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)對隨著時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)長的一段時間里支持不斷增長的業(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)品專門針對工業(yè) IoT 應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計和嚴(yán)格的測試，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，凌力爾特會累計超過 100 萬節(jié)點-小時和可靠性最小達(dá) “五個 9” (>99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性) 的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作，然后才會宣布其具備了生產(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、自動化網(wǎng)絡(luò)測試方法和系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)測試來驗證數(shù)據(jù)可靠性的方法。另外，還對來自一個使用中的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)之性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了考察。

無線電硬件認(rèn)證測試

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)苛的測試以確認(rèn)其操作參數(shù)。這些測試的結(jié)果通過多個生產(chǎn)批次進(jìn)行確定，然后再公布產(chǎn)品手冊 (其包括針對硬件的所有相關(guān)規(guī)格指標(biāo))。與凌力爾特專注于工業(yè)市場的策略相一致，硬件的設(shè)計認(rèn)證包括運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)測試，被稱為高加速壽命試驗 (HALT)，其在使一個通電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的同時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、振動階躍應(yīng)力、熱和振動的組合應(yīng)力、以及擴(kuò)展溫度測試。³ 見圖 1。

圖 1： 在一個高低溫試驗箱中工作的 SmartMesh 節(jié)點

自動化網(wǎng)絡(luò)測試方法

為確保服務(wù)期間的可靠性，測試必須全面地涵蓋網(wǎng)絡(luò)在跨越多年的運(yùn)作中將會遇到的各種情況。凌力爾特大量地利用了測試自動化以簡化數(shù)百項網(wǎng)絡(luò)測試，每項測試驗證一組獨特的測試條件。為做到這一點，可以很容易地把一個由包含幾百個無線節(jié)點的節(jié)點組構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)試驗臺 (見圖 2) 配置成任何數(shù)目的測試網(wǎng)絡(luò) (可大可小)。一個集中式測試服務(wù)器能夠快速地起動整個共存網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)行多項系統(tǒng)測試、并通過利用每個無線節(jié)點的應(yīng)用程序接口 (API) 進(jìn)行編程以重新起動用于下一組測試的節(jié)點。利用自動化使全回歸測試變得實用，可確?，F(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：測試自動化 ― 通過用一個自動化測試夾具給幾百個無線節(jié)點裝備儀表，一項包含幾百項測試之測試計劃的執(zhí)行可在幾天 (而不是數(shù)月) 的時間里完成。

該試驗臺具有一種密集的 RF 噪聲環(huán)境，因為每個被測網(wǎng)絡(luò)都“沉浸”在一個由同時運(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)測試

采用該網(wǎng)絡(luò)試驗臺在幾百種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖向炞C可靠性。例如，建立了下面的網(wǎng)絡(luò) (表 1) 以用基準(zhǔn)測試一個典型的 100 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)、四跳頻網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點每分鐘產(chǎn)生兩個數(shù)據(jù)包，而且網(wǎng)絡(luò)最少連續(xù)運(yùn)行 500 小時 (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 萬個數(shù)據(jù)包的過程中實現(xiàn)了優(yōu)于 99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性。

通過清點在每個節(jié)點的 API 端口注入和在網(wǎng)關(guān)節(jié)點 API 成功接收的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)試驗臺獨立地驗證 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)計數(shù)據(jù)可通過一個位于網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件 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在系統(tǒng)測試期間對每個數(shù)據(jù)包傳輸錯誤進(jìn)行故障排解，而不管出錯概率如何之低。為在此類錯誤確實出現(xiàn)之時進(jìn)行監(jiān)視和捕獲，每個節(jié)點的 API 端口、CLI 端口和 SPI 閃存編程端口在網(wǎng)絡(luò)試驗臺中是連接的，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)傳播時監(jiān)察每個節(jié)點并調(diào)試低級軟件。

表 1：網(wǎng)絡(luò)試驗臺結(jié)果示例 (對于一個 100 節(jié)點網(wǎng)絡(luò))

此外，還給網(wǎng)絡(luò)試驗臺裝備了儀表以收集詳細(xì)的性能度量指標(biāo)，包括節(jié)點的平均電流消耗、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)所需的時間)。網(wǎng)絡(luò)試驗臺從每個無線節(jié)點把傳感器數(shù)據(jù)注入網(wǎng)絡(luò)，以測量延遲及對網(wǎng)關(guān)節(jié)點處理流量的能力進(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)這些測試。

最后，該網(wǎng)絡(luò)試驗臺簡化了應(yīng)力測試，以平穩(wěn)地驗證網(wǎng)絡(luò)處理問題情況的能力。這些測試在被測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的不同節(jié)點上系統(tǒng)地引入攪動，例如：停用節(jié)點以驗證剩余的相鄰節(jié)點從未丟失一個數(shù)據(jù)包。其他的應(yīng)力測試則引起廣泛的節(jié)點故障，以使網(wǎng)關(guān)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)的大部分受損時使流量轉(zhuǎn)向并修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的能力經(jīng)受考驗。此類應(yīng)用測試用于驗證工業(yè) WSN 處置這種意外事件的能力，因為它們常被委以監(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)時間為 4 個小時。部署一個 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)測量的自動化，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 個無線節(jié)點，以測量每個鋼瓶的罐體壓力和已調(diào)壓力。每個無線節(jié)點連接至一對鋼瓶，用于每 30 秒從每個節(jié)點發(fā)送的總共 4 個數(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。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 多萬個數(shù)據(jù)包，而且實現(xiàn)了高于“七個 9”(99.99999%) 的可靠性。

表 2：網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計數(shù)據(jù) ― 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)行時間

圖 4：密集的金屬和混凝土 ― 無線節(jié)點即使在位于金屬設(shè)備和配氣管之間時也必須可靠地運(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工業(yè)性能而設(shè)計，并以嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)在組件、接口和網(wǎng)絡(luò)級上進(jìn)行測試，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)格的端到端測試和實際應(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 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證報告。

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