作者：Chris Murphy和Richard Anslow

本系列文章的第 1 部分將討論選擇適合在惡劣射頻環(huán)境中使用的合適 MEMS 傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的一些設(shè)計(jì)考慮因素。本文介紹了Voyager平臺(tái)，這是一個(gè)強(qiáng)大的低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)o(wú)線(xiàn)解決方案快速部署到機(jī)器或測(cè)試設(shè)置中。本系列文章的第 2 部分將介紹 Voyager 可以檢測(cè)到的不同故障，例如不平衡、不對(duì)中和軸承缺陷。本系列文章的第3部分將詳細(xì)介紹實(shí)際的功率性能，以及高數(shù)據(jù)速率和超低功耗模式之間的幾種不同工作模式。

介紹

MEMS加速度計(jì)的性能最近已經(jīng)發(fā)展到可以與無(wú)處不在的壓電振動(dòng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)的程度。這些MEMS振動(dòng)傳感器具有低功耗、更小尺寸、更高集成度和寬帶寬以及低于100 μg/√Hz的噪聲水平等關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，這意味著它們?yōu)榫S護(hù)和設(shè)施工程師開(kāi)辟了一種全新的基于狀態(tài)的監(jiān)控（CbM）范式，以檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)并最終避免機(jī)器故障。由于MEMS加速度計(jì)的超低功耗，有線(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)在可以用無(wú)線(xiàn)解決方案取代，單軸笨重的壓電傳感器可以用小型輕量級(jí)三軸模擬元件代替，并且現(xiàn)在可以以經(jīng)濟(jì)高效的方式連續(xù)監(jiān)控更廣泛的機(jī)器。

煤層氣的趨勢(shì)

有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的電動(dòng)機(jī)在連續(xù)運(yùn)行，消耗全球約45%的電力。1其中大多數(shù)關(guān)鍵電機(jī)可能由有線(xiàn)CbM系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)一項(xiàng)研究，82% 的受訪(fǎng)公司經(jīng)歷過(guò)計(jì)劃外維護(hù)，每小時(shí)成本高達(dá) 250，000 美元。對(duì)于那些經(jīng)歷過(guò)計(jì)劃外停機(jī)的公司來(lái)說(shuō)，根據(jù)平均兩次停機(jī)事件，中斷平均持續(xù)四個(gè)小時(shí)，平均損失 200 萬(wàn)美元。2

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。這種意識(shí)的缺乏加上停機(jī)的成本正在推動(dòng)公司走向數(shù)字化，大約50%的公司計(jì)劃投資數(shù)字孿生和人工智能（AI）。3隨著大規(guī)模邁向工業(yè)4.0，組織正在研究工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化，以提高生產(chǎn)力和效率。

這一運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵方面是無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的趨勢(shì)。未來(lái)幾年，CbM行業(yè)將出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，其中無(wú)線(xiàn)安裝占這一增長(zhǎng)的很大一部分。4據(jù)估計(jì)，到2030年，全球智能制造將部署近50億個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊。5眾所周知，最關(guān)鍵的資產(chǎn)需要有線(xiàn)CbM系統(tǒng)，但是目前部署的所有其他資產(chǎn)呢？對(duì)于一些棕地站點(diǎn)，安裝有線(xiàn)解決方案是不可行的，從而產(chǎn)生了對(duì)無(wú)線(xiàn)CbM解決方案的需求。

煤層氣系統(tǒng)安裝與維護(hù)

有線(xiàn) CbM 系統(tǒng)提供最佳性能、可靠性、速度和安全性，因此部署在最關(guān)鍵的資產(chǎn)上。由于這些優(yōu)勢(shì)，有線(xiàn)系統(tǒng)仍然更有可能部署在綠地站點(diǎn)。安裝有線(xiàn)CbM系統(tǒng)時(shí)，電纜可能必須穿過(guò)工廠(chǎng)車(chē)間，這可能很困難，尤其是當(dāng)某些機(jī)器不能受到干擾時(shí)。200 英尺（60 米）電纜通常用于工業(yè)有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，單次運(yùn)行的成本從 3000 美元到 20，000 美元不等，包括材料和人工。6在某些情況下，需要線(xiàn)束，這增加了額外的復(fù)雜性，并且安裝起來(lái)可能非常耗時(shí)。如果電纜通過(guò)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施布線(xiàn)，則如果電纜損壞或需要升級(jí)，則可能無(wú)法更換或重新布線(xiàn)。

雖然無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)最初可能看起來(lái)更昂貴，但更簡(jiǎn)單的維護(hù)程序加上易于擴(kuò)展可以在CbM系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)節(jié)省大量成本。更少的維護(hù)路線(xiàn)、更少的布線(xiàn)和相關(guān)硬件都可以節(jié)省成本。根據(jù)所需的報(bào)告級(jí)別，電池可以使用數(shù)年。如果可以部署基于能量收集的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，維護(hù)將變得更加容易和便宜。一旦選擇了無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，下一個(gè)要關(guān)注的領(lǐng)域是哪種技術(shù)最適合您的CbM應(yīng)用？

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)比較

盡管無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署了幾十年，但由于低功耗技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)苛刻射頻干擾的免疫力，它們直到最近才在工廠(chǎng)車(chē)間得到廣泛部署。本節(jié)將討論各種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。

網(wǎng)格技術(shù)

有幾種常見(jiàn)的技術(shù)可以創(chuàng)建低功耗，低數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)，例如低功耗藍(lán)牙，Zigbee和6LoWPAN。如果您想開(kāi)發(fā)一個(gè)密集的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)集群，在短距離內(nèi)傳輸相對(duì)較少的數(shù)據(jù)，就像您在工廠(chǎng)車(chē)間所期望的那樣，那么這些低數(shù)據(jù)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)或多對(duì)多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。?

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可用于基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)，并相互無(wú)線(xiàn)連接，如圖1所示。這些節(jié)點(diǎn)可以幫助彼此擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，甚至在兩個(gè)特定節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路受到干擾或噪聲干擾時(shí)重新路由無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。網(wǎng)狀技術(shù)最重要的特征之一是能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的其他微塵將數(shù)據(jù)從一個(gè)微塵發(fā)送到另一個(gè)微塵，從而能夠創(chuàng)建覆蓋大面積且功耗極低的互連設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)。例如，在圖 1 中，Mote 1 和 Mote 3 之間的距離意味著它們無(wú)法直接通信。但是，Mote 1 可以通過(guò) Mote 2 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Mote 3，而無(wú)需在 Mote 1 和 Mote 3 之間建立直接鏈接。

圖1.網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中顯示多對(duì)多通信的微塵集群示例。

這些數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)組ote 6，但距離超出了收發(fā)器的能力。將數(shù)據(jù)直接從 Mote 1 傳輸?shù)?Mote 6 需要更高的發(fā)射功率和更高的接收器靈敏度。較高的發(fā)射功率通常與較高的峰值電流消耗有關(guān)，并且需要更大的電池。使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可以將此數(shù)據(jù)沿著每個(gè)微塵從 1 跳到 6。每個(gè)設(shè)備在較小范圍內(nèi)傳輸所需的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在整個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間形成直接、更遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)鏈路所需的功率。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

自我配置：隨著工業(yè)4.0成為現(xiàn)實(shí)，工廠(chǎng)經(jīng)理正在尋求更好的績(jī)效，因?yàn)樗麄兊钠髽I(yè)變得更加數(shù)字化。這種搜索的一個(gè)重要方面是能夠在較小的地理位置上添加高密度的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)一樣好），幾乎不需要手動(dòng)配置，因?yàn)槲m會(huì)自行配置。

自我修復(fù)：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不斷路由數(shù)據(jù)，因此經(jīng)常受到來(lái)自工廠(chǎng)車(chē)間的噪聲、干擾、多徑、衰落反射等干擾。SmartMesh IP 系統(tǒng)（管理器和節(jié)點(diǎn)）始終了解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的噪聲水平，并共享此數(shù)據(jù)以將信號(hào)重新路由到遠(yuǎn)離潛在噪聲路徑的位置。?

覆蓋范圍：只需添加或刪除微塵即可輕松修改網(wǎng)絡(luò)大小。如圖2所示，可以輕松擴(kuò)展覆蓋范圍，而不會(huì)遭受無(wú)線(xiàn)設(shè)備的額外功耗。

表 1 總結(jié)了網(wǎng)格技術(shù)及其功能。

其他低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)

LoRa 或 LoRaWAN 可以在長(zhǎng)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)速率通信， 長(zhǎng)達(dá) 6 英里， 同時(shí)消耗很少的功率.它基于各種頻段，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。因此，對(duì)于低功耗、長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這些解決方案是理想的選擇。NB-IoT或蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)施起來(lái)更昂貴、更復(fù)雜，并且比網(wǎng)狀技術(shù)消耗更多的功率，同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更少。但是，它確實(shí)提供了高質(zhì)量的蜂窩服務(wù)和對(duì)云的直接訪(fǎng)問(wèn)。如果您的無(wú)線(xiàn)解決方案需要與Zigbee相比具有更高數(shù)據(jù)速率的長(zhǎng)距離蜂窩接入，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，MEMS傳感器還不足以與IEPE振動(dòng)傳感器競(jìng)爭(zhēng)，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，如圖3所示。MEMS傳感器的主要限制是噪聲、帶寬和g范圍。低噪聲是檢測(cè)低水平振動(dòng)的關(guān)鍵，有可能實(shí)現(xiàn)早期故障檢測(cè)甚至預(yù)測(cè)。帶寬是關(guān)鍵，因?yàn)樵S多資產(chǎn)/電機(jī)故障（如氣蝕、軸承問(wèn)題和齒輪嚙合）通常在頻率高于 5 kHz 時(shí)最早發(fā)生，當(dāng)然時(shí)間對(duì)于檢測(cè)故障至關(guān)重要。g范圍很重要，因?yàn)檩^大的資產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百g的沖擊或沖擊，可能會(huì)破壞專(zhuān)為不太苛刻的操作而設(shè)計(jì)的MEMS傳感器。

圖3.用于CbM應(yīng)用的MEMS性能的演變。

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)具有多個(gè)特定于應(yīng)用的功能，而CbM至少需要三個(gè)功能。 汽車(chē)碰撞檢測(cè)MEMS傳感器是單個(gè)高級(jí)功能應(yīng)用特定部件的一個(gè)很好的例子。它們?cè)O(shè)計(jì)為具有高g范圍，但帶寬和/或噪聲不足，無(wú)法用于CbM和許多其他應(yīng)用。開(kāi)發(fā)適用于CbM應(yīng)用的MEMS傳感器非常困難，這就是為什么迄今為止很少有供應(yīng)商成功的原因。

為了突出CbMMEMS性能的這些進(jìn)步，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CbM應(yīng)用中的振動(dòng)檢測(cè)。雖然兩個(gè)傳感器的帶寬都相當(dāng)高，但噪聲改善最為顯著，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)。

這些噪聲改善也在一些高性能工業(yè)三軸MEMS傳感器上實(shí)現(xiàn)，如表3所示。雖然這些傳感器并非專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于振動(dòng)檢測(cè)，但它們是性能極高的MEMS傳感器，能夠在全帶寬下檢測(cè)低于1 mg rms的振動(dòng)。結(jié)合出色的穩(wěn)定性和可靠性，這些傳感器已被證明在各種機(jī)械的CbM應(yīng)用中非常有效，無(wú)論是作為唯一的振動(dòng)傳感器還是與其他寬帶寬MEMS / IEPE傳感器配對(duì)。超低噪聲、窄帶寬 （<5 kHz） MEMS傳感器在檢測(cè)許多資產(chǎn)的振動(dòng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通常在轉(zhuǎn)速低且亞赫茲或直流響應(yīng)有利的情況下，例如造紙/工廠(chǎng)加工、食品/制藥、風(fēng)力發(fā)電和金屬加工行業(yè)。表3突出顯示了2009年至2017年多軸MEMS傳感器性能的改進(jìn)。應(yīng)該注意的是，在實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬、更低的噪聲和更高的g范圍時(shí)，與更通用的MEMS傳感器相比，待機(jī)電流等規(guī)格將更大。

CbM系統(tǒng)中常用的振動(dòng)傳感器級(jí)別是多少？

由于計(jì)劃外停機(jī)而損失大量收入的公司將繼續(xù)依賴(lài)有線(xiàn)解決方案，因?yàn)樗鼈兓?2位至20位分辨率傳感器提供最可靠和最準(zhǔn)確的性能。此外，有線(xiàn)安裝的較高成本很容易證明是合理的。對(duì)于低關(guān)鍵性資產(chǎn)，性能要求并不那么嚴(yán)格，資本支出限制可能會(huì)更低。10 位到 16 位的振動(dòng)傳感器分辨率是可以接受的，這是目前大多數(shù)基于 MEMS 的無(wú)線(xiàn) CbM 系統(tǒng)所涵蓋的范圍。

對(duì)低關(guān)鍵性資產(chǎn)的高性能振動(dòng)傳感的需求不斷增長(zhǎng)，隨著工業(yè)公司尋求數(shù)字化和加強(qiáng)其提高性能、生產(chǎn)和效率的努力，這一趨勢(shì)繼續(xù)增長(zhǎng)。從歷史上看，成本一直是在低臨界資產(chǎn)上使用壓電振動(dòng)傳感器的限制因素，但隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員意識(shí)到MEMS傳感器在這種情況下可以提供的價(jià)值和靈活性，這種情況現(xiàn)在開(kāi)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，但性能與成本節(jié)約的吸引力足以證明監(jiān)控中低關(guān)鍵性資產(chǎn)是合理的。

圖4.傳感器類(lèi)型和相應(yīng)的分辨率。

MEMS傳感器的主要優(yōu)勢(shì)之一是功耗低，通常在μA范圍內(nèi)，但甚至可以達(dá)到nA范圍。這使得它們非常適合用于無(wú)線(xiàn)CbM應(yīng)用。雖然一些壓電傳感器的功耗低至200 μA左右，但它們?nèi)狈晒δ?，并且與MEMS相比價(jià)格昂貴。確實(shí)存在一些基于壓電傳感器的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)振動(dòng)傳感器，它們可以在高達(dá)104 kHz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(xiàn)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，您最多可以將三個(gè)軸集成到一個(gè)小封裝中。三軸壓電傳感器將更昂貴、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(xiàn)應(yīng)用。

未來(lái)趨勢(shì)：對(duì)新收入來(lái)源的渴望

泵占目前部署在世界各地工廠(chǎng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)器的很大一部分，預(yù)計(jì)到 2025 年，全球市場(chǎng)將從 38.34B 美元增長(zhǎng)到 46.92B 美元。7其中一些泵對(duì)于確保過(guò)程可以繼續(xù)暢通無(wú)阻地運(yùn)行至關(guān)重要，這將需要基于狀態(tài)的監(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，泵將采用分析功能并變得智能。泵OEM的增長(zhǎng)將由基于分析、人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的服務(wù)推動(dòng)，以提供有關(guān)提高泵性能和可靠性的診斷信息。研究發(fā)現(xiàn)，到2025年以后，高達(dá)60%的泵OEM收入可能來(lái)自與服務(wù)相關(guān)的活動(dòng)，這些活動(dòng)可能會(huì)使泵行業(yè)從基于產(chǎn)品的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛诜?wù)的模式。7這種轉(zhuǎn)變主要是由制造業(yè)的快速數(shù)字化（IIoT）以及CbM硬件和算法，AI和ML的進(jìn)步推動(dòng)的。據(jù)設(shè)想，水/廢水處理廠(chǎng)、煉油廠(chǎng)和天然氣生產(chǎn)廠(chǎng)等傳統(tǒng)重工業(yè)將在尋求數(shù)字化運(yùn)營(yíng)時(shí)利用這些智能泵。對(duì)于綠地，很可能會(huì)使用有線(xiàn)煤層氣系統(tǒng)，但棕地上的現(xiàn)有裝置呢？為了將這種基于服務(wù)的模型應(yīng)用于已部署的泵和其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械，無(wú)線(xiàn)CbM系統(tǒng)可以提供快速，無(wú)縫和可靠的解決方案。

EV-煤層氣-航海家3-1Z無(wú)線(xiàn)CbM模塊

Voyager平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)大的低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀振動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)o(wú)線(xiàn)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(xiàn)檢測(cè)的SmartMesh IP技術(shù)?？傮w目標(biāo)是加速客戶(hù)資產(chǎn)監(jiān)控和解決方案開(kāi)發(fā)。該微塵包括一個(gè)機(jī)械外殼和帶有 1/4-28 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)螺柱附件的附件硬件。Voyager解決方案可以很容易地直接安裝在電機(jī)或測(cè)試夾具上。

智能網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

SmartMesh IP 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品是 IC 和預(yù)認(rèn)證的 PCB 模塊，配有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)軟件，使傳感器能夠在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 環(huán)境中進(jìn)行通信。它們專(zhuān)為 IP 兼容性而構(gòu)建，基于 6LoWPAN 和 802.15.4e 標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN 由互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本 6 （IPv6） 和低功耗無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng) （LoWPAN） 組成。它是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的網(wǎng)絡(luò)，如Wi-Fi。SmartMesh IP 產(chǎn)品線(xiàn)即使在惡劣、動(dòng)態(tài)變化的射頻環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)低功耗和 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性。

高度可擴(kuò)展、自形成無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)收集和中繼數(shù)據(jù)，并結(jié)合了監(jiān)控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。當(dāng)管理器和微塵通電時(shí)，網(wǎng)格會(huì)自動(dòng)形成。位于管理器范圍之外的微塵將通過(guò)范圍內(nèi)的微塵轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。此外，如果節(jié)點(diǎn)的通信鏈路因噪聲而受到干擾，則可以使用另一個(gè)不同工作頻率的鏈路/路徑重定向數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)包，以便數(shù)據(jù)可以在干擾源周?chē)蜻h(yuǎn)離干擾源進(jìn)行重定向，這就是SmartMesh IP的自愈元件或類(lèi)似電線(xiàn)的可靠性（99.999%）的來(lái)源。

Voyager套件已經(jīng)過(guò)SmartMesh IP微塵跳躍測(cè)試。這是超出網(wǎng)絡(luò)管理器范圍的微塵可以在范圍內(nèi)微塵中跳躍的地方，如圖 6 所示。多跳網(wǎng)絡(luò)確保超出范圍的微塵可以將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)管理器。

智能網(wǎng)格 IP 最適合哪些領(lǐng)域？

SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)定位于IIoT應(yīng)用。在出廠(chǎng)設(shè)置中，傳感器通常以集群形式部署在資產(chǎn)上。需要定期甚至持續(xù)監(jiān)控的資產(chǎn)可以放置在工廠(chǎng)車(chē)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(guò) 100 米。例如，SmartMesh IP 已成功部署在高密度群集中數(shù)據(jù)中心的數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)中。

過(guò)去，低功耗無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備一直在努力應(yīng)對(duì)工廠(chǎng)車(chē)間產(chǎn)生的干擾。這不僅是 SmartMesh IP 擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，而且是專(zhuān)門(mén)為部署在需要類(lèi)似有線(xiàn)可靠性且需要同步監(jiān)視或控制的密集集群中而設(shè)計(jì)的。

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(kāi)創(chuàng)的技術(shù)，也是無(wú)線(xiàn)HART（IEC 62591）和IEEE 802.15.4e等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)構(gòu)建模塊。在TSCH網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的所有微塵都在幾微秒內(nèi)同步。網(wǎng)絡(luò)通信按時(shí)隙進(jìn)行組織，可實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)包交換、成對(duì)信道跳頻和全路徑分集。TSCH的使用允許SmartMesh IP設(shè)備在計(jì)劃通信之間以超低功耗休眠，通常導(dǎo)致占空比為<1%。網(wǎng)絡(luò)管理器利用 TSCH 來(lái)確保微塵準(zhǔn)確地知道何時(shí)說(shuō)話(huà)、傾聽(tīng)或睡眠。這可確保網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)有數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗都非常低 — 路由節(jié)點(diǎn)通常消耗 <50 μA。

智能網(wǎng)狀 IP 網(wǎng)絡(luò)是最安全的網(wǎng)狀網(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)安全加入、密鑰建立和密鑰交換的應(yīng)用程序。

旅行者號(hào)信號(hào)鏈

它還包括一個(gè)3軸ADXL356振動(dòng)傳感器板和一個(gè)低功耗微控制器ADuCM4050。一個(gè)強(qiáng)大的低功耗 SmartMesh IP LTC5800 板包含在芯片天線(xiàn)中。該套件包括一個(gè)SmartMesh IP USB加密狗，用作無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理器。嵌入式固件和 GUI 代碼可在 GitHub 上找到。

Voyager模塊的電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)特性，因此，選擇了高性能、低功耗器件來(lái)檢測(cè)、調(diào)節(jié)、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

Figure 10. A high level block diagram of the ADuCM4050/SmartMesh.

Voyager Signal Chain Power Consumption

每個(gè)信號(hào)鏈部分的有功和待機(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)樗南谋群?jiǎn)單地處于活動(dòng)或待機(jī)模式更微妙。信號(hào)鏈的實(shí)際功耗會(huì)更低。在活動(dòng)模式下，ADuCM4050消耗的功耗最高，因?yàn)樗蓸痈哌_(dá)1.8 MSPS的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行濾波，然后執(zhí)行DFT，然后通過(guò)UART將數(shù)據(jù)發(fā)送到SmartMesh IP收發(fā)器。

圖11和圖12顯示，當(dāng)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)和待機(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)論您計(jì)劃運(yùn)行定期監(jiān)控方案（例如，每 6 小時(shí)一次）還是連續(xù)監(jiān)測(cè)方案，這些指標(biāo)對(duì)于確保電池供電的傳感器有效運(yùn)行都至關(guān)重要。在有源模式下，ADXL356功耗約為信號(hào)鏈功耗的1.4%。與典型的壓電傳感器相比，ADXL356的功耗要低得多。典型的壓電傳感器具有4 mA恒定電流和24 V至30 V電源，功耗接近100 W。有低功耗的壓電傳感器可以降低90%的功耗，但它們?nèi)匀徊贿m合在電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)期使用。

圖 11.有源模式下的信號(hào)鏈功耗。

圖 12.待機(jī)模式下的信號(hào)鏈功耗。

在待機(jī)模式下，ADXL356消耗39%的信號(hào)鏈電流。雖然這看起來(lái)很高，但應(yīng)與適用于CbM應(yīng)用中振動(dòng)檢測(cè)的各種MEMS傳感器進(jìn)行比較和鑒定，如表4所示，以便更好地了解噪聲與電流消耗方面的性能權(quán)衡。

圖13和圖14顯示了MEMS傳感器在活動(dòng)和待機(jī)模式下的電流消耗和噪聲。ADXL356的有源電流消耗與MEMS C4一樣最低，不再推薦用于新設(shè)計(jì)。MEMS B具有最高的有源功耗（是ADXL356的11.5倍），但應(yīng)該注意的是，MEMS B具有最低的噪聲和寬帶寬，因此與所有MEMS C傳感器相比，性能更高。

圖 14.MEMS傳感器有源電流消耗與噪聲密度的比較。

雖然ADXL356和MEMS B具有最高的待機(jī)電流，但這些傳感器的噪聲性能比圖14所示的替代產(chǎn)品好1.6至9倍。電流消耗和噪聲密度之間的反比關(guān)系顯而易見(jiàn)，在為電池供電應(yīng)用選擇MEMS振動(dòng)傳感器時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。

ADXL356的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其陶瓷封裝，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有出色的穩(wěn)定性和性能。當(dāng)您考慮到大多數(shù)設(shè)計(jì)用于無(wú)線(xiàn)設(shè)備的MEMS傳感器將被添加到IP6x等級(jí)的外殼中時(shí)，這一點(diǎn)變得至關(guān)重要。在某些情況下，外殼將包括灌封化合物。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MEMS器件，并不總是建議灌封，因?yàn)榉庋b的偏轉(zhuǎn)會(huì)降低傳感器的性能。

MEMS導(dǎo)通/上電時(shí)間

對(duì)于MEMS傳感器，上電時(shí)間是指從斷電到待機(jī)模式所需的時(shí)間。開(kāi)啟或啟動(dòng)時(shí)間是指從待機(jī)模式到測(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以?xún)?nèi)時(shí)，此規(guī)格有效。

在監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮這些時(shí)間，因?yàn)槿绻_(kāi)啟時(shí)間太長(zhǎng)，當(dāng)系統(tǒng)從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入測(cè)量模式時(shí)，可能會(huì)丟失關(guān)鍵的振動(dòng)數(shù)據(jù)。在無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)循環(huán)電源以節(jié)省功耗的系統(tǒng)中，在電源模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗變得更加重要。考慮到表5所示的導(dǎo)通時(shí)間，當(dāng)MEMS C1、MEMS C2和MEMS C4在超過(guò)1.3秒的最壞情況下測(cè)量有效數(shù)據(jù)時(shí)，其他傳感器已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)量并處于待機(jī)模式相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，從而節(jié)省了更多功耗。圖15比較了ADXL356、MEMS B和MEMS C1從待機(jī)模式過(guò)渡到測(cè)量模式時(shí)的情況，測(cè)量加速度數(shù)據(jù)1 s，假設(shè)在此轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)線(xiàn)性功率斜坡，然后在4.5 s的時(shí)間內(nèi)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1 s測(cè)量的有源電流消耗明顯高于ADXL356。同樣，MEMS C1在最壞情況下需要長(zhǎng)達(dá)1.3秒才能進(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)量與ADXL356和MEMS B相同的數(shù)據(jù)，從而有效地消耗更多功率，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)，則兩個(gè)器件在55%的時(shí)間內(nèi)都可以保持待機(jī)模式，而MEMS C1只能進(jìn)入此模式幾毫秒。

圖 15.ADXL356、MEMS B和MEMS C1在啟動(dòng)時(shí)的電流消耗，然后在4.5 s內(nèi)重復(fù)兩次MEMS C1在最差情況下啟動(dòng)時(shí)間的1 s測(cè)量。

圖16顯示了每分鐘5 s的活動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量電流消耗，其余時(shí)間器件處于待機(jī)模式。平均電流如表7所示。

圖 16.ADXL356、MEMS B和MEMS C1在啟動(dòng)時(shí)的電流消耗，然后在60 s以上最差情況下的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行5 s測(cè)量。

即使在較低頻率的測(cè)量速率下（每60秒5秒），MEMS C1和ADXL356的平均電流消耗也非常接近，盡管工作和待機(jī)電流消耗存在差異。如果測(cè)量速率不那么頻繁，則在兩次測(cè)量之間關(guān)閉MEMS傳感器以降低電流消耗更為可行，如圖17所示，在這種情況下，ADXL356的平均電流消耗最低。

圖 17.ADXL356、MEMS B和MEMS C1在啟動(dòng)時(shí)的電流消耗，然后測(cè)量5 s，然后關(guān)斷60 s。

智能網(wǎng)狀 IP 功耗

智能網(wǎng)格 IP 收發(fā)器（如 LTC5800）具有幾種不同的功耗曲線(xiàn)。圖18顯示了數(shù)據(jù)手冊(cè)中不同模式的最大功耗。但是，網(wǎng)絡(luò)中典型的SmartMesh芯片配置將消耗更少的電流以實(shí)現(xiàn)合理操作。許多因素將決定消耗多少功率，包括報(bào)告間隔（1 個(gè)數(shù)據(jù)包/分鐘與 1 個(gè)數(shù)據(jù)包/秒）、傳輸數(shù)據(jù)所需的跳數(shù)、有效負(fù)載大?。? 字節(jié)到 90 字節(jié)）和路徑穩(wěn)定性（例如，80% 在室內(nèi)密集網(wǎng)絡(luò)）。

圖 18.智能網(wǎng)格 IP 電流消耗（最壞情況數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格）。

實(shí)際電池壽命取決于許多因素，例如微塵收集和傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間與微塵睡眠的時(shí)間。有效負(fù)載大小、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 微塵將使用的功率量。SmartMesh 功耗和性能估算器是一種非常有用且準(zhǔn)確的工具，可用于根據(jù)關(guān)鍵因素估算性能和功耗，如圖 19 所示。

圖 19.智能網(wǎng)格功耗和性能估算器工具。

旅行者模塊：傳輸一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集

要評(píng)估功耗，了解將一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集從無(wú)線(xiàn)微塵傳輸?shù)?SmartMesh IP 管理器需要多少數(shù)據(jù)包會(huì)很有用。在 1 秒的報(bào)告間隔下，60 包/分鐘將從微塵發(fā)送到經(jīng)理。x、y 和 z 軸采樣數(shù)據(jù)分別由 16 位（2 字節(jié)）的 512 個(gè)時(shí)域采樣組成。FFT數(shù)據(jù)也被計(jì)算和傳輸，如圖20所示。

圖 20.顯示時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)的 Voyager GUI。

（512 + 512/2） × 3 = 2304 個(gè)樣本，得到 2304 × 2 字節(jié) = 4608 字節(jié)。90 字節(jié)在一個(gè) SmartMesh 數(shù)據(jù)包中發(fā)送。4608 字節(jié)/90 字節(jié) = 51.2 個(gè)數(shù)據(jù)包。需要 52 個(gè) SmartMesh 數(shù)據(jù)包才能將一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集從無(wú)線(xiàn)微塵傳輸?shù)?SmartMesh IP 管理器。

為了提供功耗估算，我們使用 20 微塵網(wǎng)絡(luò)作為示例，其中微塵排列在 4 個(gè)躍點(diǎn)中，每個(gè)躍點(diǎn)有 5 個(gè)微塵。將數(shù)據(jù)有效負(fù)載大小設(shè)置為 90 字節(jié)，并將報(bào)告速率設(shè)置為 1 數(shù)據(jù)包/秒，Hop 1 微塵僅對(duì) SmartMesh IC 的功耗為 587.9 μA（靜態(tài)條件）。對(duì)于最差情況下的動(dòng)態(tài)條件，建議將功耗增加30%，得到587.9 μA×1.3 = 764.3 μA。這些結(jié)果通過(guò)智能網(wǎng)格功耗和性能估算器工具得到證實(shí)。

圖 21 顯示了 Voyager 模塊的最壞情況電池壽命估計(jì)值（2 × Saft LS14500），在兩種情況下有 4 個(gè)躍點(diǎn)，一種是微塵每 60 分鐘激活一次，另一種是每分鐘一次，持續(xù) 60 分鐘。正如預(yù)期的那樣，微塵每分鐘傳輸 60 分鐘的情況具有更短的電池壽命。躍點(diǎn) 1 處的微塵將有更多的工作要做，因?yàn)榇宋m將接收從微塵 2、3 和 4 發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。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)微塵每小時(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 21.SmartMesh 電池壽命與傳輸數(shù)據(jù)所需的躍點(diǎn)數(shù)。

結(jié)論

本文討論了推動(dòng)目前CbM市場(chǎng)快速發(fā)展和增長(zhǎng)的一些關(guān)鍵趨勢(shì)。低功耗、高性能MEMS傳感器和高保真、低功耗信號(hào)鏈組件對(duì)于為CbM行業(yè)提供快速部署資產(chǎn)所需的無(wú)線(xiàn)功能至關(guān)重要，并開(kāi)始扭轉(zhuǎn)每年因計(jì)劃外停機(jī)而損失的500億美元。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的概述提供了競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)之間主要差異的大致視圖，并強(qiáng)調(diào)了哪些技術(shù)最適合需要同步監(jiān)測(cè)和控制以及類(lèi)似有線(xiàn)可靠性的惡劣射頻環(huán)境。

選擇最合適的MEMS傳感器可能很困難，必須考慮許多因素，例如噪聲、帶寬和g范圍，但還必須考慮較少參考的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格（如導(dǎo)通時(shí)間）以及無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)速率，因?yàn)檫@有助于確定哪種工作模式和數(shù)據(jù)速率最可行。

在工廠(chǎng)車(chē)間等惡劣的射頻工作環(huán)境中使用無(wú)線(xiàn)設(shè)備需要強(qiáng)大的通信和低功耗。本文展示了 SmartMesh 功耗和性能估算器工具中 SmartMesh 器件的最壞情況數(shù)據(jù)手冊(cè)和功耗估算值，以便對(duì)可能的情況進(jìn)行高層次概述。建議使用此工具進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查，因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)您的特定需求進(jìn)行定制，以更好地估計(jì)潛在的電池壽命和性能。在本系列文章的第 2 部分中，我們將展示 Voyager 平臺(tái)如何及早檢測(cè)各種機(jī)器故障，而第 3 部分將討論 Voyager 模塊的功耗和不同操作模式。