智能無線工業傳感器設計指南
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本文概述了幾種無線標準，并評估了低功耗藍牙? (BLE)、SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）和Thread/Zigbee（基于IEEE 802.15.4的6LoWPAN）在惡劣工業射頻環境中的適用性，文中提供了幾個比較指標，包括功耗、可靠性、安全性和總擁有成本。SmartMesh時間同步消耗的功耗較低，并且SmartMesh和BLE信道跳頻功能帶來更高的可靠性。SmartMesh案例研究得出的結論是可靠性達到99.999996%。本文介紹了ADI公司的BLE和SmartMesh無線狀態監控傳感器，其中包括一款搭載邊緣人工智能(AI)的新型無線傳感器，它能延長受限邊緣傳感器節點的電池壽命。
簡介
2022年至2024年間，電機驅動系統智能傳感器市場的銷售額預計將增長一倍以上（達到9.06億美元）1。在智能傳感器領域，無線和便攜式設備預計將成為主要的增長動力。使用無線環境傳感器（溫度、振動）監控工業機器有一個明確的目標：檢測受監控設備是否偏離健康運行狀態。
對于工業無線傳感器應用，低功耗、可靠性和安全性始終是最重要的要求。其他要求包括低總擁有成本（盡可能少的網關和維護工作）、短距離通信，以及支持在包含大量金屬障礙物的工廠環境中形成網格網絡的協議（網格網絡有助于減輕可能的信號路徑屏蔽和反射）。
工業應用和無線標準要求
圖1概要展示了幾種無線標準，表1根據關鍵工業要求對選定的無線標準進行了對比評估。顯然，BLE和SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）在低功耗、可靠性和安全性方面為工業應用提供了出色綜合性能。Thread和Zigbee功耗低、實現了安全網格，但可靠性相對較低。
圖1.無線標準概覽
表1.無線標準與工業應用需求的匹配
標準 | 范圍 | 功耗 | 可靠性 | 穩健性 | 總擁有成本 | 支持網格 | 安全性 |
Wifi (802.111 b、g) | 100 m | 高 | 低 | 低 | 高 | 是 | 是，WPA |
BLE | 20 m至100 m | 低/中 | 中/高 | 低 | 中 | 是 | 是，AES |
Zigbee、Thread | 20 m至200 m | 低/中 | 低 | 低 | 中 | 是 | 是，AES |
SmartMesh （基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN） | 20 m至200 m | 低 | 高 | 高 | 低 | 是 | 是，AES |
LoRaWAN | 500 m至300 m | 中低功耗節點，高功耗網關 | 低 | 低 | 高 | 否--星型拓撲 | 是，AES |
表2提供了有關Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE網格標準的更多細節。SmartMesh包含時間同步信道跳頻(TSCH)協議，根據該協議，網絡中的所有節點都同步，通信由預定的時間表進行協調。時間同步消耗的功耗低，并且信道跳頻可靠性高。BLE標準也包含信道跳頻，但與SmartMesh相比有一些限制，例如線路供電路由節點（會增加系統成本和功耗），而且不支持TSCH。如前所述，Zigbee/Thread的可靠性相對較低，與BLE相比沒有太多優勢。
表2.工業應用的關鍵無線標準和性能
特性 | Zigbee、Thread（基于IEEE 802.15.4的6LoWPAN） | SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN） | BLE網格 |
射頻 | 2.4 GHz | 2.4 GHz | 2.4 GHz |
數據速率 | 250 kbps | 250 kbps | 1 Mbps、2 Mbps |
范圍 | 20 m至200 m | 20 m至200 m | 20 m至150 m |
應用吞吐速率 | < 0.1 Mbps | < 0.1 Mbps | < 0.2 Mbps |
網絡拓撲結構 | 網格、星型 | 網格、星型 | 網格、星型 |
安全性 | AES加密 | AES加密 | AES加密 |
功耗 | 線路供電路由節點 | 路由節點平均僅需50 μA | 線路供電路由節點 |
總擁有成本 | $$ 至 $ | $ | $$ 至 $ |
時間同步信道跳頻 | x | ü | x |
穩健性（信道分配） | x單通道通信 | ü | x |
可靠性（信道跳頻） | x單通道通信 | ü | ü |
標準（互操作性） | 是 | 專有 | 是 |
本文將重點介紹SmartMesh和BLE網格，這是針對工業狀態監控傳感器的最適合的無線標準。
ADI無線狀態監控傳感器
表3概述了ADI公司的Voyager 3無線振動監測平臺和下一代無線狀態監控傳感器。Voyager 3采用SmartMesh模塊(LTP5901-IPC)。支持AI的振動傳感器（仍在開發中）采用BLE微控制器(MAX32666)。兩種傳感器均包含溫度和電池健康狀態(SOH)傳感器。Voyager 3和AI版本傳感器使用ADI MEMS加速度計（ADXL356、ADXL359）來測量工業設備的振動幅度和頻率。通過FFT頻譜可以識別出振動幅度和頻率的增加，這可能是電機不平衡、未對準和軸承損壞等故障的征兆。
表3.ADI無線工業傳感器原型
參數 | Voyager 3 | 下一代傳感器 |
無線標準 | SmartMesh | BLE |
超低功耗邊緣AI | 否 | 是 |
溫度傳感器 | 是 | 是 |
MEMS加速度計 | 是（三軸1 kHz） | 是（三軸8 kHz） |
電池SOH監測 | 是 | 是 |
圖2概述了Voyager 3和支持AI的振動傳感器典型操作。與許多工業傳感器一樣，占空比為1%；大多數時候，傳感器處于低功耗模式。傳感器定期喚醒以批量收集數據（或在發生高振動幅度沖擊事件時喚醒），或者向用戶發送狀態更新。通常通過一個標志通知用戶，受監控的機器運行狀況良好，并且用戶有機會收集更多數據。
低功耗
表3中顯示的傳感器以1%的占空比運行，其中Voyager 3的最大有效載荷為90字節，AI版本的最大有效載荷為510字節。圖4（改編自Shahzad和Oelmann3）顯示，對于500字節到1000字節的有效載荷，BLE消耗的能量少于Zigbee和Wi-Fi。因此，BLE非常適合AI使用場景。SmartMesh的功耗非常低，在90字節或有效載荷更少的情況下（如Voyager 3傳感器中使用的）尤為如此。網站上提供的SmartMesh功耗和性能估算工具可用于估算SmartMesh能耗。經實驗驗證，SmartMesh功耗估算工具的精度為87%至99%，具體取決于傳感器是路由節點還是葉節點。
圖2.工業無線傳感器的典型操作
安全性
SmartMesh IP網絡采用多重安全層級，這些層級可以歸納為機密性、完整性和真實性。圖3總結了SmartMesh安全性。即使網絡中存在多個網格節點，AES-128位端到端加密也能確保機密性。傳輸的數據受消息認證碼（消息完整性檢查或MIC）的保護，以確保數據沒有被篡改。這可以防止中間人(MITM)攻擊，如圖3所示。SmartMesh支持多級設備身份驗證，能夠防止未經授權的傳感器添加到系統中。
圖3.BLE和SmartMesh網絡的安全實現方案
采用BLE標準4.0和4.1版本的設備存在安全漏洞，但4.2及更高版本的安全性有所增強（如圖3所示）。ADI公司的MAX32666符合BLE標準5.0。此版本引入了P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換用于配對。在該協議中，兩個設備的公鑰用于創建兩個設備之間的共享密鑰，即長期密鑰(LTK)。該共享密鑰用于身份驗證和生成密鑰，以將所有通信加密，防止MITM攻擊。
圖4.數據傳輸（無線電收發器PHY）和能耗（改編自Shahzad和Oelmann）3
除了無線電發射功耗之外，還必須考慮系統總功耗預算和總擁有成本。如表2所示，BLE和Zigbee都使用單個網關運行。然而，兩者還需要線路電源來為路由節點供電。這會增加功耗預算和系統總擁有成本。相比之下，SmartMesh路由節點平均僅需要50 μA的電流，并且整個網絡可以使用單個網關運行。SmartMesh顯然是一種更節能的實現方案。
可靠性和穩健性
前面提到過，SmartMesh采用TSCH，它有以下特點：
? 網絡中的所有節點都同步。
? 通信根據通信時間表進行。
? 時間同步帶來低功耗。
? 信道跳頻帶來高可靠性。
? 通信的計劃性帶來高度確定性。
全網絡同步精度小于15μs。如此高水平的同步可大大降低功耗。平均電流消耗為50 μA，99%以上的時間電流消耗為1.4 μA。
表4列出了一些關鍵應用挑戰，并說明了SmartMesh和BLE網格如何應對這些挑戰。
表4.工業應用中無線網絡面臨的關鍵挑戰以及BLE/SmartMesh性能
挑戰 | 問題 | SmartMesh | 藍牙網格 |
在密集型網絡中穩健通信 | 節點相互干擾，拖慢網絡速度 | 高效信道分配消除沖突 | 依賴拖慢網絡速度的沖突 |
延長安裝在屏蔽位置的傳感器電池壽命 | 需要能效比較高的邊緣節點連接，以滿足電池壽命規格 | 電池供電的路由節點與邊緣節點建立近距離連接 | 線路供電的路由節點與邊緣節點建立近距離連接
|
動態工業環境中保持可靠連接 | 移動設備或開/關門會引起多徑反射
| 采用信道跳頻來避免接收零陷(null) | 采用信道跳頻來避免接收零陷(null) |
在擁擠的無線電波段實現可靠通信 | 干擾源限制網絡上的數據流量帶寬 | 信道跳頻可避免干擾源，高效的帶寬分配可維持流量 | 專為小型網絡設計，容易遭受網絡洪泛攻擊 |
SmartMesh在擁有大量節點的密集網絡中表現更佳。BLE和SmartMesh在動態工業環境中均表現良好。
ADI公司的晶圓廠針對SmartMesh的可靠性進行了測試5，該工廠的射頻環境較為惡劣，滿是金屬和混凝土。三十二個無線傳感器節點分布在一個Mesh網絡中，最遠的傳感器節點到網關有四跳。每個傳感器節點每30秒發送四個數據包。在83天的時間段里，傳感器發送了26,137,382個數據包，接收了26,137,381個數據包，可靠性為99.999996%。
邊緣人工智能
下一代無線傳感器包括搭載AI硬件加速器的MAX78000微控制器。該AI硬件加速器大幅減少了數據移動，并利用并行性優化了能源使用和吞吐速率。
目前市售無線工業傳感器通常以非常低的占空比運行。用戶設置傳感器休眠時長，此后傳感器喚醒并測量溫度和振動，然后通過無線電將數據傳回用戶的數據聚合器。市售傳感器通常聲稱電池壽命為5年，此壽命基于每24小時捕獲一次數據，或每4小時捕獲一次數據。下一代傳感器將以類似方式運行，但利用邊緣AI異常檢測來限制無線電的使用。當傳感器喚醒并測量數據時，只有檢測到振動異常時才會將數據傳回用戶。這樣，電池壽命可以延長至少20%。
對于AI模型訓練，傳感器收集機器的健康數據，然后通過無線方式發送給用戶進行AI模型開發。使用MAX78000工具將AI模型合成為C代碼，然后傳回無線傳感器并置于內存中。部署代碼后，無線傳感器按照預定義的時間間隔或在發生高-g沖擊事件時喚醒。收集數據后生成FFT。通過FFT，MAX78000基于該數據做出推斷。如果沒有檢測到異常，則傳感器返回休眠狀態。如果檢測到異常，則會通知用戶。然后，用戶可以請求所測得異常的FFT或原始時域數據，這些數據可用于故障分類。
結論
本文概述了幾種無線標準，并評估了BLE、SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）和Thread/Zigbee (IEEE 802.15.4)在惡劣工業射頻環境中的適用性。與BLE和Thread/Zigbee相比，SmartMesh具有優異的可靠性和低功耗運行特性。對于需要500字節到1000字節數據傳輸的網絡，BLE相較于Zigbee和Thread可以更可靠地運行，并且功耗更低。搭載嵌入式AI硬件加速器的微控制器可以提升無線傳感器節點的決策能力，并延長其電池壽命。
參考文獻
1“電機驅動系統的預測性維護–2020年”，Interact Analysis市場研究，2020年4月。
2 Kris Pister和Jonathan Simon，“保護無線傳感器網絡免受攻擊”，Electronic Design（電子設計），2014年4月。
3 Khurram Shahzad和Bengt Oelmann，“數據密集型監控應用的傳感器內處理與使用ZigBee、BLE和Wi-Fi傳輸原始數據的比較研究”，第11屆國際無線通信系統研討會(ISWCS)，2014年8月。
4 Thomas Watteyne、Joy Weiss、Lance Doherty和Jonathan Simon，“工業IEEE802.15.4e網絡：性能與權衡”，2015年IEEE國際通信會議(ICC)，2015年6月。
5 Ross Yu，“驗證面向工業物聯網應用的SmartMesh IP提供超過99.999%的數據可靠性”，ADI公司，2016年1月。
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