【導讀】如今MEMS加速度計性能快速提升
，擁有更低功耗
、更小尺寸、更高集成度、更寬帶寬以及低於100µg/√Hzdezaoshengshuipingdeng，bingkejiyuwuxianjiejuefangandaitiyouxianxitong，yixiaoqiaoqingbiandesanzhoumoniqijianqudaidanzhoubenzhongdeyadianchuanganqi，rangjingjigaoxiaodilianxujiankongbaozengdejiqishebeichengweikeneng。duiyuweihuhesheshigongchengshieryan，zheyiweizheketongguoquanxindezhuangtaijiankong(CbM)範式檢測、診斷、預測並最終避免機器故障。

狀態監控的趨勢

全球有數以百萬的電動機在持續運行，消耗全世界大約45%的電力。其中，一些最重要的電動機可享受有線狀態監控係統的看護。研究顯示，接受調查的公司中有82%曾經曆過計劃外維護，成本最高達到每小時250,000美元。對於那些經曆過計劃外停機的公司，基於兩次停機事件的平均值，停機平均持續4小時，平均損失高達200萬美元。

另一項研究發現，70%的公司不知道資產何時需要進行維護或升級工作。缺乏意識加上停機成本
，推動公司走向數字化，大約50%的公司計劃投資於數字孿生和人工智能(AI)。隨著工業4.0運動的大規模開展，企業組織積極研究工業版圖的數字化，以此提高生產力和效率。

該gai運yun動dong的de一yi個ge關guan鍵jian方fang麵mian是shi向xiang無wu線xian傳chuan感gan器qi係xi統tong發fa展zhan的de趨qu勢shi。未wei來lai幾ji年nian，狀zhuang態tai監jian控kong行xing業ye將jiang出chu現xian顯xian著zhu增zeng長chang
，其qi中zhong無wu線xian安an裝zhuang將jiang占zhan到dao增zeng長chang的de很hen大da一yi部bu分fen。據ju估gu計ji，到dao2030年，全球智能製造業將部署近50yigewuxianmokuai。zhongsuozhouzhi，zuiguanjianzichanxuyaoyouxianzhuangtaijiankongxitong，dandangqianbushudesuoyouqitazichanne
？duiyuyixielaojiusheshi，anzhuangyouxianjiejuefanganshibukexingde，zhejiuzengjialeduiwuxianzhuangtaijiankongjiejuefangandexuqiu。

狀態監控係統的安裝和維護

有線狀態監控係統在性能、可靠性
、速su度du和he安an全quan性xing方fang麵mian非fei常chang出chu色se
，因yin此ci部bu署shu在zai最zui關guan鍵jian的de資zi產chan上shang。由you於yu這zhe些xie優you勢shi，有you線xian係xi統tong仍reng然ran更geng有you可ke能neng部bu署shu在zai新xin建jian設she施shi上shang。安an裝zhuang有you線xian狀zhuang態tai監jian控kong係xi統tong時shi，工gong廠chang車che間jian可ke能neng不bu得de不bu到dao處chu布bu設she線xian纜lan，尤you其qi是shi當dang某mou些xie機ji器qi不bu能neng受shou到dao幹gan擾rao時shi，難nan度du更geng大da。工gong業ye有you線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo通tong常chang使shi用yong60m線纜，單條布設的成本從3000美元到20,000美mei元yuan不bu等deng，包bao括kuo材cai料liao和he人ren工gong費fei用yong。某mou些xie情qing況kuang下xia需xu要yao線xian束shu，這zhe會hui增zeng加jia額e外wai的de複fu雜za性xing
，安an裝zhuang可ke能neng很hen耗hao時shi。如ru果guo電dian纜lan通tong過guo現xian有you基ji礎chu設she施shi布bu設she，那na麼me在zai受shou損sun或huo需xu要yao升sheng級ji的de時shi候hou，可ke能neng無wu法fa更geng換huan或huo重zhong新xin布bu線xian。

雖(sui)然(ran)無(wu)線(xian)係(xi)統(tong)初(chu)看(kan)起(qi)來(lai)可(ke)能(neng)更(geng)昂(ang)貴(gui)，但(dan)更(geng)簡(jian)單(dan)的(de)維(wei)護(hu)程(cheng)序(xu)加(jia)上(shang)易(yi)於(yu)擴(kuo)展(zhan)的(de)能(neng)力(li)
，可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)節(jie)省(sheng)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)全(quan)壽(shou)命(ming)周(zhou)期(qi)的(de)成(cheng)本(ben)。維(wei)護(hu)路(lu)線(xian)更(geng)少(shao)

，布(bu)線(xian)和(he)相(xiang)關(guan)硬(ying)件(jian)也(ye)更(geng)少(shao)
，這(zhe)些(xie)都(dou)能(neng)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)。根(gen)據(ju)所(suo)需(xu)的(de)報(bao)告(gao)級(ji)別(bie)不(bu)同(tong)，電(dian)池(chi)最(zui)長(chang)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)數(shu)年(nian)。如(ru)果(guo)可(ke)以(yi)部(bu)署(shu)基(ji)於(yu)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)的(de)無(wu)線(xian)係(xi)統(tong)，那(na)麼(me)維(wei)護(hu)將(jiang)變(bian)得(de)更(geng)容(rong)易(yi)

，而(er)且(qie)成(cheng)本(ben)更(geng)低(di)。選(xuan)擇(ze)無(wu)線(xian)係(xi)統(tong)後(hou)，下(xia)一(yi)個(ge)要(yao)關(guan)注(zhu)的(de)方(fang)麵(mian)是(shi)哪(na)種(zhong)技(ji)術(shu)最(zui)適(shi)合(he)您(nin)的(de)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控(kong)應(ying)用(yong)
？

無線傳感器網絡比較

無線網絡盡管已經部署了數十年，但直到最近才在工廠車間廣泛部署
，這要感謝低功耗技術的進步以及無線網絡對惡劣RF幹擾的耐受力的提高。本節將討論各種網格網絡的優點。

網格技術

有多種常見技術可用於創建低功耗
、低數據速率網絡
，例如Bluetooth® Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果想開發一個傳輸數據量相對較低、傳輸距離較短的密集無線傳感器節點集群（比如工廠車間就需要這樣的節點集群），那麼這些低數據網格或多對多網絡技術會是不錯的選擇。

網格網絡可用於基礎設施節點並相互無線連接，如圖1所suo示shi。如ru果guo兩liang個ge特te定ding節jie點dian之zhi間jian的de通tong信xin鏈lian路lu受shou到dao幹gan擾rao或huo噪zao聲sheng影ying響xiang
，這zhe些xie節jie點dian可ke以yi互hu相xiang幫bang助zhu，擴kuo展zhan無wu線xian電dian信xin號hao
，甚shen至zhi可ke以yi將jiang信xin號hao重zhong新xin路lu由you。網wang格ge技ji術shu最zui重zhong要yao的de特te性xing之zhi一yi是shi能neng夠gou通tong過guo網wang絡luo中zhong各ge個ge節jie點dian將jiang數shu據ju從cong一yi個ge節jie點dian發fa送song到dao另ling一yi個ge節jie點dian
，從cong而er能neng夠gou創chuang建jian一yi個ge覆fu蓋gai大da麵mian積ji的de大da型xing互hu連lian網wang絡luo，而er消xiao耗hao的de功gong率lv則ze非fei常chang少shao。例li如ru，在zai圖tu1中，節點1和節點3之間的距離很長，因此它們不能直接通信。但是
，在節點1和節點3之間不存在直接鏈路的情況下，節點1可以通過節點2向節點3傳輸數據。

圖1.展示多對多通信的網格網絡中的節點集群示例

圖2顯示了一個工廠車間示例

，其中節點1測量一台電機的振動。此數據需要傳輸到節點6，但其間的距離超出了收發器的能力。數據直接從節點1傳輸到節點6的(de)話(hua)
，需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)的(de)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)和(he)更(geng)高(gao)的(de)接(jie)收(shou)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)。更(geng)高(gao)的(de)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)一(yi)般(ban)意(yi)味(wei)著(zhe)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)更(geng)高(gao)，因(yin)而(er)需(xu)要(yao)更(geng)大(da)的(de)電(dian)池(chi)。若(ruo)使(shi)用(yong)網(wang)格(ge)網(wang)絡(luo)
，此(ci)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)沿(yan)著(zhe)節(jie)點(dian)1到節點6之zhi間jian的de每mei個ge節jie點dian跳tiao過guo去qu，最zui終zhong到dao達da目mu的de地di。每mei個ge設she備bei在zai較jiao小xiao範fan圍wei內nei傳chuan輸shu所suo需xu的de功gong率lv，遠yuan小xiao於yu在zai整zheng個ge工gong廠chang車che間jian形xing成cheng更geng長chang的de直zhi接jie無wu線xian鏈lian路lu所suo需xu的de功gong率lv。

圖2.在工廠車間實施的網格網絡，展示了數據跳躍

網格網絡的主要優點如下：

●   自主配置：隨著工業4.0成cheng為wei現xian實shi，以yi及ji企qi業ye數shu字zi化hua程cheng度du的de提ti高gao

，工gong廠chang經jing理li必bi須xu尋xun求qiu更geng好hao的de性xing能neng。這zhe種zhong探tan索suo的de一yi個ge重zhong要yao方fang麵mian是shi要yao能neng在zai較jiao小xiao的de地di理li位wei置zhi添tian加jia高gao密mi度du的de無wu線xian設she備bei集ji群qun，同tong時shi保bao持chi高gao度du可ke靠kao的de性xing能neng——在某些情況下幾乎與有線係統一樣好，而且幾乎不需要手動配置，因為節點可以自行配置。

●   自愈：網格網絡在不斷地路由數據，因此不斷受到來自工廠車間的噪聲、幹擾
、多路徑
、衰落反射等的幹擾。SmartMesh® IP係統（管理器和節點）持續監測每個節點的噪聲水平並共享此數據，以便重新路由信號，使其遠離可能存在高噪聲的路徑。

●   覆蓋範圍：隻需添加或刪除節點，即可輕鬆調整網絡的大小。如圖2所示
，覆蓋麵積可以輕鬆擴展，而無線設備無需增加功耗。

表1總結了各種網格技術及其能力。

表1.不同網格網絡的比較

其他低功耗無線技術

LoRa或LoRaWAN可以實現遠距離（長達6英裏）的低數據速率通信，同時消耗的功率非常低。它基於各種頻段，可實現點對點通信。因此，對於低功耗、長距離的點對點通信，這些解決方案很理想。NB-IoT或蜂窩網絡的實施成本更高、更geng複fu雜za
，功gong耗hao高gao於yu網wang格ge技ji術shu


，而er傳chuan輸shu的de數shu據ju量liang卻que更geng小xiao。但dan是shi
，它ta確que實shi提ti供gong高gao質zhi量liang的de蜂feng窩wo服fu務wu和he對dui雲yun的de直zhi接jie訪fang問wen。如ru果guo您nin的de無wu線xian解jie決jue方fang案an需xu要yao長chang距ju離li蜂feng窩wo接jie入ru以yi及ji比biZigbee高的數據速率
，那麼LTE-M可能值得考慮。

MEMS取代壓電振動傳感器的演變

直到最近，在檢測關鍵資產和旋轉機械的早期振動故障特征方麵，MEMS傳感器還不足以與IEPE振動傳感器競爭，如圖3所示。MEMS傳感器的主要限製在於噪聲、帶寬和g範圍。低噪聲是檢測低水平振動以實現更早的故障檢測甚至預測的關鍵。帶寬很重要
，因為許多資產/電機故障，如氣穴現象、軸承問題和齒輪齧合等

，最早常常發生在5kHz以上的頻率
，當然時間對於檢測故障至關重要。g範圍也很重要
，因為較大的資產可以產生高達數百g的衝擊或撞擊
，這可能會破壞專為不太苛刻操作而設計的MEMS傳感器。

圖3.用於狀態監控應用的MEMS性能演變

從曆史上看，大多數MEMS傳感器是為多種應用而設計的

，因此通常不會有多個特定於應用的特性，但狀態監控至少需要三個特性。汽車碰撞檢測MEMS傳感器是具備高級特性且特定於應用的單一部件的典範。此類傳感器被設計為具有高g範圍，但帶寬和/或噪聲性能不足以用於狀態監控和其他許多應用。開發適用於狀態監控應用的MEMS傳感器非常困難，這就是迄今為止成功的供應商很少的原因。

為了突出展現用於狀態監控的MEMS性能的這些進步，ADI對2010年和2017年發布的兩款單軸模擬輸出MEMS振動傳感器進行了比較，如表2所示。兩款MEMS加速度計均設計用於狀態監控應用中的振動檢測。這兩款傳感器的帶寬都相當高，但噪聲改進最為顯著
，以至於MEMS傳感器現在可以與壓電IEPE振動傳感器競爭。

表2.用於狀態監控的第一代和第二代MEMS傳感器的比較

一些高性能工業三軸MEMS傳感器上也實現了這種噪聲改善，如表3所示。這些傳感器並非專門為振動檢測而設計，但它們是性能高超的MEMS傳感器，能夠在全帶寬下檢測到低於1 mg rms的(de)振(zhen)動(dong)。再(zai)加(jia)上(shang)出(chu)色(se)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)已(yi)被(bei)證(zheng)明(ming)在(zai)各(ge)種(zhong)機(ji)械(xie)的(de)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控(kong)應(ying)用(yong)中(zhong)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)，無(wu)論(lun)是(shi)用(yong)作(zuo)唯(wei)一(yi)的(de)振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)，還(hai)是(shi)與(yu)其(qi)他(ta)寬(kuan)帶(dai)寬(kuan)MEMS/IEPE傳感器搭配使用。超低噪聲、窄帶寬(<5kHz) MEMS傳感器在檢測許多資產的振動方麵可以發揮關鍵作用，通常用在低轉速和亞赫茲的情況下，或用在直流響應有利的情況下，例如紙張/工廠加工、食品/製藥
、風力發電、金屬加工業。表3突出展現了多軸MEMS傳感器性能從2009年到2017年的改善。應該注意的是，為了實現更寬的帶寬
、更低的噪聲和更高的g範圍
，待機電流等規格相比更通用的MEMS傳感器會更高。

表3.MEMS三軸傳感器性能的改善

狀態監控係統通常使用什麼級別的振動傳感器？

計劃外停機常導致損失大量收入的公司繼續依賴有線解決方案，它們基於12位至20位(wei)分(fen)辨(bian)率(lv)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，可(ke)提(ti)供(gong)最(zui)為(wei)可(ke)靠(kao)和(he)精(jing)確(que)的(de)性(xing)能(neng)。此(ci)外(wai)，有(you)線(xian)安(an)裝(zhuang)的(de)較(jiao)高(gao)成(cheng)本(ben)也(ye)很(hen)容(rong)易(yi)被(bei)證(zheng)明(ming)是(shi)合(he)理(li)的(de)。對(dui)於(yu)重(zhong)要(yao)性(xing)較(jiao)低(di)的(de)資(zi)產(chan)
，性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)並(bing)不(bu)那(na)麼(me)嚴(yan)格(ge)，資(zi)本(ben)支(zhi)出(chu)上(shang)限(xian)可(ke)能(neng)要(yao)低(di)得(de)多(duo)。10位至16位的振動傳感器分辨率是可以接受的，這是當今大多數基於MEMS的無線狀態監控係統所涵蓋的範圍。

重要性較低的資產對高性能振動檢測也有需求
，隨著工業公司尋求數字化並加強其改善性能、生sheng產chan和he效xiao率lv的de努nu力li，這zhe種zhong趨qu勢shi會hui繼ji續xu增zeng長chang。從cong曆li史shi上shang看kan，成cheng本ben一yi直zhi是shi限xian製zhi在zai重zhong要yao性xing較jiao低di的de資zi產chan上shang使shi用yong壓ya電dian振zhen動dong傳chuan感gan器qi的de因yin素su，但dan隨sui著zhe越yue來lai越yue多duo的de設she計ji人ren員yuan意yi識shi到daoMEMS傳感器在此類情況下可以提供的價值和靈活性，這一狀況現已開始改變。圖4顯示了從10位到24位的潛在振動傳感器分辨率。盡管MEMS的分辨率明顯較低
，但性價比優勢很有吸引力，足以為監控中低重要性的資產提供合理性。

圖4.傳感器類型和相應的分辨率

MEMS傳感器的主要優勢之一是低功耗，通常在µA範圍內，甚至nA範圍也是可能的。這使得它們非常適合於無線狀態監控應用。有些壓電傳感器的功耗低至200µA左右，但它們缺乏集成特性
，而且與MEMS相比價格昂貴。確實存在一些基於壓電傳感器的專用無線振動傳感器，它們可以在高達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。這種無線振動傳感器係統通常具有8小時的連續電池壽命。MEMS的另一個關鍵優勢是可以將多達三個軸集成到一個小封裝中。三軸壓電傳感器會更加昂貴
、更大，並且需要更多的信號調理電路

，這使得它們更不適合無線應用。

未來趨勢：對新收入來源的渴望

在世界各地工廠當前部署的旋轉機器中
，泵占有很大的比例
，預計到2025年，其全球市場將從383.4億美元增長到469.2億美元。其中一些泵對於確保流程持續暢通無阻地運行至關重要
，這就需要狀態監控以避免計劃外停機。這種泵的未來會怎樣
？根據Frost&Sullivan最近的一份報告，泵將具備分析能力並變得智能化。泵OEM的增長將由服務驅動
，服務基於分析、人工智能或機器學習(ML)，旨在提供有關提高泵性能和可靠性的診斷信息。研究發現，2025年之後，泵OEM收入的60%可能是來自與服務相關的活動
，泵行業將從基於產品的模式轉變為基於服務的模式。推動這種轉變的主要因素是製造業的快速數字化(IIoT)，以及狀態監控硬件和算法、人工智能
、機器學習的進步。預計水/廢水處理廠
、煉油廠

、tianranqishengchanchangdengchuantongzhonggongyezaixunqiushuzihuayunyingshihuishiyongzhexiezhinengbeng。xinjiansheshihenkenenghuishiyongyouxianzhuangtaijiankongxitong
，danlaojiusheshishangdexianyoushebeizenmeban？weilejiangzhezhongjiyufuwudemoshiyingyongyuyibushudebengheqitaxuanzhuanjixie，wuxianzhuangtaijiankongxitongkeyitigongkuaisu、無縫和可靠的解決方案。

EV-CBM-VOYAGER3-1Z無線狀態監控模塊

Voyager平台（如圖5所示）是(shi)一(yi)款(kuan)穩(wen)健(jian)型(xing)低(di)功(gong)耗(hao)無(wu)線(xian)網(wang)格(ge)網(wang)絡(luo)振(zhen)動(dong)監(jian)控(kong)平(ping)台(tai)，它(ta)讓(rang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)將(jiang)無(wu)線(xian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)快(kuai)速(su)部(bu)署(shu)到(dao)機(ji)器(qi)或(huo)測(ce)試(shi)設(she)置(zhi)中(zhong)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)評(ping)估(gu)用(yong)於(yu)振(zhen)動(dong)監(jian)控(kong)的(de)ADI MEMS傳感器技術，同時評估用於工業無線檢測的SmartMesh IP技術。總體目標是加速客戶資產監控和解決方案開發。節點包括一個機械外殼和帶有¼-28行業標準螺柱附件的安裝硬件。Voyager解決方案可以輕鬆地直接安裝到電機或測試電路上。

圖5.Voyager無線狀態監控模塊

SmartMesh IP

SmartMesh IP無線傳感器網絡產品是IC和預認證PCB模塊，帶網格網絡軟件，使得傳感器可以在惡劣的工業物聯網(IIoT)環境中進行通信。它們麵向IP兼容性而構建且基於6LoWPAN和802.15.4e標準。6LoWPAN由Internet Protocol第6版(IPv6)和低功耗無線個人區域網絡(LoWPAN)組成
，是一種基於互聯網協議(IP)的網絡
，類似Wi-Fi。SmartMesh IP產品線支持低功耗，即使在惡劣和不斷變化的RF環境中
，也能提供99.999%以上的數據可靠性。

圖6顯示了一個高度可擴展、自(zi)成(cheng)型(xing)的(de)多(duo)跳(tiao)無(wu)線(xian)節(jie)點(dian)網(wang)格(ge)網(wang)絡(luo)
，結(jie)合(he)監(jian)視(shi)性(xing)能(neng)和(he)安(an)全(quan)性(xing)並(bing)與(yu)主(zhu)機(ji)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)交(jiao)換(huan)數(shu)據(ju)的(de)網(wang)絡(luo)管(guan)理(li)器(qi)，它(ta)能(neng)收(shou)集(ji)和(he)中(zhong)繼(ji)數(shu)據(ju)。當(dang)管(guan)理(li)器(qi)和(he)節(jie)點(dian)通(tong)電(dian)後(hou)


，網(wang)格(ge)會(hui)自(zi)動(dong)形(xing)成(cheng)。位(wei)於(yu)管(guan)理(li)器(qi)範(fan)圍(wei)之(zhi)外(wai)的(de)節(jie)點(dian)將(jiang)通(tong)過(guo)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)節(jie)點(dian)轉(zhuan)發(fa)數(shu)據(ju)包(bao)。此(ci)外(wai)，如(ru)果(guo)節(jie)點(dian)的(de)通(tong)信(xin)鏈(lian)路(lu)受(shou)到(dao)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)另(ling)一(yi)條(tiao)鏈(lian)路(lu)/路徑以不同的工作頻率重定向數據/數據包
，使數據可以繞過或遠離幹擾源，SmartMesh IP的自愈能力或如同有線網絡一樣的可靠性(99.999%)正是來源於此。

Voyager套件已經過SmartMesh IP節點跳躍測試。在此測試中，超出網絡管理器範圍的節點可以跳過範圍內的節點
，如圖6所示。多躍點網絡可確保範圍外節點能將數據傳輸至網絡管理器。

SmartMesh IP最適合用在何處？

SmartMesh IP網絡定位於工業物聯網(IIoT)應用。在工廠環境中，傳感器通常以集群形式部署在資產上

，如圖7所示。需要定期甚至連續監控的資產可以放置在工廠車間的不同位置，但在大多數情況下，它們之間的距離不會超過100m。例如
，SmartMesh IP已成功部署在數據中心內，數以千計的節點形成了高密度集群。

過去，低功耗無線通信設備在應對工廠車間產生的幹擾方麵很吃力。這不僅是SmartMesh IP擅長的方麵，而且它是專門為在密集集群中部署而設計的，這種集群需要類似有線的可靠性以及同步監控或控製。

SmartMesh IP網絡使用時間同步信道跳頻(TSCH)鏈路層進行通信
，這是ADI公司SmartMesh IP團隊開創的一種技術
，也是WirelessHART (IEC 62591)和IEEE 802.15.4e等無線網格網絡標準的基本構建模塊。在TSCH網絡中
，網絡中的所有節點都在數微秒內同步。網絡通信被組織成時隙，以實現低功耗分組交換、成對信道跳頻和全路徑分集。通過使用TSCH

，SmartMesh IP器件可以在計劃通信之間以超低功耗休眠，從而使占空比通常小於1%。網絡管理器利用TSCH確保節點準確地知道何時通信、監聽或休眠。這樣就確保了網絡上不會發生數據包衝突，並且每個節點的功耗都非常低——路由節點的典型功耗小於50µA。

SmartMesh IP網絡是現有的最安全網格網絡之一。SmartMesh IP網絡中的所有流量都受到端到端加密
、消息完整性檢查和設備身份驗證的保護。此外，SmartMesh網絡管理器包含支持網絡安全聯接、密鑰建立和密鑰交換的應用程序。

圖6.SmartMesh連接

圖7.在工廠車間附近放置的高密度傳感器

Voyager信號鏈

圖8顯示了無線振動監控平台的概要。它還包含一個三軸ADXL356 振動傳感器板和一個低功耗微控製器ADuCM4050。另外還有一個穩定的低功耗SmartMesh IP LTC5800板和芯片天線。該套件包含一個SmartMesh IP USB適配器，用作無線網絡的管理器。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關鍵設計特性
，因此它選擇了高性能、低功耗器件來檢測、調理、處理和傳輸振動數據，如圖9和圖10所示。

圖9.ADXL356信號鏈的高級框圖

圖10.ADuCM4050/SmartMesh的高級框圖

Voyager信號鏈功耗

每個信號鏈器件的活動和待機功耗（取自數據手冊的最差情況性能）分別如圖11和圖12所示。請注意，這不包括SmartMesh IP收發器
，因為其功耗比簡單的活動或待機模式功耗更微妙。信號鏈的實際功耗會更低。在活動模式下
，ADuCM4050的功耗最大，因為它以高達1.8 MSPS的速率對振動數據進行采樣、濾波，然後執行DFT，再通過UART將數據發送到SmartMesh IP收發器之前。

圖11.活動模式下的信號鏈功耗

圖12.待機模式下的信號鏈功耗

圖11和圖12顯示
，當係統傳輸數據和處於待機模式時
，MEMS加速度計的活動和待機電流非常重要。無論是打算運行周期監控方案（例如每6小時一次）還是運行連續監控方案，這些指標對於確保電池供電的傳感器有效運行至關重要。在活動模式下，ADXL356的功耗約占信號鏈功耗的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%
，但它們仍然不適合長期用於電池供電的傳感器網絡。

在待機模式下，ADXL356消耗信號鏈電流的39%。這看起來很高
，但為了更好地了解由此產生的噪聲與功耗的性能權衡，應該對適用於狀態監控應用振動檢測的各種MEMS傳感器進行比較和鑒定，如表4所示。

表4.支持狀態監控的MEMS加速度計的活動和待機功耗與Voyager信號鏈的活動和待機功耗的比較

圖13和圖14顯示了活動和待機模式下MEMS傳感器的電流消耗和噪聲。ADXL356和MEMS C4的活動功耗最低，不過新設計不再推薦使用後者。MEMS B的活動功耗最高（比ADXL356高11.5倍），但應該注意的是，MEMS B噪聲最低且帶寬較寬，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係很明顯，當為電池供電的應用選擇MEMS振動傳感器時
，應考慮這一點。

圖13.MEMS傳感器待機功耗與噪聲密度的比較

圖14.MEMS傳感器活動功耗與噪聲密度的比較

ADXL356的另一個關鍵優勢是陶瓷封裝，這使其可在整個溫度範圍內提供出色的穩定性和性能。考慮到無線設備中使用的大多數MEMS傳感器會被放到IP6x防fang護hu等deng級ji的de外wai殼ke中zhong，陶tao瓷ci封feng裝zhuang至zhi關guan重zhong要yao。在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，外wai殼ke還hai會hui灌guan封feng化hua合he物wu。陶tao瓷ci封feng裝zhuang可ke以yi承cheng受shou灌guan封feng化hua合he物wu帶dai來lai的de外wai力li
，以yi保bao持chi傳chuan感gan器qi的de數shu據ju手shou冊ce性xing能neng。對dui於yu塑su料liao封feng裝zhuang的deMEMS器件，灌封可能不適合
，因為封裝的撓曲會降低傳感器的性能。

MEMS開啟/上電時間

對於MEMS傳感器而言，上電時間是指從關斷到待機模式所需的時間。開啟或啟動時間是指從待機到測量模式所需的時間
，如表5所示。對於ADXL356，當輸出在最終值的5 mg範圍內時
，該規格有效。

表5.MEMS傳感器上電時間

當(dang)監(jian)控(kong)關(guan)鍵(jian)設(she)備(bei)時(shi)，應(ying)考(kao)慮(lv)這(zhe)些(xie)時(shi)間(jian)，因(yin)為(wei)如(ru)果(guo)開(kai)啟(qi)時(shi)間(jian)太(tai)長(chang)
，當(dang)係(xi)統(tong)從(cong)待(dai)機(ji)進(jin)入(ru)測(ce)量(liang)模(mo)式(shi)時(shi)
，可(ke)能(neng)會(hui)丟(diu)失(shi)關(guan)鍵(jian)振(zhen)動(dong)數(shu)據(ju)。在(zai)對(dui)無(wu)線(xian)節(jie)點(dian)進(jin)行(xing)周(zhou)期(qi)供(gong)電(dian)以(yi)節(jie)省(sheng)電(dian)力(li)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，在(zai)不(bu)同(tong)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)之(zhi)間(jian)轉(zhuan)換(huan)時(shi)的(de)功(gong)耗(hao)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)重(zhong)要(yao)。考(kao)慮(lv)表(biao)5所示的開啟時間，當MEMS C1、MEMS C2和MEMS C4經過1.3s以上的時間（最差情況）才測量到有效數據時，其他傳感器已經完成測量並處於待機模式好一會了，從而能節省更多電量。圖15比較了ADXL356
、MEMS B和MEMS C1從待機模式轉換到測量模式的情況，測量加速度數據1s，假設電源在此轉換期間以線性斜坡變化，然後經過4.5s返回待機模式。盡管MEMS B具有更快的上電/啟動時間，但1s測量的活動電流消耗明顯高於ADXL356。同樣

，在最差情況下
，MEMS C1需要1.3s才能進入測量模式，這意味著它必須保持更長時間才能測量到與ADXL356和MEMS B相同的數據，因而會消耗更多功率，如表6所示。如果MEMS B和ADXL356以MEMS C1的最差情況速度測量數據
，則二者都有55%的時間處於待機模式，而MEMS C1處於該模式的時間隻有幾毫秒。

圖15.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：啟動，然後以MEMS C1的最差情況啟動時間進行1s的測量


，在4.5s內重複兩次。

表6.相對於圖15的平均電流

圖16顯示了每分鍾進行5s的活動數據測量的電流消耗，器件在其餘時間處於待機模式。平均電流如表7所示。

圖16.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：啟動
，然後以MEMS C1的最差情況啟動時間進行5s的測量
，總計60s。

表7.相對於圖16的平均電流

即使以較低的頻率進行測量（每60秒測量5秒），MEMS C1和ADXL356的平均電流消耗也非常接近，盡管二者的活動和待機電流消耗不同。如果測量頻率較低，則在兩次測量之間關斷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：啟動
，然後進行5s的測量，然後關斷
，總計60s。

表8.相對於圖17的平均電流

SmartMesh IP收發器（如LTC5800）具有幾種不同的功耗曲線。圖18顯示了數據手冊中各模式對應的最大功耗。然而
，對於合理的操作
，網絡中的典型SmartMesh芯片配置的功耗會低得多。多種因素將決定實際功耗
，包括：報告間隔（每分鍾1個數據包還是每秒1個數據包）
，需要多少跳數來傳輸數據
，有效載荷大小（1字節至90字節）
，以及路徑穩定性（例如
，80%的室內環境具有密集的網絡）。

圖18.SmartMesh IP電流消耗（最差情況數據手冊規格）

實際電池壽命取決於許多因素，例如：節點收集和傳輸數據的時間與節點睡眠時間的關係。有效載荷大小
、路徑穩定性、傳輸間隔、跳躍深度和許多其他因素
，都會影響SmartMesh IP節點的功耗。基於一些關鍵因素，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：發送一個完整的數據集

為了評估功耗，了解從無線節點傳輸一個完整的數據集到SmartMesh IP管理器需要多少數據包會很有用。報告間隔為1s時，從節點發送到管理器的數據速率為每分鍾60個數據包。x軸
、y軸和z軸采樣數據各包括512個時域樣本，每個樣本16位（2字節）。FFT數據也被計算和發送
，如圖20所示。

(512 + 512/2) × 3 = 2304樣本，因此2304 × 2字節 = 4608字節。一個SmartMesh數據包中發送90個字節。4608字節/90字節 = 51.2數據包。從無線節點傳輸一個完整的數據集到SmartMesh IP管理器需要52個SmartMesh數據包。

為了進行功耗估計，使用有20個節點的網絡作為例子

，節點以4躍點布置，每躍點有5個節點。將數據有效載荷大小設置為90字節，並將報告速率設置為每秒1個數據包，躍點1節點的SmartMesh IC（靜態條件）消耗587.9μA。對於最差情況的動態條件，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了這些結果。

圖21顯示了帶4個躍點的Voyager模塊在兩種情況下的最差電池壽命估計(2 × Saft LS14500)
，一種是節點每60分鍾激活一次
，另一種是每分鍾激活一次
，持續60分鍾。正如預期的那樣，在60分鍾內節點每分鍾傳輸一次的情況下，電池壽命要短得多。位於躍點1的節點要接收節點2、3、4發送的所有數據，因此它執行的工作更多。躍點1的電池壽命為19.1天（0.052年）

，而躍點4的電池壽命為20.1天（0.054年）。當節點每小時傳輸1分鍾時
，躍點1的電池壽命為1.38年，躍點4的電池壽命為2.12年。

圖20.顯示時域和頻域數據的Voyager GUI

圖21.SmartMesh電池壽命與傳輸數據所需跳數的關係

結論

本係列文章共分三篇。本文作為上篇，討論了當前推動狀態監控市場快速發展和增長的一些關鍵趨勢
，以及選擇用於惡劣RF環境的合適MEMS傳感器和無線收發器的一些設計考慮因素。

低功耗、高性能MEMS傳感器和高保真度、低功耗信號鏈器件，是為狀態監控行業提供無線能力的關鍵，而無線能力是快速部署資產並開始挽回每年因計劃外停機造成的500億美元損失所必需的。網格技術綜述概要說明了相互競爭的無線技術之間的主要差異
，並強調了哪些技術最適合惡劣的RF環境——這些環境需要同步監控和控製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範圍，但還必須考慮一些較少提到的數據手冊規格（如開啟時間）和無線係統所需的數據速率
，因為這有助於確定最可行的操作模式和數據速率。

在工廠車間等惡劣RF工作環境中使用的無線設備必須能以低功耗提供穩健的通信。本文給出了SmartMesh器件的數據手冊最差情況值與使用SmartMeshgonghaohexingnenggusuangongjujisuandegonghaogujizhi
，yibianduzheduikenengdeqingkuangyouyigedazhidelejie。jianyishiyongcigongjuzuojinyibutanjiu，yinweichuanganqiwangluokeyigenjujutixuqiujinxingdingzhi
，congergenghaodigujikenengdedianchishouminghexingneng。houxuzaibenxiliewenzhangdezhongpianli，jiangjieshaoVoyager平台如何能盡早檢測各種機器故障，例如不平衡

、未對準和軸承缺陷。下篇則將討論Voyager模塊的實際功耗性能，以及多種不同工作模式——既有較高數據速率模式，也有超低功耗模式，敬請期待。

關於ADI公司

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、測量
、電源、連接和解譯技術
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作者簡介

Chris Murphy是歐洲中央應用中心的應用工程師，工作地點在愛爾蘭都柏林。他於2012年加入ADI公司，為電機控製和工業自動化產品提供設計支持。他擁有電子工程碩士學位和計算機工程學士學位。

Richard Anslow是ADI公gong司si自zi動dong化hua與yu能neng源yuan業ye務wu部bu互hu連lian運yun動dong和he機ji器qi人ren團tuan隊dui的de係xi統tong應ying用yong工gong程cheng師shi。他ta的de專zhuan長chang領ling域yu是shi基ji於yu狀zhuang態tai的de監jian測ce和he工gong業ye通tong信xin設she計ji。他ta擁yong有you愛ai爾er蘭lan利li默mo裏li克ke大da學xue頒ban發fa的de工gong程cheng學xue士shi學xue位wei和he工gong程cheng碩shuo士shi學xue位wei。

作者：ADI應用工程師Chris Murphy
，ADI係統應用工程師Richard Anslow

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