智能型無線工業傳感器之設計指南

本文專注探討SmartMesh與Bluetooth Low Energy（BLE）網狀網絡是工業狀態監測傳感器最適合的無線標準，其中介紹BLE低功耗藍牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等無線標準，以及其在嚴苛工業射頻環境中的適用性，并列舉多項比較標準，包括功耗、可靠度、安全性及總體持有成本。
SmartMesh時間同步機制造就出低功耗性能，而SmartMesh與BLE頻道跳頻機制則帶來更高的可靠度。一項針對SmartMesh的案例研究，總結出可靠度高達99.999996%。Analog Devices的BLE與SmartMesh無線式狀態監測傳感器包含一款配備邊緣人工智能（AI）功能的新型無線傳感器，能夠為受限制的邊緣傳感器節點挹注更長的電池續航力。


智能傳感器市場成長驅動力
由馬達驅動系統的智能型傳感器市場規模，從2022到2024年的成長幅度預估將超過2倍（成長至9.06億美元）。在智能傳感器方面，主要的成長驅動力將來自無線與便攜設備。運用無線環境傳感器（溫度、振動）來監視工業機器，其明確目標是偵測出受監視設備在何時會偏離健康運作的狀態。
在工業無線傳感器應用領域，低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最關鍵的要求。其他要求還包括低總體持有成本（最少的網關、維護）、短距離通訊，以及能支持網狀網絡的通訊協議，其能適應充斥大量金屬障礙物的工廠環境（網狀網絡有助于紓解潛在訊號路徑遮蔽與反射的問題）。


工業應用與無線標準的要求
圖一概述各種無線標準，表一列出多項無線標準并對照關鍵的產業要求。從圖表可明顯看出BLE與SmartMesh（6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e進行傳輸）能為工業應用提供兼顧低功耗、可靠度、安全性的優化組合。Thread與ZigBee提供低功耗與安全的網狀網絡實作方案，但在可靠度的評分較低。


 
圖一 : 無線標準調查

表一：無線標準對應工業應用的要求

表二進一步詳列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE網狀網絡標準。SmartMesh包含一個時間同步頻道跳頻（TSCH）協議，網絡中所有節點都進行同步化，并依一個時程表來協調通訊作業。時間同步造就出低功耗，而頻道跳頻則造就出高可靠度。
此外，BLE標準也包含頻道跳頻，但其相較于SmartMesh則存在一些限制，包括像不支持纜線供電的路由節點（增加系統成本與耗電）與TSCH。如先前所述，ZigBee/Thread在可靠度的表現較差，且不具備許多BLE所擁有的優點。


表二：工業應用的關鍵無線標準與效能數據

無線狀態監測傳感器
以下說明Analog Devices的Voyager 3無線振動監視平臺及新一代無線狀態監測傳感器。Voyager 3采用SmartMesh模塊（LTP5901-IPC），當中一款支持AI的振動傳感器（研發中）采用BLE微控制器（MAX32666）。兩款傳感器都有溫度與電池健康狀態（SOH）傳感器。Voyager 3與AI版本傳感器采用ADI MEMS微機電加速計（ADXL356、ADXL359）用來為工業設備量測振動的振幅與頻率。組件會運用FFT高速傅立葉變換頻譜來辨識振動的振幅與頻率，該頻譜可以反映出各種故障的征兆，包括像馬達失衡、錯位、以及損壞的軸承。

圖二顯示Voyager 3與支持AI振動傳感器的典型運作。其工作周期和許多任務業傳感器一樣都是1%；傳感器在大多數時間都處于低功耗模式。傳感器會定期被喚醒，并進行大量數據收集（或是在高沖擊振幅的撞擊事件），或向使用者傳送狀態的更新通報。使用者通常會收到反映受監視機器狀態的狀態標志，通報該機器健康狀態良好，并讓使用者有機會收集更多數據。


 
圖二 : 工業無線傳感器的典型運作

安全
SmartMesh IP網絡具備多層次的防護，這些層次可分類為保密性、完整性、以及真實性。圖三整理了SmartMesh的安全防護。保密性方面，采用端對端的AES-128-bit加密，就算網絡中有多個網狀網絡節點也能執行。傳輸的數據會以消息驗證代碼（訊息完整性檢查或MIC），以確保其未被竄改。此種作法能防御各種中間人（MITM）攻擊，如圖三所示。此外，也能夠建置多重裝置驗證級別，以防止未經授權的傳感器被加入到系統。


 
圖三 : BLE與SmartMesh網絡的安全建置

采用4.0與4.1版BLE標準運作的裝置面臨安全風險，然而4.2以后版本納入了增強安全（如圖三所示）。ADI的MAX32666兼容于5.0版BLE標準。這個版本包含P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換機制用于裝置之間的配對。在此協議中，兩個裝置的公開密鑰用來在兩個裝置之間建立稱為長期密鑰（LTK）的分享機密。這個分享機密用來驗證與產生密鑰，這些密鑰用來為所有通訊內容進行加密，以及防御各種MITM中間人攻擊。

低功耗
上述章節中的傳感器工作周期為1%，Voyager 3封包的最大數據酬載量為90 bytes，而AI版本的最大酬載量則為510 bytes。圖四（取自Shahzad與 Oelmann3）顯示在500至1000 bytes的數據傳輸量方面，BLE消耗的能量低于ZigBee與Wi-Fi。因此BLE適合運行AI的使用情境。SmartMesh能夠提供極低的功耗，特別是90 bytes以下的酬載（正如Voyager 3傳感器所用的酬載規格）。SmartMesh 功耗估算工具的準確性經實測證明可達87%至99%，實際準確度取決于傳感器屬于路由節點還是葉節點。


 
圖四 : 已傳輸數據（無線電收發器物理層組件）與電源消耗（取材自Shahzad 與Oelmann）
除了無線電傳輸能源消耗外，我們還須考慮整體系統的耗電預算以及總體持有成本。如表二所述，BLE與ZigBee使用同一個網關運作。然而兩種技術都需要透過纜線為路由節點供電，這也會增加耗電預算以及總體持有成本。對比之下，SmartMesh路由節點平均僅消耗50 μA的電流，整個網絡僅用一個網關就能工作。SmartMesh顯然是更具能源效率的建置方案。

可靠度與穩健性
如先前所述，SmartMesh采用TSCH，因此具有以下特性：網絡中的所有節點都同步化、根據一個通訊時程表調度各節點的通訊、時間同步化促成低功耗、頻道跳頻造就高可靠度，以及通訊作業進行妥善排程，帶來高確定性。
整個網絡的同步化精準度誤差壓低到15 μs以下。極高水平的同步化造就出極低的功耗。消耗電流平均為50μA，且超過99%的時間僅為1.4 μA。
表三所列為關鍵應用時的挑戰，以及SmartMesh與BLE網狀網絡如何因應。SmartMesh在大量節點構成的高密度網絡中表現良好，而BLE與SmartMesh兩者均在在動態工業環境中表現卓越。

表三：工業應用中的無線網絡及BLE/SmartMesh效能面臨的關鍵挑戰

SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圓廠通過檢測。此廠區的嚴苛射頻環境中布滿金屬物與混凝土，其中有32個無線傳感器節點以網狀網絡的形態分布，最遠的傳感器節點到網關之間隔著4次轉傳（hops）。每個傳感器節點每隔30秒就傳送4個數據封包。在83天的期間，各傳感器共傳送26,137,382個封包，共接收26,137,381個封包，達到99.999996%的可靠度。


運行于邊緣的人工智能
新一代的無線傳感器包含MAX78000 此種內嵌AI硬件加速器的微控制器，此類AI硬件加速器不僅能大幅減少數據移動，還能夠運用平行處理機制來優化能源消耗以及數據吞吐量。
現今市面上的無線工業傳感器通常以極低的工作周期運行，用戶在設定傳感器的休眠時間長度后，傳感器就會按時被喚醒并量測溫度與振動，并將數據透過無線網絡傳回用戶的數據聚合設備。市售傳感器通常標示其擁有5年電池壽命，指的是每24小時擷取1筆數據，或是每4小時擷取1筆數據下所能維持的續航力。
下一代的傳感器能夠在類似模式下工作，同時利用邊緣AI異常偵測機制來限制使用無線電網絡的次數。當傳感器被喚醒并開始量測數據之后，只有在偵測到異常的振動時，才會將數據傳回給用戶。透過這種方式，電池續航力可提升至少20%。
AI模型用來訓練傳感器收到的機器健康數據，這些數據會透過無線網絡傳輸給用戶，以便進行AI模型的開發。運用MAX78000工具將AI模型合成為C語言程序代碼，之后再傳回給無線傳感器，并將模型加載內存。當程序代碼部署完成后，在預先定義間隔的時間點或是出現高G力振動事件時，無線傳感器就會被喚醒。
MAX78000會根據經過高速傅立葉變換的數據進行推論。如果沒有偵測到異常，傳感器就會回到休眠狀態。若是偵測到異常，使用者就會收到通知。此時用戶即可要求FFT算法或原始時域數據以便測量出異常，并依此進行故障分類。


總結
本文闡述BLE、SmartMesh（6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e網絡進行傳輸）、以及Thread/ZigBee（IEEE 802.15.4）等無線標準，以及其在嚴苛工業射頻環境的適用性。
SmartMesh擁有優于BLE與Thread/ZigBee的可靠性與低功耗運作能力。在要求500 bytes至1000 bytes數據傳輸能力的網絡中，相較于ZigBee與Thread，BLE能以更低的功耗可靠地運作。內嵌AI硬件加速器的微控制器開創一條邁向更佳決策的坦途，并為無線傳感器節點挹注更長的電池續航力。
（本文作者Richard Anslow為ADI系統工程資深經理）