工業(yè)物聯(lián)網 (IoT) 需要具有嚴格可靠性和安全性的工業(yè)無線傳感器網絡 (WSN)。¹ 由于此類網絡必須在無人干預的情況下可靠地工作 10 年以上，因此工業(yè) WSN 必須應對隨著時間的推移而劇烈變化的環(huán)境條件。此外，它們還必須具有可擴展性和靈活性，以便網絡能夠在相當長的一段時間里支持不斷增長的業(yè)務需求和數(shù)據流量。

由凌力爾特提供的 SmartMesh^® 無線網格網絡產品專門針對工業(yè) IoT 應用進行設計和嚴格的測試，可在某些極為嚴酷的環(huán)境中提供 >99.999% 的數(shù)據可靠性。在每款新型 SmartMesh 軟件產品發(fā)布之前，凌力爾特會累計超過 100 萬節(jié)點-小時和可靠性最小達 “五個 9” (>99.999% 的數(shù)據可靠性) 的網絡運作，然后才會宣布其具備了生產質量。

本文著重闡述凌力爾特用于通過無線電硬件認證、自動化網絡測試方法和系統(tǒng)化網絡測試來驗證數(shù)據可靠性的方法。另外，還對來自一個使用中的生產網絡之性能統(tǒng)計數(shù)據進行了考察。

無線電硬件認證測試

WSN 的性能與主要的無線電硬件及在該芯片上運行的協(xié)議相關聯(lián)。SmartMesh 無線電芯片 (例如：凌力爾特的 LTC5800) 經歷了嚴苛的測試以確認其操作參數(shù)。這些測試的結果通過多個生產批次進行確定，然后再公布產品手冊 (其包括針對硬件的所有相關規(guī)格指標)。與凌力爾特專注于工業(yè)市場的策略相一致，硬件的設計認證包括運行網絡測試，被稱為高加速壽命試驗 (HALT)，其在使一個通電網絡運行的同時讓硬件遭受極端條件，包括冷熱階躍應力、燙熱階躍應力、電壓裕度調節(jié)、快速熱躍遷、振動階躍應力、熱和振動的組合應力、以及擴展溫度測試。³ 見圖 1。

圖 1： 在一個高低溫試驗箱中工作的 SmartMesh 節(jié)點

自動化網絡測試方法

為確保服務期間的可靠性，測試必須全面地涵蓋網絡在跨越多年的運作中將會遇到的各種情況。凌力爾特大量地利用了測試自動化以簡化數(shù)百項網絡測試，每項測試驗證一組獨特的測試條件。為做到這一點，可以很容易地把一個由包含幾百個無線節(jié)點的節(jié)點組構成的網絡試驗臺 (見圖 2) 配置成任何數(shù)目的測試網絡 (可大可小)。一個集中式測試服務器能夠快速地起動整個共存網絡、運行多項系統(tǒng)測試、并通過利用每個無線節(jié)點的應用程序接口 (API) 進行編程以重新起動用于下一組測試的節(jié)點。利用自動化使全回歸測試變得實用，可確?，F(xiàn)有的功能和運行方式在后續(xù)的軟件版本中得以保留。

圖 2：測試自動化 ― 通過用一個自動化測試夾具給幾百個無線節(jié)點裝備儀表，一項包含幾百項測試之測試計劃的執(zhí)行可在幾天 (而不是數(shù)月) 的時間里完成。

該試驗臺具有一種密集的 RF 噪聲環(huán)境，因為每個被測網絡都“沉浸”在一個由同時運作的其他網絡所產生之無線流量的“大海”之中。這種網絡流量，再加上鄰近的 Wi-Fi 路由器、藍牙和蜂窩無線電設備，產生了一個代表著極具挑戰(zhàn)性之 RF 環(huán)境的升高 RF 噪聲層。

系統(tǒng)化網絡測試

采用該網絡試驗臺在幾百種網絡拓撲上驗證可靠性。例如，建立了下面的網絡 (表 1) 以用基準測試一個典型的 100 節(jié)點網絡、四跳頻網絡。每個節(jié)點每分鐘產生兩個數(shù)據包，而且網絡最少連續(xù)運行 500 小時 (在 21 天里)。此環(huán)境模擬的是一種典型的商業(yè)或輕工業(yè)場景，這里存在著電子設備和金屬結構以及穿梭在整幢樓宇之中的人流。盡管是有損耗的 RF 環(huán)境，但是網絡通過包重試以及路徑和通道分集在發(fā)送超過 4,300 萬個數(shù)據包的過程中實現(xiàn)了優(yōu)于 99.999% 的數(shù)據可靠性。

通過清點在每個節(jié)點的 API 端口注入和在網關節(jié)點 API 成功接收的數(shù)據包，網絡試驗臺獨立地驗證 SmartMesh 網絡軟件的內置可靠性度量指標。這些內置統(tǒng)計數(shù)據可通過一個位于網關節(jié)點的軟件 API 接口提供給用戶，并使開發(fā)人員和用戶能夠在初始評估過程中以及網絡使用期限內在其自己的應用中評定 SmartMesh 的可靠性。

為了獲得 >99.999% 的數(shù)據可靠性，凌力爾特的工程師們在系統(tǒng)測試期間對每個數(shù)據包傳輸錯誤進行故障排解，而不管出錯概率如何之低。為在此類錯誤確實出現(xiàn)之時進行監(jiān)視和捕獲，每個節(jié)點的 API 端口、CLI 端口和 SPI 閃存編程端口在網絡試驗臺中是連接的，從而使得凌力爾特的工程師能在一條消息通過網格網絡傳播時監(jiān)察每個節(jié)點并調試低級軟件。

表 1：網絡試驗臺結果示例 (對于一個 100 節(jié)點網絡)

此外，還給網絡試驗臺裝備了儀表以收集詳細的性能度量指標，包括節(jié)點的平均電流消耗、數(shù)據吞吐量和網絡延遲 (一條消息穿越網格網絡所需的時間)。網絡試驗臺從每個無線節(jié)點把傳感器數(shù)據注入網絡，以測量延遲及對網關節(jié)點處理流量的能力進行特性分析。利用任選的網絡配置 (例如一種低延遲模式) 或更多的雙向網絡流量來重復這些測試。

最后，該網絡試驗臺簡化了應力測試，以平穩(wěn)地驗證網絡處理問題情況的能力。這些測試在被測網絡內部的不同節(jié)點上系統(tǒng)地引入攪動，例如：停用節(jié)點以驗證剩余的相鄰節(jié)點從未丟失一個數(shù)據包。其他的應力測試則引起廣泛的節(jié)點故障，以使網關節(jié)點在網絡的大部分受損時使流量轉向并修復網絡的能力經受考驗。此類應用測試用于驗證工業(yè) WSN 處置這種意外事件的能力，因為它們常被委以監(jiān)視和控制業(yè)務關鍵型系統(tǒng)的責任。

凌力爾特晶圓制造廠里的一個生產網絡

在凌力爾特位于硅谷的晶圓制造廠里已經部署了 SmartMesh IP™，以監(jiān)視在晶圓制造的不同蝕刻和清洗階段中所使用的幾百只特種氣體鋼瓶的壓力。以前，每只鋼瓶的壓力一天進行三次人工檢查，每天的總手工作業(yè)時間為 4 個小時。部署一個 SmartMesh IP 網絡以實現(xiàn)測量的自動化，并把讀數(shù)直接發(fā)送至工廠的控制中心軟件。在氣體燃料箱中部署了 32 個無線節(jié)點，以測量每個鋼瓶的罐體壓力和已調壓力。每個無線節(jié)點連接至一對鋼瓶，用于每 30 秒從每個節(jié)點發(fā)送的總共 4 個數(shù)據包。

晶圓制造廠中的 RF 情況是一種有代表性的工業(yè)環(huán)境，無線節(jié)點被金屬和混凝土所包圍，而且工作機組和設備在該區(qū)域中整天不停地移動。該網絡已連續(xù)處于工作狀態(tài)超過 83 天，發(fā)送了 2600 多萬個數(shù)據包，而且實現(xiàn)了高于“七個 9”(99.99999%) 的可靠性。

表 2：網絡統(tǒng)計數(shù)據 ― 部署在凌力爾特晶圓制造廠中的 SmartMesh IP 網絡

圖 3：凌力爾特晶圓制造廠里的有毒氣體柜處于嚴密監(jiān)視之下，以確保正常運行時間

圖 4：密集的金屬和混凝土 ― 無線節(jié)點即使在位于金屬設備和配氣管之間時也必須可靠地運行

結論

用于工業(yè)物聯(lián)網應用的無線傳感器網絡必須在很長的使用期限內達到極高的可靠性門檻。為保證網絡能滿足這些嚴格的要求，系統(tǒng)硬件和軟件從一開始就必須專門針對工業(yè)性能而設計，并以嚴苛的標準在組件、接口和網絡級上進行測試，而且服務中的網絡必須在壓力之下運作，以確認能夠滿足可接受的壽命可靠性指標。凌力爾特的 SmartMesh 網絡在嚴格的端到端測試和實際應用中提供了 >99.999% 的數(shù)據可靠性。在全世界要求苛刻的應用中已經部署了超過 50,000個 SmartMesh 網絡，例如：數(shù)據中心、工廠、電力公用事業(yè)、警戒線安全、室外環(huán)境監(jiān)察、農業(yè)應用、采礦和隧道、以及工業(yè)過程。⁴

腳注：

1. 面向工業(yè)物聯(lián)網的無線傳感器網絡。J. Weiss 和 R. Yu。

www.linear.com.cn/docs/47177

2.“Getting Security Right in Industrial Wireless Sensor Networks”，K. Pister 和 J. Simon.

www.linear.com/docs/44216

3. 根據要求，可向凌力爾特的客戶提供硬件驗證報告。

4. 通過 www.linear.com.cn/dust_applications 了解有關 SmartMesh 應用的更多信息。