“농기계의 통신기술, 체계적 접근해야”

◆ISOBUS란 무엇인가?

ISOBUS란 트랙터를 포함한 농기계의 터미널간 데이터 교환을 위한 통신 프로토콜이다. ISOBUS 기술을 따를 경우 다른 제조업체에서 만든 농기계와도 호환이 가능해 농부들은 자신의 트랙터와 다른 제조사에서 만든 작업기를 별다른 어려움 없이 연결할 수 있는 것은 물론, 다양한 제조업체의 부품을 원하는 대로 교체할 수 있다.

14개의 시리즈로 구성된 ISO 11783 표준에 기술된 ISOBUS의 기술적 세부사항은 ISO 참조모델에서부터 진단을 거쳐 파일서버에 이르는 주제를 다루고 있다. ISO 11783은 CAN 2.0B(Controller Area Network)를 따르며, SAE J1939 표준(트럭과 버스 통신시스템)을 따르기 때문에 SAE J1939 표준을 따라 만든 트럭과 버스용 전자장치를 거의 변경하지 않고서도 농림업용 기계에 적용할 수 있다.

◆ISOBUS가 따르는 J1939란 무엇인가?

SAE J1939는 차량 내부의 ECU를 위한 CAN 기반의 통신표준이다. 오늘날 대부분의 차량은 ECU 통신을 위해 CAN을 사용하는데, 여기에서 CAN은 의사소통을 위한 ‘언어’가 아니라 의사소통을 위한 ‘기반’으로서의 의미를 갖는다. 즉, 차량 내부의 ECU간 의사소통을 위해서는 SAE J1939을 사용하고, 통신기반을 제공하기 위해서는 OSI ‘물리 계층’과 ‘데이터 계층’에 해당하는 CAN을 사용한다. 만일 J1939를 따르지 않을 경우 독립적인 OEM 프로토콜을 사용해야만 한다.

J1939는 PGN(Parameter Group Number)으로 식별되는 메시지와 SPN (Suspect Parameter Number)으로 식별되는 신호를 250K(또는 500K)의 속도로 전달할 수 있다.

◆차량내부 통신을 담당하는 CAN(Controller Area Network)

CAN 기술이 등장하기 전에는 차량 내부에서의 통신을 위해서는 단말기 간에 일대일 배선을 해야만 했었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Bosch 등에서 개발한 CAN이 국제표준(ISO 11898)으로 승인됐다. CAN의 가장 큰 장점은 통신을 위해 일대일로 배선하지 않고, 2가닥의 전선을 버스 형태로 공유해 다른 ECU와의 통신이 가능하다는 것이다. 40kbps~1Mbps(클래식 CAN)의 전송속도를 지원하는 CAN은 배선의 단순함으로 오늘날 OBD2, J1939, NMEA 2000, CANopen 등과 같은 여러 상위계층 프로토콜의 기반이 되고 있다. 최근에는 CAN이 최대 5Mbps 속도를 지원할 수 있도록 표준이 보완돼 차량(자동차, 트럭, 버스, 트랙터 등)은 물론 선박, 비행기, 기계 등에도 널리 사용되고 있는 추세이다.

◆CAN을 더 빠르게 진화시킨 CAN-FD(Flexible Data rate)

차량기술의 발달로 인해 데이터가 폭발적으로 증가하자 기존 CAN(ISO 11898-1:2015)이 갖는 전송속도로는 감당이 불가능해졌다. 이로 인해 Bosch를 선두로 CAN-FD가 개발됐으며, 이는 ISO 11898-1:2015 국제표준에 포함되었다. CAN-FD는 데이터 길이확장, 속도증가, 안정성향상 및 기존 CAN과의 호환이 가능하다는 특징을 가지며, 기존 CAN 대비 3~8배 정도 높은 전송속도가 가능해 전기자동차, 로봇 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

◆CAN을 보완하는 LIN(Local Interconnect Network)

볼보와 같은 회사들은 자동차 윈도우, 와이퍼, 시트, 에어컨 등과 같은 편의 시스템 동작을 위해 CAN을 사용한다는 것은 사치라고 판단하고, 더 저렴하고 더 단순한 네트워크 구성이 가능한 LIN을 개발했다. 속도나 내결함성이 덜 중요한 부속기능 통신을 지원하기 위한 LIN은 최대 40m의 단일회선을 통해 10~20kbps 속도로 통신을 가능하게 한다. LIN은 차량에서 저비용으로 기능확장을 제공하는 데 있어 점점 더 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 세탁기, 냉장고와 같은 가전제품과 금속가공의 자동화에도 활용되고 있다.

◆CAN 이외의 차량용 통신기술은?

BMW, 벤츠 등에서는 멀티미디어 응용서비스 지원을 위해 CAN의 통신속도를 능가하는 새로운 통신기술을 필요로 했다. 이러한 결과로 탄생한 MOST(Media Oriented Serial Transport)는 빠른 전송속도는 물론, CAN이 제공하지 못하는 스트리밍 데이터와 스트림 동기화 기능까지 제공한다.

BMW, 크라이슬러 등에는 안전장치를 위한 제어응용을 위한 강력하고 빠른 속도의 통신기술이 필요하다고 판단해 관련기업들과 함께 10Mbps 전송속도, 이중 네트워크 토폴로지 및 향상된 동기화 기능을 제공하는 FlexRay를 개발한 바 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 CAN보다 훨씬 복잡하고 구현이 어려웠다는 점과 함께 GM과 크라이슬러의 파산으로 인해 FlexRay의 보급은 실질적으로 중단됐다.

◆차량통신의 진화 방향

전통적인 차량 전기·전자 구조는 커넥티비티, 인포테인먼트, 파워트레인 및 차량 구동부, 새시 및 편의장치, 자율주행 등과 같은 기능을 독립적으로 제어할 수 있도록 도메인으로 구성하고, 각각의 도메인은 독립적인 컴퓨터 시스템(도메인 컨트롤러)으로 제어한다.

하지만 커넥티드 카, V2V (차량간 통신), 증강현실, 자율주행과 같은 메가트렌드에 보조를 맞춰 필요한 소프트웨어를 즉시 개발하고 설치하기 위해서는 소프트웨어를 도메인별로 분산시키는 것보다는 하나의 장치에 소프트웨어를 집중시키는 것이 바람직하다고 판단하게 됐다. 이러한 인식은 차량 전기·전자 구조의 근본적인 변화를 가져오게 됐는데, 이 결과 자동차 업계에서는 영역(Zonal)기반 차량구조라는 새로운 개념을 제시했다. 중앙집중형인 이 구조에서는 비록 소프트웨어의 복잡성이 증가하지만 차량 네트워크를 구성하기 위한 배선이 획기적으로 줄어든다는 장점을 갖는다.

(출처: Electronic Design, William G. Wong, 2021)   ◆차량용 이더넷이란?

40년 이상 사용돼 안정성이 검증된 이더넷을 차량에 탑재해 통신속도를 높이고 배선구조를 단순화하려는 움직임이 있었지만, 전기(EMI/RFI 배출 및 민감도), 지연시간, 동기화 등에 대한 요구사항을 충족시키지 못해 자동차에 사용할 수 없었다. 하지만 일부차량의 경우 서비스센터에서 차량진단용으로 활용하기도 한다. 이더넷을 사용해 자동차 진단을 하는 이유는 이더넷의 높은 전송속도로 인해 차량 펌웨어 업그레이드 등과 같이 비교적 긴 시간을 요구하는 작업을 빠르게 마칠 수 있기 때문이다.

기존 이더넷을 차량에 적용하도록 보완한 차량용 이더넷은, CAN 통신 대비 빠른 전송속도는 물론이거니와 양방향 통신이 가능해 센서나 구동기와의 실시간 대화형 통신이 가능하다. 또한, 패킷 교환방식으로 다수 기기간 통신이 가능하며, 스위치를 추가해 네트워크를 쉽게 확장할 수 있다. 자동차 업계에서는 이미 100Base-T1 표준이 차량용 이더넷 표준으로 인정되고 있으며, 최근에는 차량용 이더넷을 위한 1000Base-T1와 10Base-T1S 표준들이 줄줄이 승인된 바 있다. 한편 Broadcom과 Bosch의 공동연구에 따르면 “UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블을 사용해 100Mbps의 속도로 데이터를 전달하고 소형커넥터를 사용하면 연결비용을 최대 80%, 케이블무게를 최대 30% 절감할 수 있다”고 차량용 이더넷의 장점을 피력했다.

◆맺음말

지금까지 자동차 분야에서 사용되는 통신기술과 이들의 진화방향을 짚어봤다. 미래 자동차분야에서는 자율주행을 위한 대용량 정보의 수집과 처리, 다른 차량과의 통신, 인포테인먼트와 같은 기능을 지원하기 위해 CAN은 물론 CAN-FD나 차량용 이더넷이 탑재될 것으로 예측된다. 이렇게 다양한 통신기술이 동시에 탑재되는 이유는 사실 오랜 기간을 써온 CAN을 버리고 새로운 통신기술을 도입하는 것은 매우 위험한 일이며, 차량용 이더넷이 기존 차량내부의 통신을 전부 대체할 수 없기 때문이다.

트랙터를 포함한 농업용 기계분야가 자동차와 동일하지는 않지만, 자율주행 트랙터, 농업용 로봇 등의 기술개발 트렌드를 봤을 때 농기계의 통신분야 또한 자동차의 그것과 크게 다르지 않다고 본다. 그러므로 경쟁력 있는 미래형 농기계 개발을 위해 새롭게 부상되고 있는 다양한 통신기술들을 적용하기 위한 노력이 필요하다고 사료된다.

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