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智能無線工業傳感器設計完全指南

本文作者：Richard Anslow 點擊： 2025-04-03 16:44

前言：

摘要

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）在惡劣工業射頻環境中的適用性，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無線狀態監控傳感器，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點的電池壽命。

簡介

2022年至2024年間，電機驅動系統智能傳感器市場的銷售額預計將增長一倍以上（達到9.06億美元）1。在智能傳感器領域，無線和便攜式設備預計將成為主要的增長動力。使用無線環境傳感器（溫度、振動）監控工業機器有一個明確的目標：檢測受監控設備是否偏離健康運行狀態。

對于工業無線傳感器應用，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（盡可能少的網關和維護工作）、短距離通信，以及支持在包含大量金屬障礙物的工廠環境中形成網格網絡的協議（網格網絡有助于減輕可能的信號路徑屏蔽和反射）。

工業應用和無線標準要求

圖1概要展示了幾種無線標準，表1根據關鍵工業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應用提供了出色綜合性能。Thread和Zigbee功耗低、實現了安全網格，但可靠性相對較低。

圖1.無線標準概覽

表1.無線標準與工業應用需求的匹配

標準	范圍	功耗	可靠性	穩健性	總擁有成本	支持網格	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、Thread （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300 m	中低功耗節點，高功耗網關	低	低	高	否--星型拓撲	是，AES

表2提供了有關Zigbee/Thread、SmartMesh和BLE網格標準的更多細節。SmartMesh包含時間同步信道跳頻(TSCH)協議，根據該協議，網絡中的所有節點都同步，通信由預定的時間表進行協調。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點（會增加系統成本和功耗），而且不支持TSCH。如前所述，Zigbee/Thread的可靠性相對較低，與BLE相比沒有太多優勢。

表2.工業應用的關鍵無線標準和性能

特性	Zigbee、Thread（基于IEEE 802.15.4的6LoWPAN）	SmartMesh（基于IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）	BLE網格
射頻	2.4 GHz2.4 GHz	2.4 GHz2.4 GHz	2.4 GHz2.4 GHz
Data rate數據速率	250 kbps250 kbps	250 kbps250 kbps	1 Mbps, 2 Mbps1 Mbps、2 Mbps
Range范圍	20 m to 200 m20 m至200 m	20 m to 200 m20 m至200 m	20 m to 150 m20 m至150 m
Application throughput應用吞吐速率	< 0.1 Mbps< 0.1 Mbps	< 0.1 Mbps< 0.1 Mbps	< 0.2 Mbps< 0.2 Mbps
Network topology網絡拓撲結構	Mesh, Star網格、星型	Mesh, Star網格、星型	Mesh, Star網格、星型
安全性	AES encryptionAES加密	AES encryptionAES加密	AES encryptionAES加密
Power功耗	Line powered routing nodes線路供電路由節點	μA路由節點平均僅需50 μA	Line powered routing nodes線路供電路由節點
Total cost of ownership總擁有成本	$$ to $$$ 至 $	$$	$$ to $$$ 至 $
Time synchronized channel hopping時間同步信道跳頻	xx	üü	xx
Robustness (channel allocation)穩健性（信道分配）	x Single channel commsx單通道通信	üü	xx
Reliability (channel hopping)可靠性（信道跳頻）	x Single channel commsx單通道通信	üü	üü
Standards (interoperability)標準（互操作性）	Yes是	Proprietary專有	Yes是

本文將重點介紹SmartMesh和BLE網格，這是針對工業狀態監控傳感器的最適合的無線標準。

ADI無線狀態監控傳感器

表3概述了ADI公司的Voyager 3無線振動監測平臺和下一代無線狀態監控傳感器。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(SOH)傳感器。Voyager 3和AI版本傳感器使用ADI MEMS加速度計（ADXL356、ADXL359）來測量工業設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。

表3.ADI無線工業傳感器原型

參數	Voyager 3	下一代傳感器
無線標準	SmartMesh	BLE
超低功耗邊緣AI	否	是
溫度傳感器	是	是
MEMS加速度計	是（三軸1 kHz）	是（三軸8 kHz）
電池SOH監測	是	是

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

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，AI版本的最大有效載荷為510字節。圖4（改編自Shahzad和Oelmann3）顯示，對于500字節到1000字節的有效載荷，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。網站上提供的SmartMesh功耗和性能估算工具可用于估算SmartMesh能耗。經實驗驗證，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點還是葉節點。

圖2.工業無線傳感器的典型操作

安全性

SmartMesh IP網絡采用多重安全層級，這些層級可以歸納為機密性、完整性和真實性。圖3總結了SmartMesh安全性。即使網絡中存在多個網格節點，AES-128位端到端加密也能確保機密性。傳輸的數據受消息認證碼（消息完整性檢查或MIC）的保護，以確保數據沒有被篡改。這可以防止中間人(MITM)攻擊，如圖3所示。SmartMesh支持多級設備身份驗證，能夠防止未經授權的傳感器添加到系統中。

圖3.BLE和SmartMesh網絡的安全實現方案

采用BLE標準4.0和4.1版本的設備存在安全漏洞，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。在該協議中，兩個設備的公鑰用于創建兩個設備之間的共享密鑰，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。

圖4.數據傳輸（無線電收發器PHY）和能耗（改編自Shahzad和Oelmann）3

除了無線電發射功耗之外，還必須考慮系統總功耗預算和總擁有成本。如表2所示，BLE和Zigbee都使用單個網關運行。然而，兩者還需要線路電源來為路由節點供電。這會增加功耗預算和系統總擁有成本。相比之下，SmartMesh路由節點平均僅需要50 µA的電流，并且整個網絡可以使用單個網關運行。SmartMesh顯然是一種更節能的實現方案。

可靠性和穩健性

前面提到過，SmartMesh采用TSCH，它有以下特點：

? 網絡中的所有節點都同步。

? 通信根據通信時間表進行。

? 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。

全網絡同步精度小于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列出了一些關鍵應用挑戰，并說明了SmartMesh和BLE網格如何應對這些挑戰。

表4.工業應用中無線網絡面臨的關鍵挑戰以及BLE/SmartMesh性能

挑戰	問題	SmartMesh	藍牙網格
在密集型網絡中穩健通信	節點相互干擾，拖慢網絡速度	高效信道分配消除沖突	依賴拖慢網絡速度的沖突
延長安裝在屏蔽位置的傳感器電池壽命	需要能效比較高的邊緣節點連接，以滿足電池壽命規格	電池供電的路由節點與邊緣節點建立近距離連接	線路供電的路由節點與邊緣節點建立近距離連接
動態工業環境中保持可靠連接	移動設備或開/關門會引起多徑反射	采用信道跳頻來避免接收零陷(null)	采用信道跳頻來避免接收零陷(null)
在擁擠的無線電波段實現可靠通信	干擾源限制網絡上的數據流量帶寬	信道跳頻可避免干擾源，高效的帶寬分配可維持流量	專為小型網絡設計，容易遭受網絡洪泛攻擊

SmartMesh在擁有大量節點的密集網絡中表現更佳。BLE和SmartMesh在動態工業環境中均表現良好。

ADI公司的晶圓廠針對SmartMesh的可靠性進行了測試5，該工廠的射頻環境較為惡劣，滿是金屬和混凝土。三十二個無線傳感器節點分布在一個Mesh網絡中，最遠的傳感器節點到網關有四跳。每個傳感器節點每30秒發送四個數據包。在83天的時間段里，傳感器發送了26,137,382個數據包，接收了26,137,381個數據包，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據移動，并利用并行性優化了能源使用和吞吐速率。

目前市售無線工業傳感器通常以非常低的占空比運行。用戶設置傳感器休眠時長，此后傳感器喚醒并測量溫度和振動，然后通過無線電將數據傳回用戶的數據聚合器。市售傳感器通常聲稱電池壽命為5年，此壽命基于每24小時捕獲一次數據，或每4小時捕獲一次數據。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據時，只有檢測到振動異常時才會將數據傳回用戶。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據，然后通過無線方式發送給用戶進行AI模型開發。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存中。部署代碼后，無線傳感器按照預定義的時間間隔或在發生高-g沖擊事件時喚醒。收集數據后生成FFT。通過FFT，MAX78000基于該數據做出推斷。如果沒有檢測到異常，則傳感器返回休眠狀態。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或原始時域數據，這些數據可用于故障分類。

結論

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)在惡劣工業射頻環境中的適用性。與BLE和Thread/Zigbee相比，SmartMesh具有優異的可靠性和低功耗運行特性。對于需要500字節到1000字節數據傳輸的網絡，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點的決策能力，并延長其電池壽命。

參考文獻

1“電機驅動系統的預測性維護–2020年”，Interact Analysis市場研究，2020年4月。

2 Kris Pister和Jonathan Simon，“保護無線傳感器網絡免受攻擊”，Electronic Design（電子設計），2014年4月。

3 Khurram Shahzad和Bengt Oelmann，“數據密集型監控應用的傳感器內處理與使用ZigBee、BLE和Wi-Fi傳輸原始數據的比較研究”，第11屆國際無線通信系統研討會(ISWCS)，2014年8月。

4 Thomas Watteyne、Joy Weiss、Lance Doherty和Jonathan Simon，“工業IEEE802.15.4e網絡：性能與權衡”，2015年IEEE國際通信會議(ICC)，2015年6月。

5 Ross Yu，“驗證面向工業物聯網應用的SmartMesh IP提供超過99.999%的數據可靠性”，ADI公司，2016年1月。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Richard Anslow是ADI公司工業自動化事業部的高級經理，從事軟件系統設計工程工作。他的專長領域是狀態監控、電機控制和工業通信設計。他擁有愛爾蘭利默里克大學工程學士學位和工程碩士學位。最近，他完成了美國普渡大學人工智能(AI)和機器學習(ML)的研究生課程。

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