摘要

本文概述了几种无线标准，并评估了低功耗蓝牙^® (BLE)、SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）和Thread/Zigbee（基于IEEE 802.15.4的6LoWPAN）在恶劣工业射频环境中的适用性，文中提供了几个比较指标，包括功耗、可靠性、安全性和总拥有成本。SmartMesh时间同步消耗的功耗较低，并且SmartMesh和BLE信道跳频功能带来更高的可靠性。SmartMesh案例研究得出的结论是可靠性达到99.999996%。本文介绍了ADI公司的BLE和SmartMesh无线状态监控传感器，其中包括一款搭载边缘人工智能(AI)的新型无线传感器，它能延长受限边缘传感器节点的电池寿命。

 

简介

2022年至2024年间，电机驱动系统智能传感器市场的销售额预计将增长一倍以上（达到9.06亿美元）¹。在智能传感器领域，无线和便携式设备预计将成为主要的增长动力。使用无线环境传感器（温度、振动）监控工业机器有一个明确的目标：检测受监控设备是否偏离健康运行状态。
 
对于工业无线传感器应用，低功耗、可靠性和安全性始终是最重要的要求。其他要求包括低总拥有成本（尽可能少的网关和维护工作）、短距离通信，以及支持在包含大量金属障碍物的工厂环境中形成网格网络的协议（网格网络有助于减轻可能的信号路径屏蔽和反射）。

 

工业应用和无线标准要求

图1概要展示了几种无线标准，表1根据关键工业要求对选定的无线标准进行了对比评估。显然，BLE和SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）在低功耗、可靠性和安全性方面为工业应用提供了出色综合性能。Thread和Zigbee功耗低、实现了安全网格，但可靠性相对较低。 表1.无线标准与工业应用需求的匹配
表2提供了有关Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE网格标准的更多细节。SmartMesh包含时间同步信道跳频(TSCH)协议，根据该协议，网络中的所有节点都同步，通信由预定的时间表进行协调。时间同步消耗的功耗低，并且信道跳频可靠性高。BLE标准也包含信道跳频，但与SmartMesh相比有一些限制，例如线路供电路由节点（会增加系统成本和功耗），而且不支持TSCH。如前所述，Zigbee/Thread的可靠性相对较低，与BLE相比没有太多优势。

表2.工业应用的关键无线标准和性能

特性	Zigbee、Thread（基于IEEE 802.15.4的6LoWPAN）	SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）	BLE网格
射频	2.4 GHz2.4 GHz	2.4 GHz2.4 GHz	2.4 GHz2.4 GHz
Data rate数据速率	250 kbps250 kbps	250 kbps250 kbps	1 Mbps, 2 Mbps1 Mbps、2 Mbps
Range范围	20 m to 200 m20 m至200 m	20 m to 200 m20 m至200 m	20 m to 150 m20 m至150 m
Application throughput应用吞吐速率	< 0.1 Mbps< 0.1 Mbps	< 0.1 Mbps< 0.1 Mbps	< 0.2 Mbps< 0.2 Mbps
Network topology网络拓扑结构	Mesh, Star网格、星型	Mesh, Star网格、星型	Mesh, Star网格、星型
安全性	AES encryptionAES加密	AES encryptionAES加密	AES encryptionAES加密
Power功耗	Line powered routing nodes线路供电路由节点	Routing nodes require only average 50 μA路由节点平均仅需50 μA	Line powered routing nodes线路供电路由节点
Total cost of ownership总拥有成本	$$ to $$$ 至 $	$$	$$ to $$$ 至 $
Time synchronized channel hopping时间同步信道跳频	xx	üü	xx
Robustness (channel allocation)稳健性（信道分配）	x Single channel commsx单通道通信	üü	xx
Reliability (channel hopping)可靠性（信道跳频）	x Single channel commsx单通道通信	üü	üü
Standards (interoperability)标准（互操作性）	Yes是	Proprietary专有	Yes是

本文将重点介绍SmartMesh和BLE网格，这是针对工业状态监控传感器的最适合的无线标准。

 

ADI无线状态监控传感器

表3概述了ADI公司的Voyager 3无线振动监测平台和下一代无线状态监控传感器。Voyager 3采用SmartMesh模块(LTP5901-IPC)。支持AI的振动传感器（仍在开发中）采用BLE微控制器(MAX32666)。两种传感器均包含温度和电池健康状态(SOH)传感器。Voyager 3和AI版本传感器使用ADI MEMS加速度计（ADXL356、ADXL359）来测量工业设备的振动幅度和频率。通过FFT频谱可以识别出振动幅度和频率的增加，这可能是电机不平衡、未对准和轴承损坏等故障的征兆。

 

表3.ADI无线工业传感器原型

参数	Voyager 3	下一代传感器
无线标准	SmartMesh	BLE
超低功耗边缘AI	否	是
温度传感器	是	是
MEMS加速度计	是（三轴1 kHz）	是（三轴8 kHz）
电池SOH监测	是	是

 
图2概述了Voyager 3和支持AI的振动传感器典型操作。与许多工业传感器一样，占空比为1%；大多数时候，传感器处于低功耗模式。传感器定期唤醒以批量收集数据（或在发生高振动幅度冲击事件时唤醒），或者向用户发送状态更新。通常通过一个标志通知用户，受监控的机器运行状况良好，并且用户有机会收集更多数据。

 

低功耗

表3中显示的传感器以1%的占空比运行，其中Voyager 3的最大有效载荷为90字节，AI版本的最大有效载荷为510字节。图4（改编自Shahzad和Oelmann3）显示，对于500字节到1000字节的有效载荷，BLE消耗的能量少于Zigbee和Wi-Fi。因此，BLE非常适合AI使用场景。SmartMesh的功耗非常低，在90字节或有效载荷更少的情况下（如Voyager 3传感器中使用的）尤为如此。网站上提供的SmartMesh功耗和性能估算工具可用于估算SmartMesh能耗。经实验验证，SmartMesh功耗估算工具的精度为87%至99%，具体取决于传感器是路由节点还是叶节点。

 

安全性

SmartMesh IP网络采用多重安全层级，这些层级可以归纳为机密性、完整性和真实性。图3总结了SmartMesh安全性。即使网络中存在多个网格节点，AES-128位端到端加密也能确保机密性。传输的数据受消息认证码（消息完整性检查或MIC）的保护，以确保数据没有被篡改。这可以防止中间人(MITM)攻击，如图3所示。SmartMesh支持多级设备身份验证，能够防止未经授权的传感器添加到系统中。  
采用BLE标准4.0和4.1版本的设备存在安全漏洞，但4.2及更高版本的安全性有所增强（如图3所示）。ADI公司的MAX32666符合BLE标准5.0。此版本引入了P-256椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换用于配对。在该协议中，两个设备的公钥用于创建两个设备之间的共享密钥，即长期密钥(LTK)。该共享密钥用于身份验证和生成密钥，以将所有通信加密，防止MITM攻击。  
除了无线电发射功耗之外，还必须考虑系统总功耗预算和总拥有成本。如表2所示，BLE和Zigbee都使用单个网关运行。然而，两者还需要线路电源来为路由节点供电。这会增加功耗预算和系统总拥有成本。相比之下，SmartMesh路由节点平均仅需要50 µA的电流，并且整个网络可以使用单个网关运行。SmartMesh显然是一种更节能的实现方案。

 

可靠性和稳健性

前面提到过，SmartMesh采用TSCH，它有以下特点：
► 网络中的所有节点都同步。
► 通信根据通信时间表进行。
► 时间同步带来低功耗。
► 信道跳频带来高可靠性。
► 通信的计划性带来高度确定性。
全网络同步精度小于15µs。如此高水平的同步可大大降低功耗。平均电流消耗为50 µA，99%以上的时间电流消耗为1.4 µA。
 
表4列出了一些关键应用挑战，并说明了SmartMesh和BLE网格如何应对这些挑战。

表4.工业应用中无线网络面临的关键挑战以及BLE/SmartMesh性能

挑战	问题	SmartMesh	蓝牙网格
在密集型网络中稳健通信	节点相互干扰，拖慢网络速度	高效信道分配消除冲突	依赖拖慢网络速度的冲突
延长安装在屏蔽位置的传感器电池寿命	需要能效比较高的边缘节点连接，以满足电池寿命规格	电池供电的路由节点与边缘节点建立近距离连接	线路供电的路由节点与边缘节点建立近距离连接
动态工业环境中保持可靠连接	移动设备或开/关门会引起多径反射	采用信道跳频来避免接收零陷(null)	采用信道跳频来避免接收零陷(null)
在拥挤的无线电波段实现可靠通信	干扰源限制网络上的数据流量带宽	信道跳频可避免干扰源，高效的带宽分配可维持流量	专为小型网络设计，容易遭受网络洪泛攻击

SmartMesh在拥有大量节点的密集网络中表现更佳。BLE和SmartMesh在动态工业环境中均表现良好。
 
ADI公司的晶圆厂针对SmartMesh的可靠性进行了测试⁵，该工厂的射频环境较为恶劣，满是金属和混凝土。三十二个无线传感器节点分布在一个Mesh网络中，最远的传感器节点到网关有四跳。每个传感器节点每30秒发送四个数据包。在83天的时间段里，传感器发送了26,137,382个数据包，接收了26,137,381个数据包，可靠性为99.999996%。

 

边缘人工智能

下一代无线传感器包括搭载AI硬件加速器的MAX78000微控制器。该AI硬件加速器大幅减少了数据移动，并利用并行性优化了能源使用和吞吐速率。
 
目前市售无线工业传感器通常以非常低的占空比运行。用户设置传感器休眠时长，此后传感器唤醒并测量温度和振动，然后通过无线电将数据传回用户的数据聚合器。市售传感器通常声称电池寿命为5年，此寿命基于每24小时捕获一次数据，或每4小时捕获一次数据。下一代传感器将以类似方式运行，但利用边缘AI异常检测来限制无线电的使用。当传感器唤醒并测量数据时，只有检测到振动异常时才会将数据传回用户。这样，电池寿命可以延长至少20%。
 
对于AI模型训练，传感器收集机器的健康数据，然后通过无线方式发送给用户进行AI模型开发。使用MAX78000工具将AI模型合成为C代码，然后传回无线传感器并置于内存中。部署代码后，无线传感器按照预定义的时间间隔或在发生高-g冲击事件时唤醒。收集数据后生成FFT。通过FFT，MAX78000基于该数据做出推断。如果没有检测到异常，则传感器返回休眠状态。如果检测到异常，则会通知用户。然后，用户可以请求所测得异常的FFT或原始时域数据，这些数据可用于故障分类。
 
结论
本文概述了几种无线标准，并评估了BLE、SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）和Thread/Zigbee (IEEE 802.15.4)在恶劣工业射频环境中的适用性。与BLE和Thread/Zigbee相比，SmartMesh具有优异的可靠性和低功耗运行特性。对于需要500字节到1000字节数据传输的网络，BLE相较于Zigbee和Thread可以更可靠地运行，并且功耗更低。搭载嵌入式AI硬件加速器的微控制器可以提升无线传感器节点的决策能力，并延长其电池寿命。

 

参考文献

1“电机驱动系统的预测性维护–2020年”，Interact Analysis市场研究，2020年4月。
2 Kris Pister和Jonathan Simon，“保护无线传感器网络免受攻击”，Electronic Design（电子设计），2014年4月。
3 Khurram Shahzad和Bengt Oelmann，“数据密集型监控应用的传感器内处理与使用ZigBee、BLE和Wi-Fi传输原始数据的比较研究”，第11届国际无线通信系统研讨会(ISWCS)，2014年8月。
4 Thomas Watteyne、Joy Weiss、Lance Doherty和Jonathan Simon，“工业IEEE802.15.4e网络：性能与权衡”，2015年IEEE国际通信会议(ICC)，2015年6月。
5 Ross Yu，“验证面向工业物联网应用的SmartMesh IP提供超过99.999%的数据可靠性”，ADI公司，2016年1月。
 

关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

作者简介

Richard Anslow是ADI公司工业自动化事业部的高级经理，从事软件系统设计工程工作。他的专长领域是状态监控、电机控制和工业通信设计。他拥有爱尔兰利默里克大学工程学士学位和工程硕士学位。最近，他完成了美国普渡大学人工智能(AI)和机器学习(ML)的研究生课程。

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