【導讀】本文概述了幾種無線標準，並評估了低功耗藍牙® (BLE)

、SmartMesh （基於IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）和Thread/Zigbee（基於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，並且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。

本文概述了幾種無線標準，並評估了低功耗藍牙® (BLE)、SmartMesh （基於IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）和Thread/Zigbee（基於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
，並且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。

2022年至2024年間，電機驅動係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）。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。

對於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（網格網絡有助於減輕可能的信號路徑屏蔽和反射）。

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（基於IEEE 802.15.4e的6LoWPAN）在低功耗
、可靠性和安全性方麵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。

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，並且信道跳頻可靠性高。BLE標準也包含信道跳頻，但與SmartMesh相比有一些限製，例如線路供電路由節點（會增加係統成本和功耗），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。

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。

表3概述了ADI公司的 Voyager 3無線振動監測平台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微控製器 (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。

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
，傳感器處於低功耗模式。傳感器定期喚醒以批量收集數據（或在發生高振動幅度衝擊事件時喚醒），或者向用戶發送狀態更新。通常通過一個標誌通知用戶，受監控的機器運行狀況良好，並且用戶有機會收集更多數據。

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係統中。

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密鑰交換用於配對。在該協議中，兩個設備的公鑰用於創建兩個設備之間的共享密鑰，即長期密鑰(LTK)。該共享密鑰用於身份驗證和生成密鑰，以將所有通信加密，防止MITM攻擊。

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，對於500字節到1000字節的有效載荷，BLE消耗的能量少於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martMesh功耗和性能估算工具可用於估算SmartMesh能耗。經實驗驗證，SmartMesh功耗估算工具的精度為87%至99%，具體取決於傳感器是路由節點還是葉節點。

除了無線電發射功耗之外，還必須考慮係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係統總擁有成本。相比之下
，SmartMesh路由節點平均僅需要50 µA的電流
，並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。

前麵提到過
，SmartMesh采用TSCH
，它有以下特點：

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，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天的時間段裏，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%。

下一代無線傳感器包括搭載AI硬件加速器的MAX78000微控製器。該AI硬件加速器大幅減少了數據移動，並利用並行性優化了能源使用和吞吐速率。

目(mu)前(qian)市(shi)售(shou)無(wu)線(xian)工(gong)業(ye)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)以(yi)非(fei)常(chang)低(di)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)運(yun)行(xing)。用(yong)戶(hu)設(she)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)休(xiu)眠(mian)時(shi)長(chang)
，此(ci)後(hou)傳(chuan)感(gan)器(qi)喚(huan)醒(xing)並(bing)測(ce)量(liang)溫(wen)度(du)和(he)振(zhen)動(dong)，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)無(wu)線(xian)電(dian)將(jiang)數(shu)據(ju)傳(chuan)回(hui)用(yong)戶(hu)的(de)數(shu)據(ju)聚(ju)合(he)器(qi)。市(shi)售(shou)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)聲(sheng)稱(cheng)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)為(wei)5年，此壽命基於每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AIyichangjiancelaixianzhiwuxiandiandeshiyong。dangchuanganqihuanxingbingceliangshujushi，zhiyoujiancedaozhendongyichangshicaihuijiangshujuchuanhuiyonghu。zheyang
，dianchishoumingkeyiyanchangzhishao20%。

對於AI模型訓練，傳感器收集機器的健康數據

，然後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，然後傳回無線傳感器並置於內存中。部署代碼後，無線傳感器按照預定義的時間間隔或在發生高-g衝擊事件時喚醒。收集數據後生成FFT。通過FFT，MAX78000jiyugaishujuzuochutuiduan。ruguomeiyoujiancedaoyichang，zechuanganqifanhuixiumianzhuangtai。ruguojiancedaoyichang，zehuitongzhiyonghu。ranhou，yonghukeyiqingqiusuocedeyichangdeFFT或原始時域數據

，這些數據可用於故障分類。

結論

本文概述了幾種無線標準，並評估了BLE、SmartMesh（基於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。對於需要500字節到1000字節數據傳輸的網絡
，BLE相較於Zigbee和Thread可以更可靠地運行，並且功耗更低。搭載嵌入式AI硬件加速器的微控製器可以提升無線傳感器節點的決策能力，並延長其電池壽命。

文章來源：亞德諾半導體

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