[마우저 일렉트로닉스] IoT 액추에이터와 센서
사물인터넷(IoT)은 정보기술(IT)의 가치를 실제 세계에서 확인할 수 있게 해줍니다." 컴퓨터 네트워크에 센서와 액튜에이터를 추가함으로써 우리는 실제 세계에서 일어나고 있는 일을 감지하고 센서가 판독한 값을 소프트웨어 알고리즘에 적용해 결과값을 계산하고 이를 가지고 액튜에이터를 구동함으로써 변화된 파라미터를 실제 세계 속에서 다시 적용하게 됩니다. 이러한 네트워크는 폐쇄 루프인 경우가 많습니다. 즉 액추에이터가 제어하는 물리적인 파라미터를 센서가 읽는 즉시 시스템에 전달하면 연속 실시간 루프를 닫고 물리적인 프로세스를 모니터링하고 엄격하게 제어한다는 것입니다.
IoT 액튜에이터와 센서 IoT를 구현하기 위해서는 컴퓨터 네트워크에 액튜에이터를 추가해야 하며 물리적 세계를 제어하기 위해서는 IoT 응용 프로그램에 복잡한 계층을 추가해야 합니다. 과거에는 소프트웨어 오류나 컴퓨터 보안 공격 또는 구성 요소 오류와 같은 시스템 문제가 발생하면 데이터의 손상, 손실, 도난을 유발할 수 있기 때문에 IT 관리자에게는 상당한 고민거리였습니다. 네트워크에 액추에이터를 추가할 때 특히 해당 액추에이터가 기관차, 원자로, 변전소, 차량이나 의료기기 같은 강력한 시스템이나 위험한 시스템을 제어해야 하는 경우, 시스템 해킹사고나 고장사고가 발생할 경우 재산상 심각한 피해나 신체상해를 입을 수 있으며 심지어 사망에 이를 수도 있습니다. 따라서 시스템에 액튜에이터를 통합해야 하는 경우 시스템의 완전성이나 보안 등에 특히 유의해야 합니다.
대부분의 센서와 액튜에이터에는 일종의 트랜스듀서가 포함되어 있습니다. 트랜스듀서는 에너지의 타입을 다른 타입으로 변환해 주는 장치를 말합니다. 예를 들어, 차가 파손되면 기계의 에너지가 열 에너지로 변환됩니다. IoT 시스템의 경우 거의 모든 종류의 센서는 물리적 파라미터를 가져와 이를 전기신호로 변환합니다. 마찬가지로 IoT 시스템의 거의 모든 액추에이터는 전기신호를 가져와 일종의 물리적 출력으로 변환합니다. IoT 시스템에서 사용되는 물리적 파라미터는 모두 물리교과서에서 나온 것입니다. 여기에는 전기(전압, 전류, 전력, 저항, 캐패시턴스, 인덕턴스, 주파수, 위상 등), 기계(위치, 속도, 가속도, 무게, 컴퍼스 방향, 중력, 힘, 압력, 유량, 토크, 자기장 등), 음향(음, 진동, 내진 등), 이미지(조도, 카메라, 디스플레이, 적외선의 종류, 적외선(IR), LiDAR 등), 화학(pH, Marmanconti, Metor, Meter)의 종류들, Metor, Metor, Metor, Metor, Metor, Metor, Metor, M
일반적으로 센서는 소스 판독치를 네트워크 컴퓨터에서 활용할 수 있도록 소스 검출 소자 또는 트랜스듀서와 신호 처리 체인을 포함하고 있습니다. 종종 서미스터, 가속도계, 마이크 또는 광센서와 같은 원시 감지 소자는 적절한 아날로그 신호를 생성합니다. 이 때 이 신호들은 증폭과 필터링, 그리고 컴퓨터와 소프트웨어를 입력할 수 있는 포맷으로 변환하는 일련의 신호처리 과정을 거쳐야 합니다. 일반적으로 이러한 과정에는 아날로그 디지털 변환(ADC)과 I²C 또는 USB와 같은 일종의 컴퓨터 인터페이스가 포함됩니다. 복잡한 센서는 디지털 신호 처리 기술을 사용하여 센서 판독치를 디지털 영역에서 추가로 필터링, 컨디셔닝, 평균화, 포맷할 수도 있습니다.액추에이터는 인버스 기능을 가지고 있습니다. 제어 컴퓨터와 해당 소프트웨어의 디지털 출력은 액추에이터의 트랜스듀서가 요구하는 입력 포맷으로 신호를 변환하는 드라이버로 인터페이스를 통해 전달됩니다. 이는 디지털 아날로그 변환기(DAC), 출력 필터, 증폭기로 구성됩니다. 점점 DSP와 Class-D 증폭기와 같은 디지털 기술들이 액추에이터에 통합되면서 정확성, 응답성, 에너지 효율성을 높이고 있습니다.
액튜에이터와 센서를 사용하여 간단한 IoT기능을 구현하는 경우에 따라서는 생각보다 많은 수와 종류의 센서와 액튜에이터가 네트워크에서 사용되기도 합니다. 스마트폰을 떠올려보세요. 여기에 어느 정도의 센서나 액튜에이터가 사용되고 있는지 생각해 보면 곧 알게 될 것입니다. 아직 잘 생각이 안 난다면, 이번에는 커피를 만들어 주는 로봇을 예로 들어보겠습니다. 미국 드라마 '스타트렉: 더 넥스트 제너레이션(Star Trek: the Next Generation)'에서 피카드 함장(Captain Pickard)은 식품복제기(food replicator)에게 다가가 '차, 얼그레이드, 뜨겁게(Tea, Earl Grey, Hot)'라고 주문한다. 몇 초 안에 음료를 제공할 수 있는 시스템에 사용되는 트랜스듀서는 현재 기술 수준에서는 존재하지 않지만 적어도 그와 유사한 기능을 수행할 수 있는 실질적인 시스템을 고려하여 해당 시스템에 탑재될 수 있는 모든 센서와 액추에이터를 살펴보겠습니다.
이러한 시스템 프로세스의 첫 단계는 사용자의 요청을 수락하는 것입니다. 주문은 키패드 어레이(간단한 푸시 버튼 센서), 정전식 터치패드(용량성 센서), 마이크얼레이(음향 센서) 또는 제스처 탐색 카메라(이미지 센서)를 통해 할 수 있습니다. 이밖에 광섬유(광학센서), 무선(RF센서) 또는 유선(전기센서) 등의 접속기술을 사용하는 컴퓨터 네트워크를 통해 주문할 수도 있습니다. 로컬 프로세서는 이 입력을 받아 센서와 액추에이터를 실시간 제어시스템으로 조정합니다. 만약, 그 시스템이 자동판매기라면, 추가적인 센서나 액츄에이터가 받은 현금이나 신용카드가 정품인지 아닌지를 확인합니다(그림 1).
센서는 음료 추출수의 온도와 압력을 지속적으로 모니터링 합니다. 저항 히터는 수온을 제어하는 액추에이터 역할을 합니다. 차가운 음료를 위한 냉수 저장소가 따로 있는 시스템의 경우 별도의 온도 및 압력 센서, 열전 냉각을 제공하기 위한 액추에이터로 펠티어(Peltier) 모듈을 사용할 수 있습니다. 최적의 음료 추출을 위해 물이 적정 온도를 유지하도록 센서에서 제어 프로세서를 거쳐 액추에이터로 이어지는 피드백 루프가 있습니다.
그 다음으로 티백(tea bag)을 선택해야 합니다. 기계에는 다양한 종류의 티백이 준비되어 있을 수 있습니다. 센서는 광학적, 또 기계적인 방법으로 티백의 종류를 확인합니다. 액추에이터는 사용자가 선택한 티백 종류를 모터로 올바른 위치에 올려놓고 추출구를 통해 내립니다. 다른 로봇 액추에이터가 컵을 추출구에 옮겨 놓으면 컵이 올바른 위치에 놓여 있는지 센서를 통해 확인합니다.밸브 액추에이터가 지금 열려서 물이 추출구로 유입됩니다. 초음파 레벨 센서는 컵의 양을 측정하여 순식간에 밸브를 차단합니다. 열센서는 음료를 만들 때 차의 온도를 모니터링합니다. 모터는 차 거르기를 잘 하기 위해 티백의 위아래에 부드럽게 달 수 있습니다. 광학 센서에서는, 좋아하는 차의 농도가 생기면 티백을 없애듯이, 차의 색을 측정할 수 있습니다. 솔레노이드 등의 액추에이터는 내린 티백을 폐기함에 떨어뜨릴 수 있습니다.
여기에 별도로 재료를 추가하기 위해 또 다른 액추에이터를 추가할 수도 있어요. 예를 들어 설탕이나 크리머를 계량하기 위한 모터 구동 오거 또는 꿀을 넣기 위한 밸브 등을 추가할 수 있습니다. 재료통에 설치된 광학이나 중량, 또는 초음파 센서는 적정량이 공급되는지, 디스펜서가 올바르게 작동하는지 확인합니다. 재료를 담는데 사용되는 숟가락의 위치, 이동, 세척을 위해 여러 개의 모터 구동형 액추에이터를 필요로 하는 소형 로봇 스푼이 차량 내부가 잘 섞이도록 마지막으로 저으면 모터 액추에이터가 개폐구를 열어 컵을 사용자에게 제공합니다.
지금까지 보신 것처럼 차 한 잔을 만드는 간단한 작업을 자동화하기 위해서 IoT 기술을 사용하기 위해서는 수십 개의 센서와 액추에이터, 인터페이스 회로, 복잡한 프로세서와 많은 소프트웨어가 필요할 수 있습니다. 그러한 기계를 만드는 것이 얼마나 가치가 있는지 확신할 수는 없지만 센서와 액튜에이터의 기능은 계속 향상되고 비용이 낮아짐에 따라 그러한 시스템을 구현할 수 있게 된 것입니다.
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