Digi 지구 탐사 로봇, STEM 교육용 셀룰러 IoT 로봇

Digi 지구 탐사 로봇은 원격 장치를 위한 셀룰러 IoT를 보여 주는 STEM 교육용 로봇입니다.

Digi 지구 탐사 로봇은 Digi XBee 3 셀룰러 LTE-M/NB-IoT 글로벌 모듈로 통신하는 STEM 교육용 로봇입니다. 화성 탐사선처럼 원격 제어되지만 지구에서 작동하며, 앱이나 로그인 없이 SMS 문자 메시지로 누구나 쉽게 조작합니다.

이 글은 IoT 컨설턴트 Rob Faludi(Faludi.com)가 2022년 8월 17일에 쓴 글로, Digi 엔지니어링 팀이 개발하고 설계하고 구축한 로봇을 학생 로봇 공학 프로젝트의 예로 소개합니다.

Digi 지구 탐사 로봇.

개요

STEM 로봇 프로젝트는 무선 제품 개발을 가르칩니다

STEM은 과학(Science), 기술(Technology), 공학(Engineering), 수학(Mathematics)의 약자로 이공계 전공을 가리킵니다. STEM 로봇 공학 프로젝트에서 학생들은 프로그래밍, 프로토타이핑, 사물 인터넷, 무선 통신을 지원하는 RF와 셀룰러 연결의 기초까지 무선 제품 개발의 여러 측면을 배웁니다.

구성

XBee 3 셀룰러 모듈이 통신과 위치를 맡습니다

로봇은 통신용 Digi XBee 3 셀룰러 LTE-M/NB-IoT 글로벌 모듈을 쓰고, 이 모듈의 온보드 GNSS/GPS로 위치를 확인합니다. 여러 사용자가 동시에 보내는 문자 메시지 명령을 받아 서로 다른 방향으로 이동하고 환경 센서 데이터를 보고하며, 소리를 재생하고 위치가 표시된 지도를 보냅니다. 4G LTE-M 셀룰러 네트워크로 전 세계 어디에서나 로봇에 연결할 수 있습니다.

Digi 지구 탐사 로봇의 구성 사진.

이 로봇은 2022년 1월 라스베이거스 CES(Consumer Electronics Show)에서 처음 공개되었고, 지금은 모두 4대가 있습니다. 완전한 원격 관리, 좁은 전력과 대역폭 안에서의 복잡한 작업, 접근하기 어려운 곳에서의 작업, 내장 위치 인식(GNSS)이라는 Digi XBee 3 Global IoT 모듈의 핵심 가치를 입증하는 것이 목적입니다.

전시회 데모에서는 참석자가 스마트폰으로 로봇을 제어합니다. 간단한 텍스트 명령으로 로봇이 움직이고, 센서는 원격 모니터링용 데이터를 보냅니다. XBee 모듈은 GPS 위성으로 위치 정보를 알려 주고, 센서는 온도와 환경 조건을 실시간으로 돌려 보냅니다.

시스템의 핵심인 Digi XBee 셀룰러 모듈은 TCP/IP, UDP, SMS, Bluetooth BLE를 사용하고 MicroPython에서 GNSS/GPS 위치 서비스와 에지 프로그래밍 기능을 지원합니다. 구성, 장치 상태 점검, 무선 펌웨어 및 소프트웨어 업데이트를 위한 원격 관리·모니터링 시스템은 Digi Remote Manager이며, 무선 로봇이나 연결 제품을 대규모로 구축하고 배포하는 조직을 위한 클라우드 플랫폼입니다.

Digi XBee 셀룰러 모듈이 들어간 로봇 구성 사진.

교육 활용

학생 팀이 비슷한 로봇으로 경쟁할 수 있습니다

대학생과 고등학생은 원격 탐사를 배우고 셀룰러 IoT 기술을 구축하면서 차세대 통신 연결 장치를 설계할 준비를 할 수 있습니다. 교육 과정의 예로 학생 로봇 팀을 꾸려 비슷한 로봇을 만들고 경쟁에 참가할 수 있으며, 목표는 각 로봇이 독립적으로 가장 오래 생존하거나 직접 상호 작용 없이 가장 먼 거리를 이동하는 것입니다.

STEM 로봇 공학 팀을 위한 지구 탐사 로봇 사례 사진.

지구 탐사 로봇 운영 사진.

탐사 로봇이 한 위치에 착륙하면 제한된 원격 통신만으로 독립적으로 작동합니다. 학생들은 차세대 통신 연결 장치에 필요한 기술을 쌓으면서 성공과 실패를 실습으로 배웁니다.

탐사 로봇은 원격에 놓인 셀룰러 IoT 장치의 좋은 모델입니다. 둘 다 제한된 전력으로 많은 작업을 해야 하고, 제한된 통신 대역폭과 원활하지 않은 연결을 고민해야 합니다. 또 둘 다 까다로운 환경에서 원격 감지를 해야 하고 무선 명령으로 완전히 제어되어야 합니다.

원격 관리

화성 탐사선과 셀룰러 IoT 장치는 같은 조건입니다

무선 기계가 화성에 도착하면 전자 목줄만 있으면 됩니다. 탐사선이 멈추거나 소프트웨어 문제가 생기거나 센서를 잃거나 새로운 지침이 필요해도 응답은 항상 무선 명령으로 이뤄져야 합니다. 렌치나 기름통을 들고 갈 수 없고, 화성으로 구성 요소를 교체하러 갈 수도 없습니다.

STEM 로봇 공학과 우주 탐사를 연결하는 설명 이미지.

무선 원격 관리를 설명하는 이미지.

셀룰러 IoT 장치도 근본적으로 같습니다. 대부분은 공급업체가 접근할 수 없는 개인 주택 안처럼 접근하기 어려운 곳에 설치됩니다. 접근이 기술적으로 가능해도 네트워크가 크거나 설치된 장비가 많아서 현장 방문 수리와 문제 해결은 경제적으로 비현실적입니다. 시간은 말할 것도 없고 100,000개 위치를 방문해 100,000개의 재설정 버튼을 누르는 비용은 장치가 화성에 있는 것과 다르지 않으므로, 무선 통신이 유일한 방법입니다.

운영 방법

문자 메시지 명령으로 로봇을 운전합니다

사용자는 로봇 깃발의 QR 코드를 스캔해 Digi XBee 셀룰러 모듈의 전화번호로 문자 메시지를 만듭니다. 첫 명령을 보내면 로봇이 몇 초 동안 앞으로 이동하고, 확인 메시지와 다른 작동 명령을 알려 주는 도움말 메시지로 응답합니다.

지구 탐사 로봇 데모 운영 사진.

문자 메시지로 로봇에 명령을 보내는 화면.

• 왼쪽 또는 오른쪽: 90도 회전을 명령합니다.
• 뒤로: 트럭처럼 삐 소리를 내며 후진합니다.
• 삐 또는 삑: 로봇이 다른 멜로디를 연주합니다.
• 명령 뒤에 숫자 추가: 실행 시간을 지정합니다. back 10은 로버를 10초 동안 후진시킵니다.

로봇 운영 화면 사진.

로봇 운영 화면 사진.

로봇 운영 화면 사진.

로봇에는 온도, 습도, 이산화탄소 농도, 현재 나침반 방향을 보고하는 환경 센서가 있으며, 센서 명령이 이 보고서를 반환합니다. 나침반으로는 특정 방향으로 회전할 수 있습니다. 동쪽으로 회전 명령은 로봇이 해당 방향을 향할 때까지 회전시켜 절대 탐색 과정을 쉽게 합니다.

위치는 Digi XBee 3 셀룰러의 온보드 GNSS/GPS로 제공합니다. 탐사선에 지도 명령을 보내면 대화형 지도를 표시하는 특수 링크가 돌아와 원격 사용자에게 로봇이 있는 정확한 위치를 보여 줍니다.

위치 서비스는 셀룰러 IoT에서 특히 중요한 요소입니다. 많은 장치가 이동성이 있고 실시간으로 현재 위치를 표시해야 하기 때문입니다. 자율 주행 잔디 깎는 기계는 작업 위치를 추적할 수 있고, 운송 트레일러는 이동 중이든 운송장에서 픽업을 기다리든 위치를 찾을 수 있습니다. 이동성이 없는 고정 네트워크 장치도 설치할 때 물리적 노드 위치를 자동으로 정확히 기록하고, 재배치되면 추가 경고를 보내 위치를 파악할 수 있습니다.

이 로봇은 원격으로 구성할 수 있습니다. 고유 ID, 신호 강도, 여유 메모리, 전압 등 상태 설정을 포함한 진단을 불러오는 특수 명령이 있고, 관리 명령으로 상태를 갱신하고 다른 설정을 조정하며 로봇을 재부팅하거나 종료할 수 있습니다. 모든 것이 무선으로 이뤄집니다.

무선 설계를 배우는 학생들은 로봇이 성층권 밖 어딘가에 있더라도 지구 어디에서나 원격으로 구성하고 제어하는 로봇 공학을 만들어 보며 미래 기술을 배울 수 있습니다. 많은 학생이 팀을 이뤄 Digi RF 및 셀룰러 통신 모듈과 Digi 임베디드 시스템 온 모듈로 크고 작은 프로젝트의 프로토타입을 만들고 구축했습니다.

부품

로봇은 Digi 파트너 부품으로 완성했습니다

Digi XBee 3 셀룰러 LTE-M/NB-IoT 모듈은 Digi 제품이지만 이것만으로는 로봇이 완성되지 않습니다. 지구 탐사 로봇은 다음 Digi 파트너의 도움으로 완성되었습니다.

• Parallax: 아두이노를 가르치는 STEM 로봇 공학 교육자를 위한 ShieldBot 로봇 공학 플랫폼을 만듭니다.
• Sparkfun: Digi XBee 3 셀룰러 모듈을 올리는 XBee Shield를 제공합니다.
• Adafruit: CO2 센서와 나침반이 Adafruit 제품입니다.
• AT&T와 Verizon: 무선 통신 연결성을 제공합니다.

관련 제품

• XBee3 LTE-M/NB-IoT 글로벌 셀룰러 모뎀
• Digi Remote Manager

자주 묻는 질문

참고 자료

• Rob Faludi, IoT Consultant, Faludi.com, 2022.08.17
• Digi XBee 3 셀룰러 LTE-M/NB-IoT 글로벌 모듈
• Digi Remote Manager
• Parallax ShieldBot
• Sparkfun XBee Shield
• Adafruit CO2 센서·나침반
• AT&T
• Verizon