橫河Sushi傳感器和LoRaWAN無線通信協議

1 開發背景

日本橫河電機（Yokogawa）公司于2018年3月宣布，將向國際市場推出sushi傳感器，它是OpreX品牌陣容中的一種無線解決方案，已經在日本市場銷售，2019年3月將登陸歐洲市場進行銷售。

Sushi（壽司）是日本一種傳統美食，Sushi傳感器以其令名頗有贊美設備精良的含義。

sushi傳感器是一款緊湊型無線設備，具有集成的傳感和通信功能，能通過檢測設備的振動和表面溫度監測設備健康狀態，它作為工業物聯網(IIoT)的一個新型傳感器設備對工業物聯網的應用進行優化，可以在線監控設備運行狀況，通過檢測早期異常跡象，幫助改善設備維護并防止故障。

作為國際自動化儀表主流廠家之一，橫河電機公司早在2010年就推出了符合ISA100.11a流程行業無線通信標準的ISA100Wireless產品，其中也有用于設備健康狀態檢測的無線振動變送器，但它是用于工廠關鍵大型旋轉設備精細診斷的振動波形頻譜分析。 而在工廠里，還有大量的非關鍵旋轉設備運行，如一般壓縮機、風機、電機、泵，它們目前采用人工定期巡回檢測這些設備的振動和表面溫度。隨著制造業不斷努力提高生產效率和工廠維護效率，對通過工業物聯網收集更多工廠設備有效數據的解決方案的需求日益增加。為了在早期發現設備異常的跡象并防止設備意外故障，提高維護效率，希望能采用成本較低的無線振動和溫度傳感器連續監測工廠非關鍵旋轉設備運行的狀況。在開發工作正式開展之前，橫河電機在日本進行了超過40家工廠的用戶訪談和4家工廠的概念驗證（POC），在此基礎上確定了工業物聯網這種傳感器的以下要求：

易于安裝和設置

傳感器應防塵、防水、防爆，適用于惡劣的工廠環境。

傳感器產品組合應能涵蓋設備維護和環境監測所需的物理參數。

電池壽命應比工藝設備定期保養周期長，以便在定期保養期間更換電池。

無線通信應覆蓋廣泛的區域，以允許傳感器安裝在工廠的任何地方。

低初始成本和運行成本

用戶訪談顯示，近一半的工廠監測傳感器測量振動幅度和表面溫度。為了滿足這一需求，橫河電機開發了sushi（Sushi）傳感器，由于不是針對關鍵大型旋轉設備精細診斷，故采用簡單診斷方式用于非關鍵旋轉設備，對設備的振動幅度和表面溫度進行檢測，sushi傳感器收集的數據使用低功耗廣域(LPWA)無線數據通信協議LoRaWANTM傳送。

圖1所示為sushi傳感器的主要目標設備。

圖1 sushi傳感器的主要目標設備

2 sushi傳感器

XS770Asushi傳感器是橫河公司為工業物聯網（IIOT）開發的系列傳感器中的第一種產品，其結構小巧，外形尺寸僅為46 mm×46 mm×97 mm，內置3.6 V專用鋰亞硫酰氯電池，在刷新率為1h前提下，電池壽命超過4年。

圖2所示為sushi傳感器的外觀，其上部的NFC（近距離通信）圖標為NFC接口，當使用內置NFC功能的智能手機靠近這個圖標時，智能手機可以與XS770Asushi傳感器通信，并對sushi傳感器進行設置和維護。傳感器底部采用不銹鋼機座，能可靠地感知被測物體的振動和溫度，還便于用磁鐵直接固定在設備的金屬表面上。外殼采用PBT增強樹脂，可減輕傳感器本身重量，樹脂還允許電磁波通過，這一優勢使得用于LoRaWAN和NFC通信的兩個天線都安裝在一個緊湊的機身中，這樣傳感器結構比帶外接天線的結構簡單得多。sushi傳感器的密封性好，可防塵、防水、防爆，適用于惡劣的工廠環境。

圖2 XS770Asushi傳感器的外觀

作為顯示和界面設置采用NFC，可在幾厘米距離內，實現快速數據交換。通過該接口，使用戶界面更加靈活和擴展方便。通過手機屏幕，可以進行“網絡組態”、“回路檢查”、“電池更換”、“當前值讀數”、“設備設定”、“防火墻更新”等項操作。通過智能手機上安裝的sushi傳感器APP應用程序進行傳感器的設置和維護，如檢查剩余電池電量等信息，可在不考慮預設的刷新率周期情況下，隨時讀取傳感器檢測數據，NFC接口通信方式比LED或LCD顯示器或紅外通信消耗的功率更少。

XS770Asushi傳感器有兩個內置的振動和溫度傳感器。振動傳感器分別測量至多三個軸（X、Y和Z）的加速度和速度，并計算其組合值，這一測量方式可以滿足中小型旋轉機械異常工況檢測的要求；溫度傳感器測量被測物體的表面溫度。

3 LoRaWAN無線數據通信協議

多臺sushi傳感器收集的數據可以通過LoRaWAN網關送到云服務器或內部服務器，操作人員和維護人員可以通過云服務器或內部服務器訪問現場的任何一臺sushi傳感器，監控整個工廠的設備振動和表面溫度。智能手機可通過3G/4G網絡與云服務器或內部服務器通信，還可通過NFC接口通信方式，對sushi傳感器進行設置和維護（見圖3）。

圖3 sushi傳感器和LoRaWAN無線數據通信網絡

LoRa是升特（Semtech）公司創建的低功耗局域網無線標準，是在物理層負責長距離的通信連接，而LoRaWAN是為LPWAN低功率廣域網絡制定通信協議和系統架構。按協議分層來說，LoRaWAN就是MAC媒體訪問控制層，LoRa是物理層。

LoRa聯盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特等多家廠商共同發起創立，有超過500家成員。中國LoRa應用聯盟是在LoRa聯盟的支持下，由中興通訊發起成立的。

表1是LoRaWAN無線數據通信協議的主要指標。

LoRaWAN使用的是一個不需要許可證的亞GHz頻段，因此很容易構建公共通信基礎設施。

920MHz頻段的自由空間路徑損耗比2.4GHz頻段小，LoRaWAN網關能夠接收1km外sushi傳感器的數據，當達到最大輸出功率7dBm時，視準線無障礙通信距離可達7km。這樣長的通信距離意味著即使廠區內有許多障礙物，也可以不使用中繼器覆蓋。在一個實際工廠進行的現場試驗中，1000m²的廠區可以用一個網關輕松地覆蓋。

雖然LoRaWAN覆蓋范圍廣，功耗低，但它的數據吞吐量低，因此不適合需要快速響應的關鍵應用。但對于監測機械磨損和設備老化等緩慢事件的sushi傳感器來說，傳送的數據不需要嚴格的實時處理，一般可1h傳送數據一次，LoRaWAN的數據吞吐量完全滿足要求。

在sushi傳感器構成的LoRaWAN通信系統里，有雙向通信和單向通信兩種通信方式：雙向通信是通過3G／4G廣域網設置和維護sushi傳感器，單向通信是通過基于廣域網的LoRaWAN技術用于監測和收集sushi傳感器數據。兩種通信使得傳感器安裝和操作具有高度靈活性，LoRaWAN網關是安裝在LoRaWAN網絡和互聯網之間的協議轉換器（見圖4）。

圖4 sushi傳感器構成的LoRaWAN通信系統

4 安全設定

為了以密碼方式保護LoRaWAN通信安全，必須在壽司傳感器和無線網絡之間設置加密密鑰。圖5顯示的是安全設定的流程，智能手機從云上的網絡服務器獲得加密密鑰，安裝了sushi傳感器APP應用程序的智能手機再通過NFC通信在壽司傳感器上寫入加密密鑰。加密密鑰信息還可先存儲在一個NFC卡（密鑰卡），然后由智能手機讀出并通過NFC通信在壽司傳感器上寫入。為了減少智能手機信息丟失泄露或放錯位置的風險，壽司傳感器App會在預設時間后自動刪除關鍵信息。

圖5 安全設置流程

5 結束語

設備健康狀態監測是工業物聯網應用的一個重點，它通過早期設備異常跡象的檢測，幫助改善設備維護并防止故障。新開發的sushi傳感器可以在線監控設備運行狀況，它所收集的數據可通過LoRaWAN低功耗廣域無線網絡、云端及智能手機進行工業物聯網通信，實現工業物聯網的低初始成本和低維護成本運行，是提高企業生產效率和維護水平的有效解決方案。