本文專注探討SmartMesh與Bluetooth Low Energy(BLE)網狀網路是工業狀態監測感測器最適合的無線標準,其中介紹BLE低功耗藍牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等無線標準,以及其在嚴苛工業射頻環境中的適用性,並列舉多項比較標準,包括功耗、可靠度、安全性及總體持有成本。
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,能夠為受限制的邊緣感測器節點挹注更長的電池續航力。
智慧感測器市場成長驅動力
由馬達驅動系統的智慧型感測器市場規模,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。其他要求還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
圖一概述各種無線標準,表一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、安全性的最佳化組合。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。
表一:無線標準對應工業應用的要求
標準
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距離
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功耗
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可靠度
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強健性
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總體持有成本
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網狀網路能力
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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IEEE 802.15.4進行傳輸)
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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IEEE 802.15.4e進行傳輸)
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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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中至低功耗節點,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 – 星形拓撲
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支援, AES
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表二進一步詳列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。
表二:工業應用的關鍵無線標準與效能數據
特色
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ZigBee、Thread (6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4進行傳輸)
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SmartMesh (6LoWPAN 封包透過IEEE 802.15.4e進行傳輸)
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BLE Mesh
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無線電頻率
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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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網路拓撲
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網狀網路、星形
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網狀網路、星形
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網狀網路、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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纜線供電的路由節點
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路由節點平均只需要
?50 μA
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纜線供電的路由節點
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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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標準 (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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無線狀態監測感測器
以下說明Analog Devices的Voyager 3無線振動監視平台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(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。
圖二顯示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。
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。圖三整理了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,如圖三所示。此外,也能夠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。
圖三 : BLE與SmartMesh網路的安全建置 |
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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(如圖三所示)。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
上述章節中的感測器工作週期為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感測器所用的酬載規格)。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。
圖四 : 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) |
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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。如表二所述,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,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,因此具有以下特性: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,以及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。
表三所列為關鍵應用時的挑戰,以及SmartMesh與BLE網狀網路如何因應。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。
表三:工業應用中的無線網路及BLE/SmartMesh效能面臨的關鍵挑戰
挑戰
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問題
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SmartMesh
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藍牙網狀網路(Mesh)
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在密集配置網路中建立穩健通訊
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節點之間相互干擾,進而拖慢網路速度
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高效率的頻道配置以消除碰撞
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受限於會拖慢網路速度的碰撞
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當感測器裝設在有遮蔽的位置,能夠達到較長的電池壽命
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需要具電源效率的邊緣節點連線,以因應電池壽命規格
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電池供電的路由節點和邊緣節點建立近距離連結
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纜線供電的路由節點和邊緣節點建立近距離連結
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在動態工業環境進行可靠連線
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移動設備或開關門的動作導致多重路徑反射
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運用頻道跳頻以避免接收零點
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運用頻道跳頻以避免接收零點
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在擁擠的無線電頻段進行可靠的通訊
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各種干擾限制了網路上的資料流量頻寬
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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
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針對小型網路設計所以容易遇到網路泛洪(flooding)問題
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SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圓廠通過檢測。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,還能夠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。
下一代的感測器能夠在類似模式下工作,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。當感測器被喚醒並開始量測資料之後,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。當程式碼部署完成後,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。
(本文作者Richard Anslow為ADI系統工程資深經理)