[KEIT] 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 기술 동향

 

 

 

1. 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 기술 개요

 

 

■ 배경

 

- 2016년 매일 550만 개의 새로운 IoT 디바이스가 인터넷으로 연결, 2020년까지 200억 개까지 증가할 것으로 예상 (’15.11, Gartner)

 

- IoT 디바이스의 배터리 교체나 전원코드 연결 등의 전원 공급 방식의 한계는 IoT 서비스 확산의 걸림돌 중의 하나임(`16년, IDTechEx Research Review)

 

- 배터리와 전원 배선의 연결이 어려운 환경에서의 전원 공급방식에 대한 전원공급 시스템의 부재임

 

 

■ IoT 디바이스 전원 공급 기술로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting 혹은 Energy Scavenging) 기술 주목

 

- 나노 기술의 발전은 에너지 변환소자의 효율 향상과 소형화를 이끌었고 에너지 하베스팅 기술의 활용도가 높아짐

 

- IoT용 저전력 센싱/통신 기술, 경량 SoC와 운영체제(OS) 등 저전력化 기술의 발전은 에너지 하베스팅 기술과 맞물려 에너지 자립형 IoT 기술의 구성 요소로 발전

 

 

■ 에너지 하베스팅 기술을 활용하여 IoT 디바이스에 에너지를 공급하는 에너지 자립 기술은 IoT 디바이스의 전원 공급 방식을 다양화하여 IoT 서비스 확산을 촉진

 

 

 

 

 

 

■ 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 기술의 정의 및 특징

 

 

□ 에너지 자립형 IoT

 

- IoT의 배선과 배터리의 사용을 최소화하는 목적으로 자연에 존재하는 에너지(광, 열, 진동, 전파 등)를 IoT의 구동전력으로 활용하는 기술

 

- 다양한 형태의 Ambient(주변환경) 에너지를 수집하는 에너지 하베스터와 IoT 디바이스로 구성

 

- IoT 디바이스의 배터리 교체나 전원구축 비용을 절감, 에너지 자립형 IoT의 경우 75% 구축비 절감, 82% 구축시간 감소, 40% 에너지 절약 기대(EnOcean 자료)

 

 

 

 

 

 

□ 에너지 하베스팅 : 다양한 환경으로부터 Ambient 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술. 에너지 소스의 전력 발생 특성에 따라 생성(Generation), 변환(Conversion), 전송(Transmission) 으로 분류

 

- 생성: 태양광, 바람, 파도, Fuel Cell 등 주변 환경으로부터 에너지를 수확

 

- 변환: 온도변화, 기계 진동, 충격 등의 에너지로부터 변환을 통하여 전기 에너지를 수확

 

- 전송: Magnetic Field, Microwave Radiation 등으로부터 전력을 전송

 

 

 

 

 

 

 

- 대표적인 하베스팅 소스는 광(Photovoltaic), 압전 (Piezoelectric), 온도변화(Thermoelectric), RF(Radio
Frequency) 등이 있으며 에너지 소스에 따라 특징이 매우 다름

 

 

 

2. 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 기술 개발 동향

 

 

■ 에너지 자립형 IoT 디바이스를 위한 주요 핵심 기술 동향

 

□ 저전력 기술

 

- 저전력 무선 통신 : IoT 서비스 특성에 따른 데이터 전송량과 통신 반경을 고려한 저전력 통신 기술들이 개발되고 있으며 SoC에 통합 개발하는 추세

 

- 저전력 SoC 설계 : 반도체 공정 기술 발전에 따라 높은 직접도와 빠른 동작 속도를 달성했지만 동적소비전력 증가와 누설 전류 급증 현상은 전력 문제를 부각시켰고 다양한 저전력 기술을 SoC 설계에 적용하기 위해 노력

 

- 저전력 마이크로컨트롤러 : IoT 서비스를 위한 무선 통신 기능, 센서 통신 인터페이스, Security 기능을 처리할 수 있는 저전력 CPU Core 개발 추세

 

 

□ IoT 디바이스 플랫폼

 

- OSHW(Open Source Hardware Platform) 디바이스 플랫폼이 대중화되고 있으며 저전력 디바이스 플랫폼은 에너지 자립형 IoT 디바이스 개발에 활용되고 있음

 

 

 

 

 

 

RTOS를 제공하며 온라인 프로그래밍 툴을 제공 ARM Cortex-M 계열의 저전력 MCU(Micro Controller Unit)을 사용하고 mbed OS라는 RTOS를 제공하며 온라인 프로그래밍 툴을 제공

 

- Arduino 플랫폼 : 오픈소스 기반으로 Atmel 사의 AVR또는 ARM Cortex-M을 사용한 단일보드 마이크로 컨트롤러로 센서, LED, 모터 등을 제어할 수 있는 SW와 개발환경을 제공

 

- Raspberry Pi 플랫폼 : 리눅스 OS를 기반으로 ARM 기반 CPU Core를 사용하며 저렴한 가격이 장점으로 1~2세대 모델은 상대적으로 전력 소모량이 컸으나 최근 전력소모량을 최소화시킨 Zero 제품 개발

 

- 삼성전자 Artik 플랫폼 : Low-End 초소형 모듈은 80~250MHz MIPS S32 Core와 1MB DRAM 그리고 BLE을 지원

 

 

 

□ 에너지 하베스팅 SoC

 

- 최근의 에너지 하베스팅의 IC는 동시 다중 입력(Simultaneous Multi-input) 에너지원, 넓은 입력범위(Wide Input Range), 소모전력 감소 등을 줄이기 위한 노력으로 진행

 

 

 

■ 에너지 자립형 IoT 플랫폼 주요 기술 동향

 

□ 에너지 자립형 IoT 플랫폼

 

- Energy Harvesting IoT 디바이스에서 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 개념으로 진화(에너지 하베스팅 + 개방형 IoT H/W 플랫폼)

 

 

 

 

 

 

 

 

- 출처 및 보고서 원문 보기: [KEIT] 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 기술 동향

- 문서

이슈3 에너지 자립형 IoT 디바이스 플랫폼 기술 동향.pdf