Articolul oferă un ghid complet pentru proiectarea unui senzor wireless inteligent industrial, analizând standardele wireless utilizate în medii RF industriale dificile. Sunt comparate tehnologii precum Bluetooth® Low Energy (BLE), SmartMesh (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4e) și Thread/Zigbee (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4), evidențiind avantajele fiecăreia în ceea ce privește consumul de energie, fiabilitatea, securitatea și costul total de proprietate.
Unul dintre principalele beneficii ale tehnologiei SmartMesh este sincronizarea timpului, care permite un consum redus de energie, iar utilizarea saltului între canale (channel hopping) de către SmartMesh și BLE contribuie la o fiabilitate crescută. Studiile arată că SmartMesh poate atinge o fiabilitate de 99,999996%, demonstrându-și eficiența în aplicații industriale.
Articolul prezintă, de asemenea, senzorii wireless de monitorizare a stării, bazându-se pe tehnologiile BLE și SmartMesh dezvoltate de Analog Devices. În plus, este introdus un nou senzor wireless inteligent industrial care integrează capabilități de inteligență artificială la margine (Edge AI), optimizând durata de viață a bateriei pentru nodurile de senzori edge cu resurse limitate.
Introducere
Este de așteptat ca piața senzorilor wireless inteligenți pentru sistemele acționate de motoare să-și dubleze volumul vânzărilor înregistrat în perioada 2022-2024 (ajungând la 906 milioane USD).1 În ceea ce privește senzorii inteligenți, se preconizează că dispozitivele wireless și portabile vor fi factorii principali de creștere. Monitorizarea mașinilor industriale cu ajutorul senzorilor de mediu wireless (temperatură, vibrații) are un obiectiv clar: să detecteze situațiile în care echipamentul monitorizat deviază de la o operare normală.
Figura 1: Privire de ansamblu asupra standardelor wireless. (Sursa imaginii: Analog Devices)
Pentru aplicațiile cu senzori wireless de uz industrial, consumul redus de energie, fiabilitatea și securitatea continuă să fie considerate cele mai importante cerințe. Alte cerințe includ un cost total de proprietate scăzut (număr minim de gateway-uri, întreținere redusă), comunicație pe rază scurtă și un protocol capabil să creeze rețele mesh pentru mediul industrial cu multe obstacole metalice (rețelele mesh ajută la atenuarea posibilelor ecranări și reflexii ale căilor de semnal).
Aplicații industriale și cerințe privind standardele wireless
Figura 1 oferă o prezentare generală a standardelor wireless, iar tabelul 1 clasifică standardele wireless selectate în funcție de principalele cerințe industriale. Este clar că BLE și SmartMesh (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4e) asigură cea mai bună combinație de consum redus de putere, fiabilitate și securitate pentru aplicațiile industriale. Thread și Zigbee oferă implementări mesh securizate și cu consum redus de putere, dar sunt mai puțin fiabile.
| Tabelul 1. Corelarea standardelor wireless cu cerințele aplicațiilor industriale. | |||||||
| Standard | Rază de acțiune | Consum de putere | Fiabilitate | Robus-tețe | Cost total de proprietate | Compati-bilitate Mesh | Securitate |
| Wifi (802.111 b, g) |
100 m | Mare | Scăzută | Scăzută | Mare | Da | Da, WPA |
| BLE | 20 m … 100 m | Mic/ mediu |
Medie/ Înaltă |
Scăzută | Mediu | Da | Da, AES |
| Zigbee, Thread (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4) |
20 m … 200 m | Mic/ mediu |
Scăzută | Scăzută | Mediu | Da | Da, AES |
| SmartMesh (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4e) | 20 m … 200 m | Mic | Înaltă | Mare | Mic | Da | Da, AES |
| LoRaWAN | 500 m … 3000 m | Noduri cu consum mediu până la redus de putere, gateway-uri cu consum ridicat de putere | Scăzută | Scăzută | Mare | Nu – Topologie în stea | Da, AES |
Tabelul 2 oferă informații suplimentare privind standardele Zigbee/Thread, SmartMesh și BLE mesh. SmartMesh include un protocol TSCH (Time Synchronized Channel Hopping) în care toate nodurile dintr-o rețea sunt sincronizate, iar comunicațiile sunt orchestrate de un program. Sincronizarea timpului duce la un consum redus de putere, iar saltul între canale are ca rezultat o fiabilitate ridicată. Standardul BLE include, de asemenea, tehnica channel hopping (salt între canale sau schimbarea frecvenței de comunicație), dar are anumite limitări în comparație cu SmartMesh, printre care: folosește noduri de rutare alimentate de la rețea (nu de la baterie), ceea ce crește costul sistemului și necesită o putere mai mare, iar TSCH nu este acceptat. Așa cum s-a menționat anterior, Zigbee/Thread au un scor scăzut la fiabilitate și nu oferă multe avantaje în comparație cu BLE.
| Tabelul 2. Principalele standarde wireless și performanțe pentru aplicații industriale | |||
| Caracteristici | Zigbee, Thread (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4) | SmartMesh (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4e) | BLE Mesh |
| Frecvență radio | 2.4 GHz | 2.4 GHz | 2.4 GHz |
| Rată de date | 250 kbps | 250 kbps | 1 Mbps, 2 Mbps |
| Raza de acțiune | 20 m … 200 m | 20 m … 200 m | 20 m … 150 m |
| Debitul aplicației | < 0.1 Mbps | < 0.1 Mbps | < 0.2 Mbps |
| Topologie rețea | Mesh, Stea | Mesh, Stea | Mesh, Stae |
| Securitate | Criptare AES | Criptare AES | Criptare AES |
| Putere | Noduri de rutare alimentate de la rețea | Nodurile de rutare necesită, în medie, doar 50 μA | Noduri de rutare alimentate de la rețea |
| Cost total de proprietate | $$ la $ | $ | $$ la $ |
| Salt de canal sincronizat în timp | x | ✓ | x |
| Robustețe (alocarea canalelor) | x Comunicație pe un singur canal | ✓ | x |
| Fiabilitate (salt de canal) | x Comunicație pe un singur canal | ✓ | ✓ |
| Standarde (interoperabilitate) | Da | Proprietar | Da |
Articolul se va axa pe SmartMesh și BLE mesh ca fiind cele mai potrivite standarde wireless pentru senzorii industriali de monitorizare a stării de funcționare.
Senzori wireless de monitorizare a stării de funcționare de la Analog Devices
Tabelul 3 oferă o prezentare generală a platformei wireless de monitorizare a vibrațiilor Voyager 3 de la Analog Devices și a senzorilor wireless de monitorizare a stării din generația următoare. Voyager 3 utilizează un modul SmartMesh (LTP5901-IPC). Un senzor de vibrații activat de AI (încă în curs de dezvoltare) utilizează un microcontroler BLE (MAX32666). Ambii senzori includ senzori de temperatură și de stare de sănătate a bateriei (SOH). Senzorii Voyager 3 și versiunea AI utilizează accelerometre MEMS ADI (ADXL356, ADXL359) pentru a măsura amplitudinea și frecvența vibrațiilor pentru echipamentele industriale. Amplitudinile și frecvențele în creștere ale vibrațiilor sunt identificate prin analiză spectrală FFT, care poate indica defecțiuni precum dezechilibrul motorului, dezalinierea și rulmenții deteriorați.
| Tabelul 3. Prototipuri de senzori industriali wireless de la Analog Devices (ADI) | ||
| Parametru | Voyager 3 | Senzor de ultimă generație |
| Standard wireless | SmartMesh | BLE |
| Consum redus de putere în cazul edge AI | Nu | Da |
| Senzor de temperatură | Da | Da |
| Accelerometru MEMS | Da (triaxial 1 kHz) | Da (triaxial 8 kHz) |
| Monitorizare SOH baterie | Da | Da |
Figura 2 oferă o prezentare generală a unei operări tipice pentru Voyager 3 și senzorii de vibrații activați de AI. Asemenea multor senzori industriali, ciclul de funcționare este de 1%; în cea mai mare parte a timpului, senzorul se află într-un mod cu consum redus de putere. Senzorul se trezește periodic pentru colectarea datelor în masă (sau în cazul unui eveniment de șoc cu amplitudine mare a vibrațiilor) sau pentru a trimite utilizatorului o actualizare a stării.
Figura 2: Operarea tipică a unui senzor wireless industrial. (Sursa imaginii: Analog Devices)
De obicei, utilizatorul este notificat printr-un semnal care arată că mașina monitorizată este într-o stare bună de sănătate, iar utilizatorul are posibilitatea de a colecta mai multe date.
Securitate
Rețelele IP SmartMesh au mai multe niveluri de securitate, care pot fi clasificate în funcție de confidențialitate, integritate și autenticitate. Un rezumat al securității SmartMesh este prezentat în figura 3. Confidențialitatea este obținută prin criptarea AES-128-biți de la un capăt la altul, chiar dacă există mai multe noduri mesh în rețea. Datele transmise sunt protejate prin coduri de autentificare a mesajelor (verificarea integrității mesajelor sau MIC) pentru a garanta că acestea nu au fost falsificate. În acest fel, datele sunt protejate împotriva atacurilor MITM (Man in the Middle), după cum se observă în figura 3. Sunt posibile mai multe niveluri de autentificare a dispozitivelor, ceea ce împiedică adăugarea în sistem a unor senzori neautorizați.
Figura 3: Implementarea securității pentru rețelele BLE și SmartMesh. (Sursa imaginii: Analog Devices)
Dispozitivele care operează cu versiunile 4.0 și 4.1 ale standardului BLE sunt vulnerabile din punct de vedere al securității, dar, cu toate acestea, versiunile 4.2 și superioare includ o securitate sporită (după cum se observă în figura 3). MAX32666 de la ADI este compatibil cu standardul BLE 5.0. Această versiune introduce schimbul de chei P-256 Elliptic Curve Diffie-Hellman pentru împerechere. În acest protocol, cheile publice ale celor două dispozitive sunt utilizate pentru a stabili un secret partajat între cele două dispozitive, numit cheie pe termen lung (LTK). Acest secret partajat este utilizat pentru autentificare și generarea de chei pentru criptarea tuturor comunicațiilor, protejând dispozitivul împotriva atacurilor MITM.
Consum redus de putere
Senzorii descriși în tabelul 3 operează cu un ciclu de funcționare de 1%, sarcina utilă maximă a Voyager 3 fiind de 90 de octeți, iar sarcina utilă maximă pentru versiunea AI, de 510 octeți. Figura 4 (adaptată după Shahzad și Oelmann3) arată că pentru 500 până la 1000 de octeți, BLE consumă mai puțină energie în comparație cu Zigbee și Wi-Fi. Prin urmare, BLE se potrivește bine pentru cazul de utilizare AI. SmartMesh asigură un consum redus de putere, în special pentru sarcinile utile de 90 de octeți sau mai puțin (așa cum sunt utilizate în senzorul Voyager 3). Consumul de energie SmartMesh este estimat cu ajutorul instrumentului SmartMesh Power and Performance Estimator, disponibil pe site-ul web. Precizia instrumentului de estimare a puterii SmartMesh a fost verificată experimental cu o precizie cuprinsă între 87% și 99%, în funcție de tipul senzorului: nod de rutare sau nod terminal.
Figura 4: Date transmise (transceiver radio PHY) și consum de energie (adaptat după Shahzad și Oelmann).3 (Sursa imaginii: Analog Devices)
Pe lângă consumul de energie al transmisiei radio, trebuie luate în considerare bugetul total de energie al sistemului și costul total de proprietate. După cum se descrie în tabelul 2, BLE și Zigbee funcționează utilizând un singur gateway. Cu toate acestea, ambele necesită alimentare de la rețea pentru nodurile de rutare. Acest lucru crește bugetul de energie și costul total de proprietate al sistemului. În schimb, nodurile de rutare SmartMesh necesită, în medie, doar 50 μA de curent, iar o întreagă rețea poate opera folosind un singur gateway. SmartMesh este, evident, o implementare mai eficientă din punct de vedere energetic.
Fiabilitate și robustețe
Așa cum am menționat anterior, SmartMesh utilizează TSCH, care are următoarele caracteristici:
- Toate nodurile rețelei sunt sincronizate.
- Comunicația este orchestrată printr-un program prestabilit.
- Sincronizarea timpului are ca rezultat un consum redus de putere.
- Saltul de canal determină o fiabilitate ridicată.
- Natura programată a comunicației aduce un nivel ridicat de determinism.
Acuratețea sincronizării este sub 15 μs în întreaga rețea. Acest nivel extrem de ridicat de sincronizare are ca rezultat un consum extrem de redus de putere. În medie, 50 μA consum de curent și 1,4 μA în peste 99% din timp.
Tabelul 4 prezintă câteva provocări majore pe care le întâmpină aplicațiile și modul în care SmartMesh și BLE mesh răspund acestor provocări.
| Tabelul 4. Provocări cheie pentru rețelele wireless în aplicații industriale și performanța rețelelor BLE/SmartMesh | |||
| Provocare | Problemă | SmartMesh | Bluetooth Mesh |
| Comunicații robuste în rețele dense | Nodurile interferează între ele, încetinind rețeaua | Alocarea eficientă a canalelor elimină coliziunile | Pot apărea coliziuni între pachetele de date care încetinesc rețeaua |
| Durată lungă de viață a bateriei atunci când senzorii sunt montați în locații ecranate | Necesită conexiuni de noduri edge eficiente din punct de vedere energetic pentru a respecta specificațiile privind durata de viață a bateriei | Nodurile de rutare alimentate de la baterii stabilesc conexiuni de proximitate cu nodurile edge | Nodurile de rutare alimentate de la rețea stabilesc conexiuni de proximitate cu nodurile edge |
| Conexiuni fiabile în medii industriale dinamice | Deplasarea echipamentelor sau deschiderea/închiderea ușilor cauzează reflexii pe căi multiple | Folosește saltul între canale (channel hopping) pentru a evita zonele cu recepție nulă | Folosește saltul între canale (channel hopping) pentru a evita zonele cu recepție nulă |
| Comunicații fiabile în benzi radio aglomerate | Interferențele limitează lățimea de bandă a traficului de date în rețea | Saltul între canale pentru evitarea interferențelor și alocarea eficientă a lățimii de bandă menține traficul | Proiectată pentru rețele mici și este afectată de fenomenul de inundare a rețelei (transmitere necontrolată a datelor) |
SmartMesh funcționează mai bine pentru rețelele dense cu un număr mare de noduri. Atât BLE, cât și SmartMesh funcționează bine în medii industriale dinamice.
Fiabilitatea rețelei SmartMesh a fost testată în instalația de producție de pastile de siliciu a companiei ADI.5 Este vorba despre un mediu RF dur, cu structuri solide din beton armat. Au fost distribuite 32 de noduri de senzori wireless într-o rețea mesh, cu patru hopuri între cel mai îndepărtat nod senzor și gateway. La fiecare 30 de secunde se trimiteau patru pachete de date de la fiecare nod senzorial. Pe parcursul unei perioade de 83 de zile, au fost trimise 26 137 382 de pachete de date de la senzori și au fost primite 26 137 381 de pachete, ceea ce înseamnă o fiabilitate de 99,999996%.
Edge AI
Noua generație de senzori wireless include microcontrolerul MAX78000 un accelerator hardware AI. Acest accelerator hardware AI minimizează mișcarea datelor (procesarea se face local) și valorifică paralelismul pentru o utilizare optimă a energiei și a debitului de date.
Senzorii wireless industriali disponibili în prezent pe piață operează, de obicei, cu cicluri de funcționare foarte scăzute. Utilizatorul stabilește durata de repaus a senzorului, după care senzorul se trezește și măsoară temperatura și vibrațiile, iar apoi trimite datele prin radio către agregatorul de date al utilizatorului. Senzorii disponibili în comerț au, în general, o durată de viață a bateriei de 5 ani, în funcție de frecvența colectării datelor, care poate fi o dată la 24 de ore sau o dată la 4 ore. Noua generație de senzori va opera într-o manieră similară, dar va profita de detectarea anomaliilor cu ajutorul tehnologiei edge AI pentru a limita utilizarea transmisiei radio. Atunci când senzorul se trezește și măsoară date, acestea sunt trimise înapoi către utilizator numai dacă este detectată o anomalie de vibrație. Astfel, durata de viață a bateriei poate fi mărită cu cel puțin 20%.
Pentru antrenarea modelelor AI, senzorul colectează date despre starea de sănătate a mașinii, care sunt transmise wireless către utilizator pentru dezvoltarea modelului AI. Folosind instrumentele MAX78000, modelul AI este sintetizat în cod C, după care este trimis înapoi către senzorul wireless și stocat în memorie. După ce codul este implementat, senzorul wireless se activează la intervale predefinite sau în cazul unui șoc puternic. Datele sunt colectate și se aplică o trasformare Fourier rapidă (FFT). Pe baza acestei analize, MAX78000 face o inferență. Dacă nu este detectată nicio anomalie, senzorul revine la starea de repaus. Dacă este detectată o anomalie, utilizatorul este notificat. Acesta poate solicita fie rezultatul transformării Fourier, fie date brute în domeniul timpului pentru anomalia detectată, informații care pot fi folosite pentru clasificarea defecțiunilor.
Concluzie
Articolul a descris, în linii mari, standardele wireless și a evaluat cât de potrivite sunt tehnologiile BLE, SmartMesh (6LoWPAN conform IEEE 802.15.4e) și Thread/Zigbee (IEEE 802.15.4) pentru a fi utilizate în medii RF industriale dificile. SmartMesh are fiabilitate superioară și un consum redus de putere în comparație cu BLE și Thread/Zigbee. BLE poate opera mai fiabil și cu un consum redus de putere în comparație cu Zigbee și Thread pentru rețelele care necesită 500-1 000 de octeți de transmisie de date. Microcontrolerele cu acceleratoare hardware cu inteligență artificială încorporată oferă posibilitatea de a lua decizii mai bune și de a prelungi durata de viață a bateriei pentru nodurile de senzori wireless.
Referințe
1 “Predictive Maintenance in Motor Driven Systems – 2020.” Interact Analysis Market Study, April 2020.
2 Kris Pister and Jonathan Simon. “Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks.” Electronic Design, April 2014.
3 Khurram Shahzad and Bengt Oelmann. “A Comparative Study of In-sensor Processing vs. Raw Data Transmission Using ZigBee, BLE and Wi-Fi for Data Intensive Monitoring Applications.” 11th International Symposium on Wireless Communications Systems (ISWCS), August 2014.
4 Thomas Watteyne, Joy Weiss, Lance Doherty, and Jonathan Simon. “Industrial IEEE802.15.4e Networks: Performance and Trade-offs.” 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC), June 2015.
5 Ross Yu. “Verifying SmartMesh IP >99.999% Data Reliability for Industrial Internet of Things Applications.” Analog Devices, Inc. January 2016.
Autor
Richard Anslow, Senior Manager, ADI
Richard Anslow este manager senior și lucrează în domeniul proiectării sistemelor software în cadrul departamentului “Industrial Automation” al Analog Devices. Domeniile sale de expertiză sunt monitorizarea bazată pe condiții, controlul motoarelor și proiectarea comunicațiilor industriale. A obținut diplomele B.Eng. și M.Eng. la Universitatea din Limerick, Irlanda. Recent, a absolvit un program postuniversitar despre AI și ML la Universitatea Purdue.
Vizitați https://ez.analog.com
