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하드웨어와 소프트웨어 엔지니어 모두를 위한 IoT 해설서!

[그림으로 공부하는 사물인터넷 구조]는 IoT를 실현하기 위한 아키텍처나 센서 종류, 센서에서 취득할 수 있는 정보 등 기초적인 지식에서부터 센서 디바이스의 프로토타입에 필요한 아두이노와 같은 보드 소개와 선택법, 센서와 접속하는 회로, 센서 데이터 분석, IoT와 스마트폰/웨어러블 디바이스와의 연동까지 엔지니어가 IoT를 활용하기 위해 알아야 할 거의 모든 것을 담고 있다. 또한, 저자들이 개발한 IoT 시스템의 사례를 통해 하드웨어나 무선통신이 가지는 특유의 문제 해결 방법이나 디바이스 설치, 보안 등 IoT 시스템을 활용할 때의 노하우도 담고 있다.

최근 M2M(Machine to Machine)과 IoT(Internet Of Things)라는 키워드가 주목받고 있다. IoT란, PC는 물론 스마트폰이나 가전제품 등 우리 주변에 있는 다양한 사물과 디바이스에 내장된 센서로부터 전송되는 정보를 인터넷을 통해 활용하는 구조를 말한다.

이 책은 IoT를 시스템 개발에서 활용하고자 하는 엔지니어를 대상으로 IoT를 구성하는 기술 요소인 디바이스, 센서, 통신 프로토콜(MQTT)의 기초 지식과 IoT 활용 방법까지 설명한다. 센서를 활용하기 위해서는 센서는 물론, 하드웨어 및 소프트웨어, 센서 데이터 분석 등 폭넓은 지식이 필요하다. 또한, IoT를 실현하기 위한 아키텍처나 센서 종류, 센서에서 취득할 수 있는 정보 등 기초적인 지식에서부터 센서 디바이스의 프로토타입에 필요한 아두이노와 같은 보드 소개와 선택법, 센서와 접속하는 회로, 센서 데이터 분석, IoT와 스마트폰/웨어러블 디바이스와의 연동까지 엔지니어가 IoT를 활용하기 위해 알아야 할 거의 모든 것을 담고 있다. 또한, 저자들이 개발한 IoT 시스템의 사례를 통해 하드웨어나 무선통신이 가지는 특유의 문제 해결 방법이나 디바이스 설치, 보안 등 IoT 시스템을 활용할 때의 노하우도 담고 있다.

이 책의 대상
IoT 기초 지식이나 큰 그림에 대해 알고 싶은 분
IoT나 M2M 시스템의 기획/개발을 담당하는 분
IoT 시스템 개발에 흥미를 가진 모든 엔지니어

이 책의 주요 내용 및 구성
■ IoT의 기초 지식 ■ 센서의 활용
■ 데이터 분석 ■ 웨어러블 디바이스
■ 디바이스 구성 요소 ■ 고도의 센싱 기술
■ IoT 개발과 유지 보수 ■ IoT와 로봇

1장에서는 IoT 전반에 관한 개요를 살펴본다.
2장에서는 웹 서비스에서 사용되는 기술을 중심으로 IoT 서비스를 실현하는 방법에 관해 설명한다.
3장에서는 디바이스 개발에서 반드시 이해해야 할 사항을 자세히 설명한다.
4장에서는 고급 센싱이라는 제목으로 최근 눈부시게 발전해 온 NUI(Natural User Interface)나 위성항법장치(GPS, Global Positioning System) 등 센싱 시스템을 소개한다.
5장에서는 IoT 서비스를 운용하는 노하우나 주의해야 할 점을 설명한다.
6장~8장에 걸쳐서는 데이터 분석, 웨어러블 디바이스, 로봇 등 IoT와 밀접한 분야에 관해 짚어 본다.

Chapter 1 IoT 기초지식 1
1.1 | IoT 입문 2
1.1.1 IoT 2
1.1.2 IoT 동향 2
1.2 | IoT가 실현하는 세상 4
1.2.1 유비쿼터스 네트워크 사회 4
1.2.2 사물인터넷 접속 5
1.2.3 M2M이 실현하는 사회 6
1.2.4 IoT가 실현하는 세계 7
Column 활발한 표준화 활동 9
1.3 | IoT를 구성하는 기술 요소 9
1.3.1 디바이스 9
1.3.2 센서 13
1.3.3 네트워크 15
1.3.4 IoT 서비스 18
1.3.5 데이터 분석 21

Chapter 2 IoT 아키텍처 25
2.1 | IoT 아키텍처 구성 26
2.1.1 전체 구성 26
2.1.2 게이트웨이 27
2.1.3 서버 구성 29
2.2 | 데이터 수집 30
2.2.1 게이트웨이의 역할 30
2.3 | 데이터 수신 33
2.3.1 수신 서버 역할 33
2.3.2 HTTP 프로토콜 33
Column REST API 34
2.3.3 웹소켓 34
2.3.4 MQTT 35
2.3.5 데이터 포맷 44
Column 이미지, 음성 및 영상 데이터 다루기 46
2.4 | 데이터 처리 47
2.4.1 처리 서버의 역할 47
2.4.2 배치 처리 48
2.4.3 스트림 처리 51
2.5 | 데이터 저장 54
2.5.1 데이터베이스 역할 54
2.5.2 데이터베이스의 종류와 특징 55
2.6 | 디바이스 제어 59
2.6.1 송신 서버의 역할 59
2.6.2 HTTP를 이용한 데이터 전송 59
2.6.3 웹소켓을 이용한 데이터 전송 61
2.6.4 MQTT를 이용한 데이터 전송 61
Column 사례. 식물 공장용 환경 제어 시스템 62

Chapter 3 IoT 디바이스 63
3.1 | 실세계 인터페이스로서 디바이스 64
3.1.1 디바이스를 배우는 이유 64
3.1.2 커넥티비티가 초래한 변화 64
3.2 | IoT 디바이스의 구성 요소 67
3.2.1 기본 구성 67
3.2.2 마이크로 컨트롤러 보드의 종류와 선택 73
Column 오픈 소스 하드웨어의 대두 86
3.3 | 실세계와 클라우드 연결 87
3.3.1 글로벌 네트워크와의 연결 87
3.3.2 게이트웨이 장비와의 통신 방식 88
3.3.3 유선 접속 88
3.3.4 무선 접속 91
3.3.5 전파 인증 취득 96
3.4 | 실세계 정보를 수집 96
3.4.1 센서의 정의 96
3.4.2 센서의 구조 97
3.4.3 센서를 이용하는 프로세스 101
3.4.4 센서 신호를 증폭한다 102
3.4.5 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 104
3.4.6 센서 캘리브레이션 106
3.4.7 센서의 선택 108
3.5 | 실세계에 피드백 111
3.5.1 출력 디바이스 사용 시 중요한 것들 111
3.5.2 드라이버의 역할 113
3.5.3 정확한 전원 만들기 115
3.5.4 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환 117
3.6 | 하드웨어 프로토타입 118
3.6.1 프로토타입의 중요성 118
3.6.2 하드웨어 프로토타입의 주의 사항 120
3.6.3 하드웨어 프로토타입 도구 123
Column 보드 제작에 도전! 124
3.6.4 프로토타입을 마치며 125

Chapter 4 고급 센싱 기술 127
4.1 | 확장하는 센서의 세계 128
4.2 | 고급 센싱 디바이스 129
4.2.1 RGB-D 센서 130
4.2.2 Natural User Interface 138
4.3 | 고급 센싱 시스템 142
4.3.1 위성 측위 시스템 142
4.3.2 일본의 준천정위성 154
4.3.3 IMES 156
4.3.4 와이파이를 이용한 위치 측위 기술 158
4.3.5 비콘 161
4.3.6 위치 정보 및 IoT의 관계 162

Chapter 5 IoT 서비스 시스템 개발 165
5.1 | IoT와 시스템 개발 166
5.1.1 IoT 시스템 개발의 과제 166
5.1.2 IoT 시스템 개발의 특징 167
5.2 | IoT 시스템의 개발 흐름 170
5.2.1 가설 검증 단계 170
5.2.2 시스템 개발 단계 171
5.2.3 유지 보수와 운영 단계 172
Column 수익 셰어 172
5.3 | IoT 서비스 시스템 개발 사례 173
5.3.1 플로어 환경 모니터링 시스템 173
5.3.2 에너지 절약 모니터링 시스템 177
5.4 | IoT 서비스 개발의 포인트 179
5.4.1 디바이스 179
5.4.2 처리 방식 설계 187
5.4.3 네트워크 197
5.4.4 보안 199
5.4.5 운용·유지 보수 207
5.5 | IoT 서비스 시스템 개발을 향해서 210

Chapter 6 IoT와 데이터 분석 213
6.1 | 센서 데이터와 분석 214
6.1.1 분석의 종류 215
6.2.1 집계 분석 217
6.2 | 가시화 217
6.3 | 고도의 분석 223
6.3.1 고도의 분석 기초 224
Column 기계 학습과 데이터 마이닝 234
6.3.2 분석 알고리즘으로 발견하기 234
6.3.3 예측 235
6.4 | 분석에 필요한 요소 239
6.4.1 데이터 분석 240
6.4.2 CEP 243
6.4.3 유바투스 244
Column 분석의 어려움 247

Chapter 7 IoT와 웨어러블 디바이스 249
7.1 | 웨어러블 디바이스의 기초 250
7.1.1 IoT와 웨어러블 디바이스의 관계 250
7.1.2 웨어러블 디바이스의 시장 253
7.1.3 웨어러블 디바이스의 특징 257
7.2 | 웨어러블 디바이스 종류 260
7.2.1 웨어러블 디바이스의 분류 260
7.2.2 안경 형태 265
7.2.3 시계 형태 269
7.2.4 액세서리 형태 272
7.2.5 목적별 선택법 275
7.3 | 웨어러블 디바이스의 활용 284
7.3.1 웨어러블 디바이스의 편리성 285
7.3.2 소비자의 활용 장면 285
7.3.3 기업 환경에서 활용 장면 288
Column 하드웨어 개발의 최근 동향 292

Chapter 8 IoT와 로봇 293
8.1 | 디바이스에서 로봇까지 294
8.1.1 디바이스의 연장으로서 로봇 294
8.1.2 실용 범위가 확대되는 로봇 295
8.1.3 로봇 시스템 구축의 열쇠 297
8.2 | 로봇용 미들웨어의 이용 297
8.2.1 로봇용 미들웨어의 역할 298
8.2.2 RT 미들웨어 299
8.2.3 ROS 300
8.3 | 클라우드로 연결되는 로봇 302
8.3.1 클라우드 로보틱스 303
8.3.2 UNR-PF 304
8.3.3 로보어스 307
8.4 | IoT와 로봇의 미래 310
끝내며… 311

M2M(Machine to Machine, 사물 간의 통신)은 IoT와 함께 최근 주목받는 기술이다(그림 1.4). IoT와 M2M은 같은 뜻으로 해석되는 경우도 가끔 있지만, 엄밀히 따지면 다른 개념이다. M2M이란, 사람이 개입하지 않는 기계와 기계 간의 통신을 말한다. 즉, 기계와 기계가 자동으로 정보를 주고받는 시스템 전체를 나타내는 경우가 많다. 이에 비해 IoT는 취득한 정보를 사람에게 서비스하는 것을 포함하는 시스템이다. 따라서 M2M보다는 IoT가 더 폭넓은 개념이다.
_6쪽

IoT에서는 센서 데이터나 음성/이미지 등 비교적 크기가 큰 데이터가 전송된다. 배치 처리에서는 이 데이터들을 수집하여, 당일 디바이스 이용 경향을 도출하고, 이미지 처리에서 촬영한 이미지로부터 환경의 변화를 조사할 수도 있다. 디바이스가 증가함에 따라 처리해야 할 데이터가 점점 증가해 갈 때, 배치 처리에도 여기서 소개한 분산 처리 방식을 이용하는 것이 중요해진다.
_50쪽

프로토타입용으로 적합한 범용성과 확장성의 균형이 뛰어난 제품으로는 아두이노, 인텔 에디슨, BBB 등을 들 수 있다. 한편, 라즈베리 파이는 PC로서의 이용을 지향하고 있으며, 직접 디바이스를 제어할 수 있는 아날로그 I/O 핀이 없다. 또한, H8 시리즈와 같은 기존 마이크로 컨트롤러는 최소한의 구성을 추구한다는 점에서 매우 우수하지만, 네트워크 연결에는 불편함을 감수해야 한다.
_85쪽

최근 이슈가 되는 비콘은 3장에서 소개한 BLE(Bluetooth Low Energy)라는 저전력 통신 규격을 이용한 새로운 기술이다. 최근 아이폰에서 ‘아이비콘(iBeacon)’이라는 이름으로 비콘을 사용하는 방법이 제공되고 있다. 기본적인 사용법은 조난 구조용 비콘과 다르지 않다. 예를 들어, 브랜드숍을 상상해 보자(그림 4.29).
_161쪽

IoT 시스템 도입에서 통신 비용은 주로 이동통신사 회선 사용에 관한 비용이 된다. 가입 조건에 따라 다르겠지만 사용할수록 비용이 증가할 것이다. 또한, 그 비용은 시스템이 동작하는 한 계속해서 발생해 간다. 거점 수(게이트웨이 수)가 많을수록 통신 비용이 증가하므로 게이트웨이에서 서버로 데이터를 전송할 때, 거점당 통신량을 억제하는 연구가 필요하다.
_197쪽

IoT에서의 웨어러블 디바이스의 위상에 관해 알아보았다. 이번에는 웨어러블 디바이스 자체에 초점을 맞춰 보자. 어떤 디바이스를 웨어러블 디바이스라고 부르는 것일까? 웨어러블 디바이스는 스마트폰과 태블릿 등, 스마트 디바이스라는 모바일 컴퓨터의 차세대 시스템으로서 기대가 모아지고 있다(그림 7.3). 단순히 스마트 디바이스의 기능을 제한하여 몸에 착용할 수 있도록 한 것이라는 해석도 있지만, 이 책에서는 IoT와 관련된 전혀 다른 유형의 디바이스로 생각한다.
_252쪽