智能型无线工业传感器之设计指南
本文专注探讨SmartMesh与Bluetooth Low Energy（BLE）网状网络是工业状态监测传感器最适合的无线标准，其中介绍BLE低功耗蓝牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等无线标准，以及其在严苛工业射频环境中的适用性，并列举多项比较标准，包括功耗、可靠度、安全性及总体持有成本。SmartMesh时间同步机制造就出低功耗性能，而SmartMesh与BLE频道跳频机制则带来更高的可靠度。一项针对SmartMesh的案例研究，总结出可靠度高达99.999996%。Analog Devices的BLE与SmartMesh无线式状态监测传感器包含一款配备边缘人工智能（AI）功能的新型无线传感器，能够为受限制的边缘传感器节点挹注更长的电池续航力。传感器市场规模，从2022到2024年的成长幅度预估将超过2倍（成长至9.06亿美元）。在智能传感器方面，主要的成长驱动力将来自无线与便携设备。运用无线环境传感器（温度、振动）来监视工业机器，其明确目标是侦测出受监视设备在何时会偏离健康运作的状态。在工业无线传感器应用领域，低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最关键的要求。其他要求还包括低总体持有成本（最少的网关、维护）、短距离通讯，以及能支持网状网络的通讯协议，其能适应充斥大量金属障碍物的工厂环境（网状网络有助于纾解潜在讯号路径遮蔽与反射的问题）。图一概述各种无线标准，表一列出多项无线标准并对照关键的产业要求。从图表可明显看出BLE与SmartMesh（6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4e进行传输）能为工业应用提供兼顾低功耗、可靠度、安全性的优化组合。Thread与ZigBee提供低功耗与安全的网状网络实作方案，但在可靠度的评分较低。
表二进一步详列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE网状网络标准。SmartMesh包含一个时间同步频道跳频（TSCH）协议，网络中所有节点都进行同步化，并依一个时程表来协调通讯作业。时间同步造就出低功耗，而频道跳频则造就出高可靠度。此外，BLE标准也包含频道跳频，但其相较于SmartMesh则存在一些限制，包括像不支持缆线供电的路由节点（增加系统成本与耗电）与TSCH。如先前所述，ZigBee/Thread在可靠度的表现较差，且不具备许多BLE所拥有的优点。表二：工业应用的关键无线标准与效能数据
以下说明Analog Devices的Voyager 3无线振动监视平台及新一代无线状态监测传感器。Voyager 3采用SmartMesh模块（LTP5901-IPC），当中一款支持AI的振动传感器（研发中）采用BLE微控制器（MAX32666）。两款传感器都有温度与电池健康状态（SOH）传感器。Voyager 3与AI版本传感器采用MEMS微机电加速计（ADXL356、ADXL359）用来为工业设施量测振动的振幅与频率。组件会运用FFT高速傅立叶变换频谱来辨识振动的振幅与频率，该频谱可以反映出各种故障的征兆，包括像马达失衡、错位、以及损坏的轴承。图二显示Voyager 3与支持AI振动传感器的典型运作。其工作周期和许多任务业传感器一样都是1%；传感器在大多数时间都处于低功耗模式。传感器会定期被唤醒，并进行大量数据收集（或是在高冲击振幅的撞击事件），或向使用者传送状态的更新通报。使用者通常会收到反映受监视机器状态的状态标志，通报该机器健康状态良好，并让使用者有机会收集更多数据。
SmartMesh IP网络具备多层次的防护，这些层次可分类为保密性、完整性、以及真实性。图三整理了SmartMesh的安全防护。保密性方面，采用端对端的AES-128-bit加密，就算网络中有多个网状网络节点也能执行。传输的数据会以消息验证代码（讯息完整性检查或MIC），以确保其未被窜改。此种作法能防御各种中间人（MITM）攻击，如图三所示。此外，也能够建置多重装置验证级别，以防止没有经过授权的传感器被加入到系统。
采用4.0与4.1版BLE标准运作的装置面临安全风险，然而4.2以后版本纳入了增强安全（如图三所示）。的MAX32666兼容于5.0版BLE标准。这个版本包含P-256椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换机制用于装置之间的配对。在此协议中，两个装置的公开密钥用来在两个装置之间建立称为长期密钥（LTK）的分享机密。这个分享机密用来验证与产生密钥，这些密钥用来为所有通讯内容做加密，以及防御各种MITM中间人攻击。上述章节中的传感器工作周期为1%，Voyager 3封包的最大数据酬载量为90 bytes，而AI版本的最大酬载量则为510 bytes。图四（取自Shahzad与 Oelmann3）显示在500至1000 bytes的数据传输量方面，BLE消耗的能量低于ZigBee与Wi-Fi。因此BLE适合运行AI的使用情境。SmartMesh可提供极低的功耗，特别是90 bytes以下的酬载（正如Voyager 3传感器所用的酬载规格）。SmartMesh 功耗估算工具的准确性经实测证明可达87%至99%，实际准确度取决于传感器属于路由节点还是叶节点。
图四 : 已传输数据（无线电收发器物理层组件）与电源消耗（取材自Shahzad 与Oelmann）除了无线电传输能源消耗外，我们还须考虑整体系统的耗电预算以及总体持有成本。如表二所述，BLE与ZigBee使用同一个网关运作。然而两种技术都需要透过缆线为路由节点供电，这也会增加耗电预算以及总体持有成本。对比之下，SmartMesh路由节点平均仅消耗50 μA的电流，整个网络仅用一个网关就能工作。SmartMesh显然是更具能源效率的建置方案。如先前所述，SmartMesh采用TSCH，因此具有以下特性：网络中的所有节点都同步化、根据一个通讯时程表调度各节点的通讯、时间同步化促成低功耗、频道跳频造就高可靠度，以及通讯作业进行妥善排程，带来高确定性。整个网络的同步化精准度误差压低到15 μs以下。极高水平的同步化造就出极低的功耗。消耗电流平均为50μA，且超过99%的时间仅为1.4 μA。表三所列为关键应用时的挑战，以及SmartMesh与BLE网状网络如何因应。SmartMesh在大量节点构成的高密度网络中表现良好，而BLE与SmartMesh两者均在在动态工业环境中表现卓越。表三：工业应用中的无线网络及BLE/SmartMesh效能面临的关键挑战
SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圆厂通过检验测试。此厂区的严苛射频环境中布满金属物与混凝土，其中有32个无线传感器节点以网状网络的形态分布，最远的传感器节点到网关之间隔着4次转传（hops）。每个传感器节点每隔30秒就传送4个数据封包。在83天的期间，各传感器共传送26,137,382个封包，共接收26,137,381个封包，达到99.999996%的可靠度。运行于边缘的人工智能新一代的无线 此种内嵌AI硬件加速器的微控制器，此类AI硬件加速器不仅能大幅度减少数据移动，还可以应用平行处理机制来优化能源消耗以及数据吞吐量。现今市面上的无线工业传感器通常以极低的工作周期运行，用户在设定传感器的休眠时间长度后，传感器就会按时被唤醒并量测温度与振动，并将数据透过无线网络传回用户的数据聚合设备。市售传感器通常标示其拥有5年电池使用寿命，指的是每24小时撷取1笔数据，或是每4小时撷取1笔数据下所能维持的续航力。下一代的传感器能够在类似模式下工作，同时利用边缘AI异常侦测机制来限制使用无线电网络的次数。当传感器被唤醒并开始量测数据之后，只有在侦测到异常的振动时，才会将数据传回给用户。透过这种方式，电池续航力可提升至少20%。AI模型用来训练传感器收到的机器健康数据，这一些数据会透过无线网络传输给用户，以便进行AI模型的开发。运用MAX78000工具将AI模型合成为C语言程序代码，之后再传回给无线传感器，并将模型加载内存。当程序代码部署完成后，在预先定义间隔的时间点或是出现高G力振动事件时，无线传感器就会被唤醒。MAX78000会根据经过高速傅立叶变换的数据来进行推论。如果没有侦测到异常，传感器就会回到休眠状态。若是侦测到异常，使用者就会收到通知。此时用户即可要求FFT算法或原始时域数据以便测量出异常，并依此进行故障分类。总结本文阐述BLE、SmartMesh（6LoWPAN封包透过IEEE 802.15.4e网络进行传输）、以及Thread/ZigBee（IEEE 802.15.4）等无线标准，以及其在严苛工业射频环境的适用性。SmartMesh拥有优于BLE与Thread/ZigBee的可靠性与低功耗运作能力。在要求500 bytes至1000 bytes数据传输能力的网络中，相较于ZigBee与Thread，BLE能以更低的功耗可靠地运作。内嵌AI硬件加速器的微控制器开创一条迈向更佳决策的坦途，并为无线传感器节点挹注更长的电池续航力。（本文作者Richard Anslow为ADI系统工程资深经理）
