IOT 기술 - MQTT

 

Internet of Things (IOT)

모든 산업군에 대한 내용을 다룰 수는 없겠지만 가장 ‘HOT’하다고 언급되는 Smart Factory, Autonomous Vehicle, Drone 등에 대한 설명도 할 예정이다. 5G를 실제 서비스에 적용하기 위해서는 다양한 기술들이 융합되어야 한다. 그 중 가장 중요한 기술로 평가받고 있는 Artificial Intelligence (AI)에 대해 설명한다. 기본적인 Machine Learning에 대한 설명부터, Deep Learning의 다양한 모델들 (CNN, LSTM, GRU, GAN 등), 강화학습에 대해 설명한다. 추가적으로, AI와 관련된 프로젝트를 보고, 직접 코딩하고 돌려볼 수 있는 프레임워크에 대한 부분도 있다.

추가적으로 블록체인, 드론같은 다른 기술들과의 연계나 여러 기술을 융합한 스타트업, 세계적인 기업들의 연구개발 트렌드 등에 대해서도 알아본다.

5G를 이용한 다양한 산업이 성장하고 있다. 대용량의 데이터를 전송하는 기술들을 사용한 VR/AR 기술들, 드론, 자율주행차량, 스마트 팩토리, 원격진료 등 다양한 산업들에 대해서 2020년 하반기 현재 어떤 비즈니스와 산업이 구축되고 있는지에 대해 알아보도록 하겠다.

  

MQTT

작은 컴퓨터 역할을 하는 마이크로프로세서 (아두이노 등)에 Wi-Fi, Bluetooth, Cellular 등의 통신 칩을 연결한다 (꽂는다). 이렇게 마이크로프로세서에 통신 칩을 꽂은 후, Message Queue Telemetry Transport (MQTT) 프로토콜을 이용해서 통신을 시작한다. 일단 MQTT는 IOT를 위해 만들어진 프로토콜인 만큼 ‘저전력’ ‘낮은 대역폭’에서도 구현이 가능하다. 아래 그림은 MQTT 설명에 거의 반드시 나오는 그림인데, Publisher라고 하는 Node (e.g., 센서)가 보낼 데이터가 있으면 해당하는 Topic (카테고리)에 해당하는 데이터를 보내면 (publishing), 해당 Topic을 주시하고 있던 Node (e.g., 다른 센서, 스마트폰 등)가 Topic으로 들어온 Published된 메시지를 받아들이는 구조로 이루어져있다. 여기서 Broker는 이런 일련의 과정을 연결해주는 Bus (가상의 전송 통로)를 제공해주는 역할을 한다.

이제 큰 틀은 이해가 되었을 것이다. 한 단계 더 나아가서, Publisher가 보내야하는 메시지가 반드시 전송되어야 하는 메시지인지등에 따라서 QOS를 Setting해야한다. QOS Level을 0으로 Setting하면 Subscriber가 받던지 말던지 Publisher가 일단 메시지를 전송하는데 의의를 두고 서비스가 이루어진다. 하지만 QOS를 1로 Setting하면 Subscriber가 받는 것도 확인을 하는 통신 시스템이 구축된다. 얼핏듣기로는 QOS가 무조건 좋아보이지만, TCP/UDP를 공부한 사람들은 신뢰성과 불필요한 메시지 전송이라는 Trade-Off 관계가 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 밖에도 연결, Publish, 수신 등의 다양한 제어 메시지를 담은 Header들을 MQTT packet에 담아서 보내게 된다. 나중에 필요한 경우에 정리된 표를 보면 될 것이다. 지금까지는 Publisher와 Subscriber의 입장에서 주로 썼는데, Broker도 누군가는 해줘야한다. 따라서, Mosquitto MQTT Broker가 이 과정을 맡아서 메시지를 중개해준다. Mosquitto를 어떻게 Setting하면 될지에 대한 얘기는 기본적으로 주기적으로 루프를 돌면서 들어온 메시지나 이벤트가 있는지 확인하고 그에 따른 알고리즘에 따라서 메시지를 중개해준다. 너무 MQTT 얘기를 깊게했는데, 어쨌든, 이런식으로 노드와 노드간의 통신이 이루어질 수 있다. 이 과정을 통해서 노드에서 보낸 센서 데이터를 받을 수도 있고, 이 데이터를 분석해서 다시 MQTT 시스템을 통해 식물에 영양분을 공급하는 분무기를 쏴준다던가, 물을 흘려보내는 등의 간단한 시스템을 구축할 수 있다. 시간이 나면, 이런 시스템을 직접 구현해보는 프로젝트도 진행해볼 예정이다.

보통 센서는 아두이노를 통해 연결하고, 브로커는 라즈베리파이, Subscriber/Publisher는 스마트폰을 사용한다. 아두이노는 기본적으로 센싱기능이나 제어 등의 매우 단순한 과정을 처리하는 마이크로 컨트롤러, 라즈베리 파이는 제어나 센싱보다는, 계산능력이 좋아야하는, 작은 컴퓨터라고 생각하면 된다. 즉, 간단한 제어 및 컨트롤 : 아두이노 / 영상처리같은 조금 복잡한 계산 : 라즈베리파이를 하면 된다.