本文概述了幾種無(wú)線(xiàn)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(gè)比較指標，包括功耗、可靠性、安全性和總擁有成本。SmartMesh時(shí)間同步消耗的功耗較低，并且SmartMesh和BLE信道跳頻功能帶來(lái)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(wú)線(xiàn)狀態(tài)監控傳感器，其中包括一款搭載邊緣人工智能(AI)的新型無(wú)線(xiàn)傳感器，它能延長(cháng)受限邊緣傳感器節點(diǎn)的電池壽命。

簡(jiǎn)介

2022年至2024年間，電機驅動(dòng)系統智能傳感器市場(chǎng)的銷(xiāo)售額預計將增長(cháng)一倍以上（達到9.06億美元）¹。在智能傳感器領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)和便攜式設備預計將成為主要的增長(cháng)動(dòng)力。使用無(wú)線(xiàn)環(huán)境傳感器（溫度、振動(dòng)）監控工業(yè)機器有一個(gè)明確的目標：檢測受監控設備是否偏離健康運行狀態(tài)。

對于工業(yè)無(wú)線(xiàn)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(guān)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(chǎng)環(huán)境中形成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議（網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )有助于減輕可能的信號路徑屏蔽和反射）。

工業(yè)應用和無(wú)線(xiàn)標準要求

圖1概要展示了幾種無(wú)線(xiàn)標準，表1根據關(guān)鍵工業(yè)要求對選定的無(wú)線(xiàn)標準進(jìn)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(shí)現了安全網(wǎng)格，但可靠性相對較低。

圖1.無(wú)線(xiàn)標準概覽

表1.無(wú)線(xiàn)標準與工業(yè)應用需求的匹配

表2提供了有關(guān)Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE網(wǎng)格標準的更多細節。SmartMesh包含時(shí)間同步信道跳頻(TSCH)協(xié)議，根據該協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都同步，通信由預定的時(shí)間表進(jìn)行協(xié)調。時(shí)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(xiàn)路供電路由節點(diǎn)（會(huì )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(méi)有太多優(yōu)勢。

表2.工業(yè)應用的關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)標準和性能

本文將重點(diǎn)介紹SmartMesh和BLE網(wǎng)格，這是針對工業(yè)狀態(tài)監控傳感器的最適合的無(wú)線(xiàn)標準。

ADI無(wú)線(xiàn)狀態(tài)監控傳感器

表3概述了ADI公司的Voyager 3無(wú)線(xiàn)振動(dòng)監測平臺和下一代無(wú)線(xiàn)狀態(tài)監控傳感器。Voyager 3采用SmartMesh模塊(LTP5901-IPC)。支持AI的振動(dòng)傳感器（仍在開(kāi)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(lái)測量工業(yè)設備的振動(dòng)幅度和頻率。通過(guò)FFT頻譜可以識別出振動(dòng)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(wú)線(xiàn)工業(yè)傳感器原型

圖2概述了Voyager 3和支持AI的振動(dòng)傳感器典型操作。與許多工業(yè)傳感器一樣，占空比為1%；大多數時(shí)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(fā)生高振動(dòng)幅度沖擊事件時(shí)喚醒），或者向用戶(hù)發(fā)送狀態(tài)更新。通常通過(guò)一個(gè)標志通知用戶(hù)，受監控的機器運行狀況良好，并且用戶(hù)有機會(huì )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(chǎng)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(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(shí)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(diǎn)還是葉節點(diǎn)。

圖2.工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器的典型操作

安全性

SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò )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(shí)性。圖3總結了SmartMesh安全性。即使網(wǎng)絡(luò )中存在多個(gè)網(wǎng)格節點(diǎn)，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(méi)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中。

圖3.BLE和SmartMesh網(wǎng)絡(luò )的安全實(shí)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(xiàn)Diffie-Hellman密鑰交換用于配對。在該協(xié)議中，兩個(gè)設備的公鑰用于創(chuàng )建兩個(gè)設備之間的共享密鑰，即長(cháng)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(wú)線(xiàn)電收發(fā)器PHY）和能耗（改編自Shahzad和Oelmann）³

 除了無(wú)線(xiàn)電發(fā)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(gè)網(wǎng)關(guān)運行。然而，兩者還需要線(xiàn)路電源來(lái)為路由節點(diǎn)供電。這會(huì )增加功耗預算和系統總擁有成本。相比之下，SmartMesh路由節點(diǎn)平均僅需要50 μA的電流，并且整個(gè)網(wǎng)絡(luò )可以使用單個(gè)網(wǎng)關(guān)運行。SmartMesh顯然是一種更節能的實(shí)現方案。

可靠性和穩健性

前面提到過(guò)，SmartMesh采用TSCH，它有以下特點(diǎn)：

?    網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都同步。

?    通信根據通信時(shí)間表進(jìn)行。

?    時(shí)間同步帶來(lái)低功耗。

?    信道跳頻帶來(lái)高可靠性。

?    通信的計劃性帶來(lái)高度確定性。

全網(wǎng)絡(luò )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(shí)間電流消耗為1.4 μA。

表4列出了一些關(guān)鍵應用挑戰，并說(shuō)明了SmartMesh和BLE網(wǎng)格如何應對這些挑戰。

表4.工業(yè)應用中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )面臨的關(guān)鍵挑戰以及BLE/SmartMesh性能

SmartMesh在擁有大量節點(diǎn)的密集網(wǎng)絡(luò )中表現更佳。BLE和SmartMesh在動(dòng)態(tài)工業(yè)環(huán)境中均表現良好。

ADI公司的晶圓廠(chǎng)針對SmartMesh的可靠性進(jìn)行了測試⁵，該工廠(chǎng)的射頻環(huán)境較為惡劣，滿(mǎn)是金屬和混凝土。三十二個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)分布在一個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò )中，最遠的傳感器節點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)有四跳。每個(gè)傳感器節點(diǎn)每30秒發(fā)送四個(gè)數據包。在83天的時(shí)間段里，傳感器發(fā)送了26,137,382個(gè)數據包，接收了26,137,381個(gè)數據包，可靠性為99.999996%。

邊緣人工智能

下一代無(wú)線(xiàn)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(dòng)，并利用并行性?xún)?yōu)化了能源使用和吞吐速率。

目前市售無(wú)線(xiàn)工業(yè)傳感器通常以非常低的占空比運行。用戶(hù)設置傳感器休眠時(shí)長(cháng)，此后傳感器喚醒并測量溫度和振動(dòng)，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)電將數據傳回用戶(hù)的數據聚合器。市售傳感器通常聲稱(chēng)電池壽命為5年，此壽命基于每24小時(shí)捕獲一次數據，或每4小時(shí)捕獲一次數據。下一代傳感器將以類(lèi)似方式運行，但利用邊緣AI異常檢測來(lái)限制無(wú)線(xiàn)電的使用。當傳感器喚醒并測量數據時(shí)，只有檢測到振動(dòng)異常時(shí)才會(huì )將數據傳回用戶(hù)。這樣，電池壽命可以延長(cháng)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(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給用戶(hù)進(jìn)行AI模型開(kāi)發(fā)。使用MAX78000工具將AI模型合成為C代碼，然后傳回無(wú)線(xiàn)傳感器并置于內存中。部署代碼后，無(wú)線(xiàn)傳感器按照預定義的時(shí)間間隔或在發(fā)生高-g沖擊事件時(shí)喚醒。收集數據后生成FFT。通過(guò)FFT，MAX78000基于該數據做出推斷。如果沒(méi)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(huì )通知用戶(hù)。然后，用戶(hù)可以請求所測得異常的FFT或原始時(shí)域數據，這些數據可用于故障分類(lèi)。

結論

本文概述了幾種無(wú)線(xiàn)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字節到1000字節數據傳輸的網(wǎng)絡(luò )，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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的決策能力，并延長(cháng)其電池壽命。

參考文獻

1“電機驅動(dòng)系統的預測性維護–2020年”，Interact Analysis市場(chǎng)研究，2020年4月。

2 Kris Pister和Jonathan Simon，“保護無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)通信系統研討會(huì )(ISWCS)，2014年8月。

4 Thomas Watteyne、Joy Weiss、Lance Doherty和Jonathan Simon，“工業(yè)IEEE802.15.4e網(wǎng)絡(luò )：性能與權衡”，2015年IEEE國際通信會(huì )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(guò)99.999%的數據可靠性”，ADI公司，2016年1月。