驗證 SmartMesh IP 對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的數據可靠性 >99.999%

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 需要具有嚴格可靠性和安全性的工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN)。¹ 由于此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )必須在無(wú)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(zhù)時(shí)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(wǎng)絡(luò )能夠在相當長(cháng)的一段時(shí)間里支持不斷增長(cháng)的業(yè)務(wù)需求和數據流量。

由凌力爾特提供的 SmartMesh^® 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)針對工業(yè) IoT 應用進(jìn)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% 的數據可靠性。在每款新型 SmartMesh 軟件產(chǎn)品發(fā)布之前，凌力爾特會(huì )累計超過(guò) 100 萬(wàn)節點(diǎn)-小時(shí)和可靠性最小達 “五個(gè) 9” (>99.999% 的數據可靠性) 的網(wǎng)絡(luò )運作，然后才會(huì )宣布其具備了生產(chǎn)質(zhì)量。

本文著(zhù)重闡述凌力爾特用于通過(guò)無(wú)線(xiàn)電硬件認證、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )測試方法和系統化網(wǎng)絡(luò )測試來(lái)驗證數據可靠性的方法。另外，還對來(lái)自一個(gè)使用中的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )之性能統計數據進(jìn)行了考察。

無(wú)線(xiàn)電硬件認證測試

WSN 的性能與主要的無(wú)線(xiàn)電硬件及在該芯片上運行的協(xié)議相關(guān)聯(lián)。SmartMesh 無(wú)線(xiàn)電芯片 (例如：凌力爾特的 LTC5800) 經(jīng)歷了嚴苛的測試以確認其操作參數。這些測試的結果通過(guò)多個(gè)生產(chǎn)批次進(jìn)行確定，然后再公布產(chǎn)品手冊 (其包括針對硬件的所有相關(guān)規格指標)。與凌力爾特專(zhuān)注于工業(yè)市場(chǎng)的策略相一致，硬件的設計認證包括運行網(wǎng)絡(luò )測試，被稱(chēng)為高加速壽命試驗 (HALT)，其在使一個(gè)通電網(wǎng)絡(luò )運行的同時(shí)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、快速熱躍遷、振動(dòng)階躍應力、熱和振動(dòng)的組合應力、以及擴展溫度測試。³ 見(jiàn)圖 1。

圖 1： 在一個(gè)高低溫試驗箱中工作的 SmartMesh 節點(diǎn)

自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )測試方法

為確保服務(wù)期間的可靠性，測試必須全面地涵蓋網(wǎng)絡(luò )在跨越多年的運作中將會(huì )遇到的各種情況。凌力爾特大量地利用了測試自動(dòng)化以簡(jiǎn)化數百項網(wǎng)絡(luò )測試，每項測試驗證一組獨特的測試條件。為做到這一點(diǎn)，可以很容易地把一個(gè)由包含幾百個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的節點(diǎn)組構成的網(wǎng)絡(luò )試驗臺 (見(jiàn)圖 2) 配置成任何數目的測試網(wǎng)絡(luò ) (可大可小)。一個(gè)集中式測試服務(wù)器能夠快速地起動(dòng)整個(gè)共存網(wǎng)絡(luò )、運行多項系統測試、并通過(guò)利用每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的應用程序接口 (API) 進(jìn)行編程以重新起動(dòng)用于下一組測試的節點(diǎn)。利用自動(dòng)化使全回歸測試變得實(shí)用，可確?，F有的功能和運行方式在后續的軟件版本中得以保留。

圖 2：測試自動(dòng)化 D 通過(guò)用一個(gè)自動(dòng)化測試夾具給幾百個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)裝備儀表，一項包含幾百項測試之測試計劃的執行可在幾天 (而不是數月) 的時(shí)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(gè)被測網(wǎng)絡(luò )都“沉浸”在一個(gè)由同時(shí)運作的其他網(wǎng)絡(luò )所產(chǎn)生之無(wú)線(xiàn)流量的“大海”之中。這種網(wǎng)絡(luò )流量，再加上鄰近的 Wi-Fi 路由器、藍牙和蜂窩無(wú)線(xiàn)電設備，產(chǎn)生了一個(gè)代表著(zhù)極具挑戰性之 RF 環(huán)境的升高 RF 噪聲層。

系統化網(wǎng)絡(luò )測試

采用該網(wǎng)絡(luò )試驗臺在幾百種網(wǎng)絡(luò )拓撲上驗證可靠性。例如，建立了下面的網(wǎng)絡(luò ) (表 1) 以用基準測試一個(gè)典型的 100 節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )、四跳頻網(wǎng)絡(luò )。每個(gè)節點(diǎn)每分鐘產(chǎn)生兩個(gè)數據包，而且網(wǎng)絡(luò )最少連續運行 500 小時(shí) (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(chǎng)景，這里存在著(zhù)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(wǎng)絡(luò )通過(guò)包重試以及路徑和通道分集在發(fā)送超過(guò) 4,300 萬(wàn)個(gè)數據包的過(guò)程中實(shí)現了優(yōu)于 99.999% 的數據可靠性。

通過(guò)清點(diǎn)在每個(gè)節點(diǎn)的 API 端口注入和在網(wǎng)關(guān)節點(diǎn) API 成功接收的數據包，網(wǎng)絡(luò )試驗臺獨立地驗證 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )軟件的內置可靠性度量指標。這些內置統計數據可通過(guò)一個(gè)位于網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的軟件 API 接口提供給用戶(hù)，并使開(kāi)發(fā)人員和用戶(hù)能夠在初始評估過(guò)程中以及網(wǎng)絡(luò )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% 的數據可靠性，凌力爾特的工程師們在系統測試期間對每個(gè)數據包傳輸錯誤進(jìn)行故障排解，而不管出錯概率如何之低。為在此類(lèi)錯誤確實(shí)出現之時(shí)進(jìn)行監視和捕獲，每個(gè)節點(diǎn)的 API 端口、CLI 端口和 SPI 閃存編程端口在網(wǎng)絡(luò )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(guò)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )傳播時(shí)監察每個(gè)節點(diǎn)并調試低級軟件。

表 1：網(wǎng)絡(luò )試驗臺結果示例 (對于一個(gè) 100 節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò ))

此外，還給網(wǎng)絡(luò )試驗臺裝備了儀表以收集詳細的性能度量指標，包括節點(diǎn)的平均電流消耗、數據吞吐量和網(wǎng)絡(luò )延遲 (一條消息穿越網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )所需的時(shí)間)。網(wǎng)絡(luò )試驗臺從每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)把傳感器數據注入網(wǎng)絡(luò )，以測量延遲及對網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)處理流量的能力進(jìn)行特性分析。利用任選的網(wǎng)絡(luò )配置 (例如一種低延遲模式) 或更多的雙向網(wǎng)絡(luò )流量來(lái)重復這些測試。

最后，該網(wǎng)絡(luò )試驗臺簡(jiǎn)化了應力測試，以平穩地驗證網(wǎng)絡(luò )處理問(wèn)題情況的能力。這些測試在被測網(wǎng)絡(luò )內部的不同節點(diǎn)上系統地引入攪動(dòng)，例如：停用節點(diǎn)以驗證剩余的相鄰節點(diǎn)從未丟失一個(gè)數據包。其他的應力測試則引起廣泛的節點(diǎn)故障，以使網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )的大部分受損時(shí)使流量轉向并修復網(wǎng)絡(luò )的能力經(jīng)受考驗。此類(lèi)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視和控制業(yè)務(wù)關(guān)鍵型系統的責任。

凌力爾特晶圓制造廠(chǎng)里的一個(gè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )

在凌力爾特位于硅谷的晶圓制造廠(chǎng)里已經(jīng)部署了 SmartMesh IP™，以監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(jìn)行三次人工檢查，每天的總手工作業(yè)時(shí)間為 4 個(gè)小時(shí)。部署一個(gè) SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現測量的自動(dòng)化，并把讀數直接發(fā)送至工廠(chǎng)的控制中心軟件。在氣體燃料箱中部署了 32 個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，以測量每個(gè)鋼瓶的罐體壓力和已調壓力。每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)連接至一對鋼瓶，用于每 30 秒從每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送的總共 4 個(gè)數據包。

晶圓制造廠(chǎng)中的 RF 情況是一種有代表性的工業(yè)環(huán)境，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)被金屬和混凝土所包圍，而且工作機組和設備在該區域中整天不停地移動(dòng)。該網(wǎng)絡(luò )已連續處于工作狀態(tài)超過(guò) 83 天，發(fā)送了 2600 多萬(wàn)個(gè)數據包，而且實(shí)現了高于“七個(gè) 9”(99.99999%) 的可靠性。

表 2：網(wǎng)絡(luò )統計數據 D 部署在凌力爾特晶圓制造廠(chǎng)中的 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò )

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

圖 4：密集的金屬和混凝土 D 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)即使在位于金屬設備和配氣管之間時(shí)也必須可靠地運行

結論

用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須在很長(cháng)的使用期限內達到極高的可靠性門(mén)檻。為保證網(wǎng)絡(luò )能滿(mǎn)足這些嚴格的要求，系統硬件和軟件從一開(kāi)始就必須專(zhuān)門(mén)針對工業(yè)性能而設計，并以嚴苛的標準在組件、接口和網(wǎng)絡(luò )級上進(jìn)行測試，而且服務(wù)中的網(wǎng)絡(luò )必須在壓力之下運作，以確認能夠滿(mǎn)足可接受的壽命可靠性指標。凌力爾特的 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )在嚴格的端到端測試和實(shí)際應用中提供了 >99.999% 的數據可靠性。在全世界要求苛刻的應用中已經(jīng)部署了超過(guò) 50,000個(gè) SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )，例如：數據中心、工廠(chǎng)、電力公用事業(yè)、警戒線(xiàn)安全、室外環(huán)境監察、農業(yè)應用、采礦和隧道、以及工業(yè)過(guò)程。⁴

腳注：

1. 面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。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(hù)提供硬件驗證報告。

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