지그비의 SE 프로파일을 이용한다면 소비자들 스스로 에너지 사용을 모니터링할 수 있는 홈 네트워크를 구축할 수 있는 제품 개발이 수월해질 것이다. 또 소비자들은 비용 절감이라는 시대적 과제를 해결할 수 있다.
최근의 경제 위기에 따라 모든 가정 마다 에너지 절감을 위한 새로운 방안을 찾느라 분주하다. 또 전기 회사들은 개선된 서비스를 제공하고 전력 피크 타임 수요를 잘 관리할 수 있는 체계를 갖춰야 할 것이다.
만일 전기 회사와 홈 네트워크(HAN, home area network) 장비 간에 무선 네트워킹으로 연결되어 전력 공급 및 소비에 대해 백그라운드 상태에서 지속적인 소통이 가능하다면 매우 쓸모가 있지 않을까? 당연히 유용할 것이다. 지그비(ZigBee)의 SE(Smart Energy) 프로파일이라면 이것이 가능하다.
SE는 지그비 무선 네트워크 규격의 최신 애플리케이션 프로파일로서 보안성과 편의성에 중점을 맞춰 전기 회사와 홈 네트워크 장비간 양방향 무선 통신 환경을 규정한다.
이는 개발자들에게는 고속 성장 중인 AMI(advanced metering infrastructure)와 홈 네트워크 분야의 니드를 수용할 수 있는 장비를 효과적으로 설계할 수 있도록 오픈 규격을 제공한다.
또한 소비자들을 위해서는 여러 벤더들이 제공하는 다양한 제품들 가운데 호환성이 높은 제품을 선택할 수 있도록 돕는 동시에 자동화와 실시간 정보 환경을 사용해 전력 소비를 줄일 수 있는 환경을 제시한다.
이 기사는 지그비의 SE 프로파일의 소개와 함께 SE가 엔지니어링 설계 가속화에 기여하는 양식, SE 프로파일에 근거해 엔지니어들이 홈 네트워크 제품을 설계할 때 고려해야 할 사항들이 무엇인지에 대해 살펴볼 것이다.
실시간 에너지 절약
지역별로 에너지 요구량은 늘어나고 있지만 제 때에 맞춰 발전소를 구축할 수 없는 핸디캡을 가진 전기 회사들이 존재한다. 최대 전력 사용량은 일반 사용량보다 빠른 속도로 커지고 있다. 최대 전력 소비는 100시간 꼴로 발생하지만 일반적인 상황일 때보다 20% 정도 높다.
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| ▲ 전형적인 SE 네트워크는 홈 네트워크(HAN)와 NAN(neighborhood area network)이 통합된 형태로 구성된다. |
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피크 타임 동안 부하를 줄일 수 있는 장비로는 냉난방 장치, 풀 펌프나 스페어 장비, 온수기, 스마트 어플라이언스, 기타 장비들이 포함된다. 가정 입장에서는 이런 장비들을 수시간 정도 사용을 중지한다고 해서 큰 차이를 느끼기는 힘들다. 하지만 최대 전력 소비량을 대폭 줄일 수 있다는 점에서는 의의가 크다. 여러 업계 보고서들을 참조하면 실시간으로 전력 소비량을 가정에 알려줄 경우 자발적으로 소비량을 줄이는데 참여하며 절감율은 평균 15~20%인 것으로 알려져 있다.
현재 가정들에 전력 소비량에 대한 정보를 실시간으로 제공하고 에너지 절감 효과를 유도하며 나날이 치솟는 피크 타임 수요에 대처하기 위한 차원에서 일부 전기 회사와 정부 당국은 SE 네트워크 구축에 박차를 가하고 있다.
지그비 SE 프로파일 워킹그룹이 만들어진 이유는 홈 네트워크의 동작 양식과 행태를 규정하기 위해서다. 그룹은 전기 회사, 통신 장비 업체, 홈 오토메이션 장비 업체, 기술 솔루션 업체들의 대표자들로 구성되었으며 레퍼런스 사례를 구축한 후 특정 홈 장비에 적용하고 SE 기능 지원을 위한 메시지와 명령을 개발하는 일에 많은 시간을 보냈다.
일단 프로파일 구축이 완료되고 나서 2008년 상반기 동안에 걸쳐 일련의 테스트가 진행되었으며 같은 해 5월에는 19개의 지그비 SE 호환 제품들이 탄생되었다. 스펙 설계, 구축, 테스트 과정은 여러 장비 업체와 제품들간 호환성 실현에 집중되었으며 그룹은 호환성 극대화를 위해 스펙 수정과 개선 작업을 위한 테스트를 꾸준히 시행했다.
<그림>은 SE 네트워크 구조를 나타낸 것이다. <그림>을 보면 2개의 네트워크를 통합하는 형태임을 알 수 있다. 하나는 NAN(neighborhood area network)로서 전력계와 전기 회사의 데이터 센터를 이어주는 역할을 하며 또 하나는 홈 네트워크로 ESP(energy service portal)로 형성된다. ESP는 보통 계측기 역할을 하지만 데이터 센터에 접속 기능을 갖춘 브로드밴드 게이트웨이나 기타 통신 장비로서의 역할을 수행할 수 있다.
SE 네트워크에서 ESP는 홈 네트워크와 NAN을 이어주고 가정에 전력 데이터를 제공하는 역할을 담당하며 네트워크에서 인증된 장비가 지원하는 보안 기능을 수행한다. 전력 소비 데이터는 공개되는 특성을 가진 것이 아니므로 전기 회사는 네트워크에 인증되지 않는 장비를 이용하는 것을 금지하게 된다.
댁내를 들여다보면 SE 기능을 지원하는 여러 장비들이 존재한다:
● 전기료, 사용 기록, 안내 메시지와 같은 필수 정보들을 보여주는 IHD(in-home display)
● 전력 소비량을 측정하는 측정계
● 수요 반응과 부하 제어 기능을 제공하는 서모스탯과 실내 냉난방 시스템
● 창문형 에어컨, 풀 펌프, 온수기 등의 장비에 설치 가능한 개별 전력 분배 장치
● 부하를 줄이기 위한 사용료 데이터 및 수요 반응 메시지에 동작하는 스마트 어플라이언스
● 소비자들이 신용카드로 전기를 미리 구입할 수 있는 사전 지불용 단말장비.
각 장비들은 전력계로부터 전달되는 특정 메시지들을 자신의 기능에 맞게끔 수신할 수 있다. 예를 들면 부하 제어 장치는 부하 제어 메시지를 읽을 수 있다. 전력회사 망으로부터 부하 제어 이벤트를 통보 받을 때 전력계는 즉시 부하 제어 메시지를 부하 제어 장치에 전달한다.
수신된 메시지는 이벤트에 참여할 것인지 여부를 물으며 부하 제어 장치는 여기에 반응하게 된다. 부하 제어 이벤트가 시작될 때 부하 제어 장치는 이벤트 시작과 종료시 각각 알림 메시지를 내보낸다.
간단한 안내 메시지에 의해 서모스탯은 온도를 설정한다. 가령 무더운 여름 오후에 에어컨 사용량을 줄이도록 온도를 22도에서 24도로 변경하고 전력 부하 이벤트에 참여했다는 사실을 전기 회사에 알린다(수요 반응 이벤트는 가정들이 특정 이벤트에 참여하지 않겠다는 의사를 통보할 수 있는 이벤트 제외 기능을 제공한다).
SE 장비 개발
| 지그비 SE 인증 제품 개발 과정
1. 벤더와 지그비 인증 플랫폼을 선택한다. 여기서 고려해야 할 점은 프로그래머블 마이크로프로세서, 라디오, 네트워크 프로토콜 스택, 메모리를 통합한 싱글 지그비 시스템 온 칩을 사용할 것인지 마이크로프로세서 공급업체와 협력할 수 있는 지그비 네트워크 코-프로세서 중 어떤 것을 사용할 것인가이다. 2. 지그비 SE 프로파일을 지원하는 하드웨어/소프트웨어 개발 킷을 구매한다. 대부분의 지그비 플랫폼 벤더들은 자신들의 하드웨어/소프트웨어에 맞는 개발 킷을 제공한다. 일부 벤더들은 인증 지그비 SE 프로파일 레퍼런스 애플리케이션 소프트웨어를 솔루션에 통합 제공한다. 3. 하드웨어 엔지니어링 팀이 레퍼런스 디자인을 이용해 개발 근간으로 삼을 제품의 프로토타입을 구축한다. 4. 임베디드 소프트웨어 팀이 적정 수준을 유지하는 동시에 에어컨의 전기 부하를 줄이는데 필요한 고유한 수요 응답 양식과 같이 독자적인 추가 기능과 함께 하드웨어 디자인을 수용할 수 있도록 지그비 SE 샘플 코드를 수정한다. 5. 소프트웨어와 하드웨어를 통합하고 테스트한다.
6. 제품을 지그비 협회 테스트 센터로 보내 SE 컴플라이언스 테스트를 받는다. 지그비 협회는 자격을 부여받은 두 테스트 서비스 공급업체(National Technical Services, T†V Rheinland Group )를 통해 인증 테스트를 실시한다. 7. 테스트에 통과할 경우 제품은 생산 준비에 돌입하며 "지그비 인증 제품"이라는 마크를 부착할 수 있게 된다. |
SE 프로파일의 지원으로 엔지니어들은 이런 홈 장비들을 수월하게 개발할 수 있게 되었다. 장비에 기본적으로 필요한 기능과 부가적인 기능들에 대한 자세한 설명이 지그비 협회(ZigBee Alliance) 웹 사이트에 등록돼 있다. 여러 회사들이 기존 장비에 기능을 추가하거나 새로운 장비를 개발 중이다. 이런 제품들은 전력 소비와 전기료를 줄이기를 원하는 가정 사용자들을 겨냥하고 있다.
지그비 호환 제품 개발 과정은 기초가 되는 네트워킹, 보안, 관리 기능을 제공하는 지그비 인증 스택으로 시작된다. 인증 스택 리스트는 지그비 웹 사이트에서 제공되며 벤더들은 엔지니어들을 위한 개발 킷을 제공한다.
기본적인 SE 스펙에서 시작해 모든 애플리케이션 소프트웨어를 자체적으로 개발하는 것은 매우 힘든 여정이다. 이 때문에 SE 프로파일은 홈 장비의 메시징과 기능 양식을 규정하고 있다. 기술 솔루션 업체들은 이런 정보들을 바탕으로 툴과 샘플 애플리케이션을 개발 활용해 장비 개발 과정을 단순화할 수 있다.
아울러 기본적인 칩셋 통합을 위한 하드웨어 레퍼런스 디자인이 제공된다. 여러 회사들이 벤더가 규정한 기능을 활용해 기능을 확장, 경쟁의 우위를 갖고자 한다. 이런 수정 및 확장 작업은 특정 장비에 대한 정해진 SE 기능이 호환성을 유지하는 한도 내에서 얼마든지 이뤄질 수 있다.
일단 설계 팀이 하드웨어와 소프트웨어를 개발한 후에는 샘플 애플리케이션과 대조해 각 컴포넌트들을 자체적으로 테스트해서 기능 검증 작업을 실시한다. 테스트가 끝난 후 제품은 지그비 인증 연구소 중 한 곳으로 보내져 SE 호환 인증 검사를 받게 된다.
SE 프로파일은 초기에 특정 홈 장비와 전력 제어 환경을 위해 개발되었다. 하지만 현재 여러 회사들이 전동차, 초소형 동력발생 장치, 첨단 홈 제어 환경을 위한 새로운 기능으로 프로파일을 확장할 수 있는 방안을 찾고 있다. 또한 엔지니어들은 홈 에너지 사용 현황을 보다 지능적으로 표시하고 관리할 수 있도록 관련 소프트웨어 애플리케이션을 개발 중이다.
■ 글 스킵 애스톤(Skip Aston)
엠버(Ember) 엔지니어링 부사장
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