驗(yàn)證 SmartMesh IP 對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)可靠性 >99.999%

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 需要具有嚴(yán)格可靠性和安全性的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)。¹ 由于此類網(wǎng)絡(luò)必須在無人干預(yù)的情況下可靠地工作 10 年以上，因此工業(yè) WSN 必須應(yīng)對(duì)隨著時(shí)間的推移而劇烈變化的環(huán)境條件。此外，它們還必須具有可擴(kuò)展性和靈活性，以便網(wǎng)絡(luò)能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里支持不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求和數(shù)據(jù)流量。

由凌力爾特提供的 SmartMesh^® 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品專門針對(duì)工業(yè) IoT 應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的測(cè)試，可在某些極為嚴(yán)酷的環(huán)境中提供 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性。在每款新型 SmartMesh 軟件產(chǎn)品發(fā)布之前，凌力爾特會(huì)累計(jì)超過 100 萬節(jié)點(diǎn)-小時(shí)和可靠性最小達(dá) “五個(gè) 9” (>99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性) 的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作，然后才會(huì)宣布其具備了生產(chǎn)質(zhì)量。

本文著重闡述凌力爾特用于通過無線電硬件認(rèn)證、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法和系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)測(cè)試來驗(yàn)證數(shù)據(jù)可靠性的方法。另外，還對(duì)來自一個(gè)使用中的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)之性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了考察。

無線電硬件認(rèn)證測(cè)試

WSN 的性能與主要的無線電硬件及在該芯片上運(yùn)行的協(xié)議相關(guān)聯(lián)。SmartMesh 無線電芯片 (例如：凌力爾特的 LTC5800) 經(jīng)歷了嚴(yán)苛的測(cè)試以確認(rèn)其操作參數(shù)。這些測(cè)試的結(jié)果通過多個(gè)生產(chǎn)批次進(jìn)行確定，然后再公布產(chǎn)品手冊(cè) (其包括針對(duì)硬件的所有相關(guān)規(guī)格指標(biāo))。與凌力爾特專注于工業(yè)市場(chǎng)的策略相一致，硬件的設(shè)計(jì)認(rèn)證包括運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，被稱為高加速壽命試驗(yàn) (HALT)，其在使一個(gè)通電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的同時(shí)讓硬件遭受極端條件，包括冷熱階躍應(yīng)力、燙熱階躍應(yīng)力、電壓裕度調(diào)節(jié)、快速熱躍遷、振動(dòng)階躍應(yīng)力、熱和振動(dòng)的組合應(yīng)力、以及擴(kuò)展溫度測(cè)試。³ 見圖 1。

圖 1： 在一個(gè)高低溫試驗(yàn)箱中工作的 SmartMesh 節(jié)點(diǎn)

自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法

為確保服務(wù)期間的可靠性，測(cè)試必須全面地涵蓋網(wǎng)絡(luò)在跨越多年的運(yùn)作中將會(huì)遇到的各種情況。凌力爾特大量地利用了測(cè)試自動(dòng)化以簡(jiǎn)化數(shù)百項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，每項(xiàng)測(cè)試驗(yàn)證一組獨(dú)特的測(cè)試條件。為做到這一點(diǎn)，可以很容易地把一個(gè)由包含幾百個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)組構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái) (見圖 2) 配置成任何數(shù)目的測(cè)試網(wǎng)絡(luò) (可大可小)。一個(gè)集中式測(cè)試服務(wù)器能夠快速地起動(dòng)整個(gè)共存網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行多項(xiàng)系統(tǒng)測(cè)試、并通過利用每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序接口 (API) 進(jìn)行編程以重新起動(dòng)用于下一組測(cè)試的節(jié)點(diǎn)。利用自動(dòng)化使全回歸測(cè)試變得實(shí)用，可確保現(xiàn)有的功能和運(yùn)行方式在后續(xù)的軟件版本中得以保留。

圖 2：測(cè)試自動(dòng)化 D 通過用一個(gè)自動(dòng)化測(cè)試夾具給幾百個(gè)無線節(jié)點(diǎn)裝備儀表，一項(xiàng)包含幾百項(xiàng)測(cè)試之測(cè)試計(jì)劃的執(zhí)行可在幾天 (而不是數(shù)月) 的時(shí)間里完成。

該試驗(yàn)臺(tái)具有一種密集的 RF 噪聲環(huán)境，因?yàn)槊總€(gè)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)都“沉浸”在一個(gè)由同時(shí)運(yùn)作的其他網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生之無線流量的“大海”之中。這種網(wǎng)絡(luò)流量，再加上鄰近的 Wi-Fi 路由器、藍(lán)牙和蜂窩無線電設(shè)備，產(chǎn)生了一個(gè)代表著極具挑戰(zhàn)性之 RF 環(huán)境的升高 RF 噪聲層。

系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

采用該網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)在幾百種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖向?yàn)證可靠性。例如，建立了下面的網(wǎng)絡(luò) (表 1) 以用基準(zhǔn)測(cè)試一個(gè)典型的 100 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、四跳頻網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)每分鐘產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)包，而且網(wǎng)絡(luò)最少連續(xù)運(yùn)行 500 小時(shí) (在 21 天里)。此環(huán)境模擬的是一種典型的商業(yè)或輕工業(yè)場(chǎng)景，這里存在著電子設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)以及穿梭在整幢樓宇之中的人流。盡管是有損耗的 RF 環(huán)境，但是網(wǎng)絡(luò)通過包重試以及路徑和通道分集在發(fā)送超過 4,300 萬個(gè)數(shù)據(jù)包的過程中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于 99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性。

通過清點(diǎn)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 API 端口注入和在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) API 成功接收的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)獨(dú)立地驗(yàn)證 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)軟件的內(nèi)置可靠性度量指標(biāo)。這些內(nèi)置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可通過一個(gè)位于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件 API 接口提供給用戶，并使開發(fā)人員和用戶能夠在初始評(píng)估過程中以及網(wǎng)絡(luò)使用期限內(nèi)在其自己的應(yīng)用中評(píng)定 SmartMesh 的可靠性。

為了獲得 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，凌力爾特的工程師們?cè)谙到y(tǒng)測(cè)試期間對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸錯(cuò)誤進(jìn)行故障排解，而不管出錯(cuò)概率如何之低。為在此類錯(cuò)誤確實(shí)出現(xiàn)之時(shí)進(jìn)行監(jiān)視和捕獲，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 API 端口、CLI 端口和 SPI 閃存編程端口在網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)中是連接的，從而使得凌力爾特的工程師能在一條消息通過網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)監(jiān)察每個(gè)節(jié)點(diǎn)并調(diào)試低級(jí)軟件。

表 1：網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果示例 (對(duì)于一個(gè) 100 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò))

此外，還給網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)裝備了儀表以收集詳細(xì)的性能度量指標(biāo)，包括節(jié)點(diǎn)的平均電流消耗、數(shù)據(jù)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)延遲 (一條消息穿越網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間)。網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)從每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)把傳感器數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)，以測(cè)量延遲及對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理流量的能力進(jìn)行特性分析。利用任選的網(wǎng)絡(luò)配置 (例如一種低延遲模式) 或更多的雙向網(wǎng)絡(luò)流量來重復(fù)這些測(cè)試。

最后，該網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)化了應(yīng)力測(cè)試，以平穩(wěn)地驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)處理問題情況的能力。這些測(cè)試在被測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的不同節(jié)點(diǎn)上系統(tǒng)地引入攪動(dòng)，例如：停用節(jié)點(diǎn)以驗(yàn)證剩余的相鄰節(jié)點(diǎn)從未丟失一個(gè)數(shù)據(jù)包。其他的應(yīng)力測(cè)試則引起廣泛的節(jié)點(diǎn)故障，以使網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)的大部分受損時(shí)使流量轉(zhuǎn)向并修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的能力經(jīng)受考驗(yàn)。此類應(yīng)用測(cè)試用于驗(yàn)證工業(yè) WSN 處置這種意外事件的能力，因?yàn)樗鼈兂１晃员O(jiān)視和控制業(yè)務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)的責(zé)任。

凌力爾特晶圓制造廠里的一個(gè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)

在凌力爾特位于硅谷的晶圓制造廠里已經(jīng)部署了 SmartMesh IP™，以監(jiān)視在晶圓制造的不同蝕刻和清洗階段中所使用的幾百只特種氣體鋼瓶的壓力。以前，每只鋼瓶的壓力一天進(jìn)行三次人工檢查，每天的總手工作業(yè)時(shí)間為 4 個(gè)小時(shí)。部署一個(gè) SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化，并把讀數(shù)直接發(fā)送至工廠的控制中心軟件。在氣體燃料箱中部署了 32 個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，以測(cè)量每個(gè)鋼瓶的罐體壓力和已調(diào)壓力。每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)連接至一對(duì)鋼瓶，用于每 30 秒從每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的總共 4 個(gè)數(shù)據(jù)包。

晶圓制造廠中的 RF 情況是一種有代表性的工業(yè)環(huán)境，無線節(jié)點(diǎn)被金屬和混凝土所包圍，而且工作機(jī)組和設(shè)備在該區(qū)域中整天不停地移動(dòng)。該網(wǎng)絡(luò)已連續(xù)處于工作狀態(tài)超過 83 天，發(fā)送了 2600 多萬個(gè)數(shù)據(jù)包，而且實(shí)現(xiàn)了高于“七個(gè) 9”(99.99999%) 的可靠性。

表 2：網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) D 部署在凌力爾特晶圓制造廠中的 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)

圖 3：凌力爾特晶圓制造廠里的有毒氣體柜處于嚴(yán)密監(jiān)視之下，以確保正常運(yùn)行時(shí)間

圖 4：密集的金屬和混凝土 D 無線節(jié)點(diǎn)即使在位于金屬設(shè)備和配氣管之間時(shí)也必須可靠地運(yùn)行

結(jié)論

用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須在很長(zhǎng)的使用期限內(nèi)達(dá)到極高的可靠性門檻。為保證網(wǎng)絡(luò)能滿足這些嚴(yán)格的要求，系統(tǒng)硬件和軟件從一開始就必須專門針對(duì)工業(yè)性能而設(shè)計(jì)，并以嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)在組件、接口和網(wǎng)絡(luò)級(jí)上進(jìn)行測(cè)試，而且服務(wù)中的網(wǎng)絡(luò)必須在壓力之下運(yùn)作，以確認(rèn)能夠滿足可接受的壽命可靠性指標(biāo)。凌力爾特的 SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)在嚴(yán)格的端到端測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用中提供了 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性。在全世界要求苛刻的應(yīng)用中已經(jīng)部署了超過 50,000個(gè) SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)，例如：數(shù)據(jù)中心、工廠、電力公用事業(yè)、警戒線安全、室外環(huán)境監(jiān)察、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、采礦和隧道、以及工業(yè)過程。⁴

腳注：

1. 面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。J. Weiss 和 R. Yu。

www.linear.com.cn/docs/47177

2.“Getting Security Right in Industrial Wireless Sensor Networks”，K. Pister 和 J. Simon.

www.linear.com/docs/44216

3. 根據(jù)要求，可向凌力爾特的客戶提供硬件驗(yàn)證報(bào)告。

4. 通過 www.linear.com.cn/dust_applications 了解有關(guān) SmartMesh 應(yīng)用的更多信息。