智能無線工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)完全指南

摘要

本文概述了幾種無線標(biāo)準(zhǔn)，并評(píng)估了低功耗藍(lán)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(biāo)，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信道跳頻功能帶來更高的可靠性。SmartMesh案例研究得出的結(jié)論是可靠性達(dá)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(diǎn)的電池壽命。

簡介

2022年至2024年間，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能傳感器市場(chǎng)的銷售額預(yù)計(jì)將增長一倍以上（達(dá)到9.06億美元）¹。在智能傳感器領(lǐng)域，無線和便攜式設(shè)備預(yù)計(jì)將成為主要的增長動(dòng)力。使用無線環(huán)境傳感器（溫度、振動(dòng)）監(jiān)控工業(yè)機(jī)器有一個(gè)明確的目標(biāo)：檢測(cè)受監(jiān)控設(shè)備是否偏離健康運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于工業(yè)無線傳感器應(yīng)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(hù)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(luò)的協(xié)議（網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)有助于減輕可能的信號(hào)路徑屏蔽和反射）。

工業(yè)應(yīng)用和無線標(biāo)準(zhǔn)要求

圖1概要展示了幾種無線標(biāo)準(zhǔn)，表1根據(jù)關(guān)鍵工業(yè)要求對(duì)選定的無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比評(píng)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(yīng)用提供了出色綜合性能。Thread和Zigbee功耗低、實(shí)現(xiàn)了安全網(wǎng)格，但可靠性相對(duì)較低。

圖1 無線標(biāo)準(zhǔn)概覽

表1 無線標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)應(yīng)用需求的匹配

表2提供了有關(guān)Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)的更多細(xì)節(jié)。SmartMesh包含時(shí)間同步信道跳頻(TSCH)協(xié)議，根據(jù)該協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都同步，通信由預(yù)定的時(shí)間表進(jìn)行協(xié)調(diào)。時(shí)間同步消耗的功耗低，并且信道跳頻可靠性高。BLE標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)（會(huì)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(duì)較低，與BLE相比沒有太多優(yōu)勢(shì)。

表2 工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵無線標(biāo)準(zhǔn)和性能

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

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(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(dòng)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(jì)（ADXL356、ADXL359）來測(cè)量工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)幅度和頻率。通過FFT頻譜可以識(shí)別出振動(dòng)幅度和頻率的增加，這可能是電機(jī)不平衡、未對(duì)準(zhǔn)和軸承損壞等故障的征兆。

表3 ADI無線工業(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(shù)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(shù)據(jù)（或在發(fā)生高振動(dòng)幅度沖擊事件時(shí)喚醒），或者向用戶發(fā)送狀態(tài)更新。通常通過一個(gè)標(biāo)志通知用戶，受監(jiān)控的機(jī)器運(yùn)行狀況良好，并且用戶有機(jī)會(huì)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(yùn)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(duì)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)還是葉節(jié)點(diǎn)。

圖2 工業(yè)無線傳感器的典型操作

安全性

SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)采用多重安全層級(jí)，這些層級(jí)可以歸納為機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。圖3總結(jié)了SmartMesh安全性。即使網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，AES-128位端到端加密也能確保機(jī)密性。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受消息認(rèn)證碼（消息完整性檢查或MIC）的保護(hù)，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(jí)設(shè)備身份驗(yàn)證，能夠防止未經(jīng)授權(quán)的傳感器添加到系統(tǒng)中。

圖3 BLE和SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的安全實(shí)現(xiàn)方案

采用BLE標(biāo)準(zhǔn)4.0和4.1版本的設(shè)備存在安全漏洞，但4.2及更高版本的安全性有所增強(qiáng)（如圖3所示）。ADI公司的MAX32666符合BLE標(biāo)準(zhǔn)5.0。此版本引入了P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換用于配對(duì)。在該協(xié)議中，兩個(gè)設(shè)備的公鑰用于創(chuàng)建兩個(gè)設(shè)備之間的共享密鑰，即長期密鑰(LTK)。該共享密鑰用于身份驗(yàn)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(yù)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(yùn)行。然而，兩者還需要線路電源來為路由節(jié)點(diǎn)供電。這會(huì)增加功耗預(yù)算和系統(tǒng)總擁有成本。相比之下，SmartMesh路由節(jié)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(yùn)行。SmartMesh顯然是一種更節(jié)能的實(shí)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(diǎn)：

■   網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都同步。

■   通信根據(jù)通信時(shí)間表進(jìn)行。

■   時(shí)間同步帶來低功耗。

■   信道跳頻帶來高可靠性。

■   通信的計(jì)劃性帶來高度確定性。

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(yīng)用挑戰(zhàn)，并說明了SmartMesh和BLE網(wǎng)格如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

表4 工業(yè)應(yīng)用中無線網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及BLE/SmartMesh性能

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

ADI公司的晶圓廠針對(duì)SmartMesh的可靠性進(jìn)行了測(cè)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(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)中，最遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)有四跳。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)每30秒發(fā)送四個(gè)數(shù)據(jù)包。在83天的時(shí)間段里，傳感器發(fā)送了26,137,382個(gè)數(shù)據(jù)包，接收了26,137,381個(gè)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(dòng)，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(yùn)行。用戶設(shè)置傳感器休眠時(shí)長，此后傳感器喚醒并測(cè)量溫度和振動(dòng)，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(shí)捕獲一次數(shù)據(jù)，或每4小時(shí)捕獲一次數(shù)據(jù)。下一代傳感器將以類似方式運(yùn)行，但利用邊緣AI異常檢測(cè)來限制無線電的使用。當(dāng)傳感器喚醒并測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，只有檢測(cè)到振動(dòng)異常時(shí)才會(huì)將數(shù)據(jù)傳回用戶。這樣，電池壽命可以延長至少20%。

對(duì)于AI模型訓(xùn)練，傳感器收集機(jī)器的健康數(shù)據(jù)，然后通過無線方式發(fā)送給用戶進(jìn)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?zé)o線傳感器并置于內(nèi)存中。部署代碼后，無線傳感器按照預(yù)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(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(cè)到異常，則傳感器返回休眠狀態(tài)。如果檢測(cè)到異常，則會(huì)通知用戶。然后，用戶可以請(qǐng)求所測(cè)得異常的FFT或原始時(shí)域數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于故障分類。

結(jié)論

本文概述了幾種無線標(biāo)準(zhǔn)，并評(píng)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(yùn)行特性。對(duì)于需要500字節(jié)到1000字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，BLE相較于Zigbee和Thread可以更可靠地運(yùn)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(diǎn)的決策能力，并延長其電池壽命。

參考文獻(xiàn)

1“電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)–2020年”，Interact Analysis市場(chǎng)研究，2020年4月。

2 Kris Pister和Jonathan Simon，“保護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)免受攻擊”，Electronic Design（電子設(shè)計(jì)），2014年4月。

3 Khurram Shahzad和Bengt Oelmann，“數(shù)據(jù)密集型監(jiān)控應(yīng)用的傳感器內(nèi)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(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(quán)衡”，2015年IEEE國際通信會(huì)議(ICC)，2015年6月。

5 Ross Yu，“驗(yàn)證面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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。

作者簡介

Richard Anslow是ADI公司工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部的高級(jí)經(jīng)理，從事軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程工作。他的專長領(lǐng)域是狀態(tài)監(jiān)控、電機(jī)控制和工業(yè)通信設(shè)計(jì)。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。最近，他完成了美國普渡大學(xué)人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的研究生課程。