摘要

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(yè)射頻環(huán)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(tài)監(jiān)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(jié)點的電池壽命。

簡介

2022年至2024年間，電機驅動系統(tǒng)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(huán)境傳感器（溫度、振動）監(jiān)控工業(yè)機器有一個明確的目標：檢測受監(jiān)控設備是否偏離健康運行狀態(tài)。

對于工業(yè)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(wǎng)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(huán)境中形成網(wǎng)格網(wǎng)絡的協(xié)議（網(wǎng)格網(wǎng)絡有助于減輕可能的信號路徑屏蔽和反射）。

工業(yè)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(jù)關鍵工業(yè)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(yè)應用提供了出色綜合性能。Thread和Zigbee功耗低、實現(xiàn)了安全網(wǎng)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(yè)應用需求的匹配

表2提供了有關Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE網(wǎng)格標準的更多細節(jié)。SmartMesh包含時間同步信道跳頻(TSCH)協(xié)議，根據(jù)該協(xié)議，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都同步，通信由預定的時間表進行協(xié)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(jié)點（會增加系統(tǒng)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(yōu)勢。

本文將重點介紹SmartMesh和BLE網(wǎng)格，這是針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控傳感器的最適合的無線標準。

ADI無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器

表3概述了ADI公司的Voyager 3無線振動監(jiān)測平臺和下一代無線狀態(tài)監(jiān)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(fā)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(tài)(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(yè)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。

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(yè)傳感器一樣，占空比為1%；大多數(shù)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(shù)據(jù)（或在發(fā)生高振動幅度沖擊事件時喚醒），或者向用戶發(fā)送狀態(tài)更新。通常通過一個標志通知用戶，受監(jiān)控的機器運行狀況良好，并且用戶有機會收集更多數(shù)據(jù)。

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(jié)，AI版本的最大有效載荷為510字節(jié)。圖4（改編自Shahzad和Oelmann3）顯示，對于500字節(jié)到1000字節(jié)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(jié)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(wǎng)站上提供的SmartMesh功耗和性能估算工具可用于估算SmartMesh能耗。經(jīng)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(jié)點還是葉節(jié)點。

圖2.工業(yè)無線傳感器的典型操作

安全性

SmartMesh IP網(wǎng)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(wǎng)絡中存在多個網(wǎng)格節(jié)點，AES-128位端到端加密也能確保機密性。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受消息認證碼（消息完整性檢查或MIC）的保護，以確保數(shù)據(jù)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(jīng)授權的傳感器添加到系統(tǒng)中。

圖3.BLE和SmartMesh網(wǎng)絡的安全實現(xiàn)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(xié)議中，兩個設備的公鑰用于創(chuàng)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(shù)據(jù)傳輸（無線電收發(fā)器PHY）和能耗（改編自Shahzad和Oelmann）3

除了無線電發(fā)射功耗之外，還必須考慮系統(tǒng)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(wǎng)關運行。然而，兩者還需要線路電源來為路由節(jié)點供電。這會增加功耗預算和系統(tǒng)總擁有成本。相比之下，SmartMesh路由節(jié)點平均僅需要50 μA的電流，并且整個網(wǎng)絡可以使用單個網(wǎng)關運行。SmartMesh顯然是一種更節(jié)能的實現(xiàn)方案。

可靠性和穩(wěn)健性

前面提到過，SmartMesh采用TSCH，它有以下特點：

?網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都同步。

?通信根據(jù)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(wǎng)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(zhàn)，并說明了SmartMesh和BLE網(wǎng)格如何應對這些挑戰(zhàn)。

SmartMesh在擁有大量節(jié)點的密集網(wǎng)絡中表現(xiàn)更佳。BLE和SmartMesh在動態(tài)工業(yè)環(huán)境中均表現(xiàn)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(huán)境較為惡劣，滿是金屬和混凝土。三十二個無線傳感器節(jié)點分布在一個Mesh網(wǎng)絡中，最遠的傳感器節(jié)點到網(wǎng)關有四跳。每個傳感器節(jié)點每30秒發(fā)送四個數(shù)據(jù)包。在83天的時間段里，傳感器發(fā)送了26,137,382個數(shù)據(jù)包，接收了26,137,381個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)移動，并利用并行性優(yōu)化了能源使用和吞吐速率。

目前市售無線工業(yè)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(shù)據(jù)傳回用戶的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，或每4小時捕獲一次數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)時，只有檢測到振動異常時才會將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，然后通過無線方式發(fā)送給用戶進行AI模型開發(fā)。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(fā)生高-g沖擊事件時喚醒。收集數(shù)據(jù)后生成FFT。通過FFT，MAX78000基于該數(shù)據(jù)做出推斷。如果沒有檢測到異常，則傳感器返回休眠狀態(tài)。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(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)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(yè)射頻環(huán)境中的適用性。與BLE和Thread/Zigbee相比，SmartMesh具有優(yōu)異的可靠性和低功耗運行特性。對于需要500字節(jié)到1000字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)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(jié)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(tǒng)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(wǎng)絡免受攻擊”，Electronic Design（電子設計），2014年4月。

3 Khurram Shahzad和Bengt Oelmann，“數(shù)據(jù)密集型監(jiān)控應用的傳感器內處理與使用ZigBee、BLE和Wi-Fi傳輸原始數(shù)據(jù)的比較研究”，第11屆國際無線通信系統(tǒng)研討會(ISWCS)，2014年8月。

4 Thomas Watteyne、Joy Weiss、Lance Doherty和Jonathan Simon，“工業(yè)IEEE802.15.4e網(wǎng)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的SmartMesh IP提供超過99.999%的數(shù)據(jù)可靠性”，ADI公司，2016年1月。