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。

圖一 : 無線標準調查

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。

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。

圖二 : 工業無線感測器的典型運作

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

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）

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。

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）