本文专注探讨SmartMesh与Bluetooth Low Energy（BLE）网状网路是工业状态监测感测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无线式状态监测感测器包含一款配备边缘人工智慧（AI）功能的新型无线感测器，能够为受限制的边缘感测器节点??注更长的电池续航力。

智慧感测器市场成长驱动力

由马达驱动系统的智慧型感测器市场规模，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）。在智慧感测器方面，主要的成长驱动力将来自无线与可携式装置。运用无线环境感测器（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。

在工业无线感测器应用领域，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（最少的闸道器、维护）、短距离通讯，以及能支援网状网路的通讯协定，其能适应充斥大量金属障碍物的工厂环境（网状网路有助於??解潜在讯号路径遮蔽与反射的问题）。

工业应用与无线标准的要求

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、安全性的最隹化组合。Thread与ZigBee提供低功耗与安全的网状网路实作方案，但在可靠度的评分较低。

图一 : 无线标准调查

无线状态监测感测器

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感测器。Voyager 3采用SmartMesh模组（LTP5901-IPC），当中一款支援AI的振动感测器（研发中）采用BLE微控制器（MAX32666）。两款感测器都有温度与电池健康状态（SOH）感测器。Voyager 3与AI版本感测器采用ADI MEMS微机电加速计（ADXL356、ADXL359）用来为工业设备量测振动的振幅与频率。元件会运用FFT高速傅立叶转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徵兆，包括像马达失衡、错位、以及损坏的轴承。

图二显示Voyager 3与支援AI振动感测器的典型运作。其工作周期和许多工业感测器一样都是1%；感测器在大多数时间都处於低功耗模式。感测器会定期被唤醒，并进行大量资料收集（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资料。

图二 : 工业无线感测器的典型运作

安全

SmartMesh IP网路具备多层次的防护，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，就算网路中有多个网状网路节点也能执行。传输的资料会以讯息验证码（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，以防止未经授权的感测器被加入到系统。

图三 : BLE与SmartMesh网路的安全建置

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以後版本纳入了增强安全（如图三所示）。ADI的MAX32666相容於5.0版BLE标准。这个版本包含P-256椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换机制用於装置之间的配对。在此协定中，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进行加密，以及防御各种MITM中间人攻击。

低功耗

上述章节中的感测器工作周期为1%，Voyager 3封包的最大资料酬载量为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的资料传输量方面，BLE消耗的能量低於ZigBee与Wi-Fi。因此BLE适合运行AI的使用情境。SmartMesh能够提供极低的功耗，特别是90 bytes以下的酬载（正如Voyager 3感测器所用的酬载规格）。SmartMesh 功耗估算工具的准确性经实测证明可达87%至99%，实际准确度取决於感测器属於路由节点还是叶节点。

图四 : 已传输资料（无线电收发器实体层元件）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使用同一个闸道器运作。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，整个网路仅用一个闸道器就能工作。SmartMesh显然是更具能源效率的建置方案。

可靠度与稳健性

如先前所述，SmartMesh采用TSCH，因此具有以下特性：网路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。

整个网路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网状网路如何因应。SmartMesh在大量节点构成的高密度网路中表现良好，而BLE与SmartMesh两者均在在动态工业环境中表现卓越。

运行於边缘的人工智慧

新一代的无线感测器包含MAX78000 此种内嵌AI硬体加速器的微控制器，此类AI硬体加速器不仅能大幅减少资料移动，还能够运用平行处理机制来优化能源消耗以及资料吞吐量。

现今市面上的无线工业感测器通常以极低的工作周期运行，使用者在设定感测器的休眠时间长度後，感测器就会按时被唤醒并量测温度与振动，并将资料透过无线网路传回使用者的资料聚合设备。市售感测器通常标示其拥有5年电池寿命，指的是每24小时撷取1笔资料，或是每4小时撷取1笔资料下所能维持的续航力。

下一代的感测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路的次数。当感测器被唤醒并开始量测资料之後，只有在侦测到异常的振动时，才会将资料传回给使用者。透过这种方式，电池续航力可提升至少20%。

AI模型用来训练感测器收到的机器健康数据，这些数据会透过无线网路传输给使用者，以便进行AI模型的开发。运用MAX78000工具将AI模型合成为C语言程式码，之後再传回给无线感测器，并将模型载入记忆体。当程式码部署完成後，在预先定义间隔的时间点或是出现高G力振动事件时，无线感测器就会被唤醒。

MAX78000会根据经过高速傅立叶转换的数据进行推论。如果没有侦测到异常，感测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。此时使用者即可要求FFT演算法或原始时域资料以便测量出异常，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网路进行传输）、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拥有优於BLE与Thread/ZigBee的可靠性与低功耗运作能力。在要求500 bytes至1000 bytes资料传输能力的网路中，相较於ZigBee与Thread，BLE能以更低的功耗可靠地运作。内嵌AI硬体加速器的微控制器开创一条迈向更隹决策的坦途，并为无线感测器节点??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）