【전문가 기고】 ISOBUS 표준화 동향 및 향후전망

ISOBUS는 농기계 터미널간 데이터 교환에 필수

◆데이터 통신과 호환의 필요성

과거 차량 내부의 통신을 지원하기 위해서는 통신 단말기 간에 일대일 배선을 해야만 했다. 일대일 배선은 비교적 간단한 통신 기술이 사용되지만 전용 연결을 통해 중복적인 배선이 필요해 차량의 무게가 증가하고 복잡한 배선으로 보수가 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Bosch에서는 일대일로 연결하는 전용 전선 대신 2가닥의 공유 전선을 통해 다른 ECU와 통신할 수 있는 CAN(Controller Area Network) 통신 기술을 개발하였다. 40kbps~1Mbps의 전송속도를 지원할 수 있는 CAN은 간단한 배선이 가능해 오늘날 OBD2, J1939, NMEA 2000, CANopen 등과 같은 여러 상위계층 프로토콜의 기반이 되고 있다. 

[그림 1] CAN을 통한 배선의 간소화

한편 농기계류 제조업체에게 이미 널리 알려진 ISOBUS 규격은 CAN을 근간으로 하는 프로토콜로, 트랙터를 포함한 농기계의 터미널간 데이터 교환을 위한 목적으로 설계되었다. 농업용 기계 장치간 호환성을 제공할 수 있는 ISOBUS는 제조업체에게는 다른 제조사의 농기계와의 호환 가능성을, 농부에게는 농작업의 특성에 따라 다양한 제조업체의 작업기를 자유롭게 연결할 수 있게 한다. 

◆ ISOBUS의 탄생 기원

차량 네트워크를 단순화하기 위한 목적으로 1985년 Bosch사가 개발한 40kbps~1Mbps의 전송속도를 지원할 수 있는 CAN(Controller Area Network) 기술은 1993년에 ISO를 통하여 국제표준 규격(ISO 11898)으로 제정되었다. 이후 CAN을 기반으로 하는 다양한 상위 레벨 프로토콜(예, CANopen, DeviceNet 등)들에 대한 개발과 표준화가 1994년부터 본격적으로 진행되었으며, 오늘날 CAN은 OBD2, J1939, NMEA 2000, CANopen 등과 같은 여러 상위계층 프로토콜을 위한 기반 기술로 자리매김하고 있다. 
CAN의 효용성은 이미 자동차 분야에서 충분히 검증이 이루어졌기에, 2017년에는 농기계 분야에서도 활용하기 위해 ISO TC23(Tractors and machinery for agriculture and forestry)을 통하여 ISOBUS라고 불리는 규격(ISO 11783 시리즈)이 국제 표준으로 제정된 바 있다. 

[그림 2] ISOBUS의 동작

최근 CAN 기술은 최대 5Mbps까지 전송속도를 지원할 수 있도록 고안되어 차량(자동차, 트럭, 버스, 트랙터 등)은 물론 선박, 비행기, 기계 등에도 널리 사용되는 추세이다.

◆ISOBUS의 브랜드 개념
ISOBUS란 트랙터를 포함한 농기계의 단말기 간 데이터 교환을 위한 데이터 버스에 대한 브랜드 이름이다. ISOBUS는 14개의 시리즈로 구성된 ISO 11783 표준에 상세히 기술되어 있다. ISO 11783 표준은 CAN 2.0B를 기반으로 설계된 SAE J1939 표준을 따른다. SAE J1939는 트럭과 버스와 같은 차량 내부에 설치된 ECU 사이의 통신을 가능케 하는 CAN 기반 통신 표준으로, PGN(Parameter Group Number)으로 식별되는 메시지와 SPN(Suspect Parameter Number)과 FMI(Failure Mode Identifier)로 식별되는 코드를 250K(또는 500K)의 속도로 전달할 수 있는 통신 표준이다. 따라서 ISOBUS를 따르는 농업용 기계는 SAE J1939 표준을 따르는 트럭과 버스에서 사용되는 전자장치를 거의 변경하지 않고서도 활용할 수 있다.
CAN과 SAE J1939 와의 관계는 다음과 같다. CAN은 의사소통을 위한 ‘물리적인 기반’ 역할을 담당하고, SAE J1939은 차량 내부의 ECU간 의사소통을 위한 ‘논리적인 언어’ 역할을 담당한다. 즉, 차량 내부의 ECU간 통신을 위해서는 ‘물리 계층’과 ‘데이터 계층’에 해당하는 CAN을 기반으로 의사소통을 위한 ‘언어’를 정의하는 SAE J1939을 사용한다. 

정부주도의 ISOBUS 개발 인력양성 서둘러야

◆ISO 11783 표준
ISOBUS에 관한 표준화는 ISO/TC23에서 이루어지고 있다. ISO/TC23는 ‘농림업용 트랙터, 기계, 시스템, 도구 및 장비의 표준화’와 ‘원예, 조경, 관개 및 전기전자 식별, 동물 전자식별을 포함한 장비의 표준화’를 표준화 범위로 하고 있다. ISO/TC23은 1952년부터 설립되어, 회원국은 투표권이 있는 P-멤버 회원국은 우리나라를 비롯해 26개국이며, 투표권이 없는 O-멤버는 38개국이 활동 중이다. 한편 2007년에 처음 제정된 ISOBUS 표준은 ISO 검토주기(5년)에 따라 지속적인 검토와 개정이 이루어지고 있다. 
ISOBUS를 이해하기 위해서는 14개의 부분으로 구성된 ISO 11783 표준에 대한 이해가 절대적이다. 다음은 ISO 11783 표준의 각 부분에서 다루고 있는 간략한 내용이다. 

△ ISO 11783-1은 ISO 11783 표준의 구성과 OSI 계층 모델과의 대응 등과 같이 전반적인 이해를 돕기 위한 소개를 포함한다. 특히 이 부분에서는 ISO 11898 (CAN)과 SAE J1939 표준을 기반으로 농업 장비 내부의 ECU 간 통신을 가능하게 하는 ISOBUS에 대한 간략한 개요가 제공된다. 

[그림 3] ISOBUS와 OSI 7계층 모델

△ ISO 11783-2는 OSI 물리 계층에 해당되는 부분으로, ISOBUS 통신을 위한 물리 계층, 트랙터에 작업기를 연결하는데 필요한 커넥터, 네트워크의 작동과 연결에 필요한 전원 요구사항들이 제시된다. 

△ ISO 11783-3은 OSI 데이터링크 계층에 해당되는 부분으로, ISOBUS에서 사용되는 메시지 프레임 형식과 CAN 식별자 구조를 정의하고 있다. 

△ ISO 11783-4는 OSI 네트워크 계층에 해당되는 부분으로, 서로 다른 구조를 갖는 네트워크를 연결할 때 필수적인 네트워크 상호연결 유니트에 대한 상세한 기술이 정의되어 있다. 네트워크 상호연결 유니트는 ISOBUS 네트워크에서 30개 이상의 노드를 연결할 때 전기적 부하 제한을 유지하기 위해 사용된다. 

△ ISO 11783-5는 송신지 주소(SA)를 이용해 ISOBUS 상에서 통신하는 각 제어 기능을 유일하게 구분하기 위한 64-비트 길이의 이름을 정의한다. 또한 송신지 주소를 결정하고 발생할 수 있는 어떤 주소의 충돌 문제를 해결하기 위한 구체적인 과정을 정의한다.

△ ISO 11783-6은 가상터미널(Virtual Terminal)의 요구조건을 규정한다. 가상터미널이란 ISOBUS의 구체화된 표준 메시지를 사용하여 작업기 혹은 트랙터를 위한 작업자 인터페이스를 제공하는 ECU이다. 

△ ISOBUS에서는 2개 이상의 네트워크 세그먼트가 지원된다. 한 세그먼트(트랙터 네트워크)는 동력전달장치, 트랙터 샤시 또는 기본 동력원 유니트에 대한 제어 및 데이터 통신을 제공한다. 다른 한 세그먼트(작업기 네트워크)는 작업기들 간, 작업기와 트랙터 간에 제어와 데이터 통신 방법을 제공한다. ISO 11783-7에는 작업기-작업기 간, 작업기-트랙터 간 통신을 위한 응용 메시지가 정의되며, ISO 11783-8에는 동력전달장치를 위한 응용 메시지가 정의되어 있다. 

△ ISO 11783-9는 트랙터 ECU를 정의한다. 트랙터 ECU는 다른 ECU들에게 요청하고 명령을 내리기 위한 적절한 확인 신호 혹은 응답을 제공해야 하며, 이는 ISO 11783-9에 따라 명령 메시지에 기본 정보나 행동을 제공하여야 한다.

△ ISO 11783-10과 ISO 11783-11은 ISOBUS를 통해 작업기 기능에 대해 계획된 제어를 수행하는 태스크 콘트롤러에서 사용하는 메시지에 대한 표준이다. 태스크 콘트롤러에서 사용되는 메시지의 포맷과 제어 기능들은 ISO 11783-10에 정의되고 있으며, 태스크 콘트롤러에서 사용되는 메시지의 데이터 요소는 ISO 11783-11에서 제공되는 데이터 사전에 정의되어 있다.

△ ISO 11783-12는 ISOBUS의 직렬 제어나 데이터 통신 네트워크의 오작동을 진단하기 위한 목적으로 사용되는 메시지를 정의한다. 

△ ISO 11783-13은 ISO 11783 직렬 제어 및 데이터 통신 네트워크상의 제어 기능이 이 파일로부터 또는 파일로 데이터를 읽고 쓸 수 있도록 데이터 파일이나 명령어 세트를 저장하는 ECU를 정의한다.

△ 마지막으로, ISO 11783-14는 트랙터와 작업기 기능을 하나의 시스템에 포함하는 시퀀스 제어 시스템을 정의한다. 이 제어 시스템은 작업자가 활성화한 여러 개의 기능 시퀀스를 기록하거나 작업자 명령에 따라 재생할 수 있다.

◆ISOBUS의 향후전망과 과제
지금까지 ISOBUS에 대한 기술과 표준화 동향에 대해 간략한 소개를 하였다. 1980년대에 개발된 CAN 기술의 처리량을 더 높이기 위해 일부 CAN 프로토콜 개선 작업이 2010년대에 이루어지기 시작했다. 이는 자동차 산업 분야에서 점점 덩치가 커지는 소프트웨어 패키지로 인해 ECU에 다운로드하기가 점차 어려워지고 있기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 더 많은 데이터를 빠르게 보낼 수 있는 CAN FD(CAN with Flexible Data rate) 기술이 개발되었다. 자동차 산업 분야에서 차세대 차량 내 네트워크에 CAN FD 프로토콜을 채택하기 시작한 것을 고려하였을 때 CAN 기술은 앞으로도 계속 사용될 것으로 보이며, 향후 모든 차량용 애플리케이션에서 CAN FD 프로토콜을 사용할 것으로 예상된다. 
관련하여 이미 미국과 유럽에서는 범용 데이터 교환을 위해 트랙터와 작업기에 ISOBUS 표준 기술을 적용하고 있으며, 향후 ISOBUS 표준 기술이 탑재된 트랙터와 작업기만 수출입이 가능하도록 시장 진입장벽을 높이고 있는 실정이다. 또한, 2008년에 수립된 AEF(Agricultural Industry Electronics Foundation)에서도 주기적인 ‘플러그페스트’를 통하여 제조업체간 ISOBUS 호환성을 제공하기 위한 환경을 마련하고 있으며, 이를 통과한 제품들에 인증 서비스를 제공하고 있다. 
특히 곧 다가올 미래의 농기계 환경에서는 지금과 같은 트랙터와 작업기와의 ISOBUS 통신 기술뿐만 아니라, 상시 연결된 농기계, 무선 접속, 고속 ISOBUS, 데이터 관리 등을 위한 기술들이 선택이 아닌 필수 요소로 주목받을 것으로 예측된다. 따라서 국내 농기계 산업의 경쟁력을 높이기 위해선 정부주도의 ISOBUS 개발 인력 양성이 절실하다고 판단된다. 

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