이번 연재는 공통산업프로토콜(CIP, Common Industrial Protocol)의 활성화 과정에서 블루투스 기술을 응용하여, 이더넷 통신의 신뢰성을 확보하고 사용 편의성을 높이는 동시에, 저비용의 무선통신 방식으로서 블루투스가 산업 현장에서 얼마나 보편적으로 활용될 수 있는지를 보여주기 위한 것이다. 이 시리즈를 통해 블루투스가 산업용 네트워크 환경에서 범용성을 갖춘 통신 기술로 어떻게 적용될 수 있는지, 그리고 산업계에 어떤 새로운 가능성을 제시할 수 있는지를 세 차례에 걸쳐 소개할 예정이다.

 

 

무선 통신 기술은 이미 일상생활에서 널리 활용되고 있으며, 다양한 매체를 통해 산업 자동화 분야에도 점차 도입되고 있다. 이러한 무선 기술 중 블루투스는 신뢰성, 보편적 채택, 사용 용이성, 저비용 등의 이유로 소비자 시장에서 높은 평가를 받는 기술이다. 블루투스는 사물인터넷(IoT)의 핵심 통신 기술 중 하나이며, 산업용 사물인터넷(IIoT)의 도입이 확대됨에 따라 산업 자동화 생태계 내에서도 중요한 통신 수단으로 그 영역을 넓혀가고 있다.

 

이 글은 블루투스를 산업용 환경에서 CIP(공통 산업 프로토콜, Common Industrial Protocol) 통신의 애플리케이션 계층 인터페이스로 활용할 가능성을 탐구하는 데 목적이 있다. 특히 블루투스 사양의 최근 개선 사항, 보안성과 안정성, 기술 사양, 그리고 CIP를 블루투스 전송 계층에 매핑하는 방법을 검토한다. 또한 CIP를 블루투스에 확장 적용하는 방안, 산업 현장 내 실제 활용 사례, 보안 고려 사항, 그리고 ODVA(개방형 장치 벤더 협회)에 미치는 영향을 함께 분석한다.

 

서론

 

2024년 기준, 무선 기술은 산업 네트워크 전체 시장의 약 7%를 차지하며 꾸준히 성장하고 있다. 특히 블루투스 저전력(BLE, Bluetooth Low Energy)은 신뢰성과 저비용, 손쉬운 구현으로 단거리 무선 통신의 핵심 기술로 자리 잡았다. BLE 기반의 CIP 통신을 구현함으로써 산업용 장치들은 기존의 CIP 기반 시스템과 호환성을 유지하면서 무선으로 통신할 수 있게 된다.

 

이 논문에서 제시하는 주요 사례는 스마트 워커(smart worker)와 IO 메쉬 네트워크에서 CIP over BLE를 적용하는 것이다.

 

스마트 워커의 경우, 작업자는 현장에서 태블릿이나 스마트폰을 이용해 BLE 액세스 포인트를 통해 기계나 제어반, 장치에 연결하여 진단, 파라미터 읽기/쓰기, 문제 해결 및 시운전 작업을 수행할 수 있다. 만약 연결된 장치가 CIP를 통신 프로토콜로 사용한다면, BLE를 통해 CIP 형식의 데이터를 제공함으로써 익숙한 구조를 유지하며 통합된 작업 환경을 제공할 수 있다. 또한 CIP Safety를 활용하면 모바일 기기의 애플리케이션에서 가상 비상정지(e-stop) 기능을 구현해, BLE 상에서 CIP Safety를 완성할 수도 있다.

 

BLE를 센서 네트워크에 적용할 경우, 유선 연결이 어렵거나 위험지역(예: 가연성 환경, 슬립링, 로봇 엔드 이펙터 등)에서도 유연한 연결성을 확보할 수 있다. BLE의 메쉬 네트워크 기능은 다대다(m:m) 연결을 지원하여 대규모 디바이스 네트워크를 효율적으로 구성하고, 안정성과 확장성을 높인다. BLE를 통한 CIP 데이터 전송은 네트워크 전반의 데이터 공통성을 확보하여 산업별 요구에 맞는 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

 

물론 한계점도 존재한다. 예를 들어 전송 거리, 데이터 속도, 그리고 보안 문제 등이 있다. 이러한 한계를 해결하기 위해 CIP Security를 도입해 네트워크 전반에서 안전한 접근을 지속적으로 보장하는 방안을 제시한다. BLE 네트워크는 개인 영역망(PAN)의 역할을 하며, 이를 더 큰 지역망(LAN) 또는 광역망(WAN)에 연결하기 위해서는 게이트웨이(gateway)가 필요하다.

 

게이트웨이의 주요 역할은 다음과 같다.

 

· 프로토콜 변환 : BLE ↔ Ethernet(IP) 간 변환 (예: TCP/IP, UDP 변환)

· 라우팅 : CIP 라우팅을 통해 수집된 CIP 데이터를 적절한 목적지로 전송

· 디바이스 관리 : BLE 연결의 페어링, 인증, 유지 관리 및 보안 관리 수행

· 네트워크 분리 : OT 네트워크와의 불필요한 데이터 트래픽 최소화

· 보안 : 방화벽 역할을 수행하여 데이터 흐름과 접근 제어

· 확장성 : 새로운 BLE 노드나 네트워크를 쉽게 추가 가능

 

게이트웨이 대신 IPC, 엣지 컴퓨팅 장치, PLC, HMI 등의 펌웨어 내에 동일 기능을 통합하는 것도 가능하지만, 게이트웨이는 BLE 인터페이스를 광범위한 CIP 네트워크로 확장하는 데 있어 보다 실용적이고 확장 가능한 접근법이다.

 

 

산업적 고려 사항

 

산업 환경에서 블루투스 네트워크를 구축할 때는 다음 요소들을 반드시 고려해야 한다.

 

· 현장 조사(Site Survey) : RF(무선 주파수) 환경 평가를 수행하여 Wi-Fi, Zigbee 등 2.4GHz 대역 간섭 여부, 모터나 인버터에서 발생하는 전기적 노이즈, 금속 구조물의 반사로 인한 신호 저하 등을 파악해야 한다. RF 스펙트럼 분석기를 활용해 공장 바닥을 스캔하고 커버리지를 테스트한다. 설치 후 매년 정기적으로 검사하고, 새로운 기계가 추가될 때마다 BLE 성능에 미치는 영향을 즉시 평가해야 한다.

 

· 물리적 위치 : 블루투스 장치, 게이트웨이, 안테나를 기계나 공장 내 어디에 배치할지를 결정해야 한다. 이상적으로는 제어반 외부에 설치하는 것이 권장된다.

 

· 환경적 요인 : 제어반 외부에 설치된 장치의 경우, 부식성 가스나 열, 먼지 등 외부 요인에 의해 장치가 손상되지 않도록 환경적 보호 조치를 고려해야 한다.

 

블루투스 입문

 

1. 일반 개요 – 블루투스의 진화

 

 

2. 블루투스 클래식 vs BLE

블루투스 클래식(Bluetooth Classic)과 블루투스 로우에너지(BLE, Bluetooth Low Energy)는 동일한 기반 기술에서 파생되었지만, 성격과 동작 방식에서 차이가 있다.

 

BLE는 2011년경 블루투스 특별이해그룹(SIG, Special Interest Group)이 Bluetooth v4.0 규격을 통해 도입했으며, 주로 사물인터넷(IoT) 애플리케이션을 위해 개발되었다.

 

BLE 기술은 짧은 데이터 전송 버스트(short burst)를 사용하는 반면, 블루투스 클래식은 지속적인 데이터 스트리밍(continuous data streaming)을 사용한다. 따라서 블루투스 클래식은 오디오 스트리밍이나 파일 전송 등 지속적 데이터 전송에 적합하지만, BLE는 주기적으로 절전 상태(sleep mode)에 있다가 연결이 필요할 때만 활성화되어 데이터를 전송하므로 전통적인 블루투스 대비 약 1/10 수준의 에너지 소비로 구동된다. 표 1에서는 BLE와 블루투스 클래식의 기술 사양을 비교하고 있다.

 

 

블루투스의 동작 범위는 전파 환경, 송신 전력, 수신 감도, 장애물, 전파 반사, EMI(전자기 간섭), 비콘 방향 등 여러 조건에 따라 크게 달라진다.

 

산업 환경에서 BLE 전송 속도 2 Mb/s, 송신 전력 0 dBm, 송신 안테나 이득 0, 수신 이득 0 dBm의 설정 조건을 기준으로 할 때, 신뢰할 수 있는 통신이 가능한 예상 범위는 약 23~55m 정도로 추정된다.

 

3. 블루투스 스택 비교

블루투스 클래식과 BLE(일명 Bluetooth SMART)는 동일하게 컨트롤러(Controller), 호스트(Host), 애플리케이션(Application)의 세 가지 기본 구성 블록을 기반으로 하지만, 각각 고유한 프로토콜 스택을 가지고 있다. BLE 스택의 계층은 하단부터 다음과 같이 구성된다.

 

 

· 물리 계층(Physical Layer, PHY) : 2.4GHz 대역에서 동작하는 물리적 무선 인터페이스로, BLE 패킷의 송수신이 이루어지는 계층이다.

· 링크 계층(Link Layer, LL) : 장치 간의 연결을 설정하고 유지하며, 광고(advertising) 및 디바이스 스캔(scan)을 담당한다.

· 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI) : 호스트와 컨트롤러 간의 명령을 주고받기 위한 인터페이스를 제공한다. USB, SPI, UART 등의 물리적 인터페이스를 통해 명령을 송수신한다.

· 논리 링크 제어 및 적응 프로토콜(Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP) : 상위 계층의 메시지 처리를 위해 데이터 패킷의 분할(segmentation) 및 재조립(reassembly)을 수행하며, 논리 채널(logical channels)을 관리한다.

· 보안 관리자 프로토콜(Security Manager Protocol, SMP) : 장치 간 페어링(pairing), 본딩(bonding), 키 분배(key distribution) 및 관리 기능을 담당한다.

· 속성 프로토콜(Attribute Protocol, ATT) : 클라이언트-서버 모델을 사용하여 BLE 서버 데이터베이스 내에서 데이터가 표현되는 방식과 그 데이터의 읽기(read) 및 쓰기(write) 방법을 정의한다.

· 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT) : ATT 속성 유형의 계층 구조를 정의하여 장치 간 데이터가 구조적으로 교환될 수 있도록 규정한다.

· 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP) : 장치가 서로를 검색(discovery)하고 연결(connection)하는 방법을 규정한다.