지그비 vs 블루투스, IoT 프로토콜 선택 기준

지그비와 블루투스는 각각 쓰임이 다르며, 두 프로토콜의 장점을 함께 쓰는 구성도 가능합니다.

지그비와 블루투스는 IoT 응용의 로컬 통신에 널리 쓰이는 무선 프로토콜이며, 응용에 맞는 것을 고르려면 절충점을 따져야 합니다. 이 글은 Digi International의 Charles Adams(Product Owner/Systems Engineer)가 쓴 글로, 지그비의 장점과 한계, 블루투스 Classic, BLE, BT Mesh 세 가지 방식을 차례로 살펴봅니다.

각 프로토콜에는 새 네트워크를 설계할 때 구현할 방식에 맞는 고유한 장점이 있습니다. 어떤 상황에서는 한 프로토콜이 더 알맞고, 다른 상황에서는 두 가지를 함께 구현해 장점을 결합하는 것이 맞습니다. 스마트시티, 산업용 IoT, 디지털 신호 같은 사용 사례에 맞는 프로토콜을 고르도록 절충점과 사용 사례를 설명합니다.

지그비와 블루투스 프로토콜 비교를 다룬 글의 대표 사진.

지그비

지그비는 저전력 메시 네트워킹의 개방형 표준입니다

지그비는 지그비 얼라이언스의 기업 컨소시엄이 개발한, 비용 효율적인 저전력 저대역 무선 메시 네트워킹용 개방형 글로벌 표준입니다. 중간 노드의 메시 네트워크로 정보를 전달해 멀리 있는 엔드 노드까지 닿으므로 장거리 데이터 전송이 가능합니다. 메시지는 목적지로 가는 도중 중개 무선 노드를 거쳐 홉(hop)합니다.

지그비의 2.4GHz 주파수 범위는 전 세계에서 라이선스 없이 구현할 수 있으며, 약 3억 개의 지그비 노드가 배치되어 있습니다.

IoT 응용의 지그비 기술을 설명하는 이미지.

장점

지그비는 스스로 구성하고 복구하는 큰 메시를 만듭니다

지그비로는 어떤 무선 도달 범위보다 훨씬 큰 메시 네트워크를 만들 수 있습니다. 메시 네트워크는 스스로 구성하고(Self-forming), 노드가 비활성화되거나 제거되면 동적으로 재구성해 스스로 네트워크를 정비합니다(Self-healing). 상호 운용 가능한 표준이어서 서로 다른 제조업체의 기기도 통신할 수 있으며, 가정용 자동화와 산업용 IoT 시장 모두에서 폭넓게 쓰입니다. 공개 시장에 OEM 장비 옵션이 많아 비용이 적당합니다.

라우팅 테이블, 주소 확인, 보안, 재시도, 승인이 프로토콜에 내장되어 있어 엔지니어링 시간을 크게 절약할 수 있고, 여러 사용 사례를 다룬 문서도 많습니다. 포인트-투-포인트, 포인트-투-멀티포인트, 스타 구조, 메시 네트워크 같은 여러 토폴로지를 지원하며, 네트워크당 65,000개 이상의 노드를 구성할 수 있습니다. 아주 이상적인 야외 라인 오프 사이트 환경에서는 최대 2마일(3.2km)까지 통신합니다.

한계

지그비는 상시 전원과 게이트웨이가 필요합니다

• 메시지를 라우팅하거나 홉하는 지그비 노드는 대부분의 메시 네트워크처럼 항상 전원이 공급되어야 합니다. 배터리 수명을 늘리려고 절전 상태를 유지하는 엔드 디바이스는 메시 네트워크에 참여할 수 있지만 네트워크를 확장할 수는 없습니다.
• 지그비는 IP 주소 지정을 쓰지 않으므로 인터넷 및 클라우드 서비스와 통신하려면 게이트웨이를 설치해야 합니다. 대부분의 전화, 태블릿, 컴퓨터에는 지그비가 없어서 이들과 통신할 때도 게이트웨이가 필요합니다.
• 노드가 올바른 네트워크에 참여하고 적절한 게이트웨이와 통신하도록 의도적으로 프로비저닝해야 합니다.
• 지연 시간은 단순한 포인트-투-포인트 프로토콜보다 메시가 더 길며, 메시의 훨씬 넓은 통신 범위와 안정성을 함께 고려해야 합니다.

메시 네트워크의 모든 노드를 절전 상태로 유지해야 한다면 Digi의 전용 메시 네트워킹 기술인 DigiMesh를 확인하세요. DigiMesh는 지그비 메시 네트워킹의 대안으로 네트워크 전체 절전 같은 응용 요구 사항을 지원하는 기능을 갖췄습니다. Digi는 지그비와 DigiMesh를 모두 제공해 모든 메시 네트워크 응용의 요구를 지원합니다.

사용 사례

지그비는 스마트시티와 농업에 쓰입니다

홈 오토메이션이 지그비의 발상지였지만 스마트 에너지, 조명, 의료기기 시스템, 공장 자동화, 가로등, 모니터링 시스템 같은 상업용과 산업용 사례도 똑같이 두드러지게 되었습니다. 스마트시티 가로조명은 대형 기기 네트워크의 원격 관리 같은 핵심 기능을 가능하게 해 지그비와 잘 맞는 메시 네트워킹의 성장 추세를 보여 주는 예입니다. 자세한 내용은 Digi의 CIMCON 고객 사례를 참조하세요.

농업 응용은 스마트 워터링 시스템을 연결하는 장치를 관리하는 등 메시 네트워크 기술을 활용하고 있습니다.

블루투스

블루투스는 근거리 개인 영역 무선 프로토콜입니다

블루투스는 근거리 통신을 위해 설계된 개인 영역 무선 네트워킹 프로토콜입니다. 원래 컴퓨터와 휴대폰 같은 장치를 헤드폰, 키보드, 마우스 같은 주변 장치에 연결하는 데 필요한 배선을 대체하려고 만들어졌습니다. Wi-Fi, 지그비와 같은 2.4GHz 주파수 범위에서 작동하고 전 세계에서 별도 라이선스 없이 쓸 수 있습니다.

블루투스 표준은 장치 제조업체 간 상호 운용성을 조정하는 블루투스 SIG(Special Interest Group)가 개발하고 관리합니다. 서로 조금 다른 프로토콜이 여럿 있고 어느 정도 상호 운용성이 있지만 따로 보는 것이 가장 쉬워서, 클래식, BLE(Bluetooth Low Energy), 블루투스 메시로 나누어 설명합니다. 매년 약 40억 대의 블루투스 장치가 출하됩니다.

Classic

블루투스 Classic은 고속 데이터용입니다

블루투스 Classic을 설명하는 이미지.

블루투스 Classic은 배터리 수명이 큰 문제가 아닌 단거리에서 최대 2.1Mbps의 고속 데이터를 처리하도록 설계되었습니다. 대역폭이 크고 매일 충전할 수 있는 오디오·비디오 기기에 알맞습니다. 컴퓨터, 차량 엔터테인먼트 시스템, 휴대 전화에 연결된 모바일 헤드셋, 이어폰, 키보드, 마우스, 프린터 같은 주변 장치가 대표적입니다. 마스터/클라이언트 구조를 쓰며, 마스터 하나가 소규모 개인 영역 네트워크에서 최대 7개의 클라이언트 장치와 통신합니다.

• 장점: 진행 중인 프로젝트가 데이터를 많이 보내거나 받아야 할 때 높은 처리량이 유리합니다. 구현한 장치가 많고, 오디오·비디오 피드는 전화기, 태블릿, 랩톱과 페어링해 받을 수 있으며 시리얼 스트림도 지원합니다. 매우 성숙한 프로토콜이라 책, 온라인, 공식 표준 문서에서 자료를 쉽게 찾을 수 있습니다.
• 한계: 사용자 인터페이스로 프로세스를 관리하는 페어링이 필요해 구현이 복잡할 수 있습니다. 높은 대역폭은 상대적으로 전력이 부족하다는 뜻이어서, 저전력이 필요한 많은 IoT 응용에 맞지 않습니다. 단거리 주변 장치 케이블 교체용으로 설계되었고 수백 개 장치를 호스팅하는 센서 네트워크용이 아니어서 네트워크 크기가 많이 제한됩니다.
• 사용 사례: 오디오 헤드셋, 스마트폰-차량 페어링, 홈 엔터테인먼트에서 매우 인기가 있습니다. 대부분의 IoT 응용에는 다음 두 버전이 더 알맞습니다.

BLE

BLE는 전력을 아끼는 단거리 저대역폭 연결입니다

BLE(Bluetooth Low Energy)를 설명하는 이미지.

BLE는 전력 관리가 뛰어나 단거리 저대역폭 연결을 지원합니다. 소규모 네트워크가 대용량 데이터 스트림을 처리할 필요가 없고 배터리가 몇 달 또는 몇 년 동안 지속되어야 하는 상황에 씁니다. 로케이션 비콘, 디지털 스케일, 온도 모니터, 조명 컨트롤러, 스마트 워치, 쿡 포트 등 수천 가지 저대역폭 배터리 작동 기기가 있습니다.

BLE는 하드웨어가 필요한 통신 기능만 구현해 비용, 배터리, 대역폭을 아끼는 클라이언트/서버 구조입니다. 이론적으로는 많은 장치를 넣을 수 있지만 대역폭, 물리적 공간, 무엇보다 범위 때문에 단일 BLE 개인 영역 네트워크는 수백 개 노드로 제한됩니다.

• 장점: 전력을 많이 쓰지 않아 코인 셀로도 오래 쓸 수 있으므로, 한 번에 몇 달 동안 무인으로 작동해야 하는 저용량 데이터 장치에 알맞습니다. 하드웨어가 덜 복잡해 BLE 칩과 장치가 상당히 저렴합니다. 클라이언트-서버 모델은 통신 구현을 쉽게 해 엔지니어링과 개발 시간을 줄이고, 통신을 위해 장치를 페어링할 필요가 없어 필요할 때 비동기로 데이터를 읽고 보낼 수 있습니다. 많은 문서, OEM 장비, 숙련된 개발 인력과 함께 전 세계 수십억 개 기기에 구현되어 있습니다.
• 한계: BLE는 포인트 투 포인트 프로토콜이라 라디오가 각자의 범위를 넘어 통신할 수 없습니다. 네트워크의 물리적 크기가 BLE의 일반적인 10m 범위로 제한되어 홈 오피스에는 괜찮지만 농업용 모니터링이나 가로등 제어에는 맞지 않습니다. IP 주소 지정이 없으므로 게이트웨이로 인터넷 및 클라우드에 정보를 전달해야 합니다. 많은 BLE 응용이 스마트폰을 게이트웨이로 쓰도록 설계되었는데, 스마트폰이 있을 때만 작동합니다. 웨어러블 기기는 괜찮지만 상업용과 산업용 센서는 대개 무인 상태라 스마트폰 게이트웨이를 구현하기 어렵거나 불가능합니다. 블루투스 Classic보다 대역폭이 훨씬 낮아 미디어 스트리밍에는 쓸 수 없습니다.
• 사용 사례: 가전, 피트니스 모니터, 차량 네트워크 같은 개인의 소규모 네트워크가 주요 사례입니다. BLE의 beaconing은 상점이나 공장 안의 위치를 확인하는 실내 포지셔닝 시스템을 지원하도록 설계되었습니다. 홈 오토메이션이 핵심 시장이지만 소규모 상업 시스템도 가정 규모 공간 안에서 BLE로 통신할 수 있어, 대규모 농업에는 맞지 않아도 소규모 상업용 온실 모니터링에는 알맞습니다. 지그비 메시나 셀룰러 모바일 데이터처럼 더 먼 범위의 프로토콜로 통신할 IoT 장치를 구성하는 설치자에게 로컬 통신을 제공할 수도 있습니다.

BT Mesh

블루투스 메시는 BLE를 메시로 확장한 새 프로토콜입니다

블루투스 메시(BT Mesh)를 설명하는 이미지.

블루투스 메시(BT Mesh)는 매우 새로운 프로토콜입니다. 추가 라우팅과 네트워크 형성 표준으로 단순한 포인트 투 포인트 BLE를 확장해, 노드가 하나의 장치 범위를 넘어 네트워크를 넓히는 릴레이 역할을 하는 메시 네트워크를 만듭니다. 전반적인 기능과 아키텍처는 지그비와 대체로 비슷하지만 몇 가지 중요한 차이가 있습니다. 이론적으로 32,000개 이상의 노드를 지원하지만 대역폭과 물리적 공간의 한계 때문에 개별 네트워크는 보통 수백 개 정도로 유지됩니다.

• 장점: 메시 네트워크는 개별 무선 노드의 도달 범위에 제한되지 않습니다. 각 노드가 데이터를 라우팅해 매우 큰 물리적 네트워크를 만들 수 있고, 메시지를 기존 범위보다 훨씬 먼 대상까지 전달합니다. BLE를 기반으로 하므로 낮은 에너지 사용, 우수한 보안, 비콘 기능 지원, 널리 쓰이는 기본 문서 같은 BLE의 이점을 갖습니다. 자가 형성과 자가 치유 기능이 있고, 지그비와 비슷한 저장 및 전달, 부모/자식 관계, 엔드 디바이스 절전 지원을 제공합니다.
• 한계: 아직 새로운 프로토콜이라 개선과 수정이 계속되고 있습니다. 널리 지원되지 않아 OEM 장비, 게이트웨이, 휴대용 장치가 완전히 호환되지 않을 수 있습니다. Managed Flood 프로토콜은 네트워크 설계를 단순하게 하지만 지그비 같은 완전한 라우팅 메시 프로토콜보다 효율과 전력 사용 면에서 절충이 있습니다. 지그비 노드처럼 BT Mesh 라우터도 절전 모드로 전환할 수 없어, 경로를 지정하는 장치는 배터리가 아니라 상시 전원이 필요합니다. IP 주소 지정이 없어 인터넷 및 클라우드 서버와는 BLE와 일반 인터넷 프로토콜을 변환하는 고정 게이트웨이나 경계 라우터가 필요합니다. 메시지가 여러 노드를 홉해야 하므로 대기 시간이 항상 더 길고, 네트워크 규모가 클수록 느린 응답 시간을 고려해야 합니다.
• 사용 사례: 처음에 조명 시장을 염두에 두고 설계되었습니다. 라우터 노드에 지속적인 전원이 필요한데 조명은 대부분 상시 주 전원을 쓸 수 있어 BT Mesh에 알맞은 응용입니다. 조명 간 상호 운용을 위한 응용 계층이 있어 한 업체의 스위치로 다른 업체의 조명 장치를 제어할 수 있습니다. 센서 네트워크도 지원할 수 있지만 라우팅 노드는 배터리로 구동할 수 없으므로, BT Mesh 조명이 이미 설치된 건물처럼 주 전원과 네트워크를 쓸 수 있는 곳에서 센서를 구현하는 것이 가장 좋습니다.

결합

Digi XBee3는 지그비와 BLE를 한 제품에서 지원합니다

Digi XBee3 지그비 RF 모듈은 한 제품에서 BLE를 지원합니다. BLE를 지그비와 함께 쓰면 Digi XBee Mobile App으로 스마트폰에서 모듈을 쉽게 구성할 수 있고, Beaconing 응용은 Digi XBee 모바일 SDK(Software Development Kit)로 개발할 수 있습니다.

SDK에는 Digi XBee3 모듈과 상호 작용하는 iOS 및 Android 모바일 앱을 만드는 과정을 단순하게 하려는 라이브러리, 코드 예제, 문서가 들어 있습니다. Beaconing 응용을 지원하고, 블루투스와 지그비 장치를 결합해 대규모 상호 운용 멀티 벤더 네트워크를 만드는 미래의 응용에서 로컬 BLE 센서와 통신하는 데도 쓸모가 있습니다.

지그비와 블루투스는 각각 다른 종류의 IoT 응용에 유용하며, 잘 확립되고 상호 운용 가능한 두 프로토콜의 장점을 결합해 유연한 응용을 만들 수도 있습니다. 블루투스의 여러 버전을 포함해 각각의 장단점을 이해하면 개발자가 전력 사용, 대역폭, 장치 비용의 균형을 맞춰 가장 효율적인 무선 IoT 통신 시스템을 만드는 데 도움이 됩니다.

자주 묻는 질문

참고 자료

• Charles Adams, Digi International
• Zigbee Alliance
• Bluetooth SIG
• Digi CIMCON 고객 사례