传感器专刊 | 如何为无线状态监控系统选择MEMS传感器（上）

如今MEMS加速度计性能快速提升，拥有更低功耗、更小尺寸、更高集成度、更宽带宽以及低于100µg/√Hz的噪声水平等优势，并可基于无线解决方案代替有线系统，以小巧轻便的三轴模拟器件取代单轴笨重的压电传感器，让经济高效地连续监控暴增的机器设备成为可能。对于维护和设施工程师而言，这意味着可通过全新的状态监控（CbM）范式检测、诊断、预测并最终避免机器故障。

状态监控的趋势

全球有数以百万的电动机在持续运行，消耗全世界大约45%的电力。其中，一些最重要的电动机可享受有线状态监控系统的看护。研究显示，接受调查的公司中有82%曾经历过计划外维护，成本最高达到每小时250,000美元。对于那些经历过计划外停机的公司，基于两次停机事件的平均值，停机平均持续4小时，平均损失高达200万美元。

另一项研究发现，70%的公司不知道资产何时需要进行维护或升级工作。缺乏意识加上停机成本，推动公司走向数字化，大约50%的公司计划投资于数字孪生和人工智能（AI）。随着工业4.0的大规模开展，企业组织积极研究工业版图的数字化，以此提高生产力和效率。

实现工业4.0的一个关键方面是向无线传感器系统发展的趋势，未来几年，状态监控行业将出现显著增长，其中无线安装将占到增长的很大一部分。据估计，到2030年，全球智能制造产业将部署近50亿个无线模块。众所周知，一些关键的资产需要有线状态监控系统，但当前部署的所有其他资产呢？对于一些老旧设施，安装有线解决方案是不可行的，这就增加了对无线状态监控解决方案的需求。

状态监控系统的安装和维护

有线状态监控系统在性能、可靠性、速度和安全性方面非常出色，因此经常被部署在最关键的资产上。由于这些优势，它也仍然更有可能被部署在新建设施上。安装有线状态监控系统时，工厂车间可能不得不到处布设线缆，尤其是当某些机器不能受到干扰时，难度更大。

工业有线传感器网络通常使用60m线缆，单条布设的成本从3,000美元到20,000美元不等，包括材料和人工费用等。某些情况下可能还会需要线束，从而增加额外的复杂性，安装可能也很耗时。如果电缆通过现有基础设施布设，那么在受损或需要升级的时候，可能无法更换或重新布线。

图1：展示多对多通信的网格网络中的节点集群示例

虽然无线系统初看起来可能更昂贵，但更简单的维护程序加上易于扩展的能力，可以显著节省状态监控系统全寿命周期的成本。维护路线更少，布线和相关硬件也更少，这些都能节省成本。根据所需的报告级别不同，电池最长可以使用数年。如果可以部署基于能量采集的无线系统，那么维护将变得更容易，而且成本更低。

无线传感器网络比较

无线网络尽管已经被应用了数十年，但直到最近才在工厂车间广泛部署，这要归功于低功耗技术的进步以及无线网络对恶劣RF干扰的耐受力的提高。本期将讨论各种网格网络的优点。

1）网格技术
有多种常见技术可用于创建低功耗、低数据速率网络，例如Bluetooth® Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果想开发一个传输数据量相对较低、传输距离较短的密集无线传感器节点集群（比如工厂车间就需要这样的节点集群），那么这些低数据网格或多对多网络技术会是不错的选择。

网格网络可用于基础设施节点并相互无线连接，如图1所示。如果两个特定节点之间的通信链路受到干扰或噪声影响，这些节点可以互相帮助，扩展无线电信号，甚至可以将信号重新路由。网格技术最重要的特性之一是能够通过网络中各个节点将数据从一个节点发送到另一个节点，从而能够创建一个覆盖大面积的大型互连网络，而消耗的功率则非常少。例如，在图1中，节点1和节点3之间的距离很长，因此它们不能直接通信。但是，在节点1和节点3之间不存在直接链路的情况下，节点1可以通过节点2向节点3传输数据。

图2：在工厂车间实施的网格网络，展示了数据跳跃

图2显示了一个工厂车间示例，其中节点1测量一台电机的振动。此数据需要传输到节点6，但其间的距离超出了收发器的能力。数据直接从节点1传输到节点6的话，需要更高的发射功率和更高的接收器灵敏度。更高的发射功率一般意味着峰值电流消耗更高，因而需要更大的电池。若使用网格网络，此数据可以沿着节点1到节点6之间的每个节点跳过去，最终到达目的地。每个设备在较小范围内传输所需的功率，远小于在整个工厂车间形成更长的直接无线链路所需的功率。

网格网络的主要优点如下：
自主配置：随着工业4.0成为现实，以及企业数字化程度的提高，工厂经理必须寻求更好的性能。这种探索的一个重要方面是要能在较小的地理位置添加高密度的无线设备集群，同时保持高度可靠的性能——在某些情况下几乎与有线系统一样好，而且几乎不需要手动配置，因为节点可以自行配置。

自愈：网格网络在不断地路由数据，因此不断受到来自工厂车间的噪声、干扰、多路径、衰落反射等的干扰。SmartMesh® IP系统（管理器和节点）持续监测每个节点的噪声水平并共享此数据，以便重新路由信号，使其远离可能存在高噪声的路径。

覆盖范围：只需添加或删除节点，即可轻松调整网络的大小。如图2所示，覆盖面积可以轻松扩展，而无线设备无需增加功耗。

表1：不同网格网络的比较

2）其他低功耗无线技术

LoRa或LoRaWAN可以实现远距离（长达6英里）的低数据速率通信，同时消耗的功率非常低。它基于各种频段，可实现点对点通信。因此，对于低功耗、长距离的点对点通信，这些解决方案很理想。NB-IoT或蜂窝网络的实施成本更高、更复杂，功耗高于网格技术，而传输的数据量却更小。但是，它确实提供高质量的蜂窝服务和对云的直接访问。如果企业的无线解决方案需要长距离蜂窝接入以及比Zigbee高的数据速率，那么LTE-M可能值得考虑。

（未完待续）

作者：ADI应用工程师Chris Murphy，ADI系统应用工程师Richard Anslow

来源：荣格-《智能制造纵横》

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