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智能型无线工业传感器之设计指南

作者: 时间:2024-08-13 来源:CTIMES 收藏

本文专注探讨SmartMesh与Bluetooth Low Energy(BLE)网状网络是工业状态监测传感器最适合的无线标准,其中介绍BLE低功耗蓝牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等无线标准,以及其在严苛工业射频环境中的适用性,并列举多项比较标准,包括功耗、可靠度、安全性及总体持有成本。
SmartMesh时间同步机制造就出低功耗性能,而SmartMesh与BLE频道跳频机制则带来更高的可靠度。一项针对SmartMesh的案例研究,总结出可靠度高达99.999996%。Analog Devices的BLE与SmartMesh无线式状态监测传感器包含一款配备边缘人工智能(AI)功能的新型无线传感器,能够为受限制的边缘传感器节点挹注更长的电池续航力。


智能传感器市场成长驱动力
由马达驱动系统的传感器市场规模,从2022到2024年的成长幅度预估将超过2倍(成长至9.06亿美元)。在智能传感器方面,主要的成长驱动力将来自无线与便携设备。运用无线环境传感器(温度、振动)来监视工业机器,其明确目标是侦测出受监视设备在何时会偏离健康运作的状态。
在工业无线传感器应用领域,低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最关键的要求。其他要求还包括低总体持有成本(最少的网关、维护)、短距离通讯,以及能支持网状网络的通讯协议,其能适应充斥大量金属障碍物的工厂环境(网状网络有助于纾解潜在讯号路径遮蔽与反射的问题)。


工业应用与无线标准的要求
图一概述各种无线标准,表一列出多项无线标准并对照关键的产业要求。从图表可明显看出BLE与SmartMesh(6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4e进行传输)能为工业应用提供兼顾低功耗、可靠度、安全性的优化组合。Thread与ZigBee提供低功耗与安全的网状网络实作方案,但在可靠度的评分较低。

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图一 : 无线标准调查

表一:无线标准对应工业应用的要求

本文引用地址:https://www.eepw.com.cn/article/202408/461959.htm

标准

距离

功耗

可靠度

强健性

总体持有成本

网状网络能力

安全

Wi-Fi
 
(802.111 b, g)

100公尺

支援

支援, WPA

BLE

20至100公尺

低/中

中/高

支援

支援, AES

ZigBee,
 
Thread (6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4进行传输)

20 至200公尺

低/中

支援

支援, AES

SmartMesh (6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4e进行传输)

20 至200公尺

支援

支援, AES

LoRaWAN

500至3000公尺

中至低功耗节点,高功率网关

不支援 – 星形拓扑

支援, AES


表二进一步详列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE网状网络标准。SmartMesh包含一个时间同步频道跳频(TSCH)协议,网络中所有节点都进行同步化,并依一个时程表来协调通讯作业。时间同步造就出低功耗,而频道跳频则造就出高可靠度。
此外,BLE标准也包含频道跳频,但其相较于SmartMesh则存在一些限制,包括像不支持缆线供电的路由节点(增加系统成本与耗电)与TSCH。如先前所述,ZigBee/Thread在可靠度的表现较差,且不具备许多BLE所拥有的优点。


表二:工业应用的关键无线标准与效能数据

特色

ZigBee、Thread (6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4进行传输)

SmartMesh (6LoWPAN 封包透过IEEE 802.15.4e进行传输)

BLE   Mesh

调频

2.4   GHz

2.4   GHz

2.4   GHz

数据传输率

250   kbps

250   kbps

1   Mbps,
 
2 Mbps

传输距离

20 至200公尺

20至200公尺

20 至150公尺

应用吞吐量

低于0.1 Mbps

低于0.1 Mbps

低于0.2 Mbps

网络拓扑

网状网络、星形

网状网络、星形

网状网络、星形

安全

AES
 
加密

AES
 
加密

AES
 
加密

供电

缆线供电的路由节点

路由节点平均只需要

?50   μA

缆线供电的路由节点

总体持有成本

$$ 至$

$

$$ 至$

时间同步频道跳频

x

?

x

稳健性 (频道分配)

单一频道通讯

?

x

可靠度 (频道跳频)

单一频道通讯

?

?

标准 (互操作性)

支援

专利式

支援


无线状态监测传感器
以下说明Analog Devices的Voyager 3无线振动监视平台及新一代无线状态监测传感器。Voyager 3采用SmartMesh模块(LTP5901-IPC),当中一款支持AI的振动传感器(研发中)采用BLE微控制器(MAX32666)。两款传感器都有温度与电池健康状态(SOH)传感器。Voyager 3与AI版本传感器采用 MEMS微机电加速计(ADXL356、ADXL359)用来为工业设备量测振动的振幅与频率。组件会运用FFT高速傅立叶变换频谱来辨识振动的振幅与频率,该频谱可以反映出各种故障的征兆,包括像马达失衡、错位、以及损坏的轴承。

图二显示Voyager 3与支持AI振动传感器的典型运作。其工作周期和许多任务业传感器一样都是1%;传感器在大多数时间都处于低功耗模式。传感器会定期被唤醒,并进行大量数据收集(或是在高冲击振幅的撞击事件),或向使用者传送状态的更新通报。使用者通常会收到反映受监视机器状态的状态标志,通报该机器健康状态良好,并让使用者有机会收集更多数据。

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图二 : 工业无线传感器的典型运作

安全
SmartMesh IP网络具备多层次的防护,这些层次可分类为保密性、完整性、以及真实性。图三整理了SmartMesh的安全防护。保密性方面,采用端对端的AES-128-bit加密,就算网络中有多个网状网络节点也能执行。传输的数据会以消息验证代码(讯息完整性检查或MIC),以确保其未被窜改。此种作法能防御各种中间人(MITM)攻击,如图三所示。此外,也能够建置多重装置验证级别,以防止未经授权的传感器被加入到系统。

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图三 : BLE与SmartMesh网络的安全建置

采用4.0与4.1版BLE标准运作的装置面临安全风险,然而4.2以后版本纳入了增强安全(如图三所示)。的MAX32666兼容于5.0版BLE标准。这个版本包含P-256椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换机制用于装置之间的配对。在此协议中,两个装置的公开密钥用来在两个装置之间建立称为长期密钥(LTK)的分享机密。这个分享机密用来验证与产生密钥,这些密钥用来为所有通讯内容进行加密,以及防御各种MITM中间人攻击。

低功耗
上述章节中的传感器工作周期为1%,Voyager 3封包的最大数据酬载量为90 bytes,而AI版本的最大酬载量则为510 bytes。图四(取自Shahzad与 Oelmann3)显示在500至1000 bytes的数据传输量方面,BLE消耗的能量低于ZigBee与Wi-Fi。因此BLE适合运行AI的使用情境。SmartMesh能够提供极低的功耗,特别是90 bytes以下的酬载(正如Voyager 3传感器所用的酬载规格)。SmartMesh 功耗估算工具的准确性经实测证明可达87%至99%,实际准确度取决于传感器属于路由节点还是叶节点。

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图四 : 已传输数据(无线电收发器物理层组件)与电源消耗(取材自Shahzad 与Oelmann)
除了无线电传输能源消耗外,我们还须考虑整体系统的耗电预算以及总体持有成本。如表二所述,BLE与ZigBee使用同一个网关运作。然而两种技术都需要透过缆线为路由节点供电,这也会增加耗电预算以及总体持有成本。对比之下,SmartMesh路由节点平均仅消耗50 μA的电流,整个网络仅用一个网关就能工作。SmartMesh显然是更具能源效率的建置方案。

可靠度与稳健性
如先前所述,SmartMesh采用TSCH,因此具有以下特性:网络中的所有节点都同步化、根据一个通讯时程表调度各节点的通讯、时间同步化促成低功耗、频道跳频造就高可靠度,以及通讯作业进行妥善排程,带来高确定性。
整个网络的同步化精准度误差压低到15 μs以下。极高水平的同步化造就出极低的功耗。消耗电流平均为50μA,且超过99%的时间仅为1.4 μA。
表三所列为关键应用时的挑战,以及SmartMesh与BLE网状网络如何因应。SmartMesh在大量节点构成的高密度网络中表现良好,而BLE与SmartMesh两者均在在动态工业环境中表现卓越。

表三:工业应用中的无线网络及BLE/SmartMesh效能面临的关键挑战

挑战

问题

SmartMesh

蓝牙网状网络(Mesh)

在密集配置网络中建立稳健通讯

节点之间相互干扰,进而拖慢网络速度

高效率的频道配置以消除碰撞

受限于会拖慢网络速度的碰撞

当传感器装设在有遮蔽的位置,能够达到较长的电池寿命

需要具电源效率的边缘节点联机,以因应电池寿命规格

电池供电的路由节点和边缘节点建立近距离连结

缆线供电的路由节点和边缘节点建立近距离连结

在动态工业环境进行可靠联机

移动设备或开关门的动作导致多重路径反射

运用频道跳频以避免接收零点

运用频道跳频以避免接收零点

在拥挤的无线电频段进行可靠的通讯

?

各种干扰限制了网络上的数据流量带宽

执行频道跳频藉以避免干扰,并有效配置带宽以维持传输流量

针对小型网络设计所以容易遇到网络泛洪(flooding)问题


SmartMesh的可靠度已在的晶圆厂通过检测。此厂区的严苛射频环境中布满金属物与混凝土,其中有32个无线传感器节点以网状网络的形态分布,最远的传感器节点到网关之间隔着4次转传(hops)。每个传感器节点每隔30秒就传送4个数据封包。在83天的期间,各传感器共传送26,137,382个封包,共接收26,137,381个封包,达到99.999996%的可靠度。


运行于边缘的人工智能
新一代的无线传感器包含MAX78000 此种内嵌AI硬件加速器的微控制器,此类AI硬件加速器不仅能大幅减少数据移动,还能够运用平行处理机制来优化能源消耗以及数据吞吐量。
现今市面上的通常以极低的工作周期运行,用户在设定传感器的休眠时间长度后,传感器就会按时被唤醒并量测温度与振动,并将数据透过无线网络传回用户的数据聚合设备。市售传感器通常标示其拥有5年电池寿命,指的是每24小时撷取1笔数据,或是每4小时撷取1笔数据下所能维持的续航力。
下一代的传感器能够在类似模式下工作,同时利用边缘AI异常侦测机制来限制使用无线电网络的次数。当传感器被唤醒并开始量测数据之后,只有在侦测到异常的振动时,才会将数据传回给用户。透过这种方式,电池续航力可提升至少20%。
AI模型用来训练传感器收到的机器健康数据,这些数据会透过无线网络传输给用户,以便进行AI模型的开发。运用MAX78000工具将AI模型合成为C语言程序代码,之后再传回给无线传感器,并将模型加载内存。当程序代码部署完成后,在预先定义间隔的时间点或是出现高G力振动事件时,无线传感器就会被唤醒。
MAX78000会根据经过高速傅立叶变换的数据进行推论。如果没有侦测到异常,传感器就会回到休眠状态。若是侦测到异常,使用者就会收到通知。此时用户即可要求FFT算法或原始时域数据以便测量出异常,并依此进行故障分类。


总结
本文阐述BLE、SmartMesh(6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4e网络进行传输)、以及Thread/ZigBee(IEEE 802.15.4)等无线标准,以及其在严苛工业射频环境的适用性。
SmartMesh拥有优于BLE与Thread/ZigBee的可靠性与低功耗运作能力。在要求500 bytes至1000 bytes数据传输能力的网络中,相较于ZigBee与Thread,BLE能以更低的功耗可靠地运作。内嵌AI硬件加速器的微控制器开创一条迈向更佳决策的坦途,并为无线传感器节点挹注更长的电池续航力。
(本文作者Richard Anslow为ADI系统工程资深经理)



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