智能型無(wú)線(xiàn)工業(yè)傳感器之設計指南

本文專(zhuān)注探討SmartMesh與Bluetooth Low Energy（BLE）網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是工業(yè)狀態(tài)監測傳感器最適合的無(wú)線(xiàn)標準，其中介紹BLE低功耗藍牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等無(wú)線(xiàn)標準，以及其在嚴苛工業(yè)射頻環(huán)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(shí)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(lái)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(wú)線(xiàn)式狀態(tài)監測傳感器包含一款配備邊緣人工智能（AI）功能的新型無(wú)線(xiàn)傳感器，能夠為受限制的邊緣傳感器節點(diǎn)挹注更長(cháng)的電池續航力。


智能傳感器市場(chǎng)成長(cháng)驅動(dòng)力
由馬達驅動(dòng)系統的智能型傳感器市場(chǎng)規模，從2022到2024年的成長(cháng)幅度預估將超過(guò)2倍（成長(cháng)至9.06億美元）。在智能傳感器方面，主要的成長(cháng)驅動(dòng)力將來(lái)自無(wú)線(xiàn)與便攜設備。運用無(wú)線(xiàn)環(huán)境傳感器（溫度、振動(dòng)）來(lái)監視工業(yè)機器，其明確目標是偵測出受監視設備在何時(shí)會(huì )偏離健康運作的狀態(tài)。
在工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器應用領(lǐng)域，低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最關(guān)鍵的要求。其他要求還包括低總體持有成本（最少的網(wǎng)關(guān)、維護）、短距離通訊，以及能支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的通訊協(xié)議，其能適應充斥大量金屬障礙物的工廠(chǎng)環(huán)境（網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )有助于紓解潛在訊號路徑遮蔽與反射的問(wèn)題）。


工業(yè)應用與無(wú)線(xiàn)標準的要求
圖一概述各種無(wú)線(xiàn)標準，表一列出多項無(wú)線(xiàn)標準并對照關(guān)鍵的產(chǎn)業(yè)要求。從圖表可明顯看出BLE與SmartMesh（6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4e進(jìn)行傳輸）能為工業(yè)應用提供兼顧低功耗、可靠度、安全性的優(yōu)化組合。Thread與ZigBee提供低功耗與安全的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )實(shí)作方案，但在可靠度的評分較低。


 
圖一 : 無(wú)線(xiàn)標準調查

表一：無(wú)線(xiàn)標準對應工業(yè)應用的要求

表二進(jìn)一步詳列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )標準。SmartMesh包含一個(gè)時(shí)間同步頻道跳頻（TSCH）協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)都進(jìn)行同步化，并依一個(gè)時(shí)程表來(lái)協(xié)調通訊作業(yè)。時(shí)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(xiàn)供電的路由節點(diǎn)（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(yōu)點(diǎn)。


表二：工業(yè)應用的關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)標準與效能數據

無(wú)線(xiàn)狀態(tài)監測傳感器
以下說(shuō)明Analog Devices的Voyager 3無(wú)線(xiàn)振動(dòng)監視平臺及新一代無(wú)線(xiàn)狀態(tài)監測傳感器。Voyager 3采用SmartMesh模塊（LTP5901-IPC），當中一款支持AI的振動(dòng)傳感器（研發(fā)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(tài)（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(lái)為工業(yè)設備量測振動(dòng)的振幅與頻率。組件會(huì )運用FFT高速傅立葉變換頻譜來(lái)辨識振動(dòng)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(dòng)傳感器的典型運作。其工作周期和許多任務(wù)業(yè)傳感器一樣都是1%；傳感器在大多數時(shí)間都處于低功耗模式。傳感器會(huì )定期被喚醒，并進(jìn)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(tài)的更新通報。使用者通常會(huì )收到反映受監視機器狀態(tài)的狀態(tài)標志，通報該機器健康狀態(tài)良好，并讓使用者有機會(huì )收集更多數據。


 
圖二 : 工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器的典型運作

安全
SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò )具備多層次的防護，這些層次可分類(lèi)為保密性、完整性、以及真實(shí)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(wǎng)絡(luò )中有多個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)也能執行。傳輸的數據會(huì )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(jīng)授權的傳感器被加入到系統。


 
圖三 : BLE與SmartMesh網(wǎng)絡(luò )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(fēng)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(gè)版本包含P-256橢圓曲線(xiàn)Diffie-Hellman密鑰交換機制用于裝置之間的配對。在此協(xié)議中，兩個(gè)裝置的公開(kāi)密鑰用來(lái)在兩個(gè)裝置之間建立稱(chēng)為長(cháng)期密鑰（LTK）的分享機密。這個(gè)分享機密用來(lái)驗證與產(chǎn)生密鑰，這些密鑰用來(lái)為所有通訊內容進(jìn)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(jīng)實(shí)測證明可達87%至99%，實(shí)際準確度取決于傳感器屬于路由節點(diǎn)還是葉節點(diǎn)。


 
圖四 : 已傳輸數據（無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器物理層組件）與電源消耗（取材自Shahzad 與Oelmann）
除了無(wú)線(xiàn)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(gè)網(wǎng)關(guān)運作。然而兩種技術(shù)都需要透過(guò)纜線(xiàn)為路由節點(diǎn)供電，這也會(huì )增加耗電預算以及總體持有成本。對比之下，SmartMesh路由節點(diǎn)平均僅消耗50 μA的電流，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )僅用一個(gè)網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都同步化、根據一個(gè)通訊時(shí)程表調度各節點(diǎn)的通訊、時(shí)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(yè)進(jìn)行妥善排程，帶來(lái)高確定性。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò )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(guò)99%的時(shí)間僅為1.4 μA。
表三所列為關(guān)鍵應用時(shí)的挑戰，以及SmartMesh與BLE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )如何因應。SmartMesh在大量節點(diǎn)構成的高密度網(wǎng)絡(luò )中表現良好，而B(niǎo)LE與SmartMesh兩者均在在動(dòng)態(tài)工業(yè)環(huán)境中表現卓越。

表三：工業(yè)應用中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )及BLE/SmartMesh效能面臨的關(guān)鍵挑戰

SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圓廠(chǎng)通過(guò)檢測。此廠(chǎng)區的嚴苛射頻環(huán)境中布滿(mǎn)金屬物與混凝土，其中有32個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的形態(tài)分布，最遠的傳感器節點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)之間隔著(zhù)4次轉傳（hops）。每個(gè)傳感器節點(diǎn)每隔30秒就傳送4個(gè)數據封包。在83天的期間，各傳感器共傳送26,137,382個(gè)封包，共接收26,137,381個(gè)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(wú)線(xiàn)傳感器包含MAX78000 此種內嵌AI硬件加速器的微控制器，此類(lèi)AI硬件加速器不僅能大幅減少數據移動(dòng)，還能夠運用平行處理機制來(lái)優(yōu)化能源消耗以及數據吞吐量。
現今市面上的無(wú)線(xiàn)工業(yè)傳感器通常以極低的工作周期運行，用戶(hù)在設定傳感器的休眠時(shí)間長(cháng)度后，傳感器就會(huì )按時(shí)被喚醒并量測溫度與振動(dòng)，并將數據透過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳回用戶(hù)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(shí)擷取1筆數據，或是每4小時(shí)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(lèi)似模式下工作，同時(shí)利用邊緣AI異常偵測機制來(lái)限制使用無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )的次數。當傳感器被喚醒并開(kāi)始量測數據之后，只有在偵測到異常的振動(dòng)時(shí)，才會(huì )將數據傳回給用戶(hù)。透過(guò)這種方式，電池續航力可提升至少20%。
AI模型用來(lái)訓練傳感器收到的機器健康數據，這些數據會(huì )透過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸給用戶(hù)，以便進(jìn)行AI模型的開(kāi)發(fā)。運用MAX78000工具將AI模型合成為C語(yǔ)言程序代碼，之后再傳回給無(wú)線(xiàn)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(shí)間點(diǎn)或是出現高G力振動(dòng)事件時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器就會(huì )被喚醒。
MAX78000會(huì )根據經(jīng)過(guò)高速傅立葉變換的數據進(jìn)行推論。如果沒(méi)有偵測到異常，傳感器就會(huì )回到休眠狀態(tài)。若是偵測到異常，使用者就會(huì )收到通知。此時(shí)用戶(hù)即可要求FFT算法或原始時(shí)域數據以便測量出異常，并依此進(jìn)行故障分類(lèi)。


總結
本文闡述BLE、SmartMesh（6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸）、以及Thread/ZigBee（IEEE 802.15.4）等無(wú)線(xiàn)標準，以及其在嚴苛工業(yè)射頻環(huán)境的適用性。
SmartMesh擁有優(yōu)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(wǎng)絡(luò )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(kāi)創(chuàng )一條邁向更佳決策的坦途，并為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)挹注更長(cháng)的電池續航力。
（本文作者Richard Anslow為ADI系統工程資深經(jīng)理）