智能型无线工业传感器之设计指南
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
由马达驱动系统的智能型传感器市场规模,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。
图一 : 无线标准调查
表一:无线标准对应工业应用的要求
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 | 100公尺 | 高 | 低 | 低 | 高 | 支援 | 支援, WPA |
BLE | 20至100公尺 | 低/中 | 中/高 | 低 | 中 | 支援 | 支援, AES |
ZigBee, | 20 至200公尺 | 低/中 | 低 | 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 | 低 | 举 | 高 | 低 | 支援 | 支援, AES |
LoRaWAN | 500至3000公尺 | 中至低功耗节点,高功率网关 | 低 | 低 | 高 | 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, |
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 | AES | AES |
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) | x 单一频道通讯 | ? | x |
可靠度 (频道跳频) | x 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ADI 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。
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。
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)。ADI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。
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ADI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。
现今市面上的无线工业传感器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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