이들은 AI 를활용한비지니스모델로써스마트홈시장의진입및선점을그목표로하고있다. 각자오랫동안연구해온머신러닝기반의가상비서를탑재한홈제품을출시하고있으며, 이러한제품들에 IoT 센서를내장하여음성을이용하여홈 IoT 디바이스까지제어할수있도록했다. 정보통신기술진흥센터 11
주간기술동향 2017. 7. 5. [ 표 6] AI 디바이스사례 제품아마존 Echo/Dot/Tap 구글 Home KT 지니 제품형상 설명 - 아마존의인공지능플랫폼인 Alexa 가탑재된홈허브 / 스피커 - 경량화정도에따라 Echo, Tap, Dot 등 3 가지제품존재 - 필립스 Hue, Nest Thermometer, 삼성 Smart things 들제어 < 자료 > www.amazon.com, www.google.com, www.kt.co.kr - 구글의가상비서인어시스턴트에이전트가탑재되어있는홈오토메이션허브 - 음성명령을통해대화가가능하고, 최근구글이인수한 Nest 의센서 / 디바이스들에대한제어기능제공 - KT 에서출시한인공지능탑재셋탑박스 (STB) - KT 의음성인식서버와연결되어음성명령으로 STB 및 IoT 센서 / 디바이스제어 IV. 결론 국내통신사업자들은일찍이스마트홈의필요성을파악하여그확산에앞장서고있으며, LGU+ 는가장선도적으로스마트홈서비스를시작하여현재가입자가 30 만명이넘었다. 외국통신사업자들도스마트홈서비스를빠르게도입하고있으며, 미국의경우 AT&T, Comcast 등대형통신사를중심으로가입자가확산되고있다. 그러나아직도몇몇대형사업자를제외하고는전세계적으로스마트홈의확산이빠르지않은것으로보이는데, 필자는아래두가지문제를극복해야한다고생각한다. 1. 기기들간의상호운용을위한표준통신프로토콜부재문제해결스마트홈서비스를위한 GW 와디바이스간통신에는서로다른통신프로토콜들이사용되는데, 공급자입장에선하나의디바이스에대해각각서로다른통신프로토콜을지원하는제품을개발해야하며, 사용자입장에서는본인이보유한 GW 와구매를원하는디바이스사이에통신프로토콜이달라서사용하지못하는문제가발생하게된다. 그렇다고모든통신프로토콜을지원하는 GW 나디바이스를만든다는것은현실적이지않다. 상호운영을하기위해서는통신계층뿐만아니라애플리케이션계층에서도표준화가이루어져야한다. 그러나현실에서는 12 www.iitp.kr
기획시리즈 - IoT ALLSEEN alliance 이나 one M2M 과같은수많은컨소시엄이존재하므로애플리케이션계층의통신표준화는가까운시일내에불가능한것으로보인다. 하물며, Z-wave 와 ZigBee 와같은프로토콜들도버전별로상호운영에문제가있는것이현실이다. 스마트홈확산을위해서는국제기구차원에서상호운영성확보를위한통신표준화작업이진행되어야할것으로생각된다. 2. 수익성비즈니스모델발견대부분의통신사에서내놓은스마트홈서비스를보면매우유사하다는것을알수있다. 이러한일반적인서비스로는수익성을높이기도차별화를통한가입자증대에도어려움이있다. 따라서최근통신사들은자사의플랫폼과연동하는스마트홈서비스발굴에힘쓰고있으며, KT 의헬스바이크나골프퍼팅과같은제품들은 KT IPTV 채널과스마트홈서비스를연동시킨상품으로써 KT IPTV 를시청해야사용이가능하므로, 고객들을통신사의스마트홈서비스를사용하도록유도하는비즈니스모델로관심이모아진다. 최근불고있는 AI 탑재스마트홈디바이스는개인비서와스마트홈서비스를엮어새로운비지니스모델을만들어낸대표적인사례이다. [ 참고문헌 ] [1] LoRa Alliance, A technical overview of LoRa and LoRaWAN, Nov. 2015. [2] 한국방송통신전파진흥원 스마트홈산업의최근해외동향과향후과제, 2013. 8. [3] https://en.wikipedia.org [4] http://www.ciokorea.com/news/25305 가정내 IoT 기기통합이관건, 2015. 5. 22. [5] Friendly Technology The IoT & Device Management Company and Line of Products Overview, 2016. 3. 30. [6] DIGIENCE Technology IoT 및스마트홈분야 ZigBee 적용사례, 2014. 12. [7] Mikko Laukkanen, Extensible Messaging and Presence Protocol(XMPP) University of Helsinki Department of Computer Science [8] Alcom electronics LoRa and Sigfox, Ultimate Low-Power M2M Networking : 2015. 11. 4. [9] KT 경제경영연구소 AT&T 사례를통해본스마트홈서비스진화방향, 2013. 7. 23. [10] Z-wave alliance Z-Wave Technical Basics [11] ETRI LPWA 기반광역 IoT 기술및표준화 2016년4월, p.104. 정보통신기술진흥센터 13