IoT 센서 인터페이스 - I2C, SPI, UART 활용법
1. IoT 센서와 인터페이스란?
IoT(사물인터넷) 시스템은 다양한 센서와 데이터를 주고받으며 동작합니다. 이러한 센서들은 온도, 습도, 조도, 가속도, 거리 등 다양한 환경 정보를 측정하며, 이를 처리하는 마이크로컨트롤러(MCU)나 프로세서와 연결되어야 합니다. 센서와 MCU 간의 통신을 가능하게 하는 것이 바로 센서 인터페이스입니다.
IoT 환경에서 가장 널리 사용되는 센서 인터페이스는 I2C(Inter-Integrated Circuit), SPI(Serial Peripheral Interface), UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)입니다. 각 인터페이스는 데이터 전송 방식과 속도, 하드웨어 요구사항이 다르며, 특정 애플리케이션에 적합한 방식이 선택됩니다.
센서 인터페이스 비교
| 인터페이스 | 방식 | 장점 | 단점 | 사용 사례 |
|---|---|---|---|---|
| I2C | 직렬 (멀티마스터) | 저전력, 멀티슬레이브 지원 | 속도가 다소 느림 (100kHz~3.4MHz) | 환경 센서, 메모리, RTC |
| SPI | 직렬 (마스터-슬레이브) | 빠른 속도 (최대 50MHz), 풀 이중 통신 | 핀 수가 많음, 멀티 디바이스 제어 어려움 | 플래시 메모리, 디지털 오디오 |
| UART | 직렬 (비동기) | 간단한 연결, 범용성 | 비교적 느린 속도 (최대 1Mbps) | GPS 모듈, 블루투스, 시리얼 디바이스 |
2. I2C (Inter-Integrated Circuit)
I2C는 양방향 직렬 통신 프로토콜로, 1982년 필립스(현 NXP)에서 개발되었습니다. 하나의 마스터와 다수의 슬레이브 간 통신을 지원하는 멀티마스터 방식이 특징이며, 저속이지만 저전력으로 동작하기 때문에 센서 인터페이스에서 많이 사용됩니다.
I2C의 특징
- 2개의 와이어(SDA, SCL)로 통신 → 하드웨어 간소화 가능
- 마스터/슬레이브 구조 → 하나의 마스터가 여러 개의 센서를 제어 가능
- 고유 주소 할당 방식 → 7비트 또는 10비트 주소 사용
- 저전력 동작 → 배터리 기반 IoT 기기에 적합
- 속도 옵션:
- 표준 모드(Standard Mode): 100kHz
- 패스트 모드(Fast Mode): 400kHz
- 패스트 모드 플러스(Fast Mode Plus): 1MHz
- 하이스피드 모드(High-Speed Mode): 3.4MHz
I2C의 동작 방식
- 마스터가 특정 슬레이브의 주소를 브로드캐스트.
- 슬레이브가 자신의 주소와 일치하면 응답(ACK).
- 데이터 전송 시작 (읽기/쓰기).
- 전송 완료 후 STOP 신호.
I2C 활용 사례
- 환경 센서(온도, 습도, 조도 등)
- EEPROM(비휘발성 메모리)
- RTC(실시간 클럭)
- LCD 디스플레이 모듈
- 저전력 센서 기반 IoT 기기
3. SPI (Serial Peripheral Interface)
SPI는 고속 직렬 통신 프로토콜로, 마스터-슬레이브 방식의 풀 이중(Full-duplex) 통신을 지원합니다. 클럭 신호(SCK)를 활용하여 데이터가 동기적으로 전송되며, I2C보다 높은 속도를 자랑합니다.
SPI의 특징
- 4개의 와이어(SCK, MOSI, MISO, SS) → 빠른 데이터 전송 가능
- 최대 50MHz의 속도 지원 → 고속 데이터 처리 가능
- 풀 이중 통신(Full-duplex) → 데이터 송수신을 동시에 수행
- 멀티슬레이브 지원 → 하지만 슬레이브마다 별도의 SS(Slave Select) 핀이 필요
SPI의 동작 방식
- 마스터가 SS 핀을 통해 특정 슬레이브를 선택.
- SCK 클럭 신호를 동기화하여 데이터 전송.
- MOSI(Master Out Slave In)로 데이터 전송.
- MISO(Master In Slave Out)로 데이터 수신.
SPI 활용 사례
- 플래시 메모리 (NOR/NAND)
- 고속 ADC/DAC 변환기
- 디지털 오디오 코덱
- 디스플레이 모듈(OLED, TFT)
- 무선 통신 모듈(Wi-Fi, LoRa, ZigBee)
4. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)
UART는 비동기(serial) 통신 방식으로, 별도의 클럭 신호 없이 TX(전송), RX(수신) 두 개의 핀만으로 데이터 전송이 가능합니다. RS-232, RS-485와 같은 프로토콜에서 많이 사용됩니다.
UART의 특징
- TX, RX 2개의 와이어만 사용 → 간단한 연결
- 비동기 방식 → 별도의 클럭이 필요 없음
- 속도 조절 가능 (보드레이트 설정)
- 9600bps, 115200bps 등 다양한 속도 지원
- 풀 이중 통신 가능 → 데이터 송수신 동시 수행 가능
- 하드웨어/소프트웨어 UART 지원 → 임베디드 시스템에서 유용
UART의 동작 방식
- 시작 비트(Start bit) 전송.
- 데이터 비트(8-bit 또는 9-bit) 전송.
- 패리티 비트(Optional) 전송.
- 정지 비트(Stop bit) 전송.
UART 활용 사례
- GPS 모듈
- 블루투스(Bluetooth) 통신
- Wi-Fi 모듈(ESP8266, ESP32)
- RS-232 기반 시리얼 디바이스
- 디버깅 및 로깅(Serial Monitor 활용)
5. IoT 애플리케이션별 인터페이스 선택 기준
IoT 시스템에서 올바른 인터페이스를 선택하는 것은 응용 분야와 요구사항에 따라 달라집니다.
주요 선택 기준
- 속도(데이터 전송률) → 고속 처리가 필요한 경우 SPI
- 전력 소모 → 저전력 디바이스는 I2C
- 배선 수 → 최소 핀을 원하면 UART
- 멀티슬레이브 지원 여부 → 여러 센서를 연결해야 한다면 I2C
- 데이터 신뢰성 → 장거리 전송이 필요하면 UART (RS-485 활용 가능)
응용 사례별 추천 인터페이스
| 응용 분야 | 권장 인터페이스 |
|---|---|
| 환경 센서(온습도, 조도) | I2C |
| 고속 데이터 전송 (이미지 센서, 디스플레이) | SPI |
| 저전력 IoT 기기 | I2C |
| 시리얼 데이터(로그, 디버깅, GPS) | UART |
| 네트워크 통신(Wi-Fi, Bluetooth) | UART (시리얼 통신) |
6. 결론
IoT 시스템에서 센서와 MCU 간의 효율적인 데이터 교환을 위해서는 적절한 인터페이스 선택이 필수입니다.
- 저전력 & 멀티슬레이브가 필요하면 I2C
- 고속 데이터 전송이 필요하면 SPI
- 간단한 시리얼 통신이 필요하면 UART
각 인터페이스의 특징과 장점을 이해하고, IoT 프로젝트에 적합한 방식을 선택하는 것이 중요합니다.
📌 추가로 읽어볼 만한 주제
- I2C, SPI, UART 프로토콜의 신호 분석 방법
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