智能无线工业传感器设计完全指南

作者：Richard Anslow，高级经理

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。

图1.无线标准概览

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

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

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。

图2.工业无线传感器的典型操作

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。

图3.BLE和SmartMesh网络的安全实现方案

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。

图4.数据传输（无线电收发器PHY）和能耗（改编自Shahzad和Oelmann）³

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

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。