驗證SmartMesh IP對于工業物聯網應用＞99.999%的數據可靠性

工業物聯網（IoT）需要具有嚴格可靠性和安全性的工業無線傳感器網絡（WSN）。由于此類網絡必須在無人干預的情況下可靠地工作10年以上，因此工業WSN必須應對隨著時間的推移而劇烈變化的環境條件。此外，它們還必須具有可擴展性和靈活性，以便網絡能夠在相當長的一段時間里支持不斷增長的業務需求和數據流量。

由凌力爾特提供的SmartMesh?無線網格網絡產品專門針對工業IoT應用進行了設計和嚴格的測試，可在某些極為嚴酷的環境中提供＞99.999%的數據可靠性。在每款新型SmartMesh軟件產品發布之前，凌力爾特會累計超過100萬節點小時的網絡工作，并在可靠性最少達“五個9”（＞99.999%的數據可靠性）后，才會宣布其具備了生產質量。

本文著重闡述凌力爾特用于通過無線電硬件認證、自動化網絡測試方法和系統化網絡測試來驗證數據可靠性的方法。另外，還對來自一個使用中的生產網絡的性能統計數據進行了考察。

無線電硬件認證測試

WSN的性能與主要的無線電硬件及在該芯片上運行的協議相關聯。SmartMesh無線電芯片（例如凌力爾特的LTC5800）經歷了嚴苛的測試以確認其操作參數。這些測試的結果通過多個生產批次進行確定，然后再公布產品手冊（其包括針對硬件的所有相關規格指標）。與凌力爾特專注于工業市場的策略相一致，硬件的設計認證包括運行網絡測試，被稱為高加速壽命試驗（HALT），其在使一個通電網絡運行的同時讓硬件遭受極端條件，包括冷熱階躍應力、燙熱階躍應力、電壓裕度調節、快速熱躍遷、振動階躍應力、熱和振動的組合應力以及擴展溫度測試。見圖1。

圖1：在一個高低溫試驗箱中工作的SmartMesh節點

自動化網絡測試方法

為確保服務期間的可靠性，測試必須全面地涵蓋網絡在跨越多年的運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百項網絡測試，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點的節點組構成的網絡試驗臺（見圖2）配置成任何數目的測試網絡（可大可小）。一個集中式測試服務器能夠快速地啟動整個共存網絡，運行多項系統測試，并通過利用每個無線節點的應用程序接口（API）進行編程以重新啟動用于下一組測試的節點。利用自動化使全回歸測試變得實用，可確保現有的功能和運行方式在后續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點裝備儀表，一項包含幾百項測試的測試計劃的執行可在幾天（而不是數月）的時間里完成。

該試驗臺具有一種密集的RF噪聲環境，因為每個被測網絡都“沉浸”在一個由同時運作的其他網絡所產生的無線流量的“大海”之中。這種網絡流量，再加上鄰近的Wi-Fi路由器、藍牙和蜂窩無線電設備，產生了一個代表著極具挑戰性的RF環境的升高RF噪聲層。

系統化網絡測試

采用該網絡試驗臺在幾百種網絡拓撲上驗證可靠性。例如，建立了下面的網絡（表1）以用基準測試一個典型的100節點網絡、四跳頻網絡。每個節點每分鐘產生兩個數據包，而且網絡最少連續運行500小時（在21天里）。此環境模擬的是一種典型的商業或輕工業場景，這里存在著電子設備和金屬結構以及穿梭在整幢樓宇之中的人流。盡管是有損耗的RF環境，但是網絡通過包重試以及路徑和通道分集在發送超過4,300萬個數據包的過程中實現了優于99.999%的數據可靠性。

通過清點在每個節點的API端口注入和在網關節點API成功接收的數據包，網絡試驗臺獨立地驗證SmartMesh網絡軟件的內置可靠性度量指標。這些內置統計數據可通過一個位于網關節點的軟件API接口提供給用戶，并使開發人員和用戶能夠在初始評估過程中以及網絡使用期限內在其自己的應用中評定SmartMesh的可靠性。

為了獲得＞99.999%的數據可靠性，凌力爾特的工程師們在系統測試期間對每個數據包傳輸錯誤進行故障排解，而不管出錯概率如何之低。為在此類錯誤確實出現之時進行監視和捕獲，每個節點的API端口、CLI端口和SPI閃存編程端口在網絡試驗臺中是連接的，從而使得凌力爾特的工程師能在一條消息通過網格網絡傳播時監察每個節點并調試低級軟件。

表1，網絡試驗臺結果示例（對于一個100節點網絡）

節點數
100
網格網絡深度
4次跳頻（從最遠的節點到網關）
包產生率
每30秒從每個節點產生一個數據包
發送的數據包數目
43,792,812（在27天里）
在最終目的地接收的數據包數目
43,792,756（99.99987%的數據可靠性）
此外，還給網絡試驗臺裝備了儀表以收集詳細的性能度量指標，包括節點的平均電流消耗、數據吞吐量和網絡延遲（一條消息穿越網格網絡所需的時間）。網絡試驗臺從每個無線節點把傳感器數據注入網絡，以測量延遲及對網關節點處理流量的能力進行特性分析。利用任選的網絡配置（例如一種低延遲模式）或更多的雙向網絡流量來重復這些測試。

最后，該網絡試驗臺簡化了應力測試，以平穩地驗證網絡處理問題情況的能力。這些測試在被測網絡內部的不同節點上系統地引入攪動，例如停用節點以驗證剩余的相鄰節點從未丟失一個數據包。其他的應力測試則引起廣泛的節點故障，以使網關節點在網絡的大部分受損時使流量轉向并修復網絡的能力經受考驗。此類應用測試用于驗證工業WSN處置這種意外事件的能力，因為它們常被委以監視和控制業務關鍵型系統的責任。

凌力爾特晶圓制造廠里的一個生產網絡

在凌力爾特位于硅谷的晶圓制造廠里已經部署了SmartMesh IP，以監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行三次人工檢查，每天的總手工作業時間為4個小時。部署一個SmartMesh IP網絡以實現測量的自動化，并把讀數直接發送至工廠的控制中心軟件。在氣體燃料箱中部署了32個無線節點，以測量每個鋼瓶的罐體壓力和已調壓力。每個無線節點連接至一對鋼瓶，用于每30秒從每個節點發送的總共4個數據包。

晶圓制造廠中的RF情況是一種有代表性的工業環境，無線節點被金屬和混凝土所包圍，而且工作機組和設備在該區域中整天不停地移動。該網絡已連續處于工作狀態超過83天，發送了2600多萬個數據包，而且實現了高于“七個9”（99.99999%）的可靠性。

表2，網絡統計數據——部署在凌力爾特晶圓制造廠中的SmartMesh IP網絡

節點數
32
網格網絡深度
4次跳頻（從最遠的節點到網關）
包產生率
每30秒從每個節點產生4個數據包
發送的數據包數目
26,137,382（在83天里）
在最終目的地接收的數據包數目
26,137,381
（99.999996%的數據可靠性
——“七個9”的可靠性）

圖3：凌力爾特晶圓制造廠里的有毒氣體柜處于嚴密監視之下，以確保正常運行時間

圖4：密集的金屬和混凝土——無線節點即使在位于金屬設備和配氣管之間時也必須可靠地運行

結論

用于工業物聯網應用的無線傳感器網絡必須在很長的使用期限內達到極高的可靠性門檻。為保證網絡能滿足這些嚴格的要求，系統硬件和軟件從一開始就必須專門針對工業性能而設計，并以嚴苛的標準在組件、接口和網絡級上進行測試，而且服務中的網絡必須在壓力之下運作，以確認能夠滿足可接受的壽命可靠性指標。凌力爾特的SmartMesh網絡在嚴格的端到端測試和實際應用中提供了＞99.999%的數據可靠性。在全世界要求苛刻的應用中已經部署了超過50,000個SmartMesh網絡，例如：數據中心、工廠、電力公用事業、警戒線安全、室外環境監察、農業應用、采礦和隧道、以及工業過程。