음향 데이터 전송 기술 ‘처핑’ IoT용 통신 기술로 주목

IoT 시스템 대부분에는 어떤 형태로든 연결이 필요하다. 그러나 블루투스, 와이파이 또는 셀룰러 연결을 사용할 수 없는 경우에는 어떻게 될까? 스타워즈에 등장하는 귀여운 로봇 R2D2는 새가 지저귀는 듯한 소리를 내서 의사소통을 한다. 실제 해답도 비슷하다.

연결이 없을 경우 센서는 어떻게 데이터를 공유할까? 충전 없이 더 오래 작동하도록 하려면 IoT 기기를 어떻게 설계해야 할까? 구형 장비를 다른 기기와 통신하도록 경제적으로 개량하는 방법은 무엇일까?



대부분 IoT 기기는 블루투스, 와이파이, LoRaWAN, SIGfox 또는 셀룰러 연결을 사용해 통신한다. 통신 모드 선택은 전송할 페이로드의 크기, 전송 거리, 전송 기기에서 사용 가능한 전력에 따라 결정된다. 벽, 다른 전자 장비, 충돌하는 라디오 신호 역시 사용할 프로토콜 선택에 영향을 미친다. 조건은 ‘잡음이 많은’ 환경을 통과하고 아주 작은 전력으로 동작할 수 있어야 한다는 점이다.

블루투스는 2.4GHz에서 작동하며 통신 거리는 10m 이내, 와이파이는 2.4GHz에서 작동하며 통신거리는 장애물에 따라 18m 내외다. 오디오 신호의 주파수는 훨씬 더 낮아 20~20,000Hz다. 오디오 신호는 아주 작은 전력으로 작동하는 단순한 스피커와 마이크를 사용해서 150m 이상까지 이동한다. 다만 오디오 신호로 전송 가능한 데이터의 크기는 블루투스, 와이파이에 비해 훨씬 더 작다.

새로운 고효율 통신 기술 ‘처핑(Chirping)’
처프(chirp)는 시간에 따라 주파수가 증가하거나(상향 처프) 감소하는(하향 처프) 신호다. 데이터는 변조/복조를 통해 인코딩된다. 데이터는 보내는 기기에서 일련의 음고(pitch)와 음색(tone)으로 인코딩된 다음 받는 기기에서 디코딩된다. 처프는 들릴 수도 있고, 소음 공해를 최소화하도록 무음(초음파)으로 구성될 수도 있다.

처핑은 ‘클라우드’로의 연결이 불필요한 피어 투 피어 통신이다. 소리는 모든 방향으로 이동하므로 ‘일 대 다’ 네트워크 구성에서 여러 기기로 데이터를 브로드캐스팅하는 데 이상적이다. 심지어 데이터를 교환하기 전에 기기 간 ‘핸드셰이크 프로세스’도 필요 없다.

IoT 센서는 충전 없이 장시간 작동하기 위해 전력을 아껴야 한다. 나중에 설치된 다른 센서 및 기기와 재구성 없이 통신해야 한다. 처핑은 이러한 제약 조건에 잘 맞고 다음과 같은 다른 장점도 있다.

- 전송되는 데이터는 새로운 신호를 생성해서 인코딩되며 그 신호의 속성은 전송될 데이터에 의해 결정된다. 기존 오디오 신호를 요구하지 않는다.
- 전송되는 정보는 네트워크 연결이 필요할 수도 있는 외부 리소스 없이 실시간으로 인코딩 및 디코딩된다.
- 센서 및 게이트웨이 네트워크와 같은 소량의 동적 페이로드에 이상적이다. 산업용 장비 등 데이터 페이로드가 큰 미션 크리티컬 IoT 애플리케이션 용도로는 적합하지 않다.

일반 소비자 애플리케이션
와이파이 네트워크를 통해 연결되도록 설계된 홈 모니터를 생각해 보자. 소비자가 이 모니터를 설치하면서 와이파이 네트워크에 연결되지 않는 문제를 겪는다면 어떻게 될까? 멀리 떨어진 기술 지원 담당자는 기기의 상태를 확인할 수 없으므로 문제 해결을 돕기가 어렵다. 그러나 ‘처핑’ 기능이 홈 모니터에 내장되어 있다면 소비자는 스마트폰을 기기 가까이 대기만 하면 된다. 기술 지원 담당자는 처프 소리 신호를 통해 홈 모니터의 상태를 조회할 수 있다.

셔틀(Shuttl)은 인도의 인기 있는 버스 서비스다. 승객은 승차권을 수동으로 제시할 필요 없이 스마트폰을 사용해 버스 승무원에게 처프 신호를 보내는 방법으로 유효한 승차권을 갖고 있음을 손쉽게 입증할 수 있다. 이는 승객 경험을 개선하고 버스 승무원의 업무 부담을 덜어준다. 또한 버스에서 셀룰러나 와이파이 연결이 불가능한 경우에도 작동한다. 셔틀 공동 창업자인 디팬슈 말비야는 “인증된 승차를 확인하는 것은 안전을 위해 매우 중요하다. 승무원이 승객의 승차권을 확인하는 일반적인 버스와 달리 우리는 이 과정을 완전히 자동화해서 사람이 개입할 필요가 없도록 했다”고 말했다.

IoT 기기에서의 처핑
처프(Chirp)는 소리를 통한 데이터(data-over-sound) 통신 업체로, IoT 기기와 센서에 사용되는 기술을 개발한다. 데이터를 보내는 기기 측에서 인코딩한 다음 무선으로 수신 기기 또는 기기 그룹에 보내고, 수신 기기가 이 데이터를 디코딩하는 방식이다. 스피커가 있는 IoT 기기는 ‘처프’를 방출하면 마이크 및 소량의 처리 성능을 갖춘 다른 기기에서 이 처프를 받아 디코딩할 수 있다.

처프는 SDK를 통해 통합된다. SDK는 iOS, 맥 OS, 안드로이드, 윈도우 UWP, JS, 웹 브라우저, 파이썬, 아두이노(Arduino), 라즈베리 파이(Raspberry Pi), 리눅스를 포함한 다양한 기술 플랫폼에서 작동한다. 이를 통해 센서는 다양한 기기와 연결이 가능하다. 기기에서 동적 데이터로 처프를 생성하거나, 나중에 재생하기 위한 오디오 파일로 녹음이 가능하다. 음향 바코드와 마찬가지다.

셔틀 버스 서비스를 통해 볼 수 있듯이 처프는 연결 없이 IoT 애플리케이션을 구현할 수 있게 해준다. 스타워즈의 R2D2처럼 “삐빅-삑” 소리로 통신이 가능하다. 지금 IoT 기기를 개발하고 있다면 처핑 기능을 넣어보자.  editor@itworld.co.kr