【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、更寬帶寬以及低于100μg/√Hz的噪聲水平等，并可基于無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)濟高效地連續(xù)監(jiān)控暴增的機器設(shè)備成為可能。對于維護和設(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、診斷、預測并最終避免機器故障。
狀態(tài)監(jiān)控的趨勢
全球有數(shù)以百萬的電動機在持續(xù)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(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的看護。研究顯示，接受調(diào)查的公司中有82%曾經(jīng)歷過計劃外維護，成本最高達到每小時250,000美元。對于那些經(jīng)歷過計劃外停機的公司，基于兩次停機事件的平均值，停機平均持續(xù)4小時，平均損失高達200萬美元。
另一項研究發(fā)現(xiàn)，70%的公司不知道資產(chǎn)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(shù)字化，大約50%的公司計劃投資于數(shù)字孿生和人工智能(AI)。隨著工業(yè)4.0運動的大規(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。
該運動的一個關(guān)鍵方面是向無線傳感器系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。未來幾年，狀態(tài)監(jiān)控行業(yè)將出現(xiàn)顯著增長，其中無線安裝將占到增長的很大一部分。據(jù)估計，到2030年，全球智能制造業(yè)將部署近50億個無線模塊。眾所周知，最關(guān)鍵資產(chǎn)需要有線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但當前部署的所有其他資產(chǎn)呢？對于一些老舊設(shè)施，安裝有線解決方案是不可行的，這就增加了對無線狀態(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
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，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，工廠車間可能不得不到處布設(shè)線纜，尤其是當某些機器不能受到干擾時，難度更大。工業(yè)有線傳感器網(wǎng)絡通常使用60m線纜，單條布設(shè)的成本從3000美元到20,000美元不等，包括材料和人工費用。某些情況下需要線束，這會增加額外的復雜性，安裝可能很耗時。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的時候，可能無法更換或重新布線。
雖然無線系統(tǒng)初看起來可能更昂貴，但更簡單的維護程序加上易于擴展的能力，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)所需的報告級別不同，電池最長可以使用數(shù)年。如果可以部署基于能量采集的無線系統(tǒng)，那么維護將變得更容易，而且成本更低。選擇無線系統(tǒng)后，下一個要關(guān)注的方面是哪種技術(shù)最適合您的狀態(tài)監(jiān)控應用？
無線傳感器網(wǎng)絡比較
無線網(wǎng)絡盡管已經(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)的進步以及無線網(wǎng)絡對惡劣RF干擾的耐受力的提高。本節(jié)將討論各種網(wǎng)格網(wǎng)絡的優(yōu)點。
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，例如Bluetooth? Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果想開發(fā)一個傳輸數(shù)據(jù)量相對較低、傳輸距離較短的密集無線傳感器節(jié)點集群（比如工廠車間就需要這樣的節(jié)點集群），那么這些低數(shù)據(jù)網(wǎng)格或多對多網(wǎng)絡技術(shù)會是不錯的選擇。
網(wǎng)格網(wǎng)絡可用于基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點并相互無線連接，如圖1所示。如果兩個特定節(jié)點之間的通信鏈路受到干擾或噪聲影響，這些節(jié)點可以互相幫助，擴展無線電信號，甚至可以將信號重新路由。網(wǎng)格技術(shù)最重要的特性之一是能夠通過網(wǎng)絡中各個節(jié)點將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點，從而能夠創(chuàng)建一個覆蓋大面積的大型互連網(wǎng)絡，而消耗的功率則非常少。例如，在圖1中，節(jié)點1和節(jié)點3之間的距離很長，因此它們不能直接通信。但是，在節(jié)點1和節(jié)點3之間不存在直接鏈路的情況下，節(jié)點1可以通過節(jié)點2向節(jié)點3傳輸數(shù)據(jù)。
圖1.展示多對多通信的網(wǎng)格網(wǎng)絡中的節(jié)點集群示例
圖2顯示了一個工廠車間示例，其中節(jié)點1測量一臺電機的振動。此數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)焦?jié)點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1傳輸?shù)焦?jié)點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，此數(shù)據(jù)可以沿著節(jié)點1到節(jié)點6之間的每個節(jié)點跳過去，最終到達目的地。每個設(shè)備在較小范圍內(nèi)傳輸所需的功率，遠小于在整個工廠車間形成更長的直接無線鏈路所需的功率。
圖2.在工廠車間實施的網(wǎng)格網(wǎng)絡，展示了數(shù)據(jù)跳躍
網(wǎng)格網(wǎng)絡的主要優(yōu)點如下：
● 自主配置：隨著工業(yè)4.0成為現(xiàn)實，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。這種探索的一個重要方面是要能在較小的地理位置添加高密度的無線設(shè)備集群，同時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)缀醪恍枰謩优渲?，因為?jié)點可以自行配置。
● 自愈：網(wǎng)格網(wǎng)絡在不斷地路由數(shù)據(jù)，因此不斷受到來自工廠車間的噪聲、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）持續(xù)監(jiān)測每個節(jié)點的噪聲水平并共享此數(shù)據(jù)，以便重新路由信號，使其遠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，即可輕松調(diào)整網(wǎng)絡的大小。如圖2所示，覆蓋面積可以輕松擴展，而無線設(shè)備無需增加功耗。
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)絡的比較
其他低功耗無線技術(shù)
LoRa或LoRaWAN可以實現(xiàn)遠距離（長達6英里）的低數(shù)據(jù)速率通信，同時消耗的功率非常低。它基于各種頻段，可實現(xiàn)點對點通信。因此，對于低功耗、長距離的點對點通信，這些解決方案很理想。NB-IoT或蜂窩網(wǎng)絡的實施成本更高、更復雜，功耗高于網(wǎng)格技術(shù)，而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量卻更小。但是，它確實提供高質(zhì)量的蜂窩服務和對云的直接訪問。如果您的無線解決方案需要長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取代壓電振動傳感器的演變
直到最近，在檢測關(guān)鍵資產(chǎn)和旋轉(zhuǎn)機械的早期振動故障特征方面，MEMS傳感器還不足以與IEPE振動傳感器競爭，如圖3所示。MEMS傳感器的主要限制在于噪聲、帶寬和g范圍。低噪聲是檢測低水平振動以實現(xiàn)更早的故障檢測甚至預測的關(guān)鍵。帶寬很重要，因為許多資產(chǎn)/電機故障，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，當然時間對于檢測故障至關(guān)重要。g范圍也很重要，因為較大的資產(chǎn)可以產(chǎn)生高達數(shù)百g的沖擊或撞擊，這可能會破壞專為不太苛刻操作而設(shè)計的MEMS傳感器。
圖3.用于狀態(tài)監(jiān)控應用的MEMS性能演變
從歷史上看，大多數(shù)MEMS傳感器是為多種應用而設(shè)計的，因此通常不會有多個特定于應用的特性，但狀態(tài)監(jiān)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于應用的單一部件的典范。此類傳感器被設(shè)計為具有高g范圍，但帶寬和/或噪聲性能不足以用于狀態(tài)監(jiān)控和其他許多應用。開發(fā)適用于狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)用于狀態(tài)監(jiān)控的MEMS性能的這些進步，ADI對2010年和2017年發(fā)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(shè)計用于狀態(tài)監(jiān)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，以至于MEMS傳感器現(xiàn)在可以與壓電IEPE振動傳感器競爭。
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檢測而設(shè)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于1 mg rms的振動。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械的狀態(tài)監(jiān)控應用中非常有效，無論是用作唯一的振動傳感器，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傳感器在檢測許多資產(chǎn)的振動方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用，通常用在低轉(zhuǎn)速和亞赫茲的情況下，或用在直流響應有利的情況下，例如紙張/工廠加工、食品/制藥、風力發(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。應該注意的是，為了實現(xiàn)更寬的帶寬、更低的噪聲和更高的g范圍，待機電流等規(guī)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(tài)監(jiān)控系統(tǒng)通常使用什么級別的振動傳感器？
計劃外停機常導致?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。對于重要性較低的資產(chǎn)，性能要求并不那么嚴格，資本支出上限可能要低得多。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(shù)基于MEMS的無線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)所涵蓋的范圍。
重要性較低的資產(chǎn)對高性能振動檢測也有需求，隨著工業(yè)公司尋求數(shù)字化并加強其改善性能、生產(chǎn)和效率的努力，這種趨勢會繼續(xù)增長。從歷史上看，成本一直是限制在重要性較低的資產(chǎn)上使用壓電振動傳感器的因素，但隨著越來越多的設(shè)計人員意識到MEMS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(xiàn)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(yōu)勢很有吸引力，足以為監(jiān)控中低重要性的資產(chǎn)提供合理性。
圖4.傳感器類型和相應的分辨率
MEMS傳感器的主要優(yōu)勢之一是低功耗，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線狀態(tài)監(jiān)控應用。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相比價格昂貴。確實存在一些基于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系統(tǒng)通常具有8小時的連續(xù)電池壽命。MEMS的另一個關(guān)鍵優(yōu)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，并且需要更多的信號調(diào)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(zhuǎn)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。其中一些泵對于確保流程持續(xù)暢通無阻地運行至關(guān)重要，這就需要狀態(tài)監(jiān)控以避免計劃外停機。這種泵的未來會怎樣？根據(jù)Frost&Sullivan最近的一份報告，泵將具備分析能力并變得智能化。泵OEM的增長將由服務驅(qū)動，服務基于分析、人工智能或機器學習(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%可能是來自與服務相關(guān)的活動，泵行業(yè)將從基于產(chǎn)品的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛诜盏哪Ｊ?。推動這種轉(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、機器學習的進步。預計水/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)字化運營時會使用這些智能泵。新建設(shè)施很可能會使用有線狀態(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的模式應用于已部署的泵和其他旋轉(zhuǎn)機械，無線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以提供快速、無縫和可靠的解決方案。
EV-CBM-VOYAGER3-1Z無線狀態(tài)監(jiān)控模塊
Voyager平臺（如圖5所示）是一款穩(wěn)健型低功耗無線網(wǎng)格網(wǎng)絡振動監(jiān)控平臺，它讓設(shè)計人員能夠?qū)o線解決方案快速部署到機器或測試設(shè)置中。設(shè)計人員可以快速評估用于振動監(jiān)控的ADI MEMS傳感器技術(shù)，同時評估用于工業(yè)無線檢測的SmartMesh IP技術(shù)?？傮w目標是加速客戶資產(chǎn)監(jiān)控和解決方案開發(fā)。節(jié)點包括一個機械外殼和帶有?-28行業(yè)標準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或測試電路上。
圖5.Voyager無線狀態(tài)監(jiān)控模塊
SmartMesh IP
SmartMesh IP無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品是IC和預認證PCB模塊，帶網(wǎng)格網(wǎng)絡軟件，使得傳感器可以在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)環(huán)境中進行通信。它們面向IP兼容性而構(gòu)建且基于6LoWPAN和802.15.4e標準。6LoWPAN由Internet Protocol第6版(IPv6)和低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(LoWPAN)組成，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)的網(wǎng)絡，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顯示了一個高度可擴展、自成型的多跳無線節(jié)點網(wǎng)格網(wǎng)絡，結(jié)合監(jiān)視性能和安全性并與主機應用程序交換數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡管理器，它能收集和中繼數(shù)據(jù)。當管理器和節(jié)點通電后，網(wǎng)格會自動形成。位于管理器范圍之外的節(jié)點將通過范圍內(nèi)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。此外，如果節(jié)點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)可以繞過或遠離干擾源，SmartMesh IP的自愈能力或如同有線網(wǎng)絡一樣的可靠性(99.999%)正是來源于此。
Voyager套件已經(jīng)過SmartMesh IP節(jié)點跳躍測試。在此測試中，超出網(wǎng)絡管理器范圍的節(jié)點可以跳過范圍內(nèi)的節(jié)點，如圖6所示。多躍點網(wǎng)絡可確保范圍外節(jié)點能將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡管理器。
SmartMesh IP最適合用在何處？
SmartMesh IP網(wǎng)絡定位于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)應用。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)以千計的節(jié)點形成了高密度集群。
過去，低功耗無線通信設(shè)備在應對工廠車間產(chǎn)生的干擾方面很吃力。這不僅是SmartMesh IP擅長的方面，而且它是專門為在密集集群中部署而設(shè)計的，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(chuàng)的一種技術(shù)，也是WirelessHART (IEC 62591)和IEEE 802.15.4e等無線網(wǎng)格網(wǎng)絡標準的基本構(gòu)建模塊。在TSCH網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都在數(shù)微秒內(nèi)同步。網(wǎng)絡通信被組織成時隙，以實現(xiàn)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于1%。網(wǎng)絡管理器利用TSCH確保節(jié)點準確地知道何時通信、監(jiān)聽或休眠。這樣就確保了網(wǎng)絡上不會發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突，并且每個節(jié)點的功耗都非常低——路由節(jié)點的典型功耗小于50μA。
SmartMesh IP網(wǎng)絡是現(xiàn)有的最安全網(wǎng)格網(wǎng)絡之一。SmartMesh IP網(wǎng)絡中的所有流量都受到端到端加密、消息完整性檢查和設(shè)備身份驗證的保護。此外，SmartMesh網(wǎng)絡管理器包含支持網(wǎng)絡安全聯(lián)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(jiān)控平臺的概要。它還包含一個三軸ADXL356 振動傳感器板和一個低功耗微控制器ADuCM4050。另外還有一個穩(wěn)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(wǎng)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(guān)鍵設(shè)計特性，因此它選擇了高性能、低功耗器件來檢測、調(diào)理、處理和傳輸振動數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)進行采樣、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，當系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)和處于待機模式時，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(jiān)控方案（例如每6小時一次）還是運行連續(xù)監(jiān)控方案，這些指標對于確保電池供電的傳感器有效運行至關(guān)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?nèi)匀徊贿m合長期用于電池供電的傳感器網(wǎng)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(chǎn)生的噪聲與功耗的性能權(quán)衡，應該對適用于狀態(tài)監(jiān)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(tài)監(jiān)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(shè)計不再推薦使用后者。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?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(guān)鍵優(yōu)勢是陶瓷封裝，這使其可在整個溫度范圍內(nèi)提供出色的穩(wěn)定性和性能?？紤]到無線設(shè)備中使用的大多數(shù)MEMS傳感器會被放到IP6x防護等級的外殼中，陶瓷封裝至關(guān)重要。在某些情況下，外殼還會灌封化合物。陶瓷封裝可以承受灌封化合物帶來的外力，以保持傳感器的數(shù)據(jù)手冊性能。對于塑料封裝的MEMS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
對于MEMS傳感器而言，上電時間是指從關(guān)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。對于ADXL356，當輸出在最終值的5 mg范圍內(nèi)時，該規(guī)格有效。
表5.MEMS傳感器上電時間
當監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備時，應考慮這些時間，因為如果開啟時間太長，當系統(tǒng)從待機進入測量模式時，可能會丟失關(guān)鍵振動數(shù)據(jù)。在對無線節(jié)點進行周期供電以節(jié)省電力的系統(tǒng)中，在不同功耗模式之間轉(zhuǎn)換時的功耗變得更加重要?？紤]表5所示的開啟時間，當MEMS C1、MEMS C2和MEMS C4經(jīng)過1.3s以上的時間（最差情況）才測量到有效數(shù)據(jù)時，其他傳感器已經(jīng)完成測量并處于待機模式好一會了，從而能節(jié)省更多電量。圖15比較了ADXL356、MEMS B和MEMS C1從待機模式轉(zhuǎn)換到測量模式的情況，測量加速度數(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于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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，則二者都有55%的時間處于待機模式，而MEMS C1處于該模式的時間只有幾毫秒。
圖15.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：啟動，然后以MEMS C1的最差情況啟動時間進行1s的測量，在4.5s內(nèi)重復兩次。
表6.相對于圖15的平均電流
圖16顯示了每分鐘進行5s的活動數(shù)據(jù)測量的電流消耗，器件在其余時間處于待機模式。平均電流如表7所示。
圖16.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗：啟動，然后以MEMS C1的最差情況啟動時間進行5s的測量，總計60s。
表7.相對于圖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(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：啟動，然后進行5s的測量，然后關(guān)斷，總計60s。
表8.相對于圖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)手冊中各模式對應的最大功耗。然而，對于合理的操作，網(wǎng)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（每分鐘1個數(shù)據(jù)包還是每秒1個數(shù)據(jù)包），需要多少跳數(shù)來傳輸數(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）。
圖18.SmartMesh IP電流消耗（最差情況數(shù)據(jù)手冊規(guī)格）
實際電池壽命取決于許多因素，例如：節(jié)點收集和傳輸數(shù)據(jù)的時間與節(jié)點睡眠時間的關(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，都會影響SmartMesh IP節(jié)點的功耗?；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)送一個完整的數(shù)據(jù)集
為了評估功耗，了解從無線節(jié)點傳輸一個完整的數(shù)據(jù)集到SmartMesh IP管理器需要多少數(shù)據(jù)包會很有用。報告間隔為1s時，從節(jié)點發(fā)送到管理器的數(shù)據(jù)速率為每分鐘60個數(shù)據(jù)包。x軸、y軸和z軸采樣數(shù)據(jù)各包括512個時域樣本，每個樣本16位（2字節(jié)）。FFT數(shù)據(jù)也被計算和發(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SmartMesh數(shù)據(jù)包中發(fā)送90個字節(jié)。4608字節(jié)/90字節(jié) = 51.2數(shù)據(jù)包。從無線節(jié)點傳輸一個完整的數(shù)據(jù)集到SmartMesh IP管理器需要52個SmartMesh數(shù)據(jù)包。
為了進行功耗估計，使用有20個節(jié)點的網(wǎng)絡作為例子，節(jié)點以4躍點布置，每躍點有5個節(jié)點。將數(shù)據(jù)有效載荷大小設(shè)置為90字節(jié)，并將報告速率設(shè)置為每秒1個數(shù)據(jù)包，躍點1節(jié)點的SmartMesh IC（靜態(tài)條件）消耗587.9μA。對于最差情況的動態(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了這些結(jié)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(jié)點每60分鐘激活一次，另一種是每分鐘激活一次，持續(xù)60分鐘。正如預期的那樣，在60分鐘內(nèi)節(jié)點每分鐘傳輸一次的情況下，電池壽命要短得多。位于躍點1的節(jié)點要接收節(jié)點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(jié)點每小時傳輸1分鐘時，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(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，討論了當前推動狀態(tài)監(jiān)控市場快速發(fā)展和增長的一些關(guān)鍵趨勢，以及選擇用于惡劣RF環(huán)境的合適MEMS傳感器和無線收發(fā)器的一些設(shè)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(tài)監(jiān)控行業(yè)提供無線能力的關(guān)鍵，而無線能力是快速部署資產(chǎn)并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(wǎng)格技術(shù)綜述概要說明了相互競爭的無線技術(shù)之間的主要差異，并強調(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)手冊規(guī)格（如開啟時間）和無線系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)速率，因為這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)手冊最差情況值與使用SmartMesh功耗和性能估算工具計算的功耗估計值，以便讀者對可能的情況有一個大致的了解。建議使用此工具做進一步探究，因為傳感器網(wǎng)絡可以根據(jù)具體需求進行定制，從而更好地估計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(shù)據(jù)速率模式，也有超低功耗模式，敬請期待。
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)計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
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。他于2012年加入ADI公司，為電機控制和工業(yè)自動化產(chǎn)品提供設(shè)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公司自動化與能源業(yè)務部互連運動和機器人團隊的系統(tǒng)應用工程師。他的專長領(lǐng)域是基于狀態(tài)的監(jiān)測和工業(yè)通信設(shè)計。他擁有愛爾蘭利默里克大學頒發(fā)的工程學士學位和工程碩士學位。
作者：ADI應用工程師Chris Murphy，ADI系統(tǒng)應用工程師Richard Anslow
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