設計智慧型無線工業感測器之完整指南

作者：ADI硬體和嵌入式韌體工程師 Brandon Hurst

摘要

本文介紹 Bluetooth^® Low Energy (BLE)低功耗藍牙、SmartMesh (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e網路進行傳輸)、以及Thread/Zigbee (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4網路進行傳輸)等無線標準以及其在嚴苛工業射頻環境中的適用性。文中列舉多項比較標準，包括功耗、可靠度、安全性、以及總體持有成本。SmartMesh時間同步機制造就出低功耗性能，而SmartMesh與BLE頻道跳頻機制則帶來更高的可靠度。一項針對SmartMesh的案例研究，總結出可靠度高達99.999996%。Analog Devices的BLE與SmartMesh無線式狀態監測感測器包含一款配備邊緣人工智慧(AI)功能的新型無線感測器，能為受限制的邊緣感測器節點挹注更長的電池續航力。

介紹

由馬達驅動系統的智慧型感測器其市場規模從2022到2024年的成長幅度預估將超過2倍(成長至9.06億美元)。在智慧感測器方面，主要的成長驅動力將來自無線與可攜式裝置。運用無線環境感測器(溫度、振動)來監視工業機器，其明確目標是:偵測出受監視設備在何時會偏離健康運作的狀態。

在工業無線感測器應用領域，低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最關鍵的要求。其他要求並包括低總體持有成本(最少的閘道器、維護)、短距離通訊、以及能支援網狀網路的通訊協定，其能適應充斥大量金屬障礙物的工廠環境(網狀網路有助於紓解潛在訊號路徑遮蔽與反射的問題)。

工業應用與無線標準的要求

圖1概述各種無線標準，表1列出多項無線標準並對照關鍵的產業要求。從圖表可明顯看出BLE與SmartMesh(6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e進行傳輸)能為工業應用提供兼顧低功耗、可靠度、安全性的最佳組合。Thread與ZigBee提供低功耗與安全的網狀網路實作方案，但在可靠度的評分較低。

Figure 1. Survey of wireless standards. — 圖1. 無線標準調查

表1. 無線標準對應工業應用的要求。
標準	距離	功耗	可靠度	強健性	總體持有成本	網狀網路能力/td>	安全
Wifi (802.111 b, g)	100公尺	高	低	低	高	支援/td>	支援, WPA
BLE	20至100公尺	低/ 中	中/ 高	低	中	支援	支援, AES
Zigbee, Thread (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4進行傳輸)	20 至200公尺	低/ 中	低	低	中	支援	支援, AES
SmartMesh (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e進行傳輸)	20 至200公尺	低	高	高	低	支援	支援, AES
LoRaWAN	500至3000公尺	中至低功耗節點，高功率閘道器	低	低	高	不支援 – 星形拓撲	支援, AES

表2進一步詳列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE網狀網路標準。SmartMesh包含一個時間同步頻道跳頻(TSCH)協定，網路中所有節點都進行同步化，並依一個時程表來協調通訊作業。時間同步造就出低功耗，而頻道跳頻則造就出高可靠度。此外BLE標準也包含頻道跳頻，但其相較於SmartMesh則存在一些限制，包括像不支援纜線供電的路由節點(增加系統成本與耗電)與TSCH。如先前所述，ZigBee/Thread在可靠度的表現較差，且不具備許多BLE所擁有的優點。

表2. 工業應用的關鍵無線標準與效能數據
特色	Zigbee、Thread (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4進行傳輸)	SmartMesh (6LoWPAN 封包透過IEEE 802.15.4e進行傳輸)	BLE Mesh
無線電頻率	2.4 GHz	2.4 GHz	2.4 GHz
資料傳輸率	250 kbps	250 kbps	1 Mbps, 2 Mbps
傳輸距離	20 至200公尺	20 至200公尺	20 至150公尺
應用吞吐量	低於0.1 Mbps	低於0.1 Mbps	低於0.2 Mbps
網路拓撲	網狀網路、星形	網狀網路、星形	網狀網路、星形
安全	AES 加密	AES 加密	AES 加密
供電	纜線供電的路由節點	路由節點平均只需要 50 μA	纜線供電的路由節點
總體持有成本	$$至$	$	$$ 至 $
時間同步頻道跳頻	x	✓	x
穩健性 (頻道分配)	x 單一頻道通訊	✓	x
可靠度 (頻道跳頻)	x 單一頻道通訊	✓	✓
標準 (互通性)	支援	專利式	支援

本文專注探討SmartMesh與BLE網狀網路是工業狀態監測感測器最適合的無線標準

ADI無線狀態監測感測器

表3 介紹 Analog Devices的 Voyager 3 無線振動監視平台以及新一代無線狀態監測感測器。Voyager 3 採用SmartMesh 模組 (LTP5901-IPC)。當中一款支援AI的振動感測器(尚在研發中) 採用BLE微控制器 (MAX32666)。兩款感測器都有溫度與電池健康狀態(SOH)感測器。Voyager 3與AI版本感測器採用ADI MEMS微機電加速計 (ADXL356、 ADXL359) 用來為工業設備量測振動的振幅與頻率。元件會運用FFT高速傅立葉轉換頻譜來辨識振動的振幅與頻率，該頻譜可以反映出各種故障的徵兆，包括像馬達失衡、錯位、以及損壞的軸承。

表3. ADI 無線工業感測器原型方案
參數	Voyager 3	新一代感測器
無線標準	SmartMesh	BLE
超低功耗邊緣AI	無	有
溫度感測器	有	有
MEMS微機電系統加速計	有 (三軸1 kHz)	有 (三軸8 kHz)
電池健康狀態監視	有	有

圖2顯示Voyager 3與支援AI振動感測器的典型運作。其工作週期和許多工業感測器一樣都是1%; 感測器在大多數時間都處於低功耗模式。感測器會定期被喚醒，並進行大量資料收集(或是在高衝擊振幅的撞擊事件)，或向使用者傳送狀態的更新通報。使用者通常會收到反映受監視機器狀態的狀態標誌，通報該機器健康狀態良好，並讓使用者有機會收集更多資料。

Figure 2. An industrial wireless sensor typical operation. — 圖2. 工業無線感測器的典型運作

安全

SmartMesh IP網路具備多層次的防護，這些層次可分類為保密性、完整性、以及真實性。圖3整理了SmartMesh的安全防護。保密性方面，採用端對端的AES-128-bit加密，就算網路中有多個網狀網路節點也能執行。傳輸的資料會以訊息驗證碼(訊息完整性檢查或MIC)，以確保其未被竄改。此種作法能防禦各種中間人(MITM)攻擊，如圖3所示。此外也能建置多重裝置驗證級別，以防止未經授權的感測器被加入到系統。

Figure 3. Security implementation for BLE and SmartMesh networks. — 圖3. BLE與SmartMesh網路的安全建置

採用4.0與4.1版BLE標準運作的裝置面臨安全風險，然而4.2以後版本納入了增強安全(如圖3所示)。ADI的MAX32666相容於5.0版BLE標準。這個版本包含P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換機制用於裝置之間的配對。在此協定中，兩個裝置的公開密鑰用來在兩個裝置之間建立稱為長期密鑰(LTK)的分享機密。這個分享機密用來驗證與產生密鑰，這些密鑰用來為所有通訊內容進行加密，以及防禦各種MITM中間人攻擊。

低功耗

表3所列的感測器的工作週期為1%，Voyager 3封包的最大資料酬載量為90 bytes，而AI版本的最大酬載量則為510 bytes。圖4(取自Shahzad與 Oelmann3)顯示在500至1000 bytes的資料傳輸量方面，BLE消耗的能量低於ZigBee與Wi-Fi。因此BLE適合運行AI的使用情境。SmartMesh能提供極低的功耗，特別90 bytes以下的酬載(正如Voyager 3感測器所用的酬載規格)。估計SmartMesh的消耗能源，是網站上的 SmartMesh Power and Performance Estimator工具。SmartMesh 功耗估算工具的準確性經實測證明可達87% 至99%，實際準確度取決於感測器屬於路由節點還是葉節點。

Figure 4. Data transmitted (radio transceiver PHY) and energy consumption (adapted from Shahzad and Oelmann).<sup>3</sup> — 圖4.已傳輸資料(無線電收發器實體層元件) 與電源消耗 (取材自Shahzad 與Oelmann).³

除了無線電傳輸能源消耗外，我們還須考慮整體系統的耗電預算以及總體持有成本。如表2所述，BLE與Zigbee使用同一個閘道器運作。然而，兩種技術都需要透過纜線為路由節點供電。然而這也會增加耗電預算以及總體持有成本。對比之下，SmartMesh路由節點平均僅消耗50 μA的電流，整個網路僅用一個閘道器就能工作。SmartMesh顯然是更具能源效率的建置方案。

可靠度與穩健性

如先前所述，SmartMesh採用TSCH，故具有以下特性:

網路中的所有節點都同步化
根據一個通訊時程表調度各節點的通訊
時間同步化促成低功耗
頻道跳頻造就高可靠度
通訊作業進行妥善排程，帶來高確定性

整個網路的同步化精準度誤差壓低到15 μs以下。極高水平的同步化造就出極低的功耗。消耗電流平均為50μA，且超過99%的時間僅為1.4 μA。

表4所列為關鍵應用挑戰及SmartMesh與BLE網狀網路如何因應

表4. 工業應用中的無線網路以及BLE/SmartMesh效能面臨的關鍵挑戰
挑戰	問題	SmartMesh	藍牙網狀網路 (Mesh)
在密集配置網路中建立穩健通訊	節點之間相互干擾進而拖慢網路速度	高效率的頻道配置以消除碰撞	受限於那些會拖慢網路速度的碰撞
當感測器裝設在有遮蔽的位置能達到較長的電池壽命	需要具電源效率的邊緣節點連線以因應電池壽命規格	電池供電的路由節點和邊緣節點建立近距離連結	纜線供電的路由節點和邊緣節點建立近距離連結
在動態工業環境進行可靠連線	移動設備或開關門的動作導致多重路徑反射	運用頻道跳頻以避免接收零點	運用頻道跳頻以避免接收零點
在擁擠的無線電頻段進行可靠的通訊	各種干擾限制了網路上的資料流量頻寬	執行頻道跳頻藉以避免干擾並有效配置頻寬以維持傳輸流量	針對小型網路設計故容易遇到網路泛洪(flooding)問題

SmartMesh在大量節點構成的高密度網路中表現良好。而BLE與SmartMesh兩者均在在動態工業環境中表現卓越。

SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圓廠通過檢測⁵ 。此廠區的嚴苛射頻環境中佈滿金屬物與混凝土。其中有32個無線感測器節點以網狀網路的形態分佈，最遠的感測器節點到閘道器之間隔著4次轉傳(hops)。每個感測器節點每隔30秒就傳送4個資料封包。在83天的期間，各感測器共傳送26,137,382個封包，共接收26,137,381個封包，達到99.999996%的可靠度。

運行於邊緣的人工智慧

新一代的無線感測器包含 MAX78000此種內嵌AI硬體加速器的微控制器。此類AI硬體加速器不僅能大幅減少資料移動，還能運用平行處理機制來優化能源消耗以及資料吞吐量。

現今市面上的無線工業感測器通常以極低的工作週期運行。使用者在設定感測器的休眠時間長度後，感測器就會按時被喚醒並量測溫度與振動，並將資料透過無線網路傳回使用者的資料聚合設備。市售感測器通常標示其擁有5年電池壽命，指的是每24小時擷取1筆資料，或是每4小時擷取1筆資料下所能維持的續航力。下一代的感測器能在類似模式下工作，同時利用邊緣AI異常偵測機制來限制使用無線電網路的次數。感測器被喚醒並開始量測資料後，只有在偵測到異常的振動時才會將資料傳回給使用者。透過這種方式，電池續航力可提升至少20%。

AI模型用來訓練感測器收到的機器健康數據，這些數據會透過無線網路傳輸給使用者以便進行AI模型的開發。運用MAX78000工具將AI模型合成為C語言程式碼，之後再傳回給無線感測器，並將模型載入記憶體。程式碼部署完成後，在預先定義間隔的時間點或是出現高G力振動事件時，無線感測器就會被喚醒。MAX78000會根據經過高速傅立葉轉換的數據進行推論。如果沒有偵測到異常，感測器就會回到休眠狀態。若是偵測到異常，使用者就會收到通知。此時使用者即可要求FFT演算法或原始時域資料以便測量出異常，並依此進行故障分類。

總結

本文闡述BLE、SmartMesh (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e網路進行傳輸)、以及Thread/Zigbee (IEEE 802.15.4)等無線標準以及其在嚴苛工業射頻環境的適用性。SmartMesh擁有優於BLE與Thread/Zigbee的可靠性與低功耗運作能力。在要求500 bytes至1000 bytes資料傳輸能力的網路中，相較於Zigbee與Thread，BLE能以更低的功耗可靠地運作。內嵌AI硬體加速器的微控制器開創一條邁向更佳決策的坦途，並為無線感測器節點挹注更長的電池續航力。

參考電路

¹ “Predictive Maintenance in Motor Driven Systems – 2020.” Interact Analysis Market Study, April 2020.

² Kris Pister and Jonathan Simon. “Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks.” Electronic Design, April 2014.

³ Khurram Shahzad and Bengt Oelmann. “A Comparative Study of In-sensor Processing vs. Raw Data Transmission Using ZigBee, BLE and Wi-Fi for Data Intensive Monitoring Applications.” 11th International Symposium on Wireless Communications Systems (ISWCS), August 2014.

⁴ Thomas Watteyne, Joy Weiss, Lance Doherty, and Jonathan Simon. “Industrial IEEE802.15.4e Networks: Performance and Trade-offs.” 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC), June 2015.

⁵ Ross Yu. “Verifying SmartMesh IP >99.999% Data Reliability for Industrial Internet of Things Applications.” Analog Devices, Inc. January 2016.