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[국내논문] 소비 전력 최소화를 위한 IoT 디바이스 플랫폼의 하드웨어 구조 분석
Analysis of the Hardware Structures of the IoT Device Platforms for the Minimal Power Consumption 원문보기

한국사물인터넷학회 논문지 = Journal of the Korea Internet of Things Society, v.6 no.2, 2020년, pp.11 - 18  

이진 (평택대학교 정보통신학과)

초록
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사물인터넷 (IoT, Internet of Things)의 최종단 장치들은 배터리로 운영되는 제품군이므로 초저전력(Ultra-low power: ULP)에 대한 세심한 고려가 필요하다. 마이크로 컨트롤러 (Micro Controller Unit: MCU) 업계는 에너지 절약을 위해 매우 효과 적인 기능을 개발해 왔으며, 제조사 별로 서로 다른 에너지 소비를 줄일 수 있는 여러 가지 동작 모드를 적용하고 있기 때문에, 개발자들은 MCU 선택에 어려움을 겪을 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 다양한 벤더 및 기능 세트의 MCU를 비교할 수 있는 표준화 된 벤치마크 방법인 ULPMark 벤치마크에 대해서 소개하고, 이 평가에서 우수한 평가를 받은 2개의 플랫폼이 초저전력 동작을 위해 제공하고 있는 하드웨어 기능에 대해서 분석하였다. 또한, 드라이버 API와 세부 레지스터 제어를 통해 개발자들이 이 기능 들을 활용할 수 있는 방법에 대해 조사하고 분석 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the end devices of the Internet of Things (IoT) are battery operated products, careful consideration for ultra-low power (ULP) is required. The Micro Controller Unit (MCU) industry has developed very effective functions to save energy, but developers have difficulty in selecting the MCU becaus...

Keyword

#사물인터넷   #마이크로컨트롤러   #초저전력   #소비 전력   #IoT 플랫폼  

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 IoT 디바이스용 플랫폼 중 EEMBC의 ULPBench의 평가가 가능한 2개 플랫폼에서 소비전력 최소화를 위해 제공하는 기능들과 이를 활용할 수 있는 방법을 분석하였다. 이 논문은 다음과 같이 구성되어 있다.
  • 높은 연산 처리 성능이 필요한 경우에는 STM32H 또는 F4~7 시리즈를 사용하고, 가장 일반적인 애플리케 이션에는 STM32G 또는 STM32F0~3시리즈를 선택한다. 저전력 애플리케이션용으로는 STM32L 시리즈를 제 공하고 있는데, 본 논문에서는 ULPMark CP와 PP 평가 가 제일 높은 STM32L4 시리즈에 대해서 분석해 보았다.
  • 3장에서는 STM32L4 시리즈 MCU와 SAM L 시리즈 MCU가 저전력 모드에서 소비 전력을 최소화하기 위해 적용되어 있는 기술들에 대해서 알아보았다. 이번 장에서는 프로그램 개발자가 이 기능들을 활용하는 방법에 대해서 정리하고, 이 두 플랫폼에 대해서 비교 분석한다.
  • 따라서, 본 논문에서는 초저전력 마이크로콘트롤러 플 랫폼을 평가할 수 있는 ULPMark 벤치마크에 대해서 소개하였고, 이 평가에서 고르게 높은 점수를 받은 2개의 플랫폼을 선택하여 초저전력 동작을 위해 제공하고 있는 하드웨어 기능에 대해서 분석하였다. 또한, 드라이버 API 와 세부 레지스터 제어를 통해 개발자들이 이 기능 들을 활용할 수 있는 방법에 대해 조사하고 분석하였다.

가설 설정

  • 1. GPIO 포토 하나를 20번 빠르게 토글한다. 
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3GPP는 IoT에 어떠한 연결을 제공하는가? 4차 산업혁명의 핵심 네트워크인 5 세대 셀룰러 네트 워크 표준인 3GPP (Third Generation Partnership Project)에서는 사물 인터넷 (5G IoT)을 위한 새로운 기술로 다양한 유형의 IoT에 저전력, 낮은 데이터 전송 속도 및 넓은 범위의 셀룰러 연결을 제공한다[3]. 5G IoT 는 일반적으로 배터리로 구동되는 소형, 저비용 장치를 밀도가 높게 연결하여 대규모 기계 유형 통신(mMTC)을 구성하고, 이러한 네트워크는 환경 감시, 건강 관리, 스마 트 도시 및 스마트 팜을 비롯한 다양한 IoT 응용분야에 서 엄청난 기회를 제공하게 될 것이다[4-7].
사물 인터넷(Internet of Things: IoT)을 위한 스마트 임베디드 솔루션 설계에는 무엇이 필요한가? 사물 인터넷(Internet of Things: IoT)을 위한 스마트 임베디드 솔루션 설계에는 성능, 수명과 비용에 관해 여러 전문 분야의 기술이 필요하다[1]. 실제로, IoT 장치가 주로 배터리로 작동하고 배터리 교체 없이 몇 년 동안 동작할 수 있어야 하기 때문에, IoT 장치의 전력 소비를 최적화하기 위한 연구가 하드웨어 및 네트워킹 영역에서 광범위하게 진행되고 있다 [2].
ULPMark 벤치마크 프로그램에서 제공하는 프로파일로 무엇이 있는가? ULPMark 벤치마크 프로그램은 성능과 초저전력 측면에서 개발자가 취사선택을 할 수 있도록 3가지 프로파일을 제공한다. ULPMark-CoreMark (CM) 프로파일은 MCU의 active 모드에서의 성능과 에너지 효율성에 초점을 맞춘 평가 방식이고, ULPMark-CoreProfile (CP) 프로파일은 MCU가 초저전력 상태로 운용되는 상황에서의 에너지 소비량을 평가할 수 있는 프로파일이다. 마지 막으로 ULPMark-PeripheralProfile (PP)는 MCU에 탑재되어 있는 입출력 주변장치들의 에너지 효율성의 측면에서 평가할 수 있는 방식을 제공하고 있다. 2014년 CP 프로파일이 최초로 공개되었고, 2016년 PP 프로파 일이 추가되었다.
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참고문헌 (15)

  1. K.J.Singh, and D.S.Kapoor, "Create Your Own Internet of Things: A Survey of IoT Platforms," IEEE Consumer Electronics Magazine, Vol.6, No.2, pp.57-63, 2017. 

    상세보기

  2. A.Potsch, A.Berger, and A.Springer, "Efficient Analysis of Power Consumption Behaviour of Embedded Wireless IoT Systems," Proc. of 2017 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2017. 

  3. S.M.R.Islam, D.Kwak, M.D.H.Kabir, M.Hossain, and K. Kwak, "The Internet of Things for Health Care: A Comprehensive Survey," IEEE Access, Vol.3, pp.278-708, 2015. 

  4. L.Chettri, and R.Bera, "A Comprehensive Survey on Internet of Things (IoT) Toward 5G Wireless Systems," IEEE Internet of Things Journal, Vol.7, No.1, pp.16-32, 2020. 

    상세보기 crossref

  5. D.W.Lee, K.Cho, and S.H.Lee, "Analysis on Smart Factory in IoT Environment," Journal of The Korea Internet of Things Society, Vol. 5, No. 2, pp.1-5, 2019. 

    상세보기 crossref

  6. J.G.Baek, H.W.Lee, "Design and Implementation of Self-installing Agricultural Automation System for Remote Monitoring and Control Based on LPWA Technology," Vol. 3, No. 1, pp. 13-19, 2017. 

  7. S.Dokko, "Design of Smart Feeding System based on the LPWA Network for Inland Fish Farms," Vol.2, No.3, pp. 31-35, 2016. 

    원문보기 상세보기 crossref

  8. M.Redon, "Strategies for Choosing the Appropriate Microcontroller when Developing Ultra Low Power Systems," Analog Dialogue, Vol.51, No.12, pp.1-4, 2017. 

  9. S.Schauer, and P.Parakash, "IoT Provokes Change in Ultra-Low-Power MCUs," Texas Instruments, [Online], Available: http://www.ti.com/lit/wp/sway005/sway005.pdf 

  10. https://www.eembc.org/ulpmark/ 

  11. White Paper, "Beyond the Data Sheets of Ultra-Low-Power MCUs: What Does Energy Efficiency Really Mean?" [Online], Available: https://www.eembc.org/techlit/articles/elektroniknet_article_2015_07_21/index.html 

  12. AN4621 Application Note, "STM32L4 and STM32L4+ultra-low-power features overview, [Online], Available: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/9e/9b/ca/a3/92/5d/44/ff/DM00148033.pdf/files/DM00148033.pdf/jcr:content/translations/en.DM00148033.pdf 

  13. AN2909, Application Note, "Low-Power Features of SAM L Series Devices," [Online], Available: http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/Low-Power-Features-SAML-00002709A.pdf 

  14. UM1884, User Manual, "Description of STM32L4/L4+HAL and low-layer drivers," [Online], Available: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/user_manual/63/a8/8f/e3/ca/a1/4c/84/DM00173145.pdf/files/DM00173145.pdf/jcr:content/translations/en.DM00173145.pdf 

  15. Microchip Developer Help, [Online], Available: https://microchipdeveloper.com/32arm:saml10-sleepmodes 

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