（2024年11月23日更新）

如今MEMS快速提高加速度计的性能，功耗更低，尺寸更小，集成度更高，带宽更宽，不到100μg/√Hz噪声水平等。，可以用无线解决方案代替有线系统，用小巧轻便的三轴模拟器件代替单轴笨重的压电传感器，使经济高效的机械设备可以连续监控飙升。对于维护和设施工程师来说，这意味着可以通过新的状态监测(CbM)范式检测、诊断、预测，最终避免机器故障。

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状态监测的趋势

全球数以百万计的电机继续运行，消耗全球约45%的电力。其中，一些最重要的电机可以享受有线状态监控系统的护理。研究表明，82%的调查公司经历过计划外维护，每小时最高成本为2.5万美元。对于经历过计划外停机的公司，平均停机持续4小时，平均损失高达200万美元。

另一项研究发现，70%的公司不知道何时需要维护或升级资产。大约50%的公司计划投资数字双胞胎和人工智能，因为缺乏意识和停机成本促进了公司的数字化(AI)。随着工业4.0运动的大规模发展，企业组织积极研究工业地图的数字化，以提高生产力和效率。

该运动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，状态监测行业将大幅增长，无线安装将占增长的很大一部分。到2030年，全球智能制造业将部署近50亿个无线模块。众所周知，最关键的资产需要有线状态监控系统，但目前部署的所有其他资产呢？对于一些旧设施，安装有线解决方案是不可行的，这增加了对无线状态监控解决方案的需求。

状态监测系统的安装和维护

有线状态监控系统在性能、可靠性、速度和安全性方面都非常出色，因此部署在最关键的资产中。由于这些优点，有线系统仍然更有可能部署在新建设施上。在安装有线状态监测系统时，工厂车间可能不得不到处布置电缆，特别是当一些机器不能干扰时。工业有线传感器网络通常使用600m单条布置的电缆成本从3000美元到2000美元不等，包括材料和人工成本。在某些情况下，需要线束，这会增加额外的复杂性，安装可能会耗时。若电缆通过现有基础设施布置，则在损坏或需要升级时，可能无法更换或重新布线。

虽然无线系统一开始可能看起来更贵，但更简单的维护程序和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。维修路线少，布线及相关硬件少，可节约成本。根据所需的报告级别，电池可以使用多年。如果基于能量采集的无线系统可以部署，维护起来会更容易，成本也会更低。选择无线系统后，哪种技术最适合您的状态监控应用？

无线AD授权代理传感器网络比较

虽然无线网络已经部署了几十年，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和恶劣无线网络的进步RF提高干扰耐受性。本节将讨论各种网格网络的优点。

网格技术

创建低功耗、低数据速率网络的常用技术有很多，比如Bluetooth Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果你想开发一个密集的无线传感器节点集群，传输数据量相对较低，传输距离较短（如工厂车间需要这样的节点集群），这些低数据网格或多对多网络技术将是一个很好的选择。

网格网络可用于基础设施节点和无线连接。如果两个特定节点之间的通信链路受到干扰或噪声的影响，这些节点可以互相帮助，扩展无线电信号，甚至重新通过信号。网格技术最重要的特点之一是通过网络中的每个节点将数据从一个节点发送到另一个节点，从而创建一个覆盖大面积的大型互联网络，而功耗非常小。例如，在图1中，节点1和节点3之间的距离很长，因此不能直接通信。然而，当节点1和节点3之间没有直接链路时，节点1可以通过节点2传输到节点3。

图5.Voyager无线状态监控模块

SmartMesh IP

SmartMesh IP无线传感器网络产品IC和预认证PCB带有网格网络软件的模块使传感器能够在恶劣的工业物联网上工作(IIoT)在环境中进行通信。它们面向IP构建兼容性，基于6LoWPAN和802.15.4e标准。6LoWPAN由Internet Protocol第6版(IPv6)和低功耗无线个人区域网络(LoWPAN)基于互联网协议的组成(IP)类似的网络Wi-Fi。SmartMesh IP即使在恶劣和不断变化的情况下，产品线也支持低功耗RF还可提供99.99%以上的数据可靠性。

图6显示了一个结合监控性能和安全性，与主机应用程序交换数据的高度可扩展和自成型的多跳无线节点网格管理器，可以收集和中继数据。当管理器和节点通电时，网格会自动形成。管理器范围外的节点将通过范围内的节点转发数据包。此外，如果节点的通信链路受到噪声干扰，可以使用另一条链路/路径以不同的工作频率重定向数据/数据包，使数据可以绕过或远离干扰源，SmartMesh IP其自愈能力或可靠性(99.99%)与有线网络相同。

Voyager套件已经过SmartMesh IP节点跳跃测试。在此测试中，超出网络管理器范围的节点可以跳过网络管理器范围内的节点。多跳点网络确保节点能够将数据传输到网络管理器。

SmartMesh IP哪里最适合使用？

SmartMesh IP网络定位于工业物联网(IIoT)应用。在工厂环境中，传感器通常以集群厂环境中。需要定期甚至连续监控的资产可以放置在工厂车间的不同位置，但在大多数情况下，它们之间的距离不会超过100m。例如，SmartMesh IP数据中心已成功部署，数千个节点形成高密度集群。

过去，低功耗无线通信设备很难应对工厂车间的干扰。这不仅仅是SmartMesh IP它擅长的方面是专门为在密集群中部署而设计的，需要类似于有线的可靠性和同步监控或控制。

SmartMesh IP网络使用时间同步信道跳频(TSCH)链路层通信，这是AD公司SmartMesh IP团队创造的技术也是WirelessHART (IEC 62591)和IEEE 802.15.4e等无线网格网络标准的基本构建模块。在TSCH网络中的所有节点在几微秒内同步。为了实现低功耗分组交换、成对信道跳频和全路径分集，网络通信被组织成间隙。通过使用TSCH，SmartMesh IP在计划通信之间，设备可以以超低功耗休眠，使占空比通常小于1%。使用网络管理器TSCH确保节点准确地知道何时通信、监听或休眠。这确保了数据包冲突不会发生在网络上，每个节点的功耗都很低——路由节点的典型功耗小于50μA。

SmartMesh IP网络是现有最安全的网格网络之一。SmartMesh IP网络中的所有流量都受到端到端加密、信息完整性检查和设备身份验证的保护。SmartMesh网络管理器包括支持网络安全连接、密钥建立和密钥交换的应用程序。

图16显示每分钟5分钟s活动数据测量的电流消耗，设备在剩余时间处于待机模式。平均电流如表7所示。

即使以较低的频率(每60秒测量5秒)，MEMS C1和ADXL尽管两者的活动和待机电流消耗不同，但356的平均电流消耗也非常接近。若测量频率较低，则在两次测量之间关闭MEMS减少电流消耗的传感器更为可行，其中ADXL356平均电流消耗最低。

SmartMesh IP的功耗

SmartMesh IP收发器（如LTC5800)有几种不同的功耗曲线。图18显示了数据手册中各种模式对应的最大功耗。然而，对于合理的操作，典型的网络SmartMesh芯片配置的功耗要低得多。多种因素将决定实际功耗，包括：报告间隔（每分钟1个数据包还是每秒1个数据包），需要多少跳数来传输数据，有效载荷大小（1字节至90字节），以及路径稳定性（例如，80%的室内环境具有密集的网络）。

图21.SmartMesh电池寿命与传输数据所需跳数之间的关系

结论

本系列文章分为三篇文章。作为最后一篇文章，本文讨论了一些促进状态监测市场快速发展和增长的关键趋势，并选择了恶劣产品RF环境的合适MEMS考虑到传感器和无线收发器的一些设计因素。

低功耗、高性能MEMS传感器和高保真度、低功耗的信号链设备是国家监控行业提供无线能力的关键，无线能力是快速部署资产并开始恢复每年500亿美元的损失。网格技术综述概要说明了相互竞争的无线技术之间的主要差异，并强调了哪些技术最适合恶劣的RF这些环境需要同步监控和控制，以及类似有线的可靠性。

选择最合适的MEMS传感器可能很困难，有很多因素需要考虑，如噪声、带宽和g范围，但也有助于确定最可行的操作模式和数据速率。

工厂车间等RF工作环境中使用的无线设备必须能够以低功耗提供稳定的通信。本文给出了SmartMesh设备数据手册的最差情况值和使用SmartMesh功耗和性能估算工具计算的功耗估计值，使读者对可能的情况有一个大致的了解。由于传感器网络可以根据具体需要定制，因此可能的电池寿命和性能可以更好地估计。本系列文章的后续中篇文章将介绍Voyager如何尽快检测各种机器故障，如不平衡、不对准和轴承缺陷。下一篇将讨论Voyager请期待模块的实际功耗性能和各种不同的工作模式——高数据速率模式和超低功耗模式。

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关于AD公司

AD它是世界领先的高性能模拟技术公司，致力于解决最困难的工程设计挑战。通过优秀的测试、测量、电源、连接和解译技术，构建连接现实世界和数字世界的智能桥梁，帮助客户重新了解周围的世界。

作者简介

Chris Murphy在爱尔兰都柏林工作的欧洲中央应用中心应用工程师。他于2012年加入AD公司为电机控制和工业自动化产品提供设计支持。他拥有电子工程硕士学位和计算机工程学士学位。

Richard Anslow是AD系统应用工程师，公司自动化与能源业务部互联运动和机器人团队。他的专业是基于状态监测和工业通信设计。他有爱尔兰利默里克大学颁发的工程学士学位和工程硕士学位。