横河Sushi传感器和LoRaWAN无线通信协议

1 开发背景

日本横河电机（Yokogawa）公司于2018年3月宣布，将向国际市场推出sushi传感器，它是OpreX品牌阵容中的一种无线解决方案，已经在日本市场销售，2019年3月将登陆欧洲市场进行销售。

Sushi（寿司）是日本一种传统美食，Sushi传感器以其令名颇有赞美设备精良的含义。

sushi传感器是一款紧凑型无线设备，具有集成的传感和通信功能，能通过检测设备的振动和表面温度监测设备健康状态，它作为工业物联网(IIoT)的一个新型传感器设备对工业物联网的应用进行优化，可以在线监控设备运行状况，通过检测早期异常迹象，帮助改善设备维护并防止故障。

作为国际自动化仪表主流厂家之一，横河电机公司早在2010年就推出了符合ISA100.11a流程行业无线通信标准的ISA100Wireless产品，其中也有用于设备健康状态检测的无线振动变送器，但它是用于工厂关键大型旋转设备精细诊断的振动波形频谱分析。 而在工厂里，还有大量的非关键旋转设备运行，如一般压缩机、风机、电机、泵，它们目前采用人工定期巡回检测这些设备的振动和表面温度。随着制造业不断努力提高生产效率和工厂维护效率，对通过工业物联网收集更多工厂设备有效数据的解决方案的需求日益增加。为了在早期发现设备异常的迹象并防止设备意外故障，提高维护效率，希望能采用成本较低的无线振动和温度传感器连续监测工厂非关键旋转设备运行的状况。在开发工作正式开展之前，横河电机在日本进行了超过40家工厂的用户访谈和4家工厂的概念验证（POC），在此基础上确定了工业物联网这种传感器的以下要求：

易于安装和设置

传感器应防尘、防水、防爆，适用于恶劣的工厂环境。

传感器产品组合应能涵盖设备维护和环境监测所需的物理参数。

电池寿命应比工艺设备定期保养周期长，以便在定期保养期间更换电池。

无线通信应覆盖广泛的区域，以允许传感器安装在工厂的任何地方。

低初始成本和运行成本

用户访谈显示，近一半的工厂监测传感器测量振动幅度和表面温度。为了满足这一需求，横河电机开发了sushi（Sushi）传感器，由于不是针对关键大型旋转设备精细诊断，故采用简单诊断方式用于非关键旋转设备，对设备的振动幅度和表面温度进行检测，sushi传感器收集的数据使用低功耗广域(LPWA)无线数据通信协议LoRaWANTM传送。

图1所示为sushi传感器的主要目标设备。

图1 sushi传感器的主要目标设备

2 sushi传感器

XS770Asushi传感器是横河公司为工业物联网（IIOT）开发的系列传感器中的第一种产品，其结构小巧，外形尺寸仅为46 mm×46 mm×97 mm，内置3.6 V专用锂亚硫酰氯电池，在刷新率为1h前提下，电池寿命超过4年。

图2所示为sushi传感器的外观，其上部的NFC（近距离通信）图标为NFC接口，当使用内置NFC功能的智能手机靠近这个图标时，智能手机可以与XS770Asushi传感器通信，并对sushi传感器进行设置和维护。传感器底部采用不锈钢机座，能可靠地感知被测物体的振动和温度，还便于用磁铁直接固定在设备的金属表面上。外壳采用PBT增强树脂，可减轻传感器本身重量，树脂还允许电磁波通过，这一优势使得用于LoRaWAN和NFC通信的两个天线都安装在一个紧凑的机身中，这样传感器结构比带外接天线的结构简单得多。sushi传感器的密封性好，可防尘、防水、防爆，适用于恶劣的工厂环境。

图2 XS770Asushi传感器的外观

作为显示和界面设置采用NFC，可在几厘米距离内，实现快速数据交换。通过该接口，使用户界面更加灵活和扩展方便。通过手机屏幕，可以进行“网络组态”、“回路检查”、“电池更换”、“当前值读数”、“设备设定”、“防火墙更新”等项操作。通过智能手机上安装的sushi传感器APP应用程序进行传感器的设置和维护，如检查剩余电池电量等信息，可在不考虑预设的刷新率周期情况下，随时读取传感器检测数据，NFC接口通信方式比LED或LCD显示器或红外通信消耗的功率更少。

XS770Asushi传感器有两个内置的振动和温度传感器。振动传感器分别测量至多三个轴（X、Y和Z）的加速度和速度，并计算其组合值，这一测量方式可以满足中小型旋转机械异常工况检测的要求；温度传感器测量被测物体的表面温度。

3 LoRaWAN无线数据通信协议

多台sushi传感器收集的数据可以通过LoRaWAN网关送到云服务器或内部服务器，操作人员和维护人员可以通过云服务器或内部服务器访问现场的任何一台sushi传感器，监控整个工厂的设备振动和表面温度。智能手机可通过3G/4G网络与云服务器或内部服务器通信，还可通过NFC接口通信方式，对sushi传感器进行设置和维护（见图3）。

图3 sushi传感器和LoRaWAN无线数据通信网络

LoRa是升特（Semtech）公司创建的低功耗局域网无线标准，是在物理层负责长距离的通信连接，而LoRaWAN是为LPWAN低功率广域网络制定通信协议和系统架构。按协议分层来说，LoRaWAN就是MAC媒体访问控制层，LoRa是物理层。

LoRa联盟于2015年上半年由思科（Cisco）、IBM和升特等多家厂商共同发起创立，有超过500家成员。中国LoRa应用联盟是在LoRa联盟的支持下，由中兴通讯发起成立的。

表1是LoRaWAN无线数据通信协议的主要指标。

LoRaWAN使用的是一个不需要许可证的亚GHz频段，因此很容易构建公共通信基础设施。

920MHz频段的自由空间路径损耗比2.4GHz频段小，LoRaWAN网关能够接收1km外sushi传感器的数据，当达到最大输出功率7dBm时，视准线无障碍通信距离可达7km。这样长的通信距离意味着即使厂区内有许多障碍物，也可以不使用中继器覆盖。在一个实际工厂进行的现场试验中，1000m²的厂区可以用一个网关轻松地覆盖。

虽然LoRaWAN覆盖范围广，功耗低，但它的数据吞吐量低，因此不适合需要快速响应的关键应用。但对于监测机械磨损和设备老化等缓慢事件的sushi传感器来说，传送的数据不需要严格的实时处理，一般可1h传送数据一次，LoRaWAN的数据吞吐量完全满足要求。

在sushi传感器构成的LoRaWAN通信系统里，有双向通信和单向通信两种通信方式：双向通信是通过3G／4G广域网设置和维护sushi传感器，单向通信是通过基于广域网的LoRaWAN技术用于监测和收集sushi传感器数据。两种通信使得传感器安装和操作具有高度灵活性，LoRaWAN网关是安装在LoRaWAN网络和互联网之间的协议转换器（见图4）。

图4 sushi传感器构成的LoRaWAN通信系统

4 安全设定

为了以密码方式保护LoRaWAN通信安全，必须在寿司传感器和无线网络之间设置加密密钥。图5显示的是安全设定的流程，智能手机从云上的网络服务器获得加密密钥，安装了sushi传感器APP应用程序的智能手机再通过NFC通信在寿司传感器上写入加密密钥。加密密钥信息还可先存储在一个NFC卡（密钥卡），然后由智能手机读出并通过NFC通信在寿司传感器上写入。为了减少智能手机信息丢失泄露或放错位置的风险，寿司传感器App会在预设时间后自动删除关键信息。

图5 安全设置流程

5 结束语

设备健康状态监测是工业物联网应用的一个重点，它通过早期设备异常迹象的检测，帮助改善设备维护并防止故障。新开发的sushi传感器可以在线监控设备运行状况，它所收集的数据可通过LoRaWAN低功耗广域无线网络、云端及智能手机进行工业物联网通信，实现工业物联网的低初始成本和低维护成本运行，是提高企业生产效率和维护水平的有效解决方案。