本文專注探討SmartMesh與Bluetooth Low Energy（BLE）網(wǎng)狀網(wǎng)路是工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)感測(cè)器最適合的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其中介紹BLE低功耗藍(lán)牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，以及其在嚴(yán)苛工業(yè)射頻環(huán)境中的適用性，並列舉多項(xiàng)比較標(biāo)準(zhǔn)，包括功耗、可靠度、安全性及總體持有成本。
SmartMesh時(shí)間同步機(jī)制造就出低功耗性能，而SmartMesh與BLE頻道跳頻機(jī)制則帶來(lái)更高的可靠度。一項(xiàng)針對(duì)SmartMesh的案例研究，總結(jié)出可靠度高達(dá)99.999996%。Analog Devices的BLE與SmartMesh無(wú)線式狀態(tài)監(jiān)測(cè)感測(cè)器包含一款配備邊緣人工智慧（AI）功能的新型無(wú)線感測(cè)器，能夠?yàn)槭芟拗频倪吘壐袦y(cè)器節(jié)點(diǎn)挹注更長(zhǎng)的電池續(xù)航力。
智慧感測(cè)器市場(chǎng)成長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力
由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智慧型感測(cè)器市場(chǎng)規(guī)模，從2022到2024年的成長(zhǎng)幅度預(yù)估將超過(guò)2倍（成長(zhǎng)至9.06億美元）。在智慧感測(cè)器方面，主要的成長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力將來(lái)自無(wú)線與可攜式裝置。運(yùn)用無(wú)線環(huán)境感測(cè)器（溫度、振動(dòng)）來(lái)監(jiān)視工業(yè)機(jī)器，其明確目標(biāo)是偵測(cè)出受監(jiān)視設(shè)備在何時(shí)會(huì)偏離健康運(yùn)作的狀態(tài)。
在工業(yè)無(wú)線感測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最關(guān)鍵的要求。其他要求還包括低總體持有成本（最少的閘道器、維護(hù)）、短距離通訊，以及能支援網(wǎng)狀網(wǎng)路的通訊協(xié)定，其能適應(yīng)充斥大量金屬障礙物的工廠環(huán)境（網(wǎng)狀網(wǎng)路有助於紓解潛在訊號(hào)路徑遮蔽與反射的問(wèn)題）。
工業(yè)應(yīng)用與無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的要求
圖一概述各種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，表一列出多項(xiàng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)並對(duì)照關(guān)鍵的產(chǎn)業(yè)要求。從圖表可明顯看出BLE與SmartMesh（6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4e進(jìn)行傳輸）能為工業(yè)應(yīng)用提供兼顧低功耗、可靠度、安全性的最佳化組合。Thread與ZigBee提供低功耗與安全的網(wǎng)狀網(wǎng)路實(shí)作方案，但在可靠度的評(píng)分較低。
| 圖一 : 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查 |
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表一：無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求
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標(biāo)準(zhǔn)
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距離
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功耗
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可靠度
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強(qiáng)健性
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總體持有成本
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網(wǎng)狀網(wǎng)路能力
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安全
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Wi-Fi
（802.111 b, g）
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100公尺
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高
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低
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低
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高
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支援
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支援， WPA
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BLE
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20至100公尺
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低/中
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中/高
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低
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中
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支援
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支援， AES
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ZigBee,
Thread （6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4進(jìn)行傳輸）
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20 至200公尺
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低/中
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低
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低
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中
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支援
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支援， AES
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SmartMesh （6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4e進(jìn)行傳輸）
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20 至200公尺
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低
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舉
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高
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低
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支援
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支援， AES
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LoRaWAN
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500至3000公尺
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中至低功耗節(jié)點(diǎn)，高功率閘道器
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低
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低
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高
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不支援 – 星形拓?fù)?/span>
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支援， AES
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表二進(jìn)一步詳列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE網(wǎng)狀網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)。SmartMesh包含一個(gè)時(shí)間同步頻道跳頻（TSCH）協(xié)定，網(wǎng)路中所有節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行同步化，並依一個(gè)時(shí)程表來(lái)協(xié)調(diào)通訊作業(yè)。時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)點(diǎn)（增加系統(tǒng)成本與耗電）與TSCH。如先前所述，ZigBee/Thread在可靠度的表現(xiàn)較差，且不具備許多BLE所擁有的優(yōu)點(diǎn)。
表二：工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)與效能數(shù)據(jù)
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特色
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ZigBee、Thread （6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4進(jìn)行傳輸）
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SmartMesh （6LoWPAN 封包透過(guò)IEEE 802.15.4e進(jìn)行傳輸）
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BLE Mesh
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無(wú)線電頻率
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2.4 GHz
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2.4 GHz
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2.4 GHz
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資料傳輸率
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250 kbps
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250 kbps
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1 Mbps,
2 Mbps
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傳輸距離
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20 至200公尺
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20至200公尺
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20 至150公尺
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應(yīng)用吞吐量
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低於0.1 Mbps
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低於0.1 Mbps
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低於0.2 Mbps
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網(wǎng)路拓?fù)?/span>
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網(wǎng)狀網(wǎng)路、星形
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網(wǎng)狀網(wǎng)路、星形
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網(wǎng)狀網(wǎng)路、星形
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安全
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AES
加密
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AES
加密
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AES
加密
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供電
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纜線供電的路由節(jié)點(diǎn)
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路由節(jié)點(diǎn)平均只需要
?50 μA
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纜線供電的路由節(jié)點(diǎn)
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總體持有成本
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$$ 至$
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$
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$$ 至$
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時(shí)間同步頻道跳頻
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x
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?
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x
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穩(wěn)健性 （頻道分配）
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x 單一頻道通訊
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?
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x
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可靠度 （頻道跳頻）
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x 單一頻道通訊
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?
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?
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標(biāo)準(zhǔn) （互通性）
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支援
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專利式
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支援
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無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)感測(cè)器
以下說(shuō)明Analog Devices的Voyager 3無(wú)線振動(dòng)監(jiān)視平臺(tái)及新一代無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)感測(cè)器。Voyager 3採(cǎi)用SmartMesh模組（LTP5901-IPC），當(dāng)中一款支援AI的振動(dòng)感測(cè)器（研發(fā)中）採(cǎi)用BLE微控制器（MAX32666）。兩款感測(cè)器都有溫度與電池健康狀態(tài)（SOH）感測(cè)器。Voyager 3與AI版本感測(cè)器採(cǎi)用ADI MEMS微機(jī)電加速計(jì)（ADXL356、ADXL359）用來(lái)為工業(yè)設(shè)備量測(cè)振動(dòng)的振幅與頻率。元件會(huì)運(yùn)用FFT高速傅立葉轉(zhuǎn)換頻譜來(lái)辨識(shí)振動(dòng)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(dá)失衡、錯(cuò)位、以及損壞的軸承。
圖二顯示Voyager 3與支援AI振動(dòng)感測(cè)器的典型運(yùn)作。其工作週期和許多工業(yè)感測(cè)器一樣都是1%；感測(cè)器在大多數(shù)時(shí)間都處?kù)兜凸哪Ｊ健８袦y(cè)器會(huì)定期被喚醒，並進(jìn)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(tài)的更新通報(bào)。使用者通常會(huì)收到反映受監(jiān)視機(jī)器狀態(tài)的狀態(tài)標(biāo)誌，通報(bào)該機(jī)器健康狀態(tài)良好，並讓使用者有機(jī)會(huì)收集更多資料。
| 圖二 : 工業(yè)無(wú)線感測(cè)器的典型運(yùn)作 |
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安全
SmartMesh IP網(wǎng)路具備多層次的防護(hù)，這些層次可分類為保密性、完整性、以及真實(shí)性。圖三整理了SmartMesh的安全防護(hù)。保密性方面，採(cǎi)用端對(duì)端的AES-128-bit加密，就算網(wǎng)路中有多個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)也能執(zhí)行。傳輸?shù)馁Y料會(huì)以訊息驗(yàn)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，如圖三所示。此外，也能夠建置多重裝置驗(yàn)證級(jí)別，以防止未經(jīng)授權(quán)的感測(cè)器被加入到系統(tǒng)。
| 圖三 : BLE與SmartMesh網(wǎng)路的安全建置 |
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採(cǎi)用4.0與4.1版BLE標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作的裝置面臨安全風(fēng)險(xiǎn)，然而4.2以後版本納入了增強(qiáng)安全（如圖三所示）。ADI的MAX32666相容於5.0版BLE標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)版本包含P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換機(jī)制用於裝置之間的配對(duì)。在此協(xié)定中，兩個(gè)裝置的公開(kāi)密鑰用來(lái)在兩個(gè)裝置之間建立稱為長(zhǎng)期密鑰（LTK）的分享機(jī)密。這個(gè)分享機(jī)密用來(lái)驗(yàn)證與產(chǎn)生密鑰，這些密鑰用來(lái)為所有通訊內(nèi)容進(jìn)行加密，以及防禦各種MITM中間人攻擊。
低功耗
上述章節(jié)中的感測(cè)器工作週期為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。圖四（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(yùn)行AI的使用情境。SmartMesh能夠提供極低的功耗，特別是90 bytes以下的酬載（正如Voyager 3感測(cè)器所用的酬載規(guī)格）。SmartMesh 功耗估算工具的準(zhǔn)確性經(jīng)實(shí)測(cè)證明可達(dá)87%至99%，實(shí)際準(zhǔn)確度取決於感測(cè)器屬於路由節(jié)點(diǎn)還是葉節(jié)點(diǎn)。
| 圖四 : 已傳輸資料（無(wú)線電收發(fā)器實(shí)體層元件）與電源消耗（取材自Shahzad 與Oelmann） |
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除了無(wú)線電傳輸能源消耗外，我們還須考慮整體系統(tǒng)的耗電預(yù)算以及總體持有成本。如表二所述，BLE與ZigBee使用同一個(gè)閘道器運(yùn)作。然而兩種技術(shù)都需要透過(guò)纜線為路由節(jié)點(diǎn)供電，這也會(huì)增加耗電預(yù)算以及總體持有成本。對(duì)比之下，SmartMesh路由節(jié)點(diǎn)平均僅消耗50 μA的電流，整個(gè)網(wǎng)路僅用一個(gè)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(wěn)健性
如先前所述，SmartMesh採(cǎi)用TSCH，因此具有以下特性：網(wǎng)路中的所有節(jié)點(diǎn)都同步化、根據(jù)一個(gè)通訊時(shí)程表調(diào)度各節(jié)點(diǎn)的通訊、時(shí)間同步化促成低功耗、頻道跳頻造就高可靠度，以及通訊作業(yè)進(jìn)行妥善排程，帶來(lái)高確定性。
整個(gè)網(wǎng)路的同步化精準(zhǔn)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(guò)99%的時(shí)間僅為1.4 μA。
表三所列為關(guān)鍵應(yīng)用時(shí)的挑戰(zhàn)，以及SmartMesh與BLE網(wǎng)狀網(wǎng)路如何因應(yīng)。SmartMesh在大量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的高密度網(wǎng)路中表現(xiàn)良好，而B(niǎo)LE與SmartMesh兩者均在在動(dòng)態(tài)工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)卓越。
表三：工業(yè)應(yīng)用中的無(wú)線網(wǎng)路及BLE/SmartMesh效能面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)
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挑戰(zhàn)
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問(wèn)題
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SmartMesh
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藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)路（Mesh）
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在密集配置網(wǎng)路中建立穩(wěn)健通訊
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節(jié)點(diǎn)之間相互干擾，進(jìn)而拖慢網(wǎng)路速度
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高效率的頻道配置以消除碰撞
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受限於會(huì)拖慢網(wǎng)路速度的碰撞
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當(dāng)感測(cè)器裝設(shè)在有遮蔽的位置，能夠達(dá)到較長(zhǎng)的電池壽命
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需要具電源效率的邊緣節(jié)點(diǎn)連線，以因應(yīng)電池壽命規(guī)格
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電池供電的路由節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)建立近距離連結(jié)
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纜線供電的路由節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)建立近距離連結(jié)
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在動(dòng)態(tài)工業(yè)環(huán)境進(jìn)行可靠連線
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移動(dòng)設(shè)備或開(kāi)關(guān)門的動(dòng)作導(dǎo)致多重路徑反射
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運(yùn)用頻道跳頻以避免接收零點(diǎn)
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運(yùn)用頻道跳頻以避免接收零點(diǎn)
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在擁擠的無(wú)線電頻段進(jìn)行可靠的通訊
?
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各種干擾限制了網(wǎng)路上的資料流量頻寬
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執(zhí)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
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針對(duì)小型網(wǎng)路設(shè)計(jì)所以容易遇到網(wǎng)路泛洪（flooding）問(wèn)題
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SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圓廠通過(guò)檢測(cè)。此廠區(qū)的嚴(yán)苛射頻環(huán)境中佈滿金屬物與混凝土，其中有32個(gè)無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)以網(wǎng)狀網(wǎng)路的形態(tài)分佈，最遠(yuǎn)的感測(cè)器節(jié)點(diǎn)到閘道器之間隔著4次轉(zhuǎn)傳（hops）。每個(gè)感測(cè)器節(jié)點(diǎn)每隔30秒就傳送4個(gè)資料封包。在83天的期間，各感測(cè)器共傳送26,137,382個(gè)封包，共接收26,137,381個(gè)封包，達(dá)到99.999996%的可靠度。
運(yùn)行於邊緣的人工智慧
新一代的無(wú)線感測(cè)器包含MAX78000 此種內(nèi)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(dòng)，還能夠運(yùn)用平行處理機(jī)制來(lái)優(yōu)化能源消耗以及資料吞吐量。
現(xiàn)今市面上的無(wú)線工業(yè)感測(cè)器通常以極低的工作週期運(yùn)行，使用者在設(shè)定感測(cè)器的休眠時(shí)間長(zhǎng)度後，感測(cè)器就會(huì)按時(shí)被喚醒並量測(cè)溫度與振動(dòng)，並將資料透過(guò)無(wú)線網(wǎng)路傳回使用者的資料聚合設(shè)備。市售感測(cè)器通常標(biāo)示其擁有5年電池壽命，指的是每24小時(shí)擷取1筆資料，或是每4小時(shí)擷取1筆資料下所能維持的續(xù)航力。
下一代的感測(cè)器能夠在類似模式下工作，同時(shí)利用邊緣AI異常偵測(cè)機(jī)制來(lái)限制使用無(wú)線電網(wǎng)路的次數(shù)。當(dāng)感測(cè)器被喚醒並開(kāi)始量測(cè)資料之後，只有在偵測(cè)到異常的振動(dòng)時(shí)，才會(huì)將資料傳回給使用者。透過(guò)這種方式，電池續(xù)航力可提升至少20%。
AI模型用來(lái)訓(xùn)練感測(cè)器收到的機(jī)器健康數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)透過(guò)無(wú)線網(wǎng)路傳輸給使用者，以便進(jìn)行AI模型的開(kāi)發(fā)。運(yùn)用MAX78000工具將AI模型合成為C語(yǔ)言程式碼，之後再傳回給無(wú)線感測(cè)器，並將模型載入記憶體。當(dāng)程式碼部署完成後，在預(yù)先定義間隔的時(shí)間點(diǎn)或是出現(xiàn)高G力振動(dòng)事件時(shí)，無(wú)線感測(cè)器就會(huì)被喚醒。
MAX78000會(huì)根據(jù)經(jīng)過(guò)高速傅立葉轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行推論。如果沒(méi)有偵測(cè)到異常，感測(cè)器就會(huì)回到休眠狀態(tài)。若是偵測(cè)到異常，使用者就會(huì)收到通知。此時(shí)使用者即可要求FFT演算法或原始時(shí)域資料以便測(cè)量出異常，並依此進(jìn)行故障分類。
總結(jié)
本文闡述BLE、SmartMesh（6LoWPAN封包透過(guò)IEEE 802.15.4e網(wǎng)路進(jìn)行傳輸）、以及Thread/ZigBee（IEEE 802.15.4）等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，以及其在嚴(yán)苛工業(yè)射頻環(huán)境的適用性。
SmartMesh擁有優(yōu)於BLE與Thread/ZigBee的可靠性與低功耗運(yùn)作能力。在要求500 bytes至1000 bytes資料傳輸能力的網(wǎng)路中，相較於ZigBee與Thread，BLE能以更低的功耗可靠地運(yùn)作。內(nèi)嵌AI硬體加速器的微控制器開(kāi)創(chuàng)一條邁向更佳決策的坦途，並為無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)挹注更長(zhǎng)的電池續(xù)航力。
（本文作者Richard Anslow為ADI系統(tǒng)工程資深經(jīng)理）
