Настанова для розробників безпроводового промислового смарт сенсора

У статті наведено огляд стандартів безпроводо- вого зв’язку та оцінено придатність Bluetooth® Low Energy (BLE), SmartMesh (6LoWPAN через IEEE 802.15.4e) і Thread/Zigbee (6LoWPAN через IEEE 802.15.4) для використання в промислових жорст­ких радіочастотних середовищах. Надаються порів­няльні показники, включаючи енергоспоживання, надійність, безпеку та загальну вартість мережі. Розглянуті сенсори для безпроводового моніторин­гу стану машин та механізмів в стандартах BLE та SmartMesh, включаючи новий безпроводовий сен­сор із штучним інтелектом, який збільшує час робо­ти батареї для сенсорних вузлів.

Р. Анслоу

Очікується, що у недалекому майбутньому обсяг продажів смарт сенсорів для моніторингу систем з приводом двигуна зросте більш ніж удвічі (до 906 мільйонів доларів США) . Очікується, що серед смарт сенсорів безпроводові та портативні пристрої будуть основними прискорювачами зростання. Мо­ніторинг промислових машин та механізмів за допо­могою безпроводових сенсорів (параметри моніто­рингу: температура, вібрації та інш.) має одну чітку мету: виявити, коли обладнання, що контролюється, виходить за межі нормальної роботи.

Для застосування промислових безпроводових сенсорів низьке енергоспоживання, надійність і без­пека вважаються найважливішими вимогами. Інші вимоги включають низьку загальну вартість (як пра­вило, це мінімальна кількість шлюзів та вартість об­слуговування), надійний зв’язок та протокол, здат­ний формувати сітку для заводських середовищ, які включають багато металевих перешкод. Мережні сітки допомагають зменшити можливий рівень ек­ранування та відбиття на шляху інформативного сигналу.

На рис. 1 наведено огляд стандартів безпроводового зв’язку, а в табл. 1 показано рейтинг вибра­них стандартів безпроводового зв’язку щодо основ­них промислових вимог. Зрозуміло, що стандарти BLE і SmartMesh (6LoWPAN через IEEE 802.15.4e) пропонують найкраще поєднання низького енергоспоживання, надійності та безпеки для промислових застосувань. Стандарти Thread і Zigbee пропонують низьку споживчу потужність і безпечну реалізацію сітки, але мають нижчі показники надійності.

Рис. 1. Порівняння безпроводових стандартів

У табл. 2 наведено додаткові відомості про стан­дарти мереж Zigbee/Thread, SmartMesh і BLE. Стан­дарт SmartMesh містить протокол перемикання ка­налів із синхронізованим часом (TSCH), де всі вузли в мережі синхронізуються, а зв’язок регулюється за розкладом. Синхронізація часу призводить до низь­кої потужності, а перемикання каналів забезпечує високу надійність. Стандарт BLE також включає пе­ремикання каналів, але має деякі обмеження порів­няно зі стандартом SmartMesh, включаючи вузли маршрутизації з мережевим живленням (що впли­ває на збільшення вартості системи та потужності), причому синхронізація TSCH у стандарті BLE не підтримується. Як відмічено у табл. 2, стандарт Zig- bee/Thread має низькі показники надійності та не пропонує багато переваг порівняно з BLE.

 Таблиця 1. Зіставлення безпроводових стандартів з вимогами промислового

Таблиця 2. Основні безпроводові стандарти та їх продуктивність для промислових застосувань

Стаття, у першу чергу, зосереджена на стандар­тах SmartMesh і BLE mesh як найбільш прийнятних стандартах безпроводового зв’язку для промисло­вих сенсорів. У табл. 3 наведено огляд безпроводо- вої платформи моніторингу вібрації у двигунах Voy­ager 3 і безпроводових сенсорів моніторингу двигу­нів нового покоління . Двигун Voyager 3 викори­стовує модуль SmartMesh (LTP5901-IPC). Сенсор вібрації містить мікроконтролер BLE. Обидва сенсо­ри додатково включають сенсори температури та заряду акумулятора типу SOH.

Таблиця 3. Прототипи безпроводових промислових сенсорів

Сенсори для двигунів Voyager 3 використовують MEMS-акселерометри для вимірювання амплітуди та частоти вібрації, які призначені для промислового обладнання. Зростаючі амплітуди та частоти вібра­ції визначаються за допомогою ШПФ, що може вка­зувати на такі несправності, як дисбаланс двигуна, зміщення та пошкоджені підшипники тощо.

На рис. 2 наведено приклад типової роботи сен­сору вібрації з підтримкою штучного інтелекту для моніторингу параметрів двигуна Voyager 3. Як і у ба­гатьох промислових сенсорах, робочий цикл стано­вить не більше 1% – більшу частину часу сенсор зна­ходиться в режимі низької потужності чи сну. Сенсор періодично прокидається для збору даних або ро­бить це під час удару внаслідок високої амплітуди вібрації для надсилання користувачеві даних про аварійну ситуацію.

Рис. 2. Типова операція безпроводового промислового сенсора для моніторингу параметрів  двигуна Voyager 3

Зазвичай користувача сповіщають за допомогою прапорця, який повідомляє, що контрольований двигун, машина чи виріб справні або несправні, і ко­ристувачеві в останньому випадку надається мож­ливість зібрати більше даних.

Мережі SmartMesh мають кілька рівнів безпеки, які можна класифікувати як забезпечення конфіден­ційності, цілісності і автентичності.

Короткий огляд рівнів безпеки мережі SmartMesh наведено на рис. 3. Конфіденційність до­сягається за допомогою наскрізного шифрування AES-128-біт, навіть якщо в мережі є кілька вузлів.

Рис. 3. Реалізація безпеки для мереж BLE і SmartMesh

Передані дані захищені кодами автентифікації повідомлень (виконується перевірка цілісності пові­домлення за вимогами MIC – message integrity check), щоб перевірити, що їх не було підроблено.

Дані також захищені від атак посередині мережі (виконується перевірка за вимогами MITM – Man-In- The-Middle attack), як показано на рис. 3 . Можли­ві кілька рівнів автентифікації пристрою, що додат­ково запобігає додаванню в систему несанкціонова­них сенсорів.

Пристрої, що працюють із версіями 4.0 і 4.1 стан­дарту BLE, є вразливими для безпеки, однак версії

4.2 і новіші включають розширений захист, як показа­но на рис. 3.

Сенсори, наведені у табл. 3, працюють із робо­чим циклом 1% з максимальним корисним наванта­женням мережі даними розміром 90 байтів від дви­гуна Voyager 3, а також максимальним корисним на­вантаженням даними штучного інтелекту розміром 510 байт. На рис. 4 показано, що для даних 500-1000 байт мережа BLE споживає менше енергії порівняно з мережами Zigbee і Wi-Fi. Таким чином, мережа BLE добре підходить для використання в задачах проми­слового моніторингу з підтримкою штучного інтелекту.

Рис. 4. Залежність енергії споживання від обсягу переданих даних

Мережа SmartMesh забезпечує наднизьке енер­госпоживання, особливо для корисних даних розмі­ром 90 байт або менше (як це використовується в сенсорі двигуна Voyager 3). Споживання енергії ме­режі SmartMesh оцінюється за допомогою інстру­менту SmartMesh Power and Performance Estimator, доступного на веб-сайті. Експериментально підт­верджено точність оцінки потужності SmartMesh від 87% до 99% залежно від того, чи є сенсор маршрут­ним чи кінцевим вузлом.

Окрім споживчої потужності безпроводового пе­редавання даних, необхідно враховувати загальний рівень споживання мережі в цілому. Як випливає з табл. 2, стандарти BLE і Zigbee працюють за допо­могою одного шлюзу. Однак обидва також вима­гають живлення від лінії для вузлів маршрутизації. Це збільшує рівень споживання електроенергії. На­впаки, вузли маршрутизації стандарту SmartMesh потребують у середньому лише 50 мкА струму, і вся мережа може працювати за допомогою одного шлюзу. Тому стандарт SmartMesh є більш енергое- фективним.

Як згадувалося раніше, стандарт SmartMesh ви­користовує синхронізацію TSCH, яка має такі харак­теристики:

• усі вузли в мережі синхронізовані
• спілкування організовано за розкладом
• синхронізація часу призводить до низької потужності
• перемикання каналів забезпечує високу надій­ність
• запланований характер спілкування забезпе­чує високий рівень детермінізму.

Точність синхронізації знаходиться у межах не більше 15 мкс по всій мережі. Такий високий рівень синхронізації призводить до надзвичайно низької споживчої потужності. Середнє значення енергос­поживання складає 50 мкА, у 99% випадків струм споживання не перевищує це значення більше ніж на 1.4 мкА. У табл. 4 наведено деякі важливі пробле­ми застосування та як стандарти SmartMesh і BLE- mesh їх вирішують .

Таблиця 4. Основні проблеми для безпроводових мереж у промисловому застосуванні та продуктивність мереж BLE/SmartMesh

Стандарт SmartMesh працює краще для щільних мереж із великою кількістю вузлів. Обидва стандар­ти BLE і SmartMesh добре працюють у динамічних промислових середовищах . Надійність мережі SmartMesh було перевірено на виробництві пластин для інтегральних мікросхем . Це жорстке радіоча­стотне середовище з щільним металом і бетоном. Тридцять два безпроводові сенсорні вузли були розподілені в сітчасту мережу з чотирма перехода­ми між найдальшим сенсорним вузлом до шлюзу. Чотири пакети даних надсилалися кожні 30 секунд від кожного сенсорного вузла. Протягом 83 днів із сенсорів було надіслано 26 137 382 пакети, отрима­но 26 137 381 пакет, що забезпечує надійність 99,999996%.

Бездротовий сенсор нового покоління включає мікроконтролер MAX78000 з апаратним прискорю­вачем на базі штучного інтелекту. Цей апаратний прискорювач мінімізує переміщення даних і викори­стовує паралелізм для оптимального використання енергії та пропускної здатності. Бездротові проми­слові сенсори, які зараз доступні на ринку, зазвичай працюють із дуже короткими робочими циклами. Користувач встановлює тривалість сну сенсора, піс­ля чого сенсор прокидається та вимірює температу­ру та вібрацію, а потім надсилає дані по мережі до агрегатора даних користувача.

Комерційно доступні сенсори зазвичай вказують 5-річний термін служби батареї на основі одного збору даних кожні 24 години або одного збору даних кожні 4 години. Сенсори наступного покоління пра­цюватиме подібним чином, але використовувати­муть переваги виявлення аномалій інтелектом на межі (Edge AI), щоб обмежити додаткове викори­стання радіоканалу. Коли сенсор виходить із режиму сну та вимірює сигнали вібрацій, дані за результата­ми вимірювань надсилаються користувачеві лише у разі виявлення аномалії у рівнях вібрації. Таким чи­ном, час автономної роботи сенсора можна збіль­шити щонайменше на 20%. Виміряні аномалії під час роботи досліджуваного двигуна можна у подальшо­му використовувати для класифікації несправно­стей, викликаних вібраціями.

ВИСНОВКИ

За результатами аналізу сучасних стандартів безпроводового зв’язку оцінено придатність стан­дартів BLE, SmartMesh і Thread/Zigbee для викори­стання в умовах високих радіочастотних завад. У по­рівнянні із стандартами BLE і Thread/Zigbee стан­дарт SmartMesh відрізняється надзвичайною надій­ністю та низьким енергоспоживанням. Мережі у стандарті BLE працюють надійніше та з меншою споживчою потужністю порівняно із стандартами Zigbee та Thread, які вимагають від 500 до 1000 байт передачі даних. Мікроконтролери з вбудованим штучним інтелектом забезпечують оптимальне при­йняття рішень і довший термін служби батареї для безпроводових сенсорних вузлів.

ЛІТЕРАТУРА

• “Predictive Maintenance in Motor Driven Systems – 2020.” Interact Analysis Market Study, April 2020.
• Kris Pister and Jonathan Simon. “Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks.” Electronic Design, April 2014.
• 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.
• 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.
• Ross Yu. “Verifying SmartMesh IP >99.999% Data Reliability for Industrial Internet of Things Applications.” Analog Devices, Inc. January 2016.