智能无线工业传感器设计完全指南

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。

Figure 1. Survey of wireless standards. — 图1. 无线标准概览

表1. 无线标准与工业应用需求的匹配
标准	范围	功耗	可靠性	稳健性	总拥有成本	支持网格	安全性
Wifi (802.111 b, g)	100 m	高	低	低	高	是	是, WPA
BLE	20 m 至100 m	低/ 中	中/ 高	低	中	是	是, AES
Zigbee, （基于 IEEE 802.15.4 的6LoWPAN）	20 m 至 200 m	低/ 中	低	低	中	是	是, AES
SmartMesh （基于 IEEE 802.15.4e 的6LoWPAN）	20 m 至 200 m	低	高	高	低	是	是, AES
LoRaWAN	500 m 至 3000 m	中低功耗节点，高功耗网关	低	低	高	否-星型拓扑	是, AES

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 GHz	2.4 GHz	2.4 GHz
数据速率	250 kbps	250 kbps	1 Mbps, 2 Mbps
范围	20 m 至 200 m	20 m 至 200 m	20 m to 150 m
应用吞吐速率	< 0.1 Mbps	< 0.1 Mbps	< 0.2 Mbps
网格拓扑结构	网格, 星型	网格, 星型	网格, 星型
安全性	AES 加密	AES 加密	AES 加密
功耗	线路供电路由节点	路由节点平均只需 50 μA	线路供电路由节点
总拥有成本	$$ 至$	$	$$至 $
时间同步信道跳频	x	✓	x
稳健性(信号分配)	x 单通道通信	✓	x
可靠性 (信道跳频)	x 单通道通信	✓	✓
标准 (互操作性)	是	专有	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。

Figure 2. An industrial wireless sensor typical operation. — 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。

Figure 3. Security implementation for BLE and SmartMesh networks. — 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。

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martMesh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。

Figure 4. Data transmitted (radio transceiver PHY) and energy consumption (adapted from Shahzad and Oelmann).<sup>3</sup> — 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
挑战	问题	SmartMesh	蓝牙网格
在密集型网格中稳健通信	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宽带	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。

参考电路

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。

³Khurram 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。