【導(dǎo)讀】如今MEMS加速度計(jì)性能快速提升，擁有更低功耗、更小尺寸、更高集成度、更寬帶寬以及低于100μg/√Hz的噪聲水平等，并可基于無(wú)線解決方案代替有線系統(tǒng)，以小巧輕便的三軸模擬器件取代單軸笨重的壓電傳感器，讓經(jīng)濟(jì)高效地連續(xù)監(jiān)控暴增的機(jī)器設(shè)備成為可能。對(duì)于維護(hù)和設(shè)施工程師而言，這意味著可通過全新的狀態(tài)監(jiān)控(CbM)范式檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)并最終避免機(jī)器故障。
狀態(tài)監(jiān)控的趨勢(shì)
全球有數(shù)以百萬(wàn)的電動(dòng)機(jī)在持續(xù)運(yùn)行，消耗全世界大約45%的電力。其中，一些最重要的電動(dòng)機(jī)可享受有線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的看護(hù)。研究顯示，接受調(diào)查的公司中有82%曾經(jīng)歷過計(jì)劃外維護(hù)，成本最高達(dá)到每小時(shí)250,000美元。對(duì)于那些經(jīng)歷過計(jì)劃外停機(jī)的公司，基于兩次停機(jī)事件的平均值，停機(jī)平均持續(xù)4小時(shí)，平均損失高達(dá)200萬(wàn)美元。
另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，70%的公司不知道資產(chǎn)何時(shí)需要進(jìn)行維護(hù)或升級(jí)工作。缺乏意識(shí)加上停機(jī)成本，推動(dòng)公司走向數(shù)字化，大約50%的公司計(jì)劃投資于數(shù)字孿生和人工智能(AI)。隨著工業(yè)4.0運(yùn)動(dòng)的大規(guī)模開展，企業(yè)組織積極研究工業(yè)版圖的數(shù)字化，以此提高生產(chǎn)力和效率。
該運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵方面是向無(wú)線傳感器系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。未來(lái)幾年，狀態(tài)監(jiān)控行業(yè)將出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，其中無(wú)線安裝將占到增長(zhǎng)的很大一部分。據(jù)估計(jì)，到2030年，全球智能制造業(yè)將部署近50億個(gè)無(wú)線模塊。眾所周知，最關(guān)鍵資產(chǎn)需要有線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但當(dāng)前部署的所有其他資產(chǎn)呢？對(duì)于一些老舊設(shè)施，安裝有線解決方案是不可行的，這就增加了對(duì)無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控解決方案的需求。
狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和維護(hù)
有線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)在性能、可靠性、速度和安全性方面非常出色，因此部署在最關(guān)鍵的資產(chǎn)上。由于這些優(yōu)勢(shì)，有線系統(tǒng)仍然更有可能部署在新建設(shè)施上。安裝有線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，工廠車間可能不得不到處布設(shè)線纜，尤其是當(dāng)某些機(jī)器不能受到干擾時(shí)，難度更大。工業(yè)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常使用60m線纜，單條布設(shè)的成本從3000美元到20,000美元不等，包括材料和人工費(fèi)用。某些情況下需要線束，這會(huì)增加額外的復(fù)雜性，安裝可能很耗時(shí)。如果電纜通過現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施布設(shè)，那么在受損或需要升級(jí)的時(shí)候，可能無(wú)法更換或重新布線。
雖然無(wú)線系統(tǒng)初看起來(lái)可能更昂貴，但更簡(jiǎn)單的維護(hù)程序加上易于擴(kuò)展的能力，可以顯著節(jié)省狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)全壽命周期的成本。維護(hù)路線更少，布線和相關(guān)硬件也更少，這些都能節(jié)省成本。根據(jù)所需的報(bào)告級(jí)別不同，電池最長(zhǎng)可以使用數(shù)年。如果可以部署基于能量采集的無(wú)線系統(tǒng)，那么維護(hù)將變得更容易，而且成本更低。選擇無(wú)線系統(tǒng)后，下一個(gè)要關(guān)注的方面是哪種技術(shù)最適合您的狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用？
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)盡管已經(jīng)部署了數(shù)十年，但直到最近才在工廠車間廣泛部署，這要感謝低功耗技術(shù)的進(jìn)步以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)惡劣RF干擾的耐受力的提高。本節(jié)將討論各種網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。
網(wǎng)格技術(shù)
有多種常見技術(shù)可用于創(chuàng)建低功耗、低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)，例如Bluetooth? Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果想開發(fā)一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)量相對(duì)較低、傳輸距離較短的密集無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)集群（比如工廠車間就需要這樣的節(jié)點(diǎn)集群），那么這些低數(shù)據(jù)網(wǎng)格或多對(duì)多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)是不錯(cuò)的選擇。
網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)可用于基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)并相互無(wú)線連接，如圖1所示。如果兩個(gè)特定節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路受到干擾或噪聲影響，這些節(jié)點(diǎn)可以互相幫助，擴(kuò)展無(wú)線電信號(hào)，甚至可以將信號(hào)重新路由。網(wǎng)格技術(shù)最重要的特性之一是能夠通過網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而能夠創(chuàng)建一個(gè)覆蓋大面積的大型互連網(wǎng)絡(luò)，而消耗的功率則非常少。例如，在圖1中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3之間的距離很長(zhǎng)，因此它們不能直接通信。但是，在節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3之間不存在直接鏈路的情況下，節(jié)點(diǎn)1可以通過節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)3傳輸數(shù)據(jù)。
圖1.展示多對(duì)多通信的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集群示例
圖2顯示了一個(gè)工廠車間示例，其中節(jié)點(diǎn)1測(cè)量一臺(tái)電機(jī)的振動(dòng)。此數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)6，但其間的距離超出了收發(fā)器的能力。數(shù)據(jù)直接從節(jié)點(diǎn)1傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)6的話，需要更高的發(fā)射功率和更高的接收器靈敏度。更高的發(fā)射功率一般意味著峰值電流消耗更高，因而需要更大的電池。若使用網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，此數(shù)據(jù)可以沿著節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)6之間的每個(gè)節(jié)點(diǎn)跳過去，最終到達(dá)目的地。每個(gè)設(shè)備在較小范圍內(nèi)傳輸所需的功率，遠(yuǎn)小于在整個(gè)工廠車間形成更長(zhǎng)的直接無(wú)線鏈路所需的功率。
圖2.在工廠車間實(shí)施的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，展示了數(shù)據(jù)跳躍
網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
● 自主配置：隨著工業(yè)4.0成為現(xiàn)實(shí)，以及企業(yè)數(shù)字化程度的提高，工廠經(jīng)理必須尋求更好的性能。這種探索的一個(gè)重要方面是要能在較小的地理位置添加高密度的無(wú)線設(shè)備集群，同時(shí)保持高度可靠的性能——在某些情況下幾乎與有線系統(tǒng)一樣好，而且?guī)缀醪恍枰謩?dòng)配置，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可以自行配置。
● 自愈：網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)在不斷地路由數(shù)據(jù)，因此不斷受到來(lái)自工廠車間的噪聲、干擾、多路徑、衰落反射等的干擾。SmartMesh? IP系統(tǒng)（管理器和節(jié)點(diǎn)）持續(xù)監(jiān)測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的噪聲水平并共享此數(shù)據(jù)，以便重新路由信號(hào)，使其遠(yuǎn)離可能存在高噪聲的路徑。
● 覆蓋范圍：只需添加或刪除節(jié)點(diǎn)，即可輕松調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的大小。如圖2所示，覆蓋面積可以輕松擴(kuò)展，而無(wú)線設(shè)備無(wú)需增加功耗。
表1總結(jié)了各種網(wǎng)格技術(shù)及其能力。
表1.不同網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的比較
其他低功耗無(wú)線技術(shù)
LoRa或LoRaWAN可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離（長(zhǎng)達(dá)6英里）的低數(shù)據(jù)速率通信，同時(shí)消耗的功率非常低。它基于各種頻段，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。因此，對(duì)于低功耗、長(zhǎng)距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這些解決方案很理想。NB-IoT或蜂窩網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施成本更高、更復(fù)雜，功耗高于網(wǎng)格技術(shù)，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量卻更小。但是，它確實(shí)提供高質(zhì)量的蜂窩服務(wù)和對(duì)云的直接訪問。如果您的無(wú)線解決方案需要長(zhǎng)距離蜂窩接入以及比Zigbee高的數(shù)據(jù)速率，那么LTE-M可能值得考慮。
MEMS取代壓電振動(dòng)傳感器的演變
直到最近，在檢測(cè)關(guān)鍵資產(chǎn)和旋轉(zhuǎn)機(jī)械的早期振動(dòng)故障特征方面，MEMS傳感器還不足以與IEPE振動(dòng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)，如圖3所示。MEMS傳感器的主要限制在于噪聲、帶寬和g范圍。低噪聲是檢測(cè)低水平振動(dòng)以實(shí)現(xiàn)更早的故障檢測(cè)甚至預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。帶寬很重要，因?yàn)樵S多資產(chǎn)/電機(jī)故障，如氣穴現(xiàn)象、軸承問題和齒輪嚙合等，最早常常發(fā)生在5kHz以上的頻率，當(dāng)然時(shí)間對(duì)于檢測(cè)故障至關(guān)重要。g范圍也很重要，因?yàn)檩^大的資產(chǎn)可以產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百g的沖擊或撞擊，這可能會(huì)破壞專為不太苛刻操作而設(shè)計(jì)的MEMS傳感器。
圖3.用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的MEMS性能演變
從歷史上看，大多數(shù)MEMS傳感器是為多種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此通常不會(huì)有多個(gè)特定于應(yīng)用的特性，但狀態(tài)監(jiān)控至少需要三個(gè)特性。汽車碰撞檢測(cè)MEMS傳感器是具備高級(jí)特性且特定于應(yīng)用的單一部件的典范。此類傳感器被設(shè)計(jì)為具有高g范圍，但帶寬和/或噪聲性能不足以用于狀態(tài)監(jiān)控和其他許多應(yīng)用。開發(fā)適用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的MEMS傳感器非常困難，這就是迄今為止成功的供應(yīng)商很少的原因。
為了突出展現(xiàn)用于狀態(tài)監(jiān)控的MEMS性能的這些進(jìn)步，ADI對(duì)2010年和2017年發(fā)布的兩款單軸模擬輸出MEMS振動(dòng)傳感器進(jìn)行了比較，如表2所示。兩款MEMS加速度計(jì)均設(shè)計(jì)用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中的振動(dòng)檢測(cè)。這兩款傳感器的帶寬都相當(dāng)高，但噪聲改進(jìn)最為顯著，以至于MEMS傳感器現(xiàn)在可以與壓電IEPE振動(dòng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)。
表2.用于狀態(tài)監(jiān)控的第一代和第二代MEMS傳感器的比較
一些高性能工業(yè)三軸MEMS傳感器上也實(shí)現(xiàn)了這種噪聲改善，如表3所示。這些傳感器并非專門為振動(dòng)檢測(cè)而設(shè)計(jì)，但它們是性能高超的MEMS傳感器，能夠在全帶寬下檢測(cè)到低于1 mg rms的振動(dòng)。再加上出色的穩(wěn)定性和可靠性，這些傳感器已被證明在各種機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中非常有效，無(wú)論是用作唯一的振動(dòng)傳感器，還是與其他寬帶寬MEMS/IEPE傳感器搭配使用。超低噪聲、窄帶寬(<5kHz) MEMS傳感器在檢測(cè)許多資產(chǎn)的振動(dòng)方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用，通常用在低轉(zhuǎn)速和亞赫茲的情況下，或用在直流響應(yīng)有利的情況下，例如紙張/工廠加工、食品/制藥、風(fēng)力發(fā)電、金屬加工業(yè)。表3突出展現(xiàn)了多軸MEMS傳感器性能從2009年到2017年的改善。應(yīng)該注意的是，為了實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬、更低的噪聲和更高的g范圍，待機(jī)電流等規(guī)格相比更通用的MEMS傳感器會(huì)更高。
表3.MEMS三軸傳感器性能的改善
狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通常使用什么級(jí)別的振動(dòng)傳感器？
計(jì)劃外停機(jī)常導(dǎo)致?lián)p失大量收入的公司繼續(xù)依賴有線解決方案，它們基于12位至20位分辨率傳感器，可提供最為可靠和精確的性能。此外，有線安裝的較高成本也很容易被證明是合理的。對(duì)于重要性較低的資產(chǎn)，性能要求并不那么嚴(yán)格，資本支出上限可能要低得多。10位至16位的振動(dòng)傳感器分辨率是可以接受的，這是當(dāng)今大多數(shù)基于MEMS的無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)所涵蓋的范圍。
重要性較低的資產(chǎn)對(duì)高性能振動(dòng)檢測(cè)也有需求，隨著工業(yè)公司尋求數(shù)字化并加強(qiáng)其改善性能、生產(chǎn)和效率的努力，這種趨勢(shì)會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。從歷史上看，成本一直是限制在重要性較低的資產(chǎn)上使用壓電振動(dòng)傳感器的因素，但隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員意識(shí)到MEMS傳感器在此類情況下可以提供的價(jià)值和靈活性，這一狀況現(xiàn)已開始改變。圖4顯示了從10位到24位的潛在振動(dòng)傳感器分辨率。盡管MEMS的分辨率明顯較低，但性價(jià)比優(yōu)勢(shì)很有吸引力，足以為監(jiān)控中低重要性的資產(chǎn)提供合理性。
圖4.傳感器類型和相應(yīng)的分辨率
MEMS傳感器的主要優(yōu)勢(shì)之一是低功耗，通常在μA范圍內(nèi)，甚至nA范圍也是可能的。這使得它們非常適合于無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用。有些壓電傳感器的功耗低至200μA左右，但它們?nèi)狈商匦?，而且與MEMS相比價(jià)格昂貴。確實(shí)存在一些基于壓電傳感器的專用無(wú)線振動(dòng)傳感器，它們可以在高達(dá)104kHz的采樣速率下提供24位分辨率，但與MEMS解決方案相比，電池壽命非常有限。這種無(wú)線振動(dòng)傳感器系統(tǒng)通常具有8小時(shí)的連續(xù)電池壽命。MEMS的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可以將多達(dá)三個(gè)軸集成到一個(gè)小封裝中。三軸壓電傳感器會(huì)更加昂貴、更大，并且需要更多的信號(hào)調(diào)理電路，這使得它們更不適合無(wú)線應(yīng)用。
未來(lái)趨勢(shì)：對(duì)新收入來(lái)源的渴望
在世界各地工廠當(dāng)前部署的旋轉(zhuǎn)機(jī)器中，泵占有很大的比例，預(yù)計(jì)到2025年，其全球市場(chǎng)將從383.4億美元增長(zhǎng)到469.2億美元。其中一些泵對(duì)于確保流程持續(xù)暢通無(wú)阻地運(yùn)行至關(guān)重要，這就需要狀態(tài)監(jiān)控以避免計(jì)劃外停機(jī)。這種泵的未來(lái)會(huì)怎樣？根據(jù)Frost&Sullivan最近的一份報(bào)告，泵將具備分析能力并變得智能化。泵OEM的增長(zhǎng)將由服務(wù)驅(qū)動(dòng)，服務(wù)基于分析、人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)，旨在提供有關(guān)提高泵性能和可靠性的診斷信息。研究發(fā)現(xiàn)，2025年之后，泵OEM收入的60%可能是來(lái)自與服務(wù)相關(guān)的活動(dòng)，泵行業(yè)將從基于產(chǎn)品的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛诜?wù)的模式。推動(dòng)這種轉(zhuǎn)變的主要因素是制造業(yè)的快速數(shù)字化(IIoT)，以及狀態(tài)監(jiān)控硬件和算法、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)步。預(yù)計(jì)水/廢水處理廠、煉油廠、天然氣生產(chǎn)廠等傳統(tǒng)重工業(yè)在尋求數(shù)字化運(yùn)營(yíng)時(shí)會(huì)使用這些智能泵。新建設(shè)施很可能會(huì)使用有線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但老舊設(shè)施上的現(xiàn)有設(shè)備怎么辦？為了將這種基于服務(wù)的模式應(yīng)用于已部署的泵和其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械，無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以提供快速、無(wú)縫和可靠的解決方案。
EV-CBM-VOYAGER3-1Z無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控模塊
Voyager平臺(tái)（如圖5所示）是一款穩(wěn)健型低功耗無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，它讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)o(wú)線解決方案快速部署到機(jī)器或測(cè)試設(shè)置中。設(shè)計(jì)人員可以快速評(píng)估用于振動(dòng)監(jiān)控的ADI MEMS傳感器技術(shù)，同時(shí)評(píng)估用于工業(yè)無(wú)線檢測(cè)的SmartMesh IP技術(shù)?？傮w目標(biāo)是加速客戶資產(chǎn)監(jiān)控和解決方案開發(fā)。節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)機(jī)械外殼和帶有?-28行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)螺柱附件的安裝硬件。Voyager解決方案可以輕松地直接安裝到電機(jī)或測(cè)試電路上。
圖5.Voyager無(wú)線狀態(tài)監(jiān)控模塊
SmartMesh IP
SmartMesh IP無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品是IC和預(yù)認(rèn)證PCB模塊，帶網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)軟件，使得傳感器可以在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)環(huán)境中進(jìn)行通信。它們面向IP兼容性而構(gòu)建且基于6LoWPAN和802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN由Internet Protocol第6版(IPv6)和低功耗無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LoWPAN)組成，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)的網(wǎng)絡(luò)，類似Wi-Fi。SmartMesh IP產(chǎn)品線支持低功耗，即使在惡劣和不斷變化的RF環(huán)境中，也能提供99.999%以上的數(shù)據(jù)可靠性。
圖6顯示了一個(gè)高度可擴(kuò)展、自成型的多跳無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合監(jiān)視性能和安全性并與主機(jī)應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)管理器，它能收集和中繼數(shù)據(jù)。當(dāng)管理器和節(jié)點(diǎn)通電后，網(wǎng)格會(huì)自動(dòng)形成。位于管理器范圍之外的節(jié)點(diǎn)將通過范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。此外，如果節(jié)點(diǎn)的通信鏈路受到噪聲干擾，可以使用另一條鏈路/路徑以不同的工作頻率重定向數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)包，使數(shù)據(jù)可以繞過或遠(yuǎn)離干擾源，SmartMesh IP的自愈能力或如同有線網(wǎng)絡(luò)一樣的可靠性(99.999%)正是來(lái)源于此。
Voyager套件已經(jīng)過SmartMesh IP節(jié)點(diǎn)跳躍測(cè)試。在此測(cè)試中，超出網(wǎng)絡(luò)管理器范圍的節(jié)點(diǎn)可以跳過范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。多躍點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可確保范圍外節(jié)點(diǎn)能將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)管理器。
SmartMesh IP最適合用在何處？
SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)定位于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)應(yīng)用。在工廠環(huán)境中，傳感器通常以集群形式部署在資產(chǎn)上，如圖7所示。需要定期甚至連續(xù)監(jiān)控的資產(chǎn)可以放置在工廠車間的不同位置，但在大多數(shù)情況下，它們之間的距離不會(huì)超過100m。例如，SmartMesh IP已成功部署在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，數(shù)以千計(jì)的節(jié)點(diǎn)形成了高密度集群。
過去，低功耗無(wú)線通信設(shè)備在應(yīng)對(duì)工廠車間產(chǎn)生的干擾方面很吃力。這不僅是SmartMesh IP擅長(zhǎng)的方面，而且它是專門為在密集集群中部署而設(shè)計(jì)的，這種集群需要類似有線的可靠性以及同步監(jiān)控或控制。
SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)間同步信道跳頻(TSCH)鏈路層進(jìn)行通信，這是ADI公司SmartMesh IP團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)的一種技術(shù)，也是WirelessHART (IEC 62591)和IEEE 802.15.4e等無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)建模塊。在TSCH網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都在數(shù)微秒內(nèi)同步。網(wǎng)絡(luò)通信被組織成時(shí)隙，以實(shí)現(xiàn)低功耗分組交換、成對(duì)信道跳頻和全路徑分集。通過使用TSCH，SmartMesh IP器件可以在計(jì)劃通信之間以超低功耗休眠，從而使占空比通常小于1%。網(wǎng)絡(luò)管理器利用TSCH確保節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確地知道何時(shí)通信、監(jiān)聽或休眠。這樣就確保了網(wǎng)絡(luò)上不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗都非常低——路由節(jié)點(diǎn)的典型功耗小于50μA。
SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)有的最安全網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)之一。SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)中的所有流量都受到端到端加密、消息完整性檢查和設(shè)備身份驗(yàn)證的保護(hù)。此外，SmartMesh網(wǎng)絡(luò)管理器包含支持網(wǎng)絡(luò)安全聯(lián)接、密鑰建立和密鑰交換的應(yīng)用程序。
圖6.SmartMesh連接
圖7.在工廠車間附近放置的高密度傳感器
Voyager信號(hào)鏈
圖8顯示了無(wú)線振動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)的概要。它還包含一個(gè)三軸ADXL356 振動(dòng)傳感器板和一個(gè)低功耗微控制器ADuCM4050。另外還有一個(gè)穩(wěn)定的低功耗SmartMesh IP LTC5800板和芯片天線。該套件包含一個(gè)SmartMesh IP USB適配器，用作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的管理器。嵌入式固件和GUI代碼可在GitHub上獲得。
圖8.Voyager硬件和GUI概覽
Voyager模塊的電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)特性，因此它選擇了高性能、低功耗器件來(lái)檢測(cè)、調(diào)理、處理和傳輸振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示。
圖9.ADXL356信號(hào)鏈的高級(jí)框圖
圖10.ADuCM4050/SmartMesh的高級(jí)框圖
Voyager信號(hào)鏈功耗
每個(gè)信號(hào)鏈器件的活動(dòng)和待機(jī)功耗（取自數(shù)據(jù)手冊(cè)的最差情況性能）分別如圖11和圖12所示。請(qǐng)注意，這不包括SmartMesh IP收發(fā)器，因?yàn)槠涔谋群?jiǎn)單的活動(dòng)或待機(jī)模式功耗更微妙。信號(hào)鏈的實(shí)際功耗會(huì)更低。在活動(dòng)模式下，ADuCM4050的功耗最大，因?yàn)樗愿哌_(dá)1.8 MSPS的速率對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、濾波，然后執(zhí)行DFT，再通過UART將數(shù)據(jù)發(fā)送到SmartMesh IP收發(fā)器之前。
圖11.活動(dòng)模式下的信號(hào)鏈功耗
圖12.待機(jī)模式下的信號(hào)鏈功耗
圖11和圖12顯示，當(dāng)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)和處于待機(jī)模式時(shí)，MEMS加速度計(jì)的活動(dòng)和待機(jī)電流非常重要。無(wú)論是打算運(yùn)行周期監(jiān)控方案（例如每6小時(shí)一次）還是運(yùn)行連續(xù)監(jiān)控方案，這些指標(biāo)對(duì)于確保電池供電的傳感器有效運(yùn)行至關(guān)重要。在活動(dòng)模式下，ADXL356的功耗約占信號(hào)鏈功耗的1.4%。與典型壓電傳感器相比，ADXL356的功耗要低得多。典型的壓電傳感器使用4mA恒定電流和24V至30V電源，功耗接近100mW。雖然有更低功耗的壓電傳感器可以將功耗降低90%，但它們?nèi)匀徊贿m合長(zhǎng)期用于電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
在待機(jī)模式下，ADXL356消耗信號(hào)鏈電流的39%。這看起來(lái)很高，但為了更好地了解由此產(chǎn)生的噪聲與功耗的性能權(quán)衡，應(yīng)該對(duì)適用于狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用振動(dòng)檢測(cè)的各種MEMS傳感器進(jìn)行比較和鑒定，如表4所示。
表4.支持狀態(tài)監(jiān)控的MEMS加速度計(jì)的活動(dòng)和待機(jī)功耗與Voyager信號(hào)鏈的活動(dòng)和待機(jī)功耗的比較
圖13和圖14顯示了活動(dòng)和待機(jī)模式下MEMS傳感器的電流消耗和噪聲。ADXL356和MEMS C4的活動(dòng)功耗最低，不過新設(shè)計(jì)不再推薦使用后者。MEMS B的活動(dòng)功耗最高（比ADXL356高11.5倍），但應(yīng)該注意的是，MEMS B噪聲最低且?guī)捿^寬，因此與所有MEMS C傳感器相比，其性能更高。
雖然ADXL356和MEMS B的待機(jī)電流最高，但這些傳感器的噪聲性能比圖14所示的其他器件要好1.6到9倍。電流消耗和噪聲密度之間的反比關(guān)系很明顯，當(dāng)為電池供電的應(yīng)用選擇MEMS振動(dòng)傳感器時(shí)，應(yīng)考慮這一點(diǎn)。
圖13.MEMS傳感器待機(jī)功耗與噪聲密度的比較
圖14.MEMS傳感器活動(dòng)功耗與噪聲密度的比較
ADXL356的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是陶瓷封裝，這使其可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供出色的穩(wěn)定性和性能?？紤]到無(wú)線設(shè)備中使用的大多數(shù)MEMS傳感器會(huì)被放到IP6x防護(hù)等級(jí)的外殼中，陶瓷封裝至關(guān)重要。在某些情況下，外殼還會(huì)灌封化合物。陶瓷封裝可以承受灌封化合物帶來(lái)的外力，以保持傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)性能。對(duì)于塑料封裝的MEMS器件，灌封可能不適合，因?yàn)榉庋b的撓曲會(huì)降低傳感器的性能。
MEMS開啟/上電時(shí)間
對(duì)于MEMS傳感器而言，上電時(shí)間是指從關(guān)斷到待機(jī)模式所需的時(shí)間。開啟或啟動(dòng)時(shí)間是指從待機(jī)到測(cè)量模式所需的時(shí)間，如表5所示。對(duì)于ADXL356，當(dāng)輸出在最終值的5 mg范圍內(nèi)時(shí)，該規(guī)格有效。
表5.MEMS傳感器上電時(shí)間
當(dāng)監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮這些時(shí)間，因?yàn)槿绻_啟時(shí)間太長(zhǎng)，當(dāng)系統(tǒng)從待機(jī)進(jìn)入測(cè)量模式時(shí)，可能會(huì)丟失關(guān)鍵振動(dòng)數(shù)據(jù)。在對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期供電以節(jié)省電力的系統(tǒng)中，在不同功耗模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗變得更加重要?？紤]表5所示的開啟時(shí)間，當(dāng)MEMS C1、MEMS C2和MEMS C4經(jīng)過1.3s以上的時(shí)間（最差情況）才測(cè)量到有效數(shù)據(jù)時(shí)，其他傳感器已經(jīng)完成測(cè)量并處于待機(jī)模式好一會(huì)了，從而能節(jié)省更多電量。圖15比較了ADXL356、MEMS B和MEMS C1從待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到測(cè)量模式的情況，測(cè)量加速度數(shù)據(jù)1s，假設(shè)電源在此轉(zhuǎn)換期間以線性斜坡變化，然后經(jīng)過4.5s返回待機(jī)模式。盡管MEMS B具有更快的上電/啟動(dòng)時(shí)間，但1s測(cè)量的活動(dòng)電流消耗明顯高于ADXL356。同樣，在最差情況下，MEMS C1需要1.3s才能進(jìn)入測(cè)量模式，這意味著它必須保持更長(zhǎng)時(shí)間才能測(cè)量到與ADXL356和MEMS B相同的數(shù)據(jù)，因而會(huì)消耗更多功率，如表6所示。如果MEMS B和ADXL356以MEMS C1的最差情況速度測(cè)量數(shù)據(jù)，則二者都有55%的時(shí)間處于待機(jī)模式，而MEMS C1處于該模式的時(shí)間只有幾毫秒。
圖15.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：?jiǎn)?dòng)，然后以MEMS C1的最差情況啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行1s的測(cè)量，在4.5s內(nèi)重復(fù)兩次。
表6.相對(duì)于圖15的平均電流
圖16顯示了每分鐘進(jìn)行5s的活動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量的電流消耗，器件在其余時(shí)間處于待機(jī)模式。平均電流如表7所示。
圖16.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：?jiǎn)?dòng)，然后以MEMS C1的最差情況啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行5s的測(cè)量，總計(jì)60s。
表7.相對(duì)于圖16的平均電流
即使以較低的頻率進(jìn)行測(cè)量（每60秒測(cè)量5秒），MEMS C1和ADXL356的平均電流消耗也非常接近，盡管二者的活動(dòng)和待機(jī)電流消耗不同。如果測(cè)量頻率較低，則在兩次測(cè)量之間關(guān)斷MEMS傳感器以減少電流消耗的做法更加可行，如圖17所示，其中ADXL356的平均電流消耗最低。
圖17.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：?jiǎn)?dòng)，然后進(jìn)行5s的測(cè)量，然后關(guān)斷，總計(jì)60s。
表8.相對(duì)于圖17的平均電流
SmartMesh IP收發(fā)器（如LTC5800）具有幾種不同的功耗曲線。圖18顯示了數(shù)據(jù)手冊(cè)中各模式對(duì)應(yīng)的最大功耗。然而，對(duì)于合理的操作，網(wǎng)絡(luò)中的典型SmartMesh芯片配置的功耗會(huì)低得多。多種因素將決定實(shí)際功耗，包括：報(bào)告間隔（每分鐘1個(gè)數(shù)據(jù)包還是每秒1個(gè)數(shù)據(jù)包），需要多少跳數(shù)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，有效載荷大小（1字節(jié)至90字節(jié)），以及路徑穩(wěn)定性（例如，80%的室內(nèi)環(huán)境具有密集的網(wǎng)絡(luò)）。
圖18.SmartMesh IP電流消耗（最差情況數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格）
實(shí)際電池壽命取決于許多因素，例如：節(jié)點(diǎn)收集和傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間與節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)間的關(guān)系。有效載荷大小、路徑穩(wěn)定性、傳輸間隔、跳躍深度和許多其他因素，都會(huì)影響SmartMesh IP節(jié)點(diǎn)的功耗?；谝恍╆P(guān)鍵因素，可以使用一款非常有用且精確的工具——SmartMesh功耗和性能估算器——來(lái)估算性能與功耗，如圖19所示。
圖19.SmartMesh功耗和性能估算工具
Voyager模塊：發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集
為了評(píng)估功耗，了解從無(wú)線節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集到SmartMesh IP管理器需要多少數(shù)據(jù)包會(huì)很有用。報(bào)告間隔為1s時(shí)，從節(jié)點(diǎn)發(fā)送到管理器的數(shù)據(jù)速率為每分鐘60個(gè)數(shù)據(jù)包。x軸、y軸和z軸采樣數(shù)據(jù)各包括512個(gè)時(shí)域樣本，每個(gè)樣本16位（2字節(jié)）。FFT數(shù)據(jù)也被計(jì)算和發(fā)送，如圖20所示。
(512 + 512/2) × 3 = 2304樣本，因此2304 × 2字節(jié) = 4608字節(jié)。一個(gè)SmartMesh數(shù)據(jù)包中發(fā)送90個(gè)字節(jié)。4608字節(jié)/90字節(jié) = 51.2數(shù)據(jù)包。從無(wú)線節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集到SmartMesh IP管理器需要52個(gè)SmartMesh數(shù)據(jù)包。
為了進(jìn)行功耗估計(jì)，使用有20個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)作為例子，節(jié)點(diǎn)以4躍點(diǎn)布置，每躍點(diǎn)有5個(gè)節(jié)點(diǎn)。將數(shù)據(jù)有效載荷大小設(shè)置為90字節(jié)，并將報(bào)告速率設(shè)置為每秒1個(gè)數(shù)據(jù)包，躍點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)的SmartMesh IC（靜態(tài)條件）消耗587.9μA。對(duì)于最差情況的動(dòng)態(tài)條件，建議將功耗提高30%，得到587.9μA×1.3 = 764.3μA。SmartMesh功耗和性能估算工具確認(rèn)了這些結(jié)果。
圖21顯示了帶4個(gè)躍點(diǎn)的Voyager模塊在兩種情況下的最差電池壽命估計(jì)(2 × Saft LS14500)，一種是節(jié)點(diǎn)每60分鐘激活一次，另一種是每分鐘激活一次，持續(xù)60分鐘。正如預(yù)期的那樣，在60分鐘內(nèi)節(jié)點(diǎn)每分鐘傳輸一次的情況下，電池壽命要短得多。位于躍點(diǎn)1的節(jié)點(diǎn)要接收節(jié)點(diǎn)2、3、4發(fā)送的所有數(shù)據(jù)，因此它執(zhí)行的工作更多。躍點(diǎn)1的電池壽命為19.1天（0.052年），而躍點(diǎn)4的電池壽命為20.1天（0.054年）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)每小時(shí)傳輸1分鐘時(shí)，躍點(diǎn)1的電池壽命為1.38年，躍點(diǎn)4的電池壽命為2.12年。
圖20.顯示時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)的Voyager GUI
圖21.SmartMesh電池壽命與傳輸數(shù)據(jù)所需跳數(shù)的關(guān)系
結(jié)論
本系列文章共分三篇。本文作為上篇，討論了當(dāng)前推動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控市場(chǎng)快速發(fā)展和增長(zhǎng)的一些關(guān)鍵趨勢(shì)，以及選擇用于惡劣RF環(huán)境的合適MEMS傳感器和無(wú)線收發(fā)器的一些設(shè)計(jì)考慮因素。
低功耗、高性能MEMS傳感器和高保真度、低功耗信號(hào)鏈器件，是為狀態(tài)監(jiān)控行業(yè)提供無(wú)線能力的關(guān)鍵，而無(wú)線能力是快速部署資產(chǎn)并開始挽回每年因計(jì)劃外停機(jī)造成的500億美元損失所必需的。網(wǎng)格技術(shù)綜述概要說明了相互競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線技術(shù)之間的主要差異，并強(qiáng)調(diào)了哪些技術(shù)最適合惡劣的RF環(huán)境——這些環(huán)境需要同步監(jiān)控和控制以及類似有線的可靠性。
選擇最合適的MEMS傳感器可能很困難，有許多因素需要考慮，例如噪聲、帶寬和g范圍，但還必須考慮一些較少提到的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格（如開啟時(shí)間）和無(wú)線系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)速率，因?yàn)檫@有助于確定最可行的操作模式和數(shù)據(jù)速率。
在工廠車間等惡劣RF工作環(huán)境中使用的無(wú)線設(shè)備必須能以低功耗提供穩(wěn)健的通信。本文給出了SmartMesh器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)最差情況值與使用SmartMesh功耗和性能估算工具計(jì)算的功耗估計(jì)值，以便讀者對(duì)可能的情況有一個(gè)大致的了解。建議使用此工具做進(jìn)一步探究，因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)具體需求進(jìn)行定制，從而更好地估計(jì)可能的電池壽命和性能。后續(xù)在本系列文章的中篇里，將介紹Voyager平臺(tái)如何能盡早檢測(cè)各種機(jī)器故障，例如不平衡、未對(duì)準(zhǔn)和軸承缺陷。下篇?jiǎng)t將討論Voyager模塊的實(shí)際功耗性能，以及多種不同工作模式——既有較高數(shù)據(jù)速率模式，也有超低功耗模式，敬請(qǐng)期待。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者簡(jiǎn)介
Chris Murphy是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在愛爾蘭都柏林。他于2012年加入ADI公司，為電機(jī)控制和工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品提供設(shè)計(jì)支持。他擁有電子工程碩士學(xué)位和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。
Richard Anslow是ADI公司自動(dòng)化與能源業(yè)務(wù)部互連運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他的專長(zhǎng)領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和工業(yè)通信設(shè)計(jì)。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)頒發(fā)的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。
作者：ADI應(yīng)用工程師Chris Murphy，ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師Richard Anslow
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