IIoT에 적합한 컴퓨팅 플랫폼을 선택하는 방법

자료제공 : 필드 애플리케이션 엔지니어, Jimmy Chen
매니저, Daniel Liu

오늘날 시장에는 산업용 IoT(Industrial IoT)를 위한 임베디드 솔루션이 넘쳐나고 있다. 따라서 다양한 RISC 기반 임베디드 컴퓨터, 싱글보드 컴퓨터 및 개발 보드 중에서 선택하여 IIoT 솔루션을 구현할 수 있게 되었다.
산업용 애플리케이션을 위한 임베디드 컴퓨팅 솔루션을 선택할 때 고려해야할 주요 요소에는 어떤 것들이 있을까? 개발 보드는 IIoT 애플리케이션의 복잡한 요구 사항을 처리하고 중요한 산업 활동에 안정적인 성능을 제 공할 수 있을까? IIoT 시제품을 개발 보드에서 모든 컴퓨팅 요구를 충족하는 맞춤형 산업용 솔루션으로 만드는 가장 좋은 방법은 무엇일까?
이 글을 통해 산업 등급 임베디드 솔루션과 다른 등급의 솔루션을 비교하여 IIoT 애플리케이션에 싱글보드 컴퓨터 또는 개발 보드를 사용하는 것이 적합한가에 대해 알아보자.

개발 보드와 산업 등급 솔루션 비교
Qualcomm DragonBoard 410c, Raspberry Pi, Arduino, Intel Galileo, BeagleBone Black 및 Spark Core와 같은 개발 보드는 자동화 아이디어를 테스트하는 비용 효율적인 방법을 제공한다. 그러나 IIoT와 같은 실제 산업 시나리오에서 이러한 아이디어를 구현할 때는 테스트를 거쳐 검증된 산업 등급의 임베디드 컴퓨팅 솔루션이 최상의 선택이다. 대부분의 자동화 요구를 충족할 수 있는 뛰어난 성능의 안정적이고 안전한 시스템을 제공할 수 있기 때문이다.

하드웨어 관점
컴퓨팅 플랫폼을 평가할 때 일반적으로 엔지니어들이 가장 먼저 살펴보는 부분은 가격이다. 통신 네트워크가 분산 아키텍처를 이루고 있고 네트워크에 많은 수의 장치가 배포된다는 점에서 구현 비용이 많이 드는 IIoT 애플리케이션에서는 특히 이러한 행동이 여실히 나타날 수밖에 없다. 개발 보드는 애플리케이션의 시제품을 제작하고 개념을 입증하는 단계에서 좋은 출발점이 될 수 있지만 이러한 아이디어를 산업 환경에서 구현하려면 상당한 어려움이 따른다. 대부분의 개발 보드는 취미 보드로 설계되었으며 다음 섹션에서 논의되는 복잡한 산업 등급 애플리케이션에는 적합하지 않다.

즉시 배포 가능한 플랫폼
개발 보드는 일반적으로 특정 애플리케이션 요구에 따라 조립해야 하는 베어본(Bare-bones)의 구성 요소이다. 현재 시장에 나와 있는 대부분의 개발 보드에는 컴퓨터 보드만 있다. 이러한 개발 보드에는 일반적으로 전원 인터페이스, OS, 메모리 및 외부 케이스가 없다. 프로젝트에 이러한 컴퓨터 보드를 배포할 준비가 되면 모든 부분을 하나씩 조립해야 하는 시간 소모적이고 노동 집약적인 과정이 필요다. 반면에 대부분의 산업용 컴퓨팅 플랫폼은 즉시 배포할 수 있으며 다음과 같은 기능을 일부 또는 모두 갖추고 있다.
·극한의 산업 환경을 견딜 수 있고 다양한 장착 옵션을 갖춘 견고한 디자인
·맞춤화된 OS, 유틸리티, 라이브러리 및 애플리케이션
·원격 통신 기능을 갖춘 다중 I/O 및 통신 인터페이스
·Modbus 와 같은 산업용 프로토콜 지원 및 필드 장치로부터의 데이터 수집에 최적화
·간편한 모니터링 및 문제 해결 기능
·추가적인 맞춤화, 그리고 다른 시스템 및 애플리케이션과의 통합을 위한 API

애플리케이션 요구 사항과 프로젝트의 복잡성에 따라 이러한 컴퓨팅 플랫폼을 즉시 배포하여 사용할 수 있으므로 시장 진출 시간을 단축할 수 있다.

멀티 IO 지원
대부분의 경우 저렴한 개발 보드에는 이더넷 포트 1개와 USB 포트 여러 개만 있다. 필드 장치 및 원격 데이터 수집에 필요한 무선 인터페이스와의 인터페이스에 필수적인 직렬 포트는 대부분 제공되지 않는다. 추가 인터페이스가 필요한 경우 제작, 통합, 테스트 및 최적화 작업을 직접 수행해야 한다. 반면, 산업용 컴퓨팅 솔루션에는 대개 대규모 산업 배포에서 최대의 유연성을 위해 이더넷, 직렬 및 셀룰러 인터페이스를 포함하는 다중 통신 인터페이스가 제공된다.

산업 안전 표준 인증
UL 및 CE 인증은 산업 환경에 배포되는 장비에 필수 사항이다. 이러한 인증 기준은 사용자뿐만 아니라 장비 제조업체에도 적용된다. 컴퓨터 개발 보드는 이러한 표준을 따르지 않는 경우가 많다. 따라서 이러한 보드가 열악한 산업 환경에서도 견딜 수 있다는 보장이 없다. 반면, 산업용 컴퓨팅 솔루션은 다양한 인증 요구 사항을 충족시키기 위해 엄격한 테스트를 거친다. 산업용 애플리케이션의 요구에 따라 해당 애플리케이션에 안전하게 사용할 수 있도록 최적화되고 인증된 컴퓨팅 솔루션을 선택 할 수 있다.

IP(Ingress Protection: 방진방수)
산업 장비는 평상시 먼지와 물에 노출될 위험이 높다. 산업 환경의 먼지와 물의 유입으로부터 보호 되지 않은 장비는 결국 고장이 나고 만다. 대부분의 컴퓨터 개발 보드에는 인클로저가 없고, 따라서 이러한 보드에는 전기 회로를 습기 및 부식 요소로부터 보호하여 제품의 긴 수명을 보장하는데 필요한 컨포멀 코팅을 적용할 수 없다. 반면 산업용 컴퓨터는 IP(Ingress Protection: 방진방수) 요구사항을 준수해야 한다. 해양 및 석유, 가스와 같은 일부 환경에 이러한 컴퓨터를 배포하기 위해서는 물 및 먼지의 유입에 대해 높은 수준의 보호를 보장하는 IP 인증이 필수적이다. IP 표준을 준수하면 산업용 컴퓨팅 플랫폼이 열악한 산업 환경을 견디고 긴 수명을 유지할 수 있다.

제품 보증
개발 보드에는 종종 단 1년간의 보증만이 제공되지만 산업 등급 제품의 보증 기간은 최소 5년이다. 산업용 장비는 교체 비용이 높기 때문에 산업 운영자는 장비가 10-15년 이상 고장 없이 작동할 것을 기대한다. 이 기준은 산업용 컴퓨팅 솔루션에도 적용된다. 개발 보드는 산업 등급 제품의 수명 요구 사항을 충족시킬 수 없다.

요약하자면, 언뜻 보기에는 컴퓨터 개발 보드가 낮은 비용과 인기로 인해 매력적일 수 있다.
그러나 기능과 요소들이 부족하다는 점을 고려해 보면 IIoT 애플리케이션에 개발 보드를 사용할 때의 실제 비용은 검증되고 테스트를 거친 산업용 컴퓨팅 솔루션을 배포할 때보다 더 높을 수 있다는 사실이다.

소프트웨어 관점
소프트웨어 구성 요소는 IIoT 시스템에서 컴퓨터를 포함한 산업용 하드웨어의 기능을 확장하는 데 사용 된다. 일반적인 적용 예로는 데이터 수집, 장치 모니터링 및 제어, 데이터 변환 등을 들 수 있다. 소프트웨어 애플리케이션 외에도, 소프트웨어 애플리케이션을 호스팅하는 운영 체제와 개발자가 소프트웨어를 사용자 지정하거나 새 소프트웨어를 빌드하는데 사용하는 소프트웨어 개발 키트도 고려해야 한다. 다음 요소들은 소프트웨어 개발 비용과 시장 출시 시간을 줄여줄 수 있다.

소프트웨어 서비스 및 지원
소프트웨어 컨설팅 및 서비스는 개발자가 시스템의 특정 소프트웨어 구성 요소에 대한 충분한 지식이 없거나 매일 발생하는 문제를 해결할 수 없을 때 의지하는 생명줄과 같다.
예를 들어, 개발자가 운영체제 관련 문제를 겪고 있고 이를 신속하게 해결할 수 없는 경우 개발자는 새로 뜯어 고치는 대신 이러한 문제를 해결하는 데 필요한 전문 지식과 경험을 가진 제품 지원 팀에 문의할 수 있다. 그러면 개발자는 플랫폼 관련 문제를 해결하는 데 시간을 소비하는 대신 소프트웨어 애플리케이션을 빌드하는데 집중할 수 있다. 개발 보드를 사용하면서 이러한 문제가 발생한다면 개발자 포럼에 질문을 게시하고 비슷한 문제를 겪은 다른 사용자가 답변해 주기를 바랄 수 밖에 없다.
게다가 임베디드 컴퓨팅 플랫폼을 개발하려면 이러한 시스템의 작동 방식에 대한 심층적인 지식이 필요하다. 예를 들어, 현대적인 RISC 플랫폼은 루트 파일 시스템용 NAND/NOR 플래시 디스크를 장착하고 있다. 경험이 부족한 프로그래머는 종종 적절한 인식 없이 데이터를 자주 읽고 쓰는 애플리케이션을 설계하여 하드 드라이브의 성능을 제한하는 일이 잦다.  또한 이로 인해 디스크에 불량 섹터가 생겨 결국 부팅이 되지 않을 수도 있다. 플랫폼에 대한 소프트웨어 지원과 컨설팅을 받는다면 이들이 애플리케이션을 보다 효율적으로 설계하는 데 도움을 주고 RAM 파일 시스템에 임시 데이터를 저장 할 위치와 같은 많은 부분에서 모범적인 조언을 해줄 수 있다.
대부분의 산업용 컴퓨팅 플랫폼에는 사용자가 선택할 수 있는 다양한 수준의 소프트웨어 서비스와 지원 패키지가 제공된다. IIoT 애플리케이션의 경우 문제 해결에 필요한 하드웨어 및 R&D 지원과 함께 소프트웨어 서비스 및 기술 지원을 제공할 수 있는 회사와 협력하는 것이 좋다. 지원 팀은 사용자가 직면한 문제를 통해 배우고 귀중한 경험을 얻을 수 있으며 이들의 전문 지식을 활용하면 모두에게 득이 되는 상황을 만들 수 있다.

플랫폼 최적화
대부분의 경우 하드웨어 제조업체는 하드웨어 플랫폼과 함께 번들로 제공되는 USB 또는 PCIe 인터페이스와 같은 주변 구성 요소를 통합하는 데 시간을 소비하지 않는다.
이들은 타사 구성 요소의 호환성을 철저히 테스트하지 않고 이러한 구성 요소를 해당 플랫폼의 일부로 판매한다. 하드웨어 구성 요소 외에도 공급업체는 부팅 속도, 커널 및 장치 드라이버 통합과 같은 하드웨어 플랫폼의 전반적인 성능을 최적화하기 위한 단계를 거쳐야 한다. 장치 드라이버 및 수시 다운로드를 위한 유틸리티를 제공하는 것은 그리 좋은 방법이 아니다. 사용자가 특히 다중 장치 드라이버의 경우에 자체적으로 장치 드라이버 기능의 충돌을 해결해야 하기 때문이다.
극단적인 경우, 이러한 드라이버가 운영 체제를 손상시킬 수도 있다. 테스트를 거쳐 검증된 전체 소프트웨어 이미지를 제공하는 하드웨어 플랫폼 공급업체를 선택하는 것이 바람직하다. 그러면 많은 문제를 방지하고 안정적인 애플리케이션과 솔루션을 훨씬 빠르게 개발할 수 있다.
운영 체제의 경우, 기본 운영 체제를 제공하는 시스템이 아닌 개발 요구 사항에 맞게 미세 조정되고 최적화된 시스템을 제공할 수 있는 회사를 권장한다. 사용자와 협력하여 산업 애플리케이션에서 사용하지 않을 불필요한 프로세스와 애플리케이션을 제거하고 산업 애플리케이션에 가장 적합한 커널을 구축 하며 보안 결함을 막기 위한 시스템 패치와 업그레이드를 지속적으로 제공하는 회사가 좋다.

유틸리티 및 라이브러리
소프트웨어 유틸리티와 라이브러리는 개발자에게 가장 친한 친구와 다름없다.
하드웨어 플랫폼의 성공의 열쇠는 플랫폼을 사용자 정의하고 보다 사용자 친화적으로 만드는 데 사용할 수 있는 광범위한 라이브러리와 유틸리티이다. 이러한 라이브러리가 없으면 개발자는 플랫폼 관련 기능을 구축하는데 많은 시간을 소비해야 한다. 이 시간은 그렇지 않았다면 새로운 애플리케이션을 구축하는데 가치 있게 쓰일 것이다. 하드웨어 자동 진단 기능도 산업 환경에서 매우 유용하다.
예를 들어, 산업용 장비에서 자가진단을 실행시키는 푸시 버튼 기능을 통해 개발자는 현장의 문제를 신속하게 분석할 수 있다. 시스템 저장, 시스템 기본 값 복원, 자동 전화 접속, 그리고 Wi-Fi 및 셀룰러 신호를 읽을 수 있는 도구 와 유틸리티 같은 기타 유용한 기능도 개발자가 문제, 특히 시스템 파티션과 관련된 문제를 해결하는데 투입해야 하는 시간을 줄여줄 수 있다. 또한 개발자가 모든 AT 명령과 다양한 명령 옵션을 기억 할 필요성도 없애준다.
OpenSSL 하드웨어 라이브러리, Modbus, Ethernet/IP, CAN 버스 및 MQTT 와 같은 산업 자동화 또는 IIoT 특정 기능과 프로토콜을 구현하는 소프트웨어 라이브러리는 IIoT 분야에서 일하는 개발자에게 확 실한 이점을 제공한다.
우수한 플랫폼 제공업체는 소프트웨어 유틸리티와 라이브러리를 개발하여 하드웨어 플랫폼을 최적화하는 부분에 자원을 투입한다. 개발자는 한 줄의 코드도 작성하지 않고 이러한 확장 기능을 활용할 수 있다.

장기 지원
산업 플랫폼의 일반적인 수명은 5년 이상이다. 따라서 산업 플랫폼 공급업체는 소프트웨어 환경의 장기 유지관리에 필요한 자원을 투입해야 한다. 컴퓨팅 플랫폼의 커널 또는 라이브러리에 대한 모든 업데이트는 공개 전에 철저히 테스트해야 이러한 플랫폼에서 애플리케이션 소프트웨어 오류를 발생시키지 않는다. 개발 보드 공급업체는 일반적으로 이러한 요구 사항을 따르지 않는다. 애초에 이러한 보드는 개발자가 개념 입증을 작성하는 데 도움을 주는 교육적 도구로 만들어졌기 때문이다. Raspberry Pi Foundation과 같은 일부 조직은 대규모 개발자 커뮤니티로 유명하지만 일반적으로 장기 지원은 최우선 순위가 아니다.

사이버 보안
최근 몇 년 사이에 산업 시스템에 대한 사이버 공격이 증가했다. IIoT 네트워크에서 점점 더 많은 장치가 온라인으로 연결됨에 따라 시스템 보안은 사용자와 운영자 모두에게 중요한 관심사가 되었다. 중요한 산업 네트워크에 무단으로 액세스하는 것은 운영자의 대응이 필요한 실질적인 위협이나 마찬가지이다. 임베디드 애플리케이션은 여기서 호스트하는 애플리케이션으로 보안 기능을 확장할 수 있는 보안 플랫폼에 구축해야 한다. 또한 IEC 62443-4 와 같은 사이버 보안 표준을 준수함으로써 높은 수준의 보안을 보장할 수 있다.
선택한 개발 플랫폼이 애플리케이션에 필요한 사이버 보안 수준과 표준을 지원하는지 확인해보면 무단 액세스로부터 보호해 주는 보안 부팅과 같은 추가 기능은 임베디드 애플리케이션의 보안을 강화하는 데 도움이 될 수 있다.

개방형 플랫폼 이점
오픈 소스 소프트웨어와 오픈 소스 OS는 개발자에게 최대한의 유연성을 제공한다.
이 모델에서 개발자는 공동 소유자이며 새로운 기능을 추가하고 기존 문제를 해결하는데 있어 동등한 자격을 가지고 있게된다. 즉, 소프트웨어가 끊임없이 진화할 수 있는 환경이 되는 것이다. 어떤 보안 문제이든 전체 사용자 커뮤니티에 영향을 미치기 때문에 솔루션이 신속하게 만들어지고 모든 사람이 이용할 수 있다. Debian Linux는 널리 통용되는 운영 체제 배포판의 좋은 예시이다.
많은 회사에서 이 배포판의 라이브러리 및 드라이버를 개발하는 전담 팀을 운영하고 있다. 그러한 라이브러리 및 드라이버를 개발할 때의 경험적 규칙은 오픈 소스 플랫폼에 대한 기존 아키텍처와 지침을 따르는 것이다.
컴퓨팅 플랫폼이 주요 기능을 지원하지 않으면 개발자는 해결 방법을 만드는데 많은 시간을 소비해야 한다.
워치독 타이머의 예를 생각해 보면 많은 플랫폼 공급업체들이 현재 배포판에 존재하는 워치독 애플리케이션과 호환되도록 자사의 워치독 드라이버를 조정하지 않았다. 워치독의 완전한 기능을 이해하기 쉽지 않고 시간도 많이 걸리기 때문이다.
그 결과 개발자들은 이러한 워치독 함수가 올바로 작동하도록 하기 위해 표준 Linux에서 함수 호출의 작성 방식을 바꾸느라 더 많은 시간과 노력을 소비해야 했다. 선택한 개방형 플랫폼이 시스템 요구 사항을 충족하고 사내 또는 외부 컨설팅 회사의 도움을 받아 라이브러리 또는 유틸리티를 개발할 수 있는 역량을 부여하는지 확인하는 것이 중요하다.

Moxa의 산업용 컴퓨터

Moxa의 산업용 컴퓨터는 스마트 그리드, 해양, 석유 및 가스, 철도 자동화를 포함한 다양한 특화 시장 에서 최고의 사용자 경험을 보장하는 견고하고 안정적인 시스템을 제공하도록 설계되었다.
새로운 산업용 컴퓨터 모델 UC-8100은 컴퓨팅 플랫폼은 임베디드 데이터 수집 애플리케이션에 적합하게 설계되었다. 이 컴퓨터에는 하나 또는 두 개의 RS-232/422/485 직렬 포트와 듀얼 10/100Mbps 이더넷 LAN 포트, 그리고 셀룰러 모듈을 지원하기 위한 Mini PCIe 소켓이 함께 제공된다. 이러한 다양한 통신 기능을 통해 사 용자는 UC-8100 을 다양하고 복잡한 통신 솔루션에 효율적으로 적용할 수 있다.
UC-8100 은 에너지 모니터링 시스템에서의 사용에 최적화된 Cortex-A8 RISC 프로세서를 기반으로 개 발되었지만 기타 다양한 산업 솔루션에도 유용하다. 유연한 인터페이싱 옵션을 갖춘 이 컴팩트한 임 베디드 컴퓨터는 현장에서의 데이터 수집 및 처리를 위한 안정적이고 안전한 게이트웨이로서 뿐만 아니 라 다른 많은 대규모 배포 환경을 위한 유용한 통신 플랫폼으로서 가치를 발휘한다.