如何为无线状态监控系统选择最佳MEMS传感器-无线网络监控方案

作者：Chris Murphy和Richard Anslow

本系列文章的第 1 部分将讨论选择适合在恶劣射频环境中使用的合适 MEMS 传感器和无线收发器的一些设计考虑因素。本文介绍了Voyager平台，这是一个强大的低功耗无线网状振动监测平台，使设计人员能够将无线解决方案快速部署到机器或测试设置中。本系列文章的第 2 部分将介绍 Voyager 可以检测到的不同故障，例如不平衡、不对中和轴承缺陷。本系列文章的第3部分将详细介绍实际的功率性能，以及高数据速率和超低功耗模式之间的几种不同工作模式。

介绍

MEMS加速度计的性能最近已经发展到可以与无处不在的压电振动传感器竞争的程度。这些MEMS振动传感器具有低功耗、更小尺寸、更高集成度和宽带宽以及低于100 μg/√Hz的噪声水平等关键优势，这意味着它们为维护和设施工程师开辟了一种全新的基于状态的监控（CbM）范式，以检测、诊断、预测并最终避免机器故障。由于MEMS加速度计的超低功耗，有线系统现在可以用无线解决方案取代，单轴笨重的压电传感器可以用小型轻量级三轴模拟元件代替，并且现在可以以经济高效的方式连续监控更广泛的机器。

煤层气的趋势

有数以百万计的电动机在连续运行，消耗全球约45%的电力。1其中大多数关键电机可能由有线CbM系统监控。根据一项研究，82% 的受访公司经历过计划外维护，每小时成本高达 250，000 美元。对于那些经历过计划外停机的公司来说，根据平均两次停机事件，中断平均持续四个小时，平均损失 200 万美元。2

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。这种意识的缺乏加上停机的成本正在推动公司走向数字化，大约50%的公司计划投资数字孪生和人工智能（AI）。3随着大规模迈向工业4.0，组织正在研究工业领域的数字化，以提高生产力和效率。

这一运动的一个关键方面是无线传感器系统的趋势。未来几年，CbM行业将出现显著增长，其中无线安装占这一增长的很大一部分。4据估计，到2030年，全球智能制造将部署近50亿个无线模块。5众所周知，最关键的资产需要有线CbM系统，但是目前部署的所有其他资产呢？对于一些棕地站点，安装有线解决方案是不可行的，从而产生了对无线CbM解决方案的需求。

煤层气系统安装与维护

有线 CbM 系统提供最佳性能、可靠性、速度和安全性，因此部署在最关键的资产上。由于这些优势，有线系统仍然更有可能部署在绿地站点。安装有线CbM系统时，电缆可能必须穿过工厂车间，这可能很困难，尤其是当某些机器不能受到干扰时。200 英尺（60 米）电缆通常用于工业有线传感器网络，单次运行的成本从 3000 美元到 20，000 美元不等，包括材料和人工。6在某些情况下，需要线束，这增加了额外的复杂性，并且安装起来可能非常耗时。如果电缆通过现有基础设施布线，则如果电缆损坏或需要升级，则可能无法更换或重新布线。

虽然无线系统最初可能看起来更昂贵，但更简单的维护程序加上易于扩展可以在CbM系统的整个生命周期内节省大量成本。更少的维护路线、更少的布线和相关硬件都可以节省成本。根据所需的报告级别，电池可以使用数年。如果可以部署基于能量收集的无线系统，维护将变得更加容易和便宜。一旦选择了无线系统，下一个要关注的领域是哪种技术最适合您的CbM应用？

无线传感器网络比较

尽管无线网络已经部署了几十年，但由于低功耗技术的进步以及对苛刻射频干扰的免疫力，它们直到最近才在工厂车间得到广泛部署。本节将讨论各种网状网络的优点。

网格技术

有几种常见的技术可以创建低功耗，低数据速率的网络，例如低功耗蓝牙，Zigbee和6LoWPAN。如果您想开发一个密集的无线传感器节点集群，在短距离内传输相对较少的数据，就像您在工厂车间所期望的那样，那么这些低数据网状网络或多对多网络技术之一是一个不错的选择。®

网状网络可用于基础设施节点，并相互无线连接，如图1所示。这些节点可以帮助彼此扩展无线电信号，甚至在两个特定节点之间的通信链路受到干扰或噪声干扰时重新路由无线电信号。网状技术最重要的特征之一是能够通过网络中的其他微尘将数据从一个微尘发送到另一个微尘，从而能够创建覆盖大面积且功耗极低的互连设备的大型网络。例如，在图 1 中，Mote 1 和 Mote 3 之间的距离意味着它们无法直接通信。但是，Mote 1 可以通过 Mote 2 将数据传输到 Mote 3，而无需在 Mote 1 和 Mote 3 之间建立直接链接。

图1.网状网络中显示多对多通信的微尘集群示例。

这些数据需要传输到Mote 6，但距离超出了收发器的能力。将数据直接从 Mote 1 传输到 Mote 6 需要更高的发射功率和更高的接收器灵敏度。较高的发射功率通常与较高的峰值电流消耗有关，并且需要更大的电池。使用网状网络，可以将此数据沿着每个微尘从 1 跳到 6。每个设备在较小范围内传输所需的功率远远小于在整个工厂车间形成直接、更远距离无线链路所需的功率。

网状网络的主要优点如下：

自我配置：随着工业4.0成为现实，工厂经理正在寻求更好的绩效，因为他们的企业变得更加数字化。这种搜索的一个重要方面是能够在较小的地理位置上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），几乎不需要手动配置，因为微尘会自行配置。

自我修复：网状网络不断路由数据，因此经常受到来自工厂车间的噪声、干扰、多径、衰落反射等干扰。SmartMesh IP 系统（管理器和节点）始终了解每个节点的噪声水平，并共享此数据以将信号重新路由到远离潜在噪声路径的位置。®

覆盖范围：只需添加或删除微尘即可轻松修改网络大小。如图2所示，可以轻松扩展覆盖范围，而不会遭受无线设备的额外功耗。

表 1 总结了网格技术及其功能。

特征 无线网络 唔唔�� 齐格比 6基于LoWPAN的网格 权力 小时 月份 月/年 年 节点 32 32,767 64,000 100/50,000 范围 （P2P） 100米 10 米 最高 300 m 最高 300 m 数据速率 11 Mbps 至 300 Mbps 1 兆字节 250 千字节 250 千字节 信道跳频 ✗ ✗ ✗ ✓ 碰撞缓解 ✗ ✗ ✗ ✓ 自我修复 ✓ ✓ ✓ ✓ 99.999% 可靠性 ✗

✗ ✗

✓

其他低功耗无线技术

LoRa 或 LoRaWAN 可以在长距离内实现低数据速率通信， 长达 6 英里， 同时消耗很少的功率.它基于各种频段，实现点对点通信。因此，对于低功耗、长距离点对点通信，这些解决方案是理想的选择。NB-IoT或蜂窝网络实施起来更昂贵、更复杂，并且比网状技术消耗更多的功率，同时传输的数据量更少。但是，它确实提供了高质量的蜂窝服务和对云的直接访问。如果您的无线解决方案需要与Zigbee相比具有更高数据速率的长距离蜂窝接入，那么LTE-M可能值得考虑。

MEMS取代压电振动传感器的演变

直到最近，MEMS传感器还不足以与IEPE振动传感器竞争，检测关键资产和旋转机械的早期振动故障特征，如图3所示。MEMS传感器的主要限制是噪声、带宽和g范围。低噪声是检测低水平振动的关键，有可能实现早期故障检测甚至预测。带宽是关键，因为许多资产/电机故障（如气蚀、轴承问题和齿轮啮合）通常在频率高于 5 kHz 时最早发生，当然时间对于检测故障至关重要。g范围很重要，因为较大的资产会产生高达数百g的冲击或冲击，可能会破坏专为不太苛刻的操作而设计的MEMS传感器。

图3.用于CbM应用的MEMS性能的演变。

从历史上看，大多数MEMS传感器是为多种应用而设计的，因此通常不会具有多个特定于应用的功能，而CbM至少需要三个功能。 汽车碰撞检测MEMS传感器是单个高级功能应用特定部件的一个很好的例子。它们设计为具有高g范围，但带宽和/或噪声不足，无法用于CbM和许多其他应用。开发适用于CbM应用的MEMS传感器非常困难，这就是为什么迄今为止很少有供应商成功的原因。

为了突出CbMMEMS性能的这些进步，对2010年和2017年发布的两款单轴模拟输出MEMS振动传感器进行了比较，如表2所示。两款MEMS加速度计均设计用于CbM应用中的振动检测。虽然两个传感器的带宽都相当高，但噪声改善最为显著，以至于MEMS传感器现在可以与压电IEPE振动传感器竞争。

规范 2010 ADXL001 2017 ADXL100x 改进 不。轴 1 1 — g范围 ±70/±250/±500 ±50 至 500 — 带宽（千赫） 10 11 — 谐振（千赫） 22 21 — 噪声密度 4 米克/√赫兹 25 μ克/√赫兹 160× 跨轴灵敏度 2% 1% 2× 温度范围 –40°C 至 +125°C –40°C 至 +125°C — 功耗（毫安） 2.5 1 2.5 倍 待机电流（毫安） — 0.225 —

这些噪声改善也在一些高性能工业三轴MEMS传感器上实现，如表3所示。虽然这些传感器并非专门设计用于振动检测，但它们是性能极高的MEMS传感器，能够在全带宽下检测低于1 mg rms的振动。结合出色的稳定性和可靠性，这些传感器已被证明在各种机械的CbM应用中非常有效，无论是作为唯一的振动传感器还是与其他宽带宽MEMS / IEPE传感器配对。超低噪声、窄带宽 （<5 kHz） MEMS传感器在检测许多资产的振动方面发挥着关键作用，通常在转速低且亚赫兹或直流响应有利的情况下，例如造纸/工厂加工、食品/制药、风力发电和金属加工行业。表3突出显示了2009年至2017年多轴MEMS传感器性能的改进。应该注意的是，在实现更宽的带宽、更低的噪声和更高的g范围时，与更通用的MEMS传感器相比，待机电流等规格将更大。

规范 2009 ADXL345 2017 ADXL356 改进 不。轴 3 3 — g范围 2/4/6/8/16 ±40 2.5× 带宽（千赫） 1.6 2 到 3 1.25× 到 2× 谐振（千赫） 5.5 5.5 — 噪声密度 3米克/√赫兹

3.9米克/√赫兹 80 μ克/√赫兹 37× 至 49× 跨轴灵敏度 1% 1% — 温度范围 −40°C 至 +85°C −40°C 至 +125°C 25%× 功耗 （μA） 140 150 — 待机电流 （μA） 0.1 21 210×

CbM系统中常用的振动传感器级别是多少？

由于计划外停机而损失大量收入的公司将继续依赖有线解决方案，因为它们基于12位至20位分辨率传感器提供最可靠和最准确的性能。此外，有线安装的较高成本很容易证明是合理的。对于低关键性资产，性能要求并不那么严格，资本支出限制可能会更低。10 位到 16 位的振动传感器分辨率是可以接受的，这是目前大多数基于 MEMS 的无线 CbM 系统所涵盖的范围。

对低关键性资产的高性能振动传感的需求不断增长，随着工业公司寻求数字化和加强其提高性能、生产和效率的努力，这一趋势继续增长。从历史上看，成本一直是在低临界资产上使用压电振动传感器的限制因素，但随着越来越多的设计人员意识到MEMS传感器在这种情况下可以提供的价值和灵活性，这种情况现在开始改变。图4显示了从10位到24位的潜在振动传感器分辨率。尽管MEMS的分辨率明显较低，但性能与成本节约的吸引力足以证明监控中低关键性资产是合理的。

图4.传感器类型和相应的分辨率。

MEMS传感器的主要优势之一是功耗低，通常在μA范围内，但甚至可以达到nA范围。这使得它们非常适合用于无线CbM应用。虽然一些压电传感器的功耗低至200 μA左右，但它们缺乏集成功能，并且与MEMS相比价格昂贵。确实存在一些基于压电传感器的专用无线振动传感器，它们可以在高达104 kHz的采样速率下提供24位分辨率，但与MEMS解决方案相比，电池寿命非常有限。这种无线振动传感器系统通常具有8小时的连续电池寿命。MEMS的另一个关键优势是，您最多可以将三个轴集成到一个小封装中。三轴压电传感器将更昂贵、更大，并且需要更多的信号调理电路，这使得它们更不适合无线应用。

未来趋势：对新收入来源的渴望

泵占目前部署在世界各地工厂的旋转机器的很大一部分，预计到 2025 年，全球市场将从 38.34B 美元增长到 46.92B 美元。7其中一些泵对于确保过程可以继续畅通无阻地运行至关重要，这将需要基于状态的监控以避免计划外停机。这种泵的未来会怎样？根据Frost&Sullivan最近的一份报告，泵将采用分析功能并变得智能。泵OEM的增长将由基于分析、人工智能或机器学习（ML）的服务推动，以提供有关提高泵性能和可靠性的诊断信息。研究发现，到2025年以后，高达60%的泵OEM收入可能来自与服务相关的活动，这些活动可能会使泵行业从基于产品的模式转变为基于服务的模式。7这种转变主要是由制造业的快速数字化（IIoT）以及CbM硬件和算法，AI和ML的进步推动的。据设想，水/废水处理厂、炼油厂和天然气生产厂等传统重工业将在寻求数字化运营时利用这些智能泵。对于绿地，很可能会使用有线煤层气系统，但棕地上的现有装置呢？为了将这种基于服务的模型应用于已部署的泵和其他旋转机械，无线CbM系统可以提供快速，无缝和可靠的解决方案。

EV-煤层气-航海家3-1Z无线CbM模块

Voyager平台是一个强大的低功耗无线网状振动监测平台，使设计人员能够将无线解决方案快速部署到机器或测试设置中。设计人员可以快速评估用于振动监控的ADI MEMS传感器技术，同时评估用于工业无线检测的SmartMesh IP技术。总体目标是加速客户资产监控和解决方案开发。该微尘包括一个机械外壳和带有 1/4-28 行业标准螺柱附件的附件硬件。Voyager解决方案可以很容易地直接安装在电机或测试夹具上。

智能网状网络

SmartMesh IP 无线传感器网络产品是 IC 和预认证的 PCB 模块，配有网状网络软件，使传感器能够在恶劣的工业物联网 （IIoT） 环境中进行通信。它们专为 IP 兼容性而构建，基于 6LoWPAN 和 802.15.4e 标准。6LoWPAN 由互联网协议版本 6 （IPv6） 和低功耗无线个人局域网 （LoWPAN） 组成。它是一个基于互联网协议（IP）的网络，如Wi-Fi。SmartMesh IP 产品线即使在恶劣、动态变化的射频环境中也能实现低功耗和 >99.999% 的数据可靠性。

高度可扩展、自形成无线节点的多跳网状网络，这些网络收集和中继数据，并结合了监控性能和安全性并与主机应用程序交换数据的网络管理器。当管理器和微尘通电时，网格会自动形成。位于管理器范围之外的微尘将通过范围内的微尘转发数据包。此外，如果节点的通信链路因噪声而受到干扰，则可以使用另一个不同工作频率的链路/路径重定向数据/数据包，以便数据可以在干扰源周围或远离干扰源进行重定向，这就是SmartMesh IP的自愈元件或类似电线的可靠性（99.999%）的来源。

Voyager套件已经过SmartMesh IP微尘跳跃测试。这是超出网络管理器范围的微尘可以在范围内微尘中跳跃的地方，如图 6 所示。多跳网络确保超出范围的微尘可以将数据流式传输到网络管理器。

智能网格 IP 最适合哪些领域？

SmartMesh IP网络定位于IIoT应用。在出厂设置中，传感器通常以集群形式部署在资产上。需要定期甚至持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 100 米。例如，SmartMesh IP 已成功部署在高密度群集中数据中心的数千个节点中。

过去，低功耗无线通信设备一直在努力应对工厂车间产生的干扰。这不仅是 SmartMesh IP 擅长的领域，而且是专门为部署在需要类似有线可靠性且需要同步监视或控制的密集集群中而设计的。

SmartMesh IP网络使用时间同步信道跳频（TSCH）链路层进行通信，这是ADI公司SmartMesh IP团队开创的技术，也是无线HART（IEC 62591）和IEEE 802.15.4e等无线网状网络标准的基础构建模块。在TSCH网络中，网络中的所有微尘都在几微秒内同步。网络通信按时隙进行组织，可实现低功耗数据包交换、成对信道跳频和全路径分集。TSCH的使用允许SmartMesh IP设备在计划通信之间以超低功耗休眠，通常导致占空比为<1%。网络管理器利用 TSCH 来确保微尘准确地知道何时说话、倾听或睡眠。这可确保网络上没有数据包发生冲突，并且每个节点的功耗都非常低 — 路由节点通常消耗 <50 μA。

智能网状 IP 网络是最安全的网状网络之一。SmartMesh IP 网络中的所有流量都受到端到端加密、消息完整性检查和设备身份验证的保护。此外，SmartMesh 网络管理器包含支持网络安全加入、密钥建立和密钥交换的应用程序。

旅行者号信号链

它还包括一个3轴ADXL356振动传感器板和一个低功耗微控制器ADuCM4050。一个强大的低功耗 SmartMesh IP LTC5800 板包含在芯片天线中。该套件包括一个SmartMesh IP USB加密狗，用作无线网络的网络管理器。嵌入式固件和 GUI 代码可在 GitHub 上找到。

Voyager模块的电池寿命是一个关键的设计特性，因此，选择了高性能、低功耗器件来检测、调节、处理和传输振动数据，如图9和图10所示。

图9.ADXL356信号链的高级框图

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

Voyager Signal Chain Power Consumption

每个信号链部分的有功和待机功耗（取自数据手册的最差情况性能）分别如图11和图12所示。请注意，这不包括 SmartMesh IP 收发器，因为它的消耗比简单地处于活动或待机模式更微妙。信号链的实际功耗会更低。在活动模式下，ADuCM4050消耗的功耗最高，因为它采样高达1.8 MSPS的振动数据，对其进行滤波，然后执行DFT，然后通过UART将数据发送到SmartMesh IP收发器。

图11和图12显示，当系统传输数据和待机模式时，MEMS加速度计的活动和待机电流非常重要。无论您计划运行定期监控方案（例如，每 6 小时一次）还是连续监测方案，这些指标对于确保电池供电的传感器有效运行都至关重要。在有源模式下，ADXL356功耗约为信号链功耗的1.4%。与典型的压电传感器相比，ADXL356的功耗要低得多。典型的压电传感器具有4 mA恒定电流和24 V至30 V电源，功耗接近100 W。有低功耗的压电传感器可以降低90%的功耗，但它们仍然不适合在电池供电的传感器网络中长期使用。

图 11.有源模式下的信号链功耗。

图 12.待机模式下的信号链功耗。

在待机模式下，ADXL356消耗39%的信号链电流。虽然这看起来很高，但应与适用于CbM应用中振动检测的各种MEMS传感器进行比较和鉴定，如表4所示，以便更好地了解噪声与电流消耗方面的性能权衡。

ADXL356 微机电系统 B 微机电系统 C1 微机电系统 C2 微机电系统 C3 微机电系统 C4 不。轴 3 3 3 3 3 3 有功电流 150 微安 1.3毫安 239 微安 239 微安 310 微安 145 微安 计算占有效信号链总消耗的百分比 1.40% 12.30% 2.30% 2.30% 2.93% 1.40% 待机电流 （μA） 21 16 0.5 0.5 5 0.9 计算出待机信号链总功耗的百分比 39% 30% 0.93% 0.93% 9.30% 1.70% g范围 ±40 ±2， ±4， ±8， ±16 ±16 ±64 ±20 ±8， ±16， ±32 带宽（千赫） 1.5 6.3 4.2 (2.9) 4.2 (2.9) 8.2/8.5/5.6 8 (5.1) 噪声密度 （μg/√Hz) 80 75 (110) 130 300 675 630

图13和图14显示了MEMS传感器在活动和待机模式下的电流消耗和噪声。ADXL356的有源电流消耗与MEMS C4一样最低，不再推荐用于新设计。MEMS B具有最高的有源功耗（是ADXL356的11.5倍），但应该注意的是，MEMS B具有最低的噪声和宽带宽，因此与所有MEMS C传感器相比，性能更高。

图 14.MEMS传感器有源电流消耗与噪声密度的比较。

虽然ADXL356和MEMS B具有最高的待机电流，但这些传感器的噪声性能比图14所示的替代产品好1.6至9倍。电流消耗和噪声密度之间的反比关系显而易见，在为电池供电应用选择MEMS振动传感器时应考虑这一点。

ADXL356的另一个关键优势是其陶瓷封装，在整个温度范围内具有出色的稳定性和性能。当您考虑到大多数设计用于无线设备的MEMS传感器将被添加到IP6x等级的外壳中时，这一点变得至关重要。在某些情况下，外壳将包括灌封化合物。陶瓷封装可以承受灌封化合物带来的外力，以保持传感器的数据手册性能。对于塑料封装MEMS器件，并不总是建议灌封，因为封装的偏转会降低传感器的性能。

MEMS导通/上电时间

对于MEMS传感器，上电时间是指从断电到待机模式所需的时间。开启或启动时间是指从待机模式到测量模式所需的时间，如表5所示。对于ADXL356，当输出在最终值的5 mg以内时，此规格有效。

部件号 上电/启动时间 开启时间 评论 ADXL356 （毫秒） <10 <10 典型 微机电系统 B （毫秒） 10 典型 微机电系统 C1 （毫秒） 20 到 50 2 到 1300 最小值/最大值 微机电系统 C2 （毫秒） 20 到 50 2 到 1300 最小值/最大值 微机电系统 C3 （毫秒） 0.1 模拟输出：

5 × R × C 微机电系统 C4 （毫秒） 20 到 50 2 到 1300 最小值/最大值

在监控关键设备时应考虑这些时间，因为如果开启时间太长，当系统从待机状态进入测量模式时，可能会丢失关键的振动数据。在无线节点循环电源以节省功耗的系统中，在电源模式之间转换时的功耗变得更加重要。考虑到表5所示的导通时间，当MEMS C1、MEMS C2和MEMS C4在超过1.3秒的最坏情况下测量有效数据时，其他传感器已经进行了测量并处于待机模式相当长的时间，从而节省了更多功耗。图15比较了ADXL356、MEMS B和MEMS C1从待机模式过渡到测量模式时的情况，测量加速度数据1 s，假设在此转换期间出现线性功率斜坡，然后在4.5 s的时间内返回待机模式。尽管MEMS B具有更快的上电/启动时间，但1 s测量的有源电流消耗明显高于ADXL356。同样，MEMS C1在最坏情况下需要长达1.3秒才能进入测量模式，这意味着它必须保持更长时间才能测量与ADXL356和MEMS B相同的数据，从而有效地消耗更多功率，如表6所示。如果MEMS B和ADXL356以MEMS C1的最差情况速度测量数据，则两个器件在55%的时间内都可以保持待机模式，而MEMS C1只能进入此模式几毫秒。

图 15.ADXL356、MEMS B和MEMS C1在启动时的电流消耗，然后在4.5 s内重复两次MEMS C1在最差情况下启动时间的1 s测量。

微机电系统 B ADXL356 微机电系统 C1 平均电流（微安） 573 77 172

图16显示了每分钟5 s的活动数据测量电流消耗，其余时间器件处于待机模式。平均电流如表7所示。

图 16.ADXL356、MEMS B和MEMS C1在启动时的电流消耗，然后在60 s以上最差情况下的启动时间进行5 s测量。

微机电系统 B ADXL356 微机电系统 C1 平均电流（微安） 128 32 23.4

即使在较低频率的测量速率下（每60秒5秒），MEMS C1和ADXL356的平均电流消耗也非常接近，尽管工作和待机电流消耗存在差异。如果测量速率不那么频繁，则在两次测量之间关闭MEMS传感器以降低电流消耗更为可行，如图17所示，在这种情况下，ADXL356的平均电流消耗最低。

图 17.ADXL356、MEMS B和MEMS C1在启动时的电流消耗，然后测量5 s，然后关断60 s。

微机电系统 B ADXL356 微机电系统 C1 平均电流（微安） 113 13 23

智能网状 IP 功耗

智能网格 IP 收发器（如 LTC5800）具有几种不同的功耗曲线。图18显示了数据手册中不同模式的最大功耗。但是，网络中典型的SmartMesh芯片配置将消耗更少的电流以实现合理操作。许多因素将决定消耗多少功率，包括报告间隔（1 个数据包/分钟与 1 个数据包/秒）、传输数据所需的跳数、有效负载大小（1 字节到 90 字节）和路径稳定性（例如，80% 在室内密集网络）。

图 18.智能网格 IP 电流消耗（最坏情况数据手册规格）。

实际电池寿命取决于许多因素，例如微尘收集和传输数据的时间与微尘睡眠的时间。有效负载大小、路径稳定性、传输间隔、跳跃深度和许多其他因素都会影响 SmartMesh IP 微尘将使用的功率量。SmartMesh 功耗和性能估算器是一种非常有用且准确的工具，可用于根据关键因素估算性能和功耗，如图 19 所示。

图 19.智能网格功耗和性能估算器工具。

旅行者模块：传输一个完整的数据集

要评估功耗，了解将一个完整的数据集从无线微尘传输到 SmartMesh IP 管理器需要多少数据包会很有用。在 1 秒的报告间隔下，60 包/分钟将从微尘发送到经理。x、y 和 z 轴采样数据分别由 16 位（2 字节）的 512 个时域采样组成。FFT数据也被计算和传输，如图20所示。

图 20.显示时域和频域数据的 Voyager GUI。

（512 + 512/2） × 3 = 2304 个样本，得到 2304 × 2 字节 = 4608 字节。90 字节在一个 SmartMesh 数据包中发送。4608 字节/90 字节 = 51.2 个数据包。需要 52 个 SmartMesh 数据包才能将一个完整的数据集从无线微尘传输到 SmartMesh IP 管理器。

为了提供功耗估算，我们使用 20 微尘网络作为示例，其中微尘排列在 4 个跃点中，每个跃点有 5 个微尘。将数据有效负载大小设置为 90 字节，并将报告速率设置为 1 数据包/秒，Hop 1 微尘仅对 SmartMesh IC 的功耗为 587.9 μA（静态条件）。对于最差情况下的动态条件，建议将功耗增加30%，得到587.9 μA×1.3 = 764.3 μA。这些结果通过智能网格功耗和性能估算器工具得到证实。

图 21 显示了 Voyager 模块的最坏情况电池寿命估计值（2 × Saft LS14500），在两种情况下有 4 个跃点，一种是微尘每 60 分钟激活一次，另一种是每分钟一次，持续 60 分钟。正如预期的那样，微尘每分钟传输 60 分钟的情况具有更短的电池寿命。跃点 1 处的微尘将有更多的工作要做，因为此微尘将接收从微尘 2、3 和 4 发送的所有数据。跃点 1 的电池寿命为 19.1 天（0.052 年），而跃点 4 的电池寿命为 20.1 天（0.054 年）。当微尘每小时传输 1 分钟时，跃点 1 的电池寿命为 1.38 年，跃点 4 的电池寿命为 2.12 年。

图 21.SmartMesh 电池寿命与传输数据所需的跃点数。

结论

本文讨论了推动目前CbM市场快速发展和增长的一些关键趋势。低功耗、高性能MEMS传感器和高保真、低功耗信号链组件对于为CbM行业提供快速部署资产所需的无线功能至关重要，并开始扭转每年因计划外停机而损失的500亿美元。网状网络技术的概述提供了竞争无线技术之间主要差异的大致视图，并强调了哪些技术最适合需要同步监测和控制以及类似有线可靠性的恶劣射频环境。

选择最合适的MEMS传感器可能很困难，必须考虑许多因素，例如噪声、带宽和g范围，但还必须考虑较少参考的数据手册规格（如导通时间）以及无线系统所需的数据速率，因为这有助于确定哪种工作模式和数据速率最可行。

在工厂车间等恶劣的射频工作环境中使用无线设备需要强大的通信和低功耗。本文展示了 SmartMesh 功耗和性能估算器工具中 SmartMesh 器件的最坏情况数据手册和功耗估算值，以便对可能的情况进行高层次概述。建议使用此工具进行进一步调查，因为传感器网络可以根据您的特定需求进行定制，以更好地估计潜在的电池寿命和性能。在本系列文章的第 2 部分中，我们将展示 Voyager 平台如何及早检测各种机器故障，而第 3 部分将讨论 Voyager 模块的功耗和不同操作模式。