Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik
KommunikationFunkstandards und smarte drahtloseIndustriesensorensich damit mehr als verdoppelt [1].Im Segment der smarten Sensorendürften drahtlose und portable Gerätedie wichtigsten Wachstumstreibersein. Die Überwachung industriellerMaschinen mithilfe drahtloserUmgebungssensoren (Temperatur,Vibration) dient dem klar definiertenZiel, frühzeitig zu erkennen,wenn die überwachte Anlage nichtmehr ordnungsgemäß funktioniert.Kriterien für drahtloseSensorenBild 1: Funkstandards im ÜberblickAutor:Richard AnslowSenior ManagerAnalog Deviceswww.analog.comDer vorliegende Artikel gibt einenÜberblick über einschlägige Funkstandardsund beurteilt die Eignungvon Bluetooth Low Energy(BLE), SmartMesh (6LoWPAN overIEEE 802.15.4e), und Thread/Zigbee(6LoWPAN over IEEE 802.15.4)für industrielle Einsatzumgebungenmit anspruchsvollen Funkbedingungen.Hierfür werden Vergleichszahlenvorgelegt, wie etwa Stromverbrauch,Zuverlässigkeit, Sicherheitund TCO (Total Cost of Ownership).Die von SmartMesh geboteneZeitsynchronisation sorgt für einengeringen Stromverbrauch, währenddas Channel Hopping (Kanalsprungverfahren),das bei SmartMesh undBLE angewandt wird, die Zuverlässigkeitverbessert. Tatsächlichergibt eine für SmartMesh durchgeführteFallstudie eine Zuverlässigkeitvon 99,999996 %. Im weiterenVerlauf stellt der Artikel die fürBLE und SmartMesh ausgelegtendrahtlosen Zustandsüberwachungs-Sensoren von Analog Devices vor –darunter ein neuer drahtloser Sensormit Edge AI (Artificial Intelligence),der in Edge-Sensorknoten mit eingeschränktenRessourcen für einelängere Batterielebensdauer sorgt.EinführungEs wird erwartet, dass der Absatzsmarter Sensoren für motorgetriebeneSysteme von 2022 bis 2024auf 906 Mio. US-Dollar wächst undAls wichtigste Anforderungen andrahtlose Sensoren in industriellenAnwendungen werden stets ein niedrigerStromverbrauch sowie Zuverlässigkeitund Sicherheit genannt.Weitere Kriterien sind niedrigeGesamtkosten (minimale Gateways,Instandhaltung), Kurzstrecken-Kommunikationund ein Protokoll,das die Bildung von Mesh-Netzen in Fabrikumgebungen ermöglicht,in der sich viele metallischeHindernisse befinden, denndie Mesh-Technik hilft beim Abmildernpotenzieller AbschirmungsundReflexionseffekte entlang desSignalwegs.Anforderungenan Funkstandardsin der IndustrieBild 1 bietet eine Übersicht überdie verschiedenen Funkstandards,und aus Tabelle 1 geht hervor, inwelchem Umfang wichtige industrielleAnforderungen von diesenStandards erfüllt werden. Wie mansieht, bieten BLE und SmartMeshRobustheitTotal Cost ofOwnershipfür MeshgeeignetStandard Reichweite StromverbrauchZuverlässigkeitSicherheitWifi (802.111 b, g) 100 m hoch gering gering hoch Ja Ja, WPABLE 20 m bis 100 m gering/mittel mittel/hoch gering mittel Ja Ja, AESZigbee, Thread (6LoWPANover IEEE 802.15.4)SmartMesh (6LoWPANover IEEE 802.15.4e)LoRaWAN 500 m bis 300mTabelle 1: Funkstandards und industrielle Anforderungen20 m bis 200 m gering/mittel gering gering mittel Ja Ja, AES20 m bis 200 m gering hoch hoch gering Ja Ja, AESbei Knotenmittel bisgering, beiGateway hochgering gering hoch Nein -SterntopologieJa, AES100 PC & Industrie 1-2/2025
KommunikationBild 2: Typischer Einsatz eines drahtlosen Industriesensors(6LoWPAN over IEEE 802.15.4e) fürindustrielle Anwendungen die besteKombination aus geringem Stromverbrauchund einem hohen Zuverlässigkeits-und Sicherheitsniveau.Thread und Zigbee ermöglichenzwar ebenfalls stromsparende undsichere Mesh-Implementierungen,schneiden aber in Sachen Zuverlässigkeitschlechter ab.MerkmalFunkstandards im VergleichTabelle 2 enthält genauere Angabenzu den Mesh-Standards Zigbee/Thread,SmartMesh und BLE.Bestandteil von SmartMesh ist einTSCH-Protokoll (Time SynchronizedChannel Hopping), bei demsämtliche Knoten in einem Netzwerkzueinander synchronisiertsind und die Kommunikation nachZigbee, Thread(6LoWPANover IEEE 802.15.4)SmartMesh(6LoWPAN overIEEE 802.15.4e)einem Plan arrangiert wird. Währenddie Zeitsynchronisation denStromverbrauch senkt, sorgt dasChannel Hopping für hohe Zuverlässigkeit.Channel Hopping gibtes auch bei BLE, jedoch existierenhier gewisse Restriktionen gegenüberSmartMesh, wie etwa netzversorgteRouting-Knoten, die dieSystemkosten und den Stromverbrauchin die Höhe treiben. Außerdemwird bei BLE das TSCH-Protokollnicht unterstützt. Wie bereitserwähnt, rangieren Thread und Zigbeebezüglich der Zuverlässigkeitweiter hinten, und außerdem fehlenihnen viele Vorteile von BLE.Im Mittelpunkt dieses Artikels stehenSmartMesh und BLE Mesh alsdie bestgeeigneten Funkstandardsfür industrielle Zustandsüberwachungs-Sensoren.Drahtlose Zustandsüberwachungs-SensorenTabelle 3 zeigt eine Übersichtüber die drahtlose Vibrationsüberwachungs-PlattformVoyager 3sowie über drahtlose Zustandsüberwachungs-Sensorendernächsten Generation von AnalogDevices. Voyager 3 nutzt dasSmartMesh-Modul LTP5901-IPC.Ein (noch in der Entwicklung befindlicher)AI-gestützter Vibrationssensorenthält einen BLE-Mikrocontroller(MAX32666). Temperatur- undBLE MeshFunkfrequenz 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHzDatenrate 250 kBit/s 250 kBit/s 1 MBit/s, 2 MBit/sReichweite 20 m bis 200 m 20 m bis 200 m 20 m bis 150 mApplikations-Durchsatz < 0,1 MBit/s < 0,1 MBit/s < 0,2 MBit/sNetzwerktopologie Mesh, Stern Mesh, Stern Mesh, SternSicherheit AES AES AESStromverbrauchTime SynchronizedChannel Hoppingnetzgespeiste Routnig-KnotenRoutnig-Knotenbenötigen im Mittelnur 50 μAnetzgespeisteRoutnig-Knotenx xRobustheit (Kanalzuweisung) x einkanalige Komm. xZuverlässigkeit(Channel Hopping)x einkanalige Komm. Standards (Interoperabilität) ja proprietär jaTabelle 2: Wichtige Funkstandards und ihre Eigenschaften in industriellen AnwendungenBatteriezustands-Sensoren findensich in beiden Sensoren. In Voyager 3und der AI-Version kommen fernerMEMS-Beschleunigungssensoren(ADXL356, ADXL359) von ADI zumEinsatz, um in Industrieanlagen dieAmplitude und Frequenz von Vibrationenerfassen zu können. AnsteigendeVibrationsamplituden und-frequenzen werden mithilfe vonFFT-Spektren identifiziert, die aufFehler wie etwa Motorunwuchten,Fehlanpassungen und Lagerschädenhindeuten können.Bild 2 vermittelt einen Überblicküber typische Anwendungen vonVoyager 3 und AI-gestützten Vibrationssensoren.Wie bei vielen Industriesensoren,befinden sich die Sensorenauch hier die meiste Zeit imLow-Power-Modus mit 1 % Einschaltdauer.Der Sensor wird dabei nur inbestimmten Zeitabständen (oder beihoher Vibrationsamplitude) zum Sammelnvon Daten oder zum Absendeneiner Statusmeldung aktiviert.In der Regel wird anschließend dieMeldung abgeschickt, dass sich dieMaschine in einem einwandfreienZustand befindet, woraufhin anwenderseitigdie Möglichkeit zum Abrufenweiterer Daten besteht.Geringer StromverbrauchDie in Tabelle 3 beschriebenenSensoren arbeiten mit einer Einschaltdauervon 1 % sowie einerPayload von 90 Bytes (Voyager 3)bzw. 510 Bytes (AI-Version). AusBild 4 (angepasst übernommen vonShahzad und Oelmann [3]) gehthervor, dass BLE bei einer Datenmengezwischen 500 und 1.000Bytes weniger Energie verbrauchtals Zigbee und Wi-Fi, wodurch eseine gute Wahl für die AI-Versionist. SmartMesh dagegen punktetmit sehr geringem Stromverbrauchinsbesondere bei Payloads vonmaximal 90 Bytes (wie im Fall vonVoyager 3). Abgeschätzt wird derEnergiebedarf von SmartMesh mitdem auf der Website verfügbarenTool SmartMesh Power and PerformanceEstimator, dessen Genauigkeitauf experimentellem Weg mit87 bis 99 Prozent verifiziert wurde(abhängig davon, ob der Sensorein Routing- oder Leaf-Knoten ist).SicherheitSmartMesh-IP-Netzwerke weisenmehrere Sicherheitsebenen auf, diemit den Begriffen Vertraulichkeit, Inte-PC & Industrie 1-2/2025 101
