如何為無線狀態監測系統選擇最佳MEMS感測器——第一部分

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


本系列文章的第一部分將討論選擇用於惡劣RF環境的合適MEMS感測器和無線收發器的一些設計考慮因素。本文將介紹Voyager平台,此為一款穩健型低功耗無線網格網路振動監控平台,它讓設計人員能夠將無線解決方案快速部署到機器或測試設定中。本系列文章的第二部分將討論Voyager可以檢測的各種故障,例如不平衡、未對準和軸承缺陷。本系列文章的第三部分繼續關注Voyager,將會詳細討論其實際功耗性能,以及多種不同工作模式——既有較高資料速率模式,也具有超低功耗模式。

簡介

MEMS加速度計的性能最近已經發展到可以與普遍存在的壓電振動感測器競爭的程度。MEMS振動感測器的關鍵優勢包括更低功耗、更精巧的尺寸、更高整合度、寬頻寬以及低於 100 μg/√Hz 的雜訊水準等,對於維護和設備工程師而言,表示可以透過全新的狀態監測(CbM)範式檢測、診斷、預測並最終避免機器故障。MEMS加速度計的功耗非常低,因此現在可以藉由無線解決方案取代有線系統,使用小巧輕便的三軸模擬元件取代單軸笨重的壓電感測器,而越來越廣泛的機器現在則可透過經濟高效的方式連續監控。

狀態監測趨勢

全球有數以百萬計的馬達在持續運作,其消耗全世界大約45%的電力1。在這些馬達中,最重要的一些馬達可能會受到有線狀態監測系統的監控。根據一項研究,接受調查的公司中有82%曾經歷過計畫外維護,成本最高達到每小時250,000美元。對於那些經歷過計畫外停機的公司,基於兩次停機事件的平均值,停機平均持續4小時,平均損失為200萬美元2

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,推動公司走向數位化,大約50%的公司計畫投資於數位孿生和人工智慧(AI) 3。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位化,以此提高生產力和效率。

該運動的一個關鍵方面是向無線感測器系統發展的趨勢。未來幾年,狀態監測產業將出現明顯成長,其中無線安裝將佔成長的很大一部分4。據估計,到2030年,全球智慧製造業將部署近50億個無線模組5。眾所皆知,最關鍵資產需要有線狀態監測系統,但目前部署的所有其他資產呢?對於一些老舊設備,安裝有線解決方案是不可行的,這就增加了對無線狀態監測解決方案的需求。


狀態監測系統的安裝和維護


有線狀態監測系統在性能、可靠性、速度和安全性方面非常傑出,因此部署在最關鍵的資產上。由於這些優勢,有線系統仍然更有可能部署在新建設施上。安裝有線狀態監測系統時,生產廠房可能不得不到處佈設線纜,這可能很困難,尤其是當某些機器不能受到干擾時。工業有線感測器網路通常使用200英尺(60 m)線纜,單條佈設的成本從3000美元到20,000美元不等,包括材料和人工費用6。某些情況下需要線束,這會增加額外的複雜性,安裝可能很耗時。如果電纜透過現有基礎設施佈設,那麼在受損或需要升級的時候,可能無法更換或重新佈線。

雖然無線系統初看起來可能更昂貴,但更簡單的維護程式加上易於擴展的能力,可以明顯節省狀態監測系統全壽命週期的成本。維護路線更少,佈線和相關硬體也更少,這些都能節省成本。根據所需的報告級別不同,電池最長可以使用數年。如果可以部署基於能量採集的無線系統,那麼維護將變得更容易,而且成本更低。選擇無線系統後,下一個要關注的方面是哪種技術最適合您的狀態監測應用?

無線感測器網路比較

無線網路儘管已經部署了數十年,但直到最近才在生產廠房廣泛部署,這要感謝低功耗技術的進步以及無線網路對惡劣RF干擾的耐受力的提升。本節便將討論各種網格網路的優點。


網格技術


有多種常見技術可用於創建低功耗、低資料速率網路,例如Bluetooth® Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果您想開發一個傳輸資料量相對較低、傳輸距離較短的密集無線感測器節點集群(如生產廠房就需要這樣的節點集群),那麼這些低資料網格或多對多網路技術會是不錯的選擇。

網格網路可用於基礎設施節點並相互無線連接,如圖1所示。如果兩個特定節點之間的通訊鏈路受到干擾或雜訊的影響,這些節點可以互相幫助,擴展無線電訊號,甚至可以將訊號重新路由。網格技術最重要的特性之一是能夠透過網路中的其他mote將資料從一個mote發送到另一個mote,進而能夠創建一個覆蓋大面積的大型互連裝置網路,而消耗的功率則非常少。例如,在圖1中,mote1和mote 3之間的距離很長,因此它們不能直接通訊。但是,在mote1和mote3之間不存在直接鏈路的情況下,mote1可以透過mote2向mote3傳輸資料。

Example of a cluster of motes in a mesh network

圖1.展示多對多通訊的網格網路中的mote集群示例

圖2顯示了一個生產廠房示例,其中mote1測量一台馬達的振動。此資料需要傳輸到mote6,但其間的距離超出了收發器的能力。資料直接從mote 1傳輸到mote6的話,需要更高的發射功率和更高的接收器靈敏度。更高的發射功率一般表示峰值電流消耗更高,因而需要更大的電池。若使用網格網路,此資料可以沿著mote1到mote 6之間的每個mote跳過去,最終到達目的地。每個裝置在較小範圍內傳輸所需的功率,遠小於在整個生產廠房形成更長的直接無線鏈路所需的功率。

A mesh network implemented on the factory floor

圖2.在生產廠房進行的網格網路,展示了資料跳躍

網格網路的主要優點如下:

  • 自主配置:隨著工業4.0成為現實,以及企業數位化程度的提升,工廠經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增加高密度的無線裝置集群,同時保持高度可靠的性能——在某些情況下幾乎與有線系統一樣好,而且幾乎不需要手動配置,因為mote可以自行配置。
  • 自癒:網格網路在不斷地路由資料,因此不斷受到來自生產廠房的雜訊、干擾、多路徑、衰落反射等的干擾。SmartMesh® IP系統(管理器和節點)持續監測每個節點的雜訊水準並共用此資料,以便重新路由訊號,使其遠離可能存在高雜訊的路徑。
  • 覆蓋範圍:只需增加或刪除mote,即可輕鬆調整網路的大小。如圖2所示,覆蓋面積可以輕鬆擴展,而無線裝置無需增加功耗。

表1總結了各種網格技術及其能力。

表1.不同網格網路的比較
特性 Wi-Fi BLE Zigbee 基於6LoWPAN的網格
電源 數小時 數月 數月/數年 數年
節點 32 32,767 64,000 100/50,000
範圍(P2P) 100 m 10 m 最長300 m 最長300 m
資料速率 11 Mbps至300 Mbps 1 Mbps 250 kbps 250 kbps
通道跳頻
碰撞緩解
自癒
99.999%可靠性

其他低功耗無線技術


LoRa或LoRaWAN可以實現遠距離(長達6英里)的低資料速率通訊,同時消耗的功率非常低。其基於各種頻段,並實現了點對點通訊。因此,對於低功耗、長距離的點對點通訊,這些解決方案很理想。NB-IoT或行動通訊的進行成本更高、更複雜,功耗高於網格技術,而傳輸的資料量卻更小。但是,它確實提供高品質的行動通訊服務和對雲端的直接存取。如果您的無線解決方案需要長距離行動通訊存取以及比Zigbee高的資料速率,那麼LTE-M可能值得考慮。

MEMS取代壓電振動感測器的演變

直到最近,在檢測關鍵資產和旋轉機械的早期振動故障特徵方面,MEMS感測器還不足以與IEPE振動感測器競爭,如圖3所示。MEMS感測器的主要限制在於雜訊、頻寬和g範圍。低雜訊是檢測低水準振動以實現更早的故障檢測甚至預測的關鍵。頻寬很重要,因為許多資產/電機故障,如氣穴現象、軸承問題和齒輪嚙合等,最早常常發生在5 kHz以上的頻率,當然時間對於檢測故障非常重要。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的操作而設計的MEMS感測器。

Evolution of MEMS performance for use in CbM applications

圖3.用於狀態監測應用的MEMS性能的演變

從歷史上看,大多數MEMS感測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,但狀態監測至少需要三個特性。汽車碰撞檢測MEMS感測器是具備高階特性且特定於應用的單一零件的一個很好的例子。此類感測器被設計為具有高g範圍,但頻寬和/或雜訊性能不足以用於狀態監測和其他許多應用。開發適用於狀態監測應用的MEMS感測器非常困難,這就是迄今為止為何很少有成功的供應商。

為了突出展現用於狀態監測的MEMS性能的這些進步,我們對2010年和2017年發表的兩款單軸類比輸出MEMS振動感測器進行了比較,如表2所示。兩款MEMS加速度計均設計用於狀態監測應用中的振動檢測。這兩款感測器的頻寬都相當高,但雜訊改善最為明顯,以至於MEMS感測器現在可以與壓電IEPE振動感測器競爭。

表2.用於狀態監測的第一代和第二代MEMS感測器的比較
規格 2010 ADXL001 2017 ADXL100x 改善
軸數 1 1
g 範圍 ±70/±250/±500 ±50 至 500
頻寬(kHz) 10 11
諧振(kHz) 22 21
雜訊密度 4 mg/√Hz 25 μg/√Hz 160×
跨軸靈敏度 2% 1%
溫度範圍 –40°C 至 +125°C –40°C 至 +125°C
功耗(mA) 2.5 1 2.5x
待機電流(mA) 0.225

一些高性能工業三軸MEMS感測器上也實現了這種雜訊改善,如表3所示。這些感測器並非專門為振動檢測而設計,但它們是性能高超的MEMS感測器,能夠在全頻寬下檢測到低於1 mg rms的振動。再加上卓越的穩定性和可靠性,這些感測器已被證明在各種機械的狀態監測應用中非常有效,無論是用於唯一的振動感測器,還是與其他寬頻寬MEMS/IEPE感測器搭配使用。超低雜訊、窄頻寬(<5 kHz) MEMS感測器在檢測許多資產的振動方面可以發揮關鍵作用,通常用在低轉速和亞赫茲的情況下,或用在直流回應有利的情況下,例如紙張/工廠加工、食品/製藥、風力發電、金屬加工業。表3突顯了多軸MEMS感測器性能從2009年到2017年的改善。應該注意的是,為了實現更寬的頻寬、更低的雜訊和更高的g範圍,待機電流等規格相較於更通用的MEMS感測器會更高。

表3.MEMS三軸感測器性能的改善
規格 2009 ADXL345 2017 ADXL356 改善
軸數 3 3
g 範圍 2/4/6/8/16 ±40 2.5×
頻寬(kHz) 1.6 2 至 3 1.25× 至 2×
諧振(kHz) 5.5 5.5
雜訊密度 3 mg/√Hz
3.9 mg/√Hz
80 μg/√Hz 37× 至 49×
跨軸靈敏度 1% 1%
溫度範圍 −40°C 至 +85°C −40°C 至 +125°C 25%×
功耗(µA) 140 150
待機電流(µA) 0.1 21 210×

狀態監測系統通常使用什麼級別的振動感測器?


計畫外停機會導致損失大量收入的公司繼續依賴有線解決方案,其基於12位元至20位元解析度感測器,可提供最為可靠和精準的性能。此外,有線安裝的較高成本也很容易被證明是合理的。對於重要性較低的資產,性能要求並不那麼嚴格,資本支出上限可能低更多。10位元至16位元的振動感測器解析度是可以接受的,這是目前大多數基於MEMS的無線狀態監測系統所涵蓋的範圍。

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位化並加強其改善性能、生產和效率的努力,這種趨勢會繼續成長。從歷史上看,成本一直是限制在重要性較低的資產上使用壓電振動感測器的因素,但隨著越來越多的設計人員意識到MEMS感測器在此類情況下可以提供的價值和彈性,這一狀況現已開始改變。圖4顯示了從10位元到24位元的潛在振動感測器解析度。儘管MEMS的解析度明顯較低,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。

Sensor type and corresponding resolution

圖4.感測器類型和相應的解析度

MEMS感測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測應用。有些壓電感測器的功耗低至200 µA左右,但它們缺乏整合特性,而且與MEMS相比價格昂貴。確實存在一些基於壓電感測器的專用無線振動感測器,它們可以在高達104 kHz的採樣速率下提供24位元解析度,但相較於MEMS解決方案,電池壽命非常有限。這種無線振動感測器系統通常具有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整合到一個小封裝中。三軸壓電感測器會更加昂貴、更大,並且需要更多的訊號處理電路,這使得它們更不適合無線應用。

未來趨勢:對新營收來源的渴望

在世界各地工廠目前部署的旋轉機器中,泵佔有很大的比例,預計到2025年,其全球市場將從383.4億美元成長到469.2億美元7。其中一些泵對於確保流程持續暢通無阻地運行非常重要,這就需要狀態監測以避免計畫外停機。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慧化。泵OEM的成長將由服務驅動,服務基於分析、人工智慧或機器學習(ML),目的在提供有關提高泵性能和可靠性的診斷資訊。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,泵產業將從基於產品的模式轉變為基於服務的模式7。推動這種轉變的主要因素是製造業的快速數位化(IIoT),以及狀態監測硬體和演算法、人工智慧、機器學習的進步。預計水/廢水處理廠、煉油廠、天然氣生產廠等傳統重工業在尋求數位化營運時會使用這些智慧泵。新建設施很可能會使用有線狀態監測系統,但老舊設施上的現有裝置怎麼辦?為了將這種基於服務的模式應用於已部署的泵和其他旋轉機械,無線狀態監測系統可以提供快速、無縫和可靠的解決方案。

EV-CBM-VOYAGER3-1Z無線狀態監測模組

Voyager平台(如圖5所示)是一款穩健型低功耗無線網格網路振動監測平台,它讓設計人員能夠將無線解決方案快速部署到機器或測試設定中。設計人員可以快速評估用於振動監測的ADI MEMS感測器技術,同時評估用於工業無線感測的SmartMesh IP技術。總體目標是加速客戶資產監控和解決方案開發。mote包括一個機械外殼和具有¼-28產業標準螺柱附件的安裝硬體。Voyager解決方案可以輕鬆地直接安裝到電機或測試電路上。

Voyager wireless CbM module

圖5.Voyager無線狀態監測模組

SmartMesh IP


SmartMesh IP無線感測器網路產品是IC和預認證PCB模組,具有網格網路軟體,使得感測器可以在惡劣的工業物聯網(IIoT)環境中進行通訊。它們針對IP相容性而建構且基於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路(LoWPAN)組成,是一種基於互聯網協定(IP)的網路,類似Wi-Fi。SmartMesh IP產品線支援低功耗,即使在惡劣和不斷變化的RF環境中,也能提供99.999%以上的資料可靠性。

圖6顯示了一個高度可擴展、自成型的多跳無線節點網格網路,結合監視性能和安全性並與主機應用程式交換資料的網路管理器,它能收集和中繼資料。當管理器和mote通電後,網格會自動形成。位於管理器範圍之外的mote將透過範圍內的mote轉發數據封包。此外,如果節點的通訊鏈路受到雜訊干擾,可以使用另一條鏈路/路徑以不同的工作頻率重定向資料/數據封包,使資料可以繞過或遠離干擾源,SmartMesh IP的自癒能力或如同有線網路一樣的可靠性(99.999%)正是來源於此。

SmartMesh connectivity

圖6.SmartMesh連接

Voyager套件已經過SmartMesh IPmote跳躍測試。在此測試中,超出網路管理器範圍的mote可以跳過範圍內的mote,如圖6所示。多躍點網路可確保範圍外mote能將資料傳輸至網路管理器。


SmartMesh IP最適合用在何處?


SmartMesh IP網路定位於工業物聯網(IIoT)應用。在工廠環境中,感測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生產廠房的不同位置,但在大多數情況下,它們之間的距離不會超過100 m。例如,SmartMesh IP已成功部署在資料中心中,數以千計的節點形成高密度集群。

High density of sensors placed in proximity

圖7.在生產廠房附近放置的高密度感測器

過去,低功耗無線通訊裝置在因應生產廠房產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計的,這種集群需要類似有線的可靠性以及同步監控或控制。

SmartMesh IP網路使用時間同步通道跳頻(TSCH)鏈路層進行通訊,這是ADI SmartMesh IP團隊開創的一種技術,也是WirelessHART (IEC 62591)和IEEE 802.15.4e等無線網格網路標準的基本建構模組。在TSCH網路中,網路中的所有mote都在數微秒內同步。網路通訊被組織成時隙,以實現低功耗封包交換、成對通道跳頻和全路徑分集。透過使用TSCH,SmartMesh IP元件可以在計畫通訊之間以超低功耗休眠,從而使操作週期通常小於1%。網路管理器利用TSCH確保mote準確知道何時通訊、監聽或休眠。這樣就確保了網路上不會發生數據封包衝突,並且每個節點的功耗都非常低——路由節點的典型功耗小於50 µA。

SmartMesh IP網路是現有的最安全網格網路之一。SmartMesh IP網路中的所有流量都受到端到端加密、消息完整性檢查和裝置身份驗證的保護。此外,SmartMesh網路管理器包含支援網路安全聯接、金鑰建立和金鑰交換的應用程式。

Voyager訊號鏈

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 振動感測器板和一個低功耗微控制器 ADuCM4050。另外還有一個穩固的低功耗SmartMesh IP LTC5800 板和晶片天線。該套件包含一個SmartMesh IP USB dongle,用於無線網路的網路管理器。嵌入式韌體和GUI代碼可在 GitHub上獲得。

High level overview of Voyager hardware and GUI

圖8.Voyager硬體和GUI概覽

Voyager模組的電池壽命是一個關鍵設計特性,因此它選擇了高性能、低功耗元件來感測、處理和傳輸振動資料,如圖9和圖10所示。

A high level block diagram of the ADXL356 signal chain

圖9.ADXL356訊號鏈的高階框圖

A high level block diagram of the ADuCM4050/SmartMesh

圖10.ADuCM4050/SmartMesh的高階框圖

Voyager訊號鏈功耗

每個訊號鏈元件的活動和待機功耗(取自產品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。訊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的速率對振動資料進行採樣、濾波,然後執行DFT,再透過UART將資料發送到SmartMesh IP收發器之前。

圖11和圖12顯示,當系統傳輸資料和處於待機模式時,MEMS加速度計的活動和待機電流非常重要。無論是打算運行週期監控方案(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感測器有效運行非常重要。在活動模式下,ADXL356的功耗約佔訊號鏈功耗的1.4%。相較於典型壓電感測器,ADXL356的功耗更低。典型的壓電感測器使用4 mA恆定電流和24 V至30 V電源,功耗接近100 mW。雖然有更低功耗的壓電感測器可以將功耗降低90%,但它們仍然不適合長期用於電池供電的感測器網路。

Signal chain power consumption in active mode

圖11.活動模式下的訊號鏈功耗

Signal chain power consumption in standby mode

圖12.待機模式下的訊號鏈功耗

在待機模式下,ADXL356消耗訊號鏈電流的39%。這看起來很高,但為了能更好瞭解由此產生的雜訊與功耗的性能權衡,應該對適用於狀態監測應用振動檢測的各種MEMS感測器進行比較和鑑定,如表4所示。

表4.支援狀態監測的MEMS加速度計的活動和待機功耗與Voyager訊號鏈的活動和待機功耗的比較

ADXL356 MEMS B MEMS C1 MEMS C2 MEMS C3 MEMS C4
軸數 3 3 3 3 3 3
活動電流 150 μA 1.3 mA 239 μA 239 μA 310 μA 145 μA
計算的訊號鏈活動總功耗的百分比 1.40% 12.30% 2.30% 2.30% 2.93% 1.40%
待機電流(µA) 21 16 0.5 0.5 5 0.9
計算佔訊號鏈待機總功耗的百分比 39% 30% 0.93% 0.93% 9.30% 1.70%
g 範圍 ±40 ±2, ±4, ±8, ±16 ±16 ±64 ±20 ±8, ±16, ±32
頻寬(kHz) 1.5 6.3 4.2 (2.9) 4.2 (2.9) 8.2/8.5/5.6 8 (5.1)
雜訊密度 (μg/√Hz) 80 75 (110) 130 300 675 630

圖13和圖14顯示了活動和待機模式下MEMS感測器的電流消耗和雜訊。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雜訊最低且頻寬較寬,因此相較於所有MEMS C感測器,其性能更高。

Comparison of MEMS sensor standby

圖13.MEMS感測器待機功耗與雜訊密度的比較

Comparison of MEMS sensor active

圖14.MEMS感測器活動功耗與雜訊密度的比較

雖然ADXL356和MEMS B的待機電流最高,但這些感測器的雜訊性能比圖14所示的其他元件更好1.6到9倍。電流消耗和雜訊密度之間的反比關係很明顯,當為電池供電的應用選擇MEMS振動感測器時,應考慮這一點。

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卓越的穩定性和性能。考慮到無線裝置中使用的大多數MEMS感測器會被放到IP6x防護等級的外殼中,陶瓷封裝非常重要。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,以保持感測器的產品手冊性能。對於塑膠封裝的MEMS元件,灌封可能不適合,因為封裝的撓曲會降低感測器的性能。


MEMS開啟/上電時間


對於MEMS感測器而言,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感測器上電時間
產品型號 上電/啟動時間 開啟時間 註釋
ADXL356 (ms) <10 <10 典型值
MEMS B (ms) 10 典型值
MEMS C1 (ms) 20 至 50 2 至 1300 最小值/最大值
MEMS C2 (ms) 20 至 50 2 至 1300 最小值/最大值
MEMS C3 (ms) 0.1 類比輸出:
5 × R × C
MEMS C4 (ms) 20 至 50 2 至 1300 最小值/最大值

當監控關鍵設備時,應考慮這些時間,因為如果開啟時間太長,當系統從待機進入測量模式時,可能會丟失關鍵振動資料。在對無線節點進行週期供電以節省電力的系統中,在不同功耗模式之間轉換時的功耗變得更加重要。考慮表5所示的開啟時間,當MEMS C1、MEMS C2和MEMS C4經過1.3 s以上的時間(最差情況)才測量到有效資料時,其他感測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1 s,假設電源在此轉換期間以線性斜坡變化,然後經過4.5 s返回待機模式。儘管MEMS B具有更快的上電/啟動時間,但1 s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1.3 s才能進入測量模式,表示它必須保持更長時間才能測量到與ADXL356和MEMS B相同的資料,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資料,則二者都有55%的時間處於待機模式,而MEMS C1處於該模式的時間只有幾毫秒。

Current consumption for the ADXL356, MEMS B, and MEMS C1

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1 s的測量,在4.5 s內重複兩次。

表6.相對於圖15的平均電流

MEMS B ADXL356 MEMS C1
平均電流 (μA) 573 77 172

圖16顯示了每分鐘進行5 s的活動資料測量的電流消耗,元件在其餘時間處於待機模式。平均電流如表7所示。

Current consumption for the ADXL356, MEMS B, and MEMS C1

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5 s的測量,總計60 s。

表7.相對於圖16的平均電流

MEMS B ADXL356 MEMS C1
平均電流 (μA) 128 32 23.4

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,儘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感測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。

Current consumption for the ADXL356, MEMS B, and MEMS C1
圖17.ADXL356、MEMS B和MEMS C1的電流消耗:啟動,然後進行5 s的測量,然後關斷,總計60 s。
表8.相對於圖17的平均電流

MEMS B ADXL356 MEMS C1
平均電流 (μA) 113 13 23

SmartMesh IP的功耗

SmartMesh IP收發器(如LTC5800)具有幾種不同的功耗曲線。圖18顯示了產品手冊中各模式對應的最大功耗。然而,對於合理的操作,網路中的典型SmartMesh晶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個數據封包還是每秒1個數據封包),需要多少跳數來傳輸資料,有效載荷大小(1位元組至90位元組),以及路徑穩定性(例如,80%的室內環境具有密集的網路)。

SmartMesh IP current consumption

圖18.SmartMesh IP電流消耗(最差情況產品手冊規格)

實際電池壽命取決於許多因素,例如:mote收集和傳輸資料的時間與mote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 mote的功耗。基於一些關鍵因素,可以使用一款非常有用且精準的工具—— SmartMesh功耗和性能估算器——來估算性能與功耗,如圖19所示。

The SmartMesh Power and Performance Estimator tool

圖19.SmartMesh功耗和性能估算工具

Voyager模組:發送一個完整的資料集

為了評估功耗,瞭解從無線mote傳輸一個完整的資料集到SmartMesh IP管理器需要多少數據封包會很有用。報告間隔為1 s時,從mote發送到管理器的資料速率為每分鐘60個數據封包。x軸、y軸和z軸採樣資料各包括512個時域樣本,每個樣本16位元(2位元組)。FFT資料也被計算和發送,如圖20所示。

A Voyager GUI showing time domain and frequency domain data

圖20.顯示時域和頻域資料的Voyager GUI

(512 + 512/2) × 3 = 2304樣本,因此2304 × 2位元組 = 4608位元組。一個SmartMesh數據封包中發送90個位元組。4608位元組/90位元組 = 51.2數據封包。從無線mote傳輸一個完整的資料集到SmartMesh IP管理器需要52個SmartMesh數據封包。

為了進行功耗估計,我們使用有20個mote的網路作為例子,mote以4躍點佈置,每躍點有5個mote。將資料有效載荷大小設定為90位元組,並將報告速率設置為每秒1個數據封包,躍點1mote的SmartMesh IC(靜態條件)消耗587.9μA。對於最差情況的動態條件,建議將功耗提升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顯示了具有4個躍點的Voyager模組在兩種情況下的最差電池壽命估計(2 × Saft LS14500),一種是mote每60分鐘啟動一次,另一種是每分鐘啟動一次,持續60分鐘。正如預期的那樣,在60分鐘內mote每分鐘傳輸一次的情況下,電池壽命更短。位於躍點1的mote要接收mote2、3、4發送的所有資料,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mote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。

SmartMesh battery life vs. the number of required hops

圖21.SmartMesh電池壽命與傳輸資料所需跳數的關係

結論

本文討論了推動狀態監測市場現階段快速發展和成長的一些關鍵趨勢。低功耗、高性能MEMS感測器和高保真度、低功耗訊號鏈元件,是為狀態監測產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畫外停機造成的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制以及類似有線的可靠性。

選擇最合適的MEMS感測器可能很困難,其中有許多因素需要被考慮,例如雜訊、頻寬和g範圍,但還必須考慮一些較少提到的產品手冊規格(如開啟時間)和無線系統所需的資料速率,因為這有助於確定最可行的操作模式和資料速率。

在生產廠房等惡劣RF工作環境中使用的無線裝置必須能以低功耗提供穩健的通訊。本文提供了SmartMesh元件的產品手冊最差情況值,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瞭解。建議使用此工具做進一步探究,因為感測器網路可以根據具體需求進行定制,進而能更好估計可能的電池壽命和性能。在本系列文章的第二部分,我們將介紹Voyager平台如何能儘早檢測各種機器故障,第三部分將討論Voyager模組的功耗和不同工作模式。

參考文獻

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