【导读】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。
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。
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)。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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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,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%。
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。
文章来源:亚德诺半导体
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