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智能無線傳感器設(shè)計完全指南

發(fā)布時間:2024-11-29 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】本文概述了幾種無線標準,并評估了低功耗藍牙? (BLE)、SmartMesh (基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN)和Thread/Zigbee(基于IEEE 802.15.4 的6LoWPAN)在惡劣工業(yè)射頻環(huán)境中的適用性,文中提供了幾個比較指標,包括功耗、可靠性、安全性和總擁有成本。SmartMesh時間同步消耗的功耗較低,并且SmartMesh和BLE信道跳頻功能帶來更高的可靠性。SmartMesh案例研究得出的結(jié)論是可靠性達到99.999996%。本文介紹了ADI公司的BLE和SmartMesh無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器,其中包括一款搭載邊緣人工智能(AI)的新型無線傳感器,它能延長受限邊緣傳感器節(jié)點的電池壽命。


本文概述了幾種無線標準,并評估了低功耗藍牙? (BLE)、SmartMesh (基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN)和Thread/Zigbee(基于IEEE 802.15.4 的6LoWPAN)在惡劣工業(yè)射頻環(huán)境中的適用性,文中提供了幾個比較指標,包括功耗、可靠性、安全性和總擁有成本。SmartMesh時間同步消耗的功耗較低,并且SmartMesh和BLE信道跳頻功能帶來更高的可靠性。SmartMesh案例研究得出的結(jié)論是可靠性達到99.999996%。本文介紹了ADI公司的BLE和SmartMesh無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器,其中包括一款搭載邊緣人工智能(AI)的新型無線傳感器,它能延長受限邊緣傳感器節(jié)點的電池壽命。


2022年至2024年間,電機驅(qū)動系統(tǒng)智能傳感器市場的銷售額預(yù)計將增長一倍以上(達到9.06億美元)。在智能傳感器領(lǐng)域,無線和便攜式設(shè)備預(yù)計將成為主要的增長動力。使用無線環(huán)境傳感器(溫度、振動)監(jiān)控工業(yè)機器有一個明確的目標:檢測受監(jiān)控設(shè)備是否偏離健康運行狀態(tài)。


對于工業(yè)無線傳感器應(yīng)用,低功耗、可靠性和安全性始終是最重要的要求。其他要求包括低總擁有成本(盡可能少的網(wǎng)關(guān)和維護工作)、短距離通信,以及支持在包含大量金屬障礙物的工廠環(huán)境中形成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議(網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)有助于減輕可能的信號路徑屏蔽和反射)。


工業(yè)應(yīng)用和無線標準要求

圖1概要展示了幾種無線標準,表1根據(jù)關(guān)鍵工業(yè)要求對選定的無線標準進行了對比評估。顯然,BLE和SmartMesh(基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN)在低功耗、可靠性和安全性方面為工業(yè)應(yīng)用提供了出色綜合性能。Thread和Zigbee功耗低、實現(xiàn)了安全網(wǎng)格,但可靠性相對較低。



智能無線傳感器設(shè)計完全指南

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表2提供了有關(guān)Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE網(wǎng)格標準的更多細節(jié)。SmartMesh包含時間同步信道跳頻(TSCH)協(xié)議,根據(jù)該協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都同步,通信由預(yù)定的時間表進行協(xié)調(diào)。時間同步消耗的功耗低,并且信道跳頻可靠性高。BLE標準也包含信道跳頻,但與SmartMesh相比有一些限制,例如線路供電路由節(jié)點(會增加系統(tǒng)成本和功耗),而且不支持TSCH。如前所述,Zigbee/Thread的可靠性相對較低,與BLE相比沒有太多優(yōu)勢。


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本文將重點介紹SmartMesh和BLE網(wǎng)格,這是針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控傳感器的最適合的無線標準。


ADI無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器

表3概述了ADI公司的 Voyager 3無線振動監(jiān)測平臺和下一代無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器。Voyager 3采用SmartMesh模塊(LTP5901-IPC)。支持AI的振動傳感器(仍在開發(fā)中)采用BLE微控制器 (MAX32666)。兩種傳感器均包含溫度和電池健康狀態(tài)(SOH)傳感器。Voyager 3和AI版本傳感器使用ADI MEMS加速度計 (ADXL356, ADXL359)來測量工業(yè)設(shè)備的振動幅度和頻率。通過FFT頻譜可以識別出振動幅度和頻率的增加,這可能是電機不平衡、未對準和軸承損壞等故障的征兆。


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圖2概述了Voyager 3和支持AI的振動傳感器典型操作。與許多工業(yè)傳感器一樣,占空比為1%;大多數(shù)時候,傳感器處于低功耗模式。傳感器定期喚醒以批量收集數(shù)據(jù)(或在發(fā)生高振動幅度沖擊事件時喚醒),或者向用戶發(fā)送狀態(tài)更新。通常通過一個標志通知用戶,受監(jiān)控的機器運行狀況良好,并且用戶有機會收集更多數(shù)據(jù)。


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安全性


SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)采用多重安全層級,這些層級可以歸納為機密性、完整性和真實性。圖3總結(jié)了SmartMesh安全性。即使網(wǎng)絡(luò)中存在多個網(wǎng)格節(jié)點,AES-128位端到端加密也能確保機密性。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受消息認證碼(消息完整性檢查或MIC)的保護,以確保數(shù)據(jù)沒有被篡改。這可以防止中間人(MITM)攻擊,如圖3所示。SmartMesh支持多級設(shè)備身份驗證,能夠防止未經(jīng)授權(quán)的傳感器添加到系統(tǒng)中。


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采用BLE標準4.0和4.1版本的設(shè)備存在安全漏洞,但4.2及更高版本的安全性有所增強(如圖3所示)。ADI公司的MAX32666符合BLE標準5.0。此版本引入了P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換用于配對。在該協(xié)議中,兩個設(shè)備的公鑰用于創(chuàng)建兩個設(shè)備之間的共享密鑰,即長期密鑰(LTK)。該共享密鑰用于身份驗證和生成密鑰,以將所有通信加密,防止MITM攻擊。


低功耗


表3中顯示的傳感器以1%的占空比運行,其中Voyager 3的最大有效載荷為90字節(jié),AI版本的最大有效載荷為510字節(jié)。圖4(改編自Shahzad和Oelmann3)顯示,對于500字節(jié)到1000字節(jié)的有效載荷,BLE消耗的能量少于Zigbee和Wi-Fi。因此,BLE非常適合AI使用場景。SmartMesh的功耗非常低,在90字節(jié)或有效載荷更少的情況下(如Voyager 3傳感器中使用的)尤為如此。網(wǎng)站上提供的martMesh功耗和性能估算工具可用于估算SmartMesh能耗。經(jīng)實驗驗證,SmartMesh功耗估算工具的精度為87%至99%,具體取決于傳感器是路由節(jié)點還是葉節(jié)點。


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除了無線電發(fā)射功耗之外,還必須考慮系統(tǒng)總功耗預(yù)算和總擁有成本。如表2所示,BLE和Zigbee都使用單個網(wǎng)關(guān)運行。然而,兩者還需要線路電源來為路由節(jié)點供電。這會增加功耗預(yù)算和系統(tǒng)總擁有成本。相比之下,SmartMesh路由節(jié)點平均僅需要50 μA的電流,并且整個網(wǎng)絡(luò)可以使用單個網(wǎng)關(guān)運行。SmartMesh顯然是一種更節(jié)能的實現(xiàn)方案。


可靠性和穩(wěn)健性


前面提到過,SmartMesh采用TSCH,它有以下特點:


  • 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都同步。

  • 通信根據(jù)通信時間表進行。

  • 時間同步帶來低功耗。

  • 信道跳頻帶來高可靠性。

  • 通信的計劃性帶來高度確定性。

全網(wǎng)絡(luò)同步精度小于15μs。如此高水平的同步可大大降低功耗。平均電流消耗為50 μA,99%以上的時間電流消耗為1.4 μA。

表4列出了一些關(guān)鍵應(yīng)用挑戰(zhàn),并說明了SmartMesh和BLE網(wǎng)格如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。


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SmartMesh在擁有大量節(jié)點的密集網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)更佳。BLE和SmartMesh 在動態(tài)工業(yè)環(huán)境中均表現(xiàn)良好。


ADI公司的晶圓廠針對SmartMesh的可靠性進行了測試,該工廠的射頻環(huán)境較為惡劣,滿是金屬和混凝土。三十二個無線傳感器節(jié)點分布在一個Mesh網(wǎng)絡(luò)中,最遠的傳感器節(jié)點到網(wǎng)關(guān)有四跳。每個傳感器節(jié)點每30秒發(fā)送四個數(shù)據(jù)包。在83天的時間段里,傳感器發(fā)送了26,137,382個數(shù)據(jù)包,接收了26,137,381個數(shù)據(jù)包,可靠性為99.999996%。


邊緣人工智能

下一代無線傳感器包括搭載AI硬件加速器的MAX78000微控制器。該AI硬件加速器大幅減少了數(shù)據(jù)移動,并利用并行性優(yōu)化了能源使用和吞吐速率。


目前市售無線工業(yè)傳感器通常以非常低的占空比運行。用戶設(shè)置傳感器休眠時長,此后傳感器喚醒并測量溫度和振動,然后通過無線電將數(shù)據(jù)傳回用戶的數(shù)據(jù)聚合器。市售傳感器通常聲稱電池壽命為5年,此壽命基于每24小時捕獲一次數(shù)據(jù),或每4 小時捕獲一次數(shù)據(jù)。下一代傳感器將以類似方式運行,但利用邊緣AI異常檢測來限制無線電的使用。當傳感器喚醒并測量數(shù)據(jù)時,只有檢測到振動異常時才會將數(shù)據(jù)傳回用戶。這樣,電池壽命可以延長至少20%。


對于AI模型訓練,傳感器收集機器的健康數(shù)據(jù),然后通過無線方式發(fā)送給用戶進行AI模型開發(fā)。使用MAX78000工具將AI模型合成為C代碼,然后傳回無線傳感器并置于內(nèi)存中。部署代碼后,無線傳感器按照預(yù)定義的時間間隔或在發(fā)生高-g沖擊事件時喚醒。收集數(shù)據(jù)后生成FFT。通過FFT,MAX78000基于該數(shù)據(jù)做出推斷。如果沒有檢測到異常,則傳感器返回休眠狀態(tài)。如果檢測到異常,則會通知用戶。然后,用戶可以請求所測得異常的FFT或原始時域數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可用于故障分類。


結(jié)論


本文概述了幾種無線標準,并評估了BLE、SmartMesh(基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN)和Thread/Zigbee (IEEE 802.15.4)在惡劣工業(yè)射頻環(huán)境中的適用性。與BLE和Thread/Zigbee相比,SmartMesh具有優(yōu)異的可靠性和低功耗運行特性。對于需要500字節(jié)到1000字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò),BLE相較于Zigbee和Thread可以更可靠地運行,并且功耗更低。搭載嵌入式AI硬件加速器的微控制器可以提升無線傳感器節(jié)點的決策能力,并延長其電池壽命。

文章來源:亞德諾半導(dǎo)體


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