Navrhněte si svůj chytrý bezdrátový průmyslový snímač

Článek přináší přehled bezdrátových standardů a zkoumá, jak dalece budou vhodné Bluetooth^® Low Energy (BLE), SmartMesh (6LoWPAN - IEEE 802.15.4e) a Thread/Zigbee (6LoWPAN - IEEE 802.15.4) při nasazení v průmyslovém prostředí s náročnými vf požadavky. Porovnávat zde budeme výkonovou spotřebu, spolehlivost, zabezpečení a také celkové náklady spojené s vlastnictvím.

Časová synchronizace vede v případě SmartMesh k nízké spotřebě, zatímco přeskok mezi kanály pro SmartMesh a BLE zase znamená vyšší spolehlivost. Případová studie kromě toho odhalila spolehlivost SmartMesh na úrovni 99,999996 %. Rovněž si ukážeme bezdrátové senzory pro monitorování okolních podmínek s BLE a SmartMesh od firmy Analog Devices, a to včetně nového bezdrátového čidla s možnostmi umělé inteligence (AI) řešené přímo na místě (tzv. Edge), takže se nám u jinak omezených snímačů tohoto druhu prodlouží výdrž baterie.  

Pár slov úvodem

Očekává se, že trh s chytrými senzory pro systémy s motorovým pohonem v objemech prodeje překročí mezi léty 2022 až 2024 dvojnásobek a dosáhne částky 906 mil. USD [1]. Předpokládáme také, že v oblasti chytrých snímačů budou za jejich rozmachem stát v prvé řadě přenosné a bezdrátově řešené součásti. Monitorování průmyslových strojů s využitím bezdrátových čidel okolního prostředí (teplota, vibrace) má přitom jasný cíl: zaznamenat, jakmile sledované zařízení přestává správně fungovat.

V průmyslových aplikacích s bezdrátovými senzory patří stále mezi nejdůležitější požadavky nízká spotřeba energie, spolehlivost a také zabezpečení. K dalším pak řadíme nízké celkové náklady spojované s vlastnictvím (minimální požadavky kladené na brány a údržbu), komunikace na krátké vzdálenosti nebo protokol umožňující vytváření sítí mesh v továrním prostředí, které se vyznačuje řadou kovových překážek (zmíněné sítě pomohou zmírnit dopad stínění či odrazů na přenosové cestě).

Průmyslové aplikace a požadavky na bezdrátové standardy

Obr. 1 přináší přehled bezdrátových standardů, zatímco tab. 1 bude některé z nich hodnotit z pohledu klíčových požadavků přicházejících z průmyslu. Je zřejmé, že BLE a SmartMesh (6LoWPAN - IEEE 802.15.4e) nabízí pro průmyslové aplikace nejlepší spojení nízké výkonové spotřeby, spolehlivosti a zabezpečení. Thread a Zigbee se vyznačují nízkou spotřebou a bezpečným provedením mesh, nicméně ztrácí díky spolehlivosti.

Obr. 1 Přehled standardů bezdrátové komunikace

Více informací ke standardům Zigbee/Thread, SmartMesh a BLE mesh naleznete v tab. 2. SmartMesh počítá s protokolem TSCH (time synchronized channel hopping), kde budou veškeré uzly v síti synchronizovány a komunikace probíhá dle plánu. Časová synchronizace vede k nízké spotřebě a přeskok mezi kanály zase k vysoké spolehlivosti. S přeskoky počítá i standard BLE, oproti SmartMesh však bude mít určitá omezení. Jedná se o směrovací uzly napájené po vedení (zvyšuje náklady a také spotřebu systému) a nebude zde podporováno TSCH. Jak jsme již také uvedli, Zigbee/Thread ztrácí na spolehlivosti a v porovnání s BLE nenabízí řadu výhod.

V článku se dále zaměříme na SmartMesh a BLE mesh coby nejvhodnější standardy bezdrátové komunikace pro průmyslová čidla sledující okolní podmínky.

Bezdrátové senzory pro monitorování okolních podmínek od Analog Devices

Z tab. 3 plynou základní vlastnosti bezdrátové platformy Voyager 3 pro sledování vibrací od firmy Analog Devices a také bezdrátových snímačů nové generace monitorujících okolní podmínky. Voyager 3 zde využívá modul SmartMesh (LTP5901-IPC). Vibrační senzor s podporou AI (stále ve fázi vývoje) pak staví na mikrokontroléru s BLE (MAX32666). V obou případech nechybí ani čidla teploty a SOH (state of health) pro baterii. Při měření amplitudy a frekvence vibrací se v případě průmyslových zařízení u systému Voyager 3 a také snímačů ve verzi s AI uplatní akcelerometry MEMS od ADI (ADXL356, ADXL359). Rostoucí amplitudy a frekvence vibrací plynou ze spektra na základě FFT, což může signalizovat závadu, např. nerovnováhu motoru, špatnou polohu nebo poškozená ložiska.

Typickou činnost systému Voyager 3 a také senzoru vibrací s AI sledujeme na obr. 2. Střída zde činí 1 %, podobně jako u řady průmyslových čidel, takže většinu svého času senzor stráví v režimu s nízkou spotřebou energie. Snímač se poté periodicky probouzí, aby získal hromadná data (nebo také v případě nárazu s vibracemi o velké amplitudě), resp. za účelem odeslání aktualizovaného stavu uživateli. Ten bývá obvykle upozorněn indikátorem, že sledované zařízení se nachází v dobré kondici a má zároveň možnost získat i více informací.

Obr. 2 K typické činnosti bezdrátového průmyslového snímače

Nízká spotřeba energie

Senzor s vlastnostmi vylíčenými v tab. 3 pracuje se střídou 1 %. Voyager 3 zde počítá max. s 90 bajty, zatímco verze s AI pak nanejvýš s 510 bajty. Obr. 4 (dle Shahzad a Oelmann, [3]) ukazuje, že pro 500 až 1000 bajtů spotřebuje BLE méně energie než Zigbee či Wi-Fi a hodí se tudíž pro systémy využívající AI. S řešením SmartMesh se pojí mimořádně nízká spotřeba energie, zvláště pak za předpokladu 90 bajtů a méně (tak jako u senzoru Voyager 3). Spotřeba SmartMesh je odhadnuta s přispěním nástroje SmartMesh Power and Performance Estimator, který je k dispozici na webových stránkách. Přesnost nástroje pro stanovení spotřeby v sítích SmartMesh byla experimentálně ověřena s výsledkem 87 až 99 % v závislosti na povaze uzlu, který může sloužit ke směrování nebo stát na okraji sítě.

Obr. 4 Přenesená data (vf transceiver, PHY) a související spotřeba energie (dle Shahzad a Oelmann, [3])

Zabezpečení

IP sítě SmartMesh mají několik vrstev zabezpečení, které lze dle obr. 3, jenž přináší přehled zabezpečení SmartMesh, zařadit do kategorií „Confidentiality“, „Integrity“ a také „Authenticity“. Tajnosti informací je dosaženo na základě 128bitového šifrování (AES) od konce po konec, a to i v případě, že máme v síti více uzlů mesh. Přenášená data jsou chráněna kódy pro ověřování pravosti zprávy (Message Integrity Check nebo zkráceně MIC), abychom zajistili, že do ní nebylo neoprávněně zasahováno. Jak plyne ze stejného obrázku, obdržíme tak ochranu před útoky typu MITM (man in the middle). Počítat lze i s potvrzováním pravosti u více zařízení, takže do systému neproniknou žádné senzory bez autorizace.

Obr. 3 Zabezpečení pro potřeby sítí BLE a SmartMesh

Zařízení, která pracují se standardem BLE ve verzích 4.0 a 4.1 jsou z pohledu bezpečnosti zranitelná, nicméně varianta 4.2 a výše již počítá s lepším zabezpečením (viz také obr. 3). Obvody MAX32666 od ADI vyhovují standardu BLE 5.0. Zmíněná verze zde přichází s výměnou klíčů pro párování (P-256 ECDH, Elliptic Curve Diffie-Hellman). V rámci zmíněného protokolu jsou veřejné klíče dvou zařízení použity při vytváření sdíleného klíče mezi dvěma zařízeními zvaného LTK (long-term key). Ten se pak využije k potvrzení pravosti a generování klíčů pro zašifrování veškeré komunikace, takže chrání před útoky typu MITM.

Kromě výkonové spotřeby při vf relaci je také zapotřebí zvážit celkovou spotřebu systému a stejně tak i výsledné náklady spojené s vlastnictvím. Jak plyne z tab. 2, BLE i Zigbee pracují v obou případech s jedinou bránou. Oba standardy ale také vyžadují linkové napájení pro směrovací uzly. To pak zvyšuje výkonové nároky, včetně celkových nákladů. Směrovací uzly SmartMesh naproti tomu vyžadují v průměru pouze 50 µA a celá síť může pracovat s přispěním jediné brány. SmartMesh proto z pohledu energetické efektivity jasně vede.

Spolehlivost a robustnost

Jak již bylo řečeno, SmartMesh využívá TSCH s následujícími vlastnostmi:

• veškeré uzly v síti jsou synchronizovány,
• komunikace probíhá dle plánu,
• časová synchronizace vede k nízké spotřebě,
• přeskok mezi kanály znamená vysokou spolehlivost,
• rozvržená komunikace slibuje vysokou míru determinismu.

U synchronizace se pro celou síť dostáváme s přesností pod 15 µs. Tato neobyčejně příznivá úroveň pak vyústí v mimořádně nízkou spotřebu energie. Proudový odběr zde činí v průměru 50 µA a 1,4 µA po více než 99 % času.

Tab. 4 ukazuje některé klíčové problémy v aplikacích a také způsob, jak se s nimi SmartMesh a BLE mesh vypořádají. SmartMesh bude lepší pro husté sítě s velkým počtem uzlů. A BLE společně se SmartMesh pak dobře fungují v dynamickém průmyslovém prostředí.

Spolehlivost SmartMesh byla otestována v závodě ADI na výrobu waferů [5]. Jedná se o nevlídné vf prostředí s četným zastoupením kovu a betonu. V rámci sítě mesh zde bylo nasazeno dvaatřicet bezdrátových senzorů, přičemž na trase mezi tím nejvzdálenějším a branou docházelo ke čtyřem skokům. Každých 30 vteřin byly z každého uzlu odeslány čtyři datové pakety. V průběhu 83 dnů odešlo ze senzorů celkem 26 137 382 paketů a 26 137 381 jich také bylo přijato, což představuje spolehlivost na úrovni 99,999996 %.

Umělá inteligence řešená přímo na místě

Nová generace bezdrátových čidel staví na mikrokontroléru MAX78000 s hardwarovým akcelerátorem pro AI, který minimalizuje přesun dat a využívá paralelismu s ohledem na optimální nakládání s energií a také propustnost.

Bezdrátové průmyslové senzory, které máme aktuálně k dispozici, běžně pracují s velmi malou střídou. Obsluha zde definuje dobu trvání spánku, po které se snímač probouzí a měří teplotu společně s vibracemi. Následně pak odesílá data vf cestou do agregátoru. Komerčně dostupné senzory obvykle uvádí životnost baterie po dobu pěti let a vychází přitom z jednoho podchycení dat každých 24 hodin nebo také každé čtyři hodiny. Snímače nové generace fungují podobným způsobem, jen přitom těží z detekce anomálií na základě AI řešené přímo na místě, takže se omezuje používání vf trasy. Jakmile se tedy snímač probouzí a změří data, bude informace uživateli odeslána pouze v případě, že systém u vibrací zaznamená odchylku. Výdrž baterie tím prodloužíme přinejmenším o 20 %.

Za účelem školení modelu AI sbírá čidlo informace o správném fungování stroje, které poté odesílá bezdrátovou cestou uživateli pro potřeby vývoje modelu AI. S přispěním nástrojů pro MAX78000 je model AI syntetizován do kódu (C), následně odeslán zpět bezdrátovému snímači a nahrán do paměti. Jakmile je vše využito v akci, bezdrátový snímač se probouzí v předem určených intervalech, příp. na základě události – nárazu s vysokým g. Shromáždí se data a probíhá FFT. Z této transformace pak činí MAX78000 závěry opírající se o zmiňované informace. Pokud není detekována žádná odchylka, vrací se čidlo zpátky do režimu spánku. V opačném případě již bude uživatel upozorněn. Může si pak vyžádat FFT nebo i surová data v časové oblasti spojená se změřenou anomálií, takže lze chybu dále klasifikovat.

Závěr

Článek přinesl přehled standardů bezdrátové komunikace a posoudil možnosti BLE, SmartMesh (6LoWPAN - IEEE 802.15.4e) a Thread/Zigbee (IEEE 802.15.4) pro použití v průmyslovém prostředí za náročných vf podmínek. SmartMesh se vyznačuje vynikající spolehlivostí a nízkou spotřebou v porovnání s BLE a Thread/Zigbee. BLE může zase pracovat spolehlivěji a s nižší spotřebou oproti Zigbee a Thread v sítích, které si žádají datové přenosy v rozmezí 500 až 1000 bajtů. Mikrokontroléry s vlastními hardwarovými akcelerátory pro AI pak představují cestu k lepšímu rozhodování, ale i delší výdrži baterie napájející bezdrátová čidla.

Odkazy:

[1] Predictive Maintenance in Motor Driven Systems – 2020. Interact Analysis Market Study, duben 2020. Dostupné z https://www.interactanalysis.com/wp-content/uploads/2020/01/Predictive-Maintenance-in-Motor-Driven-Systems-2020-Proposal.pdf

[2] Kris Pister a Jonathan Simon: Secure Wireless Sensor Networks Against Attacks. Electronic Design, duben 2014. Dostupné z https://www.electronicdesign.com/technologies/communications/article/21799567/secure-wireless-sensor-networks-against-attacks

[3] Khurram Shahzad a 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), srpen 2014. Dostupné z https://ieeexplore.ieee.org/document/6933409

[4] Thomas Watteyne, Joy Weiss, Lance Doherty a Jonathan Simon: Industrial IEEE802.15.4e Networks: Performance and Trade-offs. 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC), červen 2015.

[5] Ross Yu: Verifying SmartMesh IP >99.999% Data Reliability for Industrial Internet of Things Applications. Analog Devices, Inc., leden 2016. Dostupné z https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/verifying-smartmesh-ip-data-reliability-iot.html