사물 인터넷(IoT) 구조를 이해하고 업무용 IoT 시스템을 구축하는 방법을 알아봅니다.
미래의 창고, 물류망, 공장, 물류 허브는 IoT 기술을 적극적으로 활용할 것입니다. 기술 자체가 복잡하기 때문에, 일부 IT 전문가들만이 그 내부 구조를 완전히 파악하고 있습니다. 하지만, 이 기술에 대해 배우면 누구나 그 복잡성을 이해할 수 있습니다.
만약 당신이 비즈니스를 스마트하게 만들거나 IoT 솔루션을 서비스로 제공하고 싶다면, 이 글을 계속 읽어보세요. 이 글에서는 자동화와 편리성을 핵심으로 하는 IoT 아키텍처와 널리 사용되는 실제 사례를 소개합니다.
소개
IoT는 센서, 장치, 데이터를 수집하고 처리하여 최종 시스템에 명령을 전달하는 전자 인터페이스를 포함합니다.
이 모든 요소들은 IoT 시스템 내에서 다양한 변수 및 움직이는 부분입니다. 이 움직이는 부분들을 조직화하고 최종 IoT 구조를 형성하는 방법을 정의하는 것이 바로 IoT 아키텍처입니다.
IoT 아키텍처는 IoT 시스템의 장치, 클라우드 소프트웨어, 센서 네트워크가 어떻게 연결되고 작동하는지를 규정합니다. 또한, 시스템 문제 해결도 IoT 아키텍처 내에서 이루어집니다.
이러한 시스템을 위한 기본 프레임워크는 IoT 시스템의 세 가지 구성 요소 계층으로 구성됩니다. 각 계층은 다음과 같습니다:
- 감지 계층: 센서, 액추에이터, 각종 장치
- 네트워크 계층: LAN, Wi-Fi, 5G, 4G 등
- 애플리케이션 계층: 그래픽 사용자 인터페이스
IoT 아키텍처를 통해 시스템 내 모든 요소, 데이터 흐름, 최종 장치 명령을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 IoT 시스템을 효과적으로 보호하고 관리 및 제어할 수 있습니다.
IoT 아키텍처의 계층 구조
IoT 시스템 아키텍처는 센서 데이터가 클라우드 애플리케이션에 도달하는 데 필요한 여러 디지털 미디어 계층으로 구성됩니다. 클라우드 앱은 미리 설정된 워크플로에 따라 공장 로봇 팔과 같은 엔드포인트 장치에 대한 결정을 내립니다.
이러한 결정은 같은 계층을 통해 엔드포인트 장치로 전달됩니다. 이러한 계층들을 이해하면 성공적인 IoT 아키텍처를 구축할 수 있습니다. 다음은 반드시 알아야 할 IoT 아키텍처 계층입니다.
감각/인지 계층
인지 계층은 물리적 세계에서 데이터를 수집하는 엔드포인트 장치로 구성됩니다. 수집된 데이터는 디지털 애플리케이션에서 분석할 수 있도록 준비됩니다.
이 계층은 실제 객체와 직접 연결되기 때문에 IoT 전문가들은 이를 물리적 계층이라고도 합니다. 다음은 인지 계층에 연결되는 주요 장치들입니다.
- 자이로미터, 속도 센서, 무선 주파수 식별(RFID) 센서, 화학 센서 등 다양한 센서
- 액추에이터 및 로봇 팔
- 보안 카메라, 출입 통제 시스템 등
- 온도 조절 장치, HVAC 시스템, 물 스프링클러, 발열체 등
대부분의 산업용 IoT 장치는 처리 계층으로 데이터를 전송합니다. 가정용 IoT 장치의 경우, 인지 계층이 곧 처리 계층이 될 수도 있습니다. 예를 들어 Nest Learning Thermostat이 이에 해당합니다.
네트워크/데이터 전송 계층
네트워크 계층은 IoT 아키텍처의 모든 계층 간 데이터 전송을 담당합니다. 또한, 이 계층은 장치, 클라우드 앱, 데이터베이스를 연결하는 전체 네트워크 토폴로지를 정의합니다.
이 계층의 중요한 요소로는 인터넷 게이트웨이, 인트라넷 포트, 네트워크 게이트웨이, 데이터 수집 시스템(DAS) 등이 있습니다. 네트워크 연결 프로토콜은 다음 장치들을 통해 구현될 수 있습니다.
- 와이파이
- 광역 통신망(WAN)
- 4G LTE/5G
- 저에너지 블루투스
- 근거리 무선 통신(NFC)
이 계층을 통해 다양한 최종 장치와 클라우드 앱이 상호 통신합니다. 온도, 속도, 습도와 같은 센서 데이터는 네트워크 계층을 거쳐 다른 계층으로 전송됩니다.
데이터 처리 계층
데이터 처리 계층은 데이터를 데이터 센터로 전송하기 전에 분석하고 저장합니다. 여기에는 엣지 컴퓨팅, 인공 지능(AI), 머신 러닝(ML)을 활용한 엣지 분석이 포함됩니다. 또한, 의사 결정과 같은 중요한 작업도 이 계층에서 이루어집니다.
처리 계층은 대부분의 의사 결정 작업을 수행합니다. 하지만, 필요에 따라 애플리케이션 계층에서 즉각적인 결정을 내려 기존 결정을 무시하거나 시스템을 개선할 수도 있습니다. 이러한 기능은 지능형 기계를 사람이 제어하는 데 매우 중요합니다.
애플리케이션 또는 GUI 계층
Google Home, Amazon Alexa와 같은 대부분의 IoT 시스템은 사람의 개입 없이 작동합니다. 그러나 IoT 워크플로를 추가하거나 매개변수를 변경하거나 장치를 추가하는 등의 작업을 수행하려면 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 필요합니다. 이러한 역할을 하는 것이 바로 애플리케이션 계층입니다.
IoT 아키텍처의 애플리케이션 계층에 대한 몇 가지 중요한 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 음성 명령을 통한 문제 해결
- 작은 화면에서 수많은 센서 및 엔드포인트 장치와 통신
- 전체 비즈니스 운영 중단 없이 기존 IoT 시스템에 새 장치 추가
- 시스템 상태를 모니터링하고 대시보드에 표시된 내용을 기반으로 장치 서비스 제공
- IoT 시스템을 위한 새로운 규칙 또는 워크플로 생성
- 서비스 수준 계약(SLA) 생성 및 준수
산업 환경에서는 모든 IoT 시스템을 모니터링하기 위해 컴퓨터 모니터에 표시되는 중앙 집중식 대시보드가 필요합니다. 대시보드에서 장치를 일시 중지, 중단 또는 다시 시작하여 일부 또는 전체 IoT 시스템과 상호 작용할 수 있습니다.
비즈니스 계층
비즈니스 계층은 저장된 데이터를 실행 가능한 통찰력으로 변환합니다. 비즈니스 관리자, CTO 등은 이러한 보고서를 사용하여 생산성 향상을 위한 의사 결정을 내릴 수 있습니다.
이 계층은 주로 비즈니스 앱을 통합하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 전사적 자원 관리(ERP) 시스템, 비즈니스 인텔리전스(BI) 앱, 데이터 시각화 앱 등이 있습니다.
데이터 분석가는 이 계층에서 데이터를 처리하고 Tableau, Power BI와 같은 BI 도구에 입력하여 IoT 시스템의 전체적인 성능을 파악할 수 있습니다. 또한, 시장의 현재 생산 능력과 미래 수요를 기반으로 예측을 생성할 수도 있습니다.
IoT 아키텍처의 단계
고수준 IoT 시스템 아키텍처를 구현하기 위해서는 시스템의 각 단계를 이해하는 것이 중요합니다.
사물
객체 단계는 물리적 계층을 구현하는 것으로 시작됩니다. 이 단계에서는 스마트 장치, 센서, 액추에이터를 IoT 네트워크와 엔드포인트 장치에 연결해야 합니다.
센서는 유선 또는 무선으로 연결될 수 있습니다. 주요 목표는 실제 데이터를 수집하고 처리 계층에서 사용할 수 있는 디지털 데이터로 변환하는 것입니다.
게이트웨이
인트라넷 또는 인터넷 게이트웨이를 설정해야 합니다. 이 단계에서는 모뎀과 라우터가 센서와 엔드포인트 장치로부터 데이터를 수집합니다.
이 게이트웨이 장치들은 디지털 데이터를 처리 계층과 애플리케이션 계층으로 전송합니다. 대부분의 IoT 아키텍처는 이 단계에서 데이터 수집 시스템을 사용합니다.
IT 시스템
IoT 시스템은 아날로그 데이터를 수집하고, 데이터 수집 시스템은 이를 디지털 데이터로 변환합니다. 처리 후 디지털 데이터의 크기는 방대합니다. 여기서 엣지 IT 시스템이 중요한 역할을 합니다.
이 단계에서는 수집된 데이터를 엣지 IT 시스템으로 전송하여 AI 및 ML 알고리즘으로 처리하고, 필요한 데이터만 유지합니다.
클라우드 스토리지/데이터 센터
엣지 IT 시스템에서 중요한 데이터를 처리하고 필터링한 후에는 액세스 가능한 스토리지에 저장해야 합니다. IoT 아키텍처의 애플리케이션 계층은 스토리지 단계에 연결됩니다.
스토리지 단계는 주로 개인 클라우드 스토리지를 사용하여 IoT 데이터를 구조화된 데이터베이스에 저장합니다. 보다 경제적인 솔루션을 찾는다면 퍼블릭 클라우드를 사용할 수도 있습니다.
비기능적 요구 사항
#1. 보안
아키텍처의 내부 보안을 보장하기 위해 승인되지 않은 장치가 연결되지 않도록 해야 합니다. 모든 장치는 등록되어 있어야 하며 안전하게 통신할 수 있어야 합니다.
또한, 모든 사용자와 데이터는 아키텍처에 안전하게 접근할 수 있어야 합니다. 인증된 시스템 사용자만이 보안 제어를 통해 데이터를 교환할 수 있어야 합니다.
#2. 성능
IoT 시스템은 정형 및 비정형 데이터를 모두 처리할 수 있어야 합니다. 플랫폼 배포는 클라우드, 온프레미스, 하이브리드 클라우드와 호환되어야 합니다.
사용자에 대한 빠른 응답 시간, 양방향 실시간 통신, 정밀한 타임스탬프는 이 아키텍처의 필수적인 비기능적 요구 사항입니다.
#3. 관리 용이성
IoT 아키텍처에는 모든 문제에 대한 알림 및 경고 기능이 포함되어야 합니다. 중앙 노드에서 문제의 원인을 신속하게 파악할 수 있도록 시스템 관리 기능을 지원해야 합니다.
#4. 유지 보수성
장치와 IoT 시스템은 적응력이 뛰어나야 합니다. 아키텍처는 사용자, 프로세스, 데이터 변경에 빠르게 적응할 수 있어야 합니다. 또한, 서비스 수준 계약(SLA)을 지연시키지 않으면서 유지 보수를 수행할 수 있어야 합니다.
#5. 가용성
일부 특정 도메인 및 솔루션은 IoT 시스템이 연중무휴로 작동해야 합니다. 예를 들어, 병원이나 연구실의 IoT 아키텍처는 항상 시스템이 가동되어야 합니다.
MongoDB Atlas의 IoT 아키텍처
MongoDB의 IoT 아키텍처 MongoDB.com의 Atlas 이미지
IoT 아키텍처의 다양한 계층은 방대한 양의 데이터를 생성합니다. IoT 지원 클라우드 데이터베이스를 사용하는 것은 데이터를 효율적으로 저장하고 관리하는 데 매우 이상적입니다.
사용할 수 있는 강력한 클라우드 데이터베이스 중 하나는 MongoDB Atlas입니다. 다음은 IoT 아키텍처에서 사용되는 몇 가지 예입니다.
- 데이터베이스 및 인터페이스 구축을 위한 MongoDB RealmSDK 및 MongoDB 서버. 모바일 앱과 장치는 이러한 데이터베이스와 상호 작용할 수 있습니다.
- 네트워크 계층에서 MongoDB Atlas를 사용하여 IoT 서버를 구성하고 배포할 수 있습니다.
- 연속적인 IoT 측정 데이터를 위한 스토리지로 MongoDB 5.0 시계열을 사용할 수 있습니다.
- IoT 시스템의 네트워크 연결이 불안정할 경우, Atlas App Services에서 오프라인 우선 동기화를 사용할 수 있습니다.
- 비즈니스 계층에서 BI 및 MongoDB 차트를 위한 MongoDB 커넥터를 사용하여 IoT 데이터에서 실행 가능한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
사용 사례
IoT 아키텍처는 점점 더 많은 분야에서 사용이 증가하며 인기를 얻고 있습니다. 다음은 가장 일반적인 사용 사례입니다.
#1. 의료
병원과 클리닉은 매일 엄청난 양의 데이터를 생성합니다. 이러한 데이터를 활용하여 운영 효율성을 높이고 환자 관리를 개선할 수 있습니다.
IoT 아키텍처를 통해 의료 기관은 격리된 환자 데이터를 효율적으로 활용할 수 있습니다. 의료진은 이러한 데이터를 통해 신속하게 정보를 얻고 경고에 즉시 대응할 수 있습니다. IoT 인프라에 연결된 다양한 기기들은 환자의 건강 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 돕습니다.
#2. 농업
농부들은 IoT 아키텍처를 사용하여 농작물 생산량을 자율적으로 늘리고 관리할 수 있습니다.
주요 활용 사례는 다음과 같습니다.
- 토양 온도 모니터링
- 기계 고장의 원인 파악
- 실내 농장의 습도 및 온도 수준 자동 조절
#3. 제조
제조 산업에서는 IoT 센서를 활용하여 생산 공정에 대한 통찰력을 얻습니다. 이러한 센서는 일반적으로 인터넷에 연결되어 있지 않지만, 단거리 무선 통신을 통해 시간 경과에 따른 변화를 측정할 수 있습니다.
이 분야에서 IoT 아키텍처의 다른 활용 사례는 다음과 같습니다.
- 실시간 생산 모니터링을 통한 수요 예측
- 주기 시간 추적을 통한 생산 효율성 분석
#4. 상업용 HVAC 솔루션
HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템은 매우 복잡하며, 어떤 요소든 고장이 발생하면 안 됩니다. 고장이 발생하면 에너지 소비가 증가하고 추가 유지 보수 비용이 발생합니다. IoT 아키텍처를 사용하면 HVAC 시스템이 최적의 성능을 유지하면서 전력 소비를 줄일 수 있습니다.
상업용 솔루션의 일관성과 품질을 보장하는 것 또한 IoT의 중요한 역할입니다. 시스템은 사용자의 개입을 최소화하면서 자동으로 데이터를 수집하고 분석하여 이상 징후를 사용자에게 알려줍니다.
#5. 상업용 아파트의 수해 방지
수도관 누수 및 파열은 주택 소유자와 보험 회사에 엄청난 손실을 초래합니다. 대부분의 수도관은 보이지 않는 곳에 설치되어 있어 누수 원인을 찾기가 어렵습니다.
적절하게 구성된 IoT 아키텍처는 효율적인 내장 센서를 통해 실시간으로 누수를 감지하여 사용자에게 알려줄 수 있습니다. 또한, 자산 관리 효율성을 높이기 위해 관계자들에게 정확한 위치 정보를 제공합니다. 보험 회사 역시 이러한 문제의 조기 감지를 통해 많은 이점을 얻을 수 있습니다.
또한, 센서는 미래에 잠재적 위협이 될 수 있는 작은 누출도 감지할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 미리 배관공과 약속을 잡아 문제를 해결할 수 있습니다.
IoT 아키텍처의 미래
곧 IoT는 5G 네트워크의 발전과 함께 엄청난 성장을 경험할 것입니다. 데이터 처리 속도가 빨라지고, IoT 시스템을 보다 빠르게 배포할 수 있을 것입니다.
관리자들은 사설 5G 네트워크를 사용하여 개인 5G 모바일 네트워크를 구축하고 완벽하게 제어할 수 있게 될 것입니다.
기업 수준의 작업은 더 이상 다음과 같은 문제에 직면하지 않을 것입니다.
- 속도 제한
- 상호 운용성 부족
- 데이터 사용량 초과 시 추가 요금
- 피크 시간 동안 대역폭 부족
마지막 말
IoT 아키텍처는 응집력 있는 네트워크에서 IoT 시스템의 모든 요소를 연결하는 방법을 알려줍니다. 이 글에서는 IoT 시스템 아키텍처의 모든 중요한 기술적 측면을 다루었습니다.
IoT 아키텍처에 대한 깊은 이해는 의료, 제조, 농업 분야에서 비즈니스 수준의 솔루션을 만드는 데 큰 도움이 될 것입니다. 이 글에서 언급된 사용 사례 외에도 아직 탐색되지 않은 다양한 분야에서 IoT 기술을 활용할 수 있습니다.
IoT 학습 자료 및 IoT 스타터 키트에 대한 추가 정보를 찾아보는 것을 추천합니다.