智能工業(yè)傳感器和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　前言

　　智能工業(yè)是一個(gè)描述制造設施網(wǎng)絡(luò )化和自動(dòng)化的術(shù)語(yǔ)。在智能工業(yè)時(shí)代，工廠(chǎng)生產(chǎn)效率更高; 從供應鏈角度看，產(chǎn)供更加靈活，按需定制程度更高，制造過(guò)程更環(huán)保節能，工業(yè)垃圾更少，工作環(huán)境更安全，車(chē)間人機協(xié)同性更高。

　　傳感器和低功耗通信連接技術(shù)是互聯(lián)智慧工業(yè)興起發(fā)展的關(guān)鍵，本文詳細介紹這兩項技術(shù)近期取得的重大進(jìn)步。

　　智能工業(yè)發(fā)展歷程

　　第一次工業(yè)革命發(fā)生在18世紀，標志著(zhù)以蒸汽機為動(dòng)力的機械工業(yè)時(shí)代的來(lái)臨，每個(gè)勞動(dòng)力參與大規模生產(chǎn)的全部環(huán)節。

　　第二次工業(yè)革命發(fā)生在20世紀，機械設備的動(dòng)力由蒸汽變?yōu)殡娏?，大規模生產(chǎn)首次出現勞動(dòng)分工，每個(gè)工人只負責產(chǎn)品加工過(guò)程中的一個(gè)工藝，不再自始至終的全程參與生產(chǎn)過(guò)程。

　　第三次工業(yè)革命發(fā)生在20世紀70年代，因為電子信息技術(shù)的廣泛應用，制造過(guò)程實(shí)現自動(dòng)化，大型機械設備被電子設備取代。這次革命還是半導體行業(yè)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，半導體工業(yè)成為自動(dòng)化發(fā)展的引擎。

　　第四次工業(yè)革命發(fā)生在今天，機器變得越來(lái)越智能，人機交互更加直觀(guān)，新機器可以自主監測性能狀態(tài)、使用情況和故障狀況，因此，能效、安全和靈活度更高。企業(yè)可以使用大數據、分析學(xué)和分權決策方法提高供應鏈的可靠性和生產(chǎn)運營(yíng)效率。

　　在智能工業(yè)時(shí)代，制造過(guò)程更加高效和環(huán)保，工作環(huán)境更加安全，工人的工作體驗更好，人機交互更直觀(guān)，可以按照客戶(hù)需求更靈活、大批量地制造產(chǎn)品。

　　智能工業(yè)啟用技術(shù)

　　能效

　　智能機器在每種工作模式下都能保持高能效，可以將電能高效地轉化成機械能，必要時(shí)還能高效地儲備電能。今天，電機能效比過(guò)去高很多;照明系統可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )遠程控制燈具，只在需要時(shí)才點(diǎn)亮。

　　智能和感知

　　智能機器使用傳感器測量振動(dòng)、溫度、濕度等參數，并將傳感器數據送到處理器處理，將其變成有用的信息，智能機器與附近的操作員交互，將傳感器信息提供給操作員。

　　通信連接

　　在工廠(chǎng)內部，所有的智能機器互聯(lián)上云，提供底層的實(shí)時(shí)信息，融入一個(gè)超大供應鏈。傳感器信息被安全地送到云端，供分析技術(shù)使用，包括停機預測。

　　智能工業(yè)應用領(lǐng)域

　　工廠(chǎng)自動(dòng)化

　　工廠(chǎng)自動(dòng)化是使用各種控制系統管理制造過(guò)程，讓機器按照預定工序運行，盡可能減少人工干預。通過(guò)在制造過(guò)程中監測各種數據，例如，原料和成品的溫濕度、故障檢測、自動(dòng)測試報告等，自動(dòng)化系統可以做出各種決策。不同的機器可以通過(guò)6LowPan subGhz RF 技術(shù)互聯(lián)，構成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )，共享信息。

　　工業(yè)機器人

　　工業(yè)機器人是一種運動(dòng)自由度很高的機器。在設定程序后，工業(yè)機器人可以完成制造、測試和生產(chǎn)任務(wù)，有助于實(shí)現高品質(zhì)制造，節省人工成本，在對人體健康有害和不適宜人類(lèi)生存的危險環(huán)境中代替人類(lèi)作業(yè)。新一代機器人靈活可變，能夠執行程序，按照客戶(hù)的需求和意愿，一對一地量身定制產(chǎn)品。機器人有多顆傳感器，能夠準確地監測運動(dòng)位置和角度。工業(yè)智能機器人之間也是無(wú)線(xiàn)通信，收發(fā)數據。

　　工業(yè)照明

　　在非制造類(lèi)設施用電量中，照明用電占相當大的比例。如果燈具不用時(shí)還點(diǎn)亮，大量的電能將被浪費。智能照明系統可以通過(guò)6LowPan subGhz網(wǎng)絡(luò )監控每支燈具，只在必要時(shí)才會(huì )開(kāi)啟燈具，并自動(dòng)檢測故障燈具，甚至還能遠程調節燈光亮度。燈桿上還可以安裝氣象監測設備和治安攝像頭。

　　智能制造

　　智能制造將各種制造領(lǐng)域與供應鏈完全融為一體，這個(gè)概念覆蓋自動(dòng)化控制、先進(jìn)機器人、電機控制、傳感器、互聯(lián)機器等。智能制造設施能夠自動(dòng)訂購原料，在故障發(fā)生前提出維修請求，能夠改進(jìn)工作條件，更安全地管理危險制造活動(dòng)。智能制造設施也需要用到大數據和人工智能技術(shù)。

　　經(jīng)濟實(shí)惠的低功耗傳感器和通信連接技術(shù)正在讓智能工業(yè)離我們越來(lái)越近。

　　案例研究: 利用自動(dòng)化振動(dòng)監測技術(shù)監視機器性能狀況

　　傳統監測方法

　　因為機器易磨損和斷裂，所以企業(yè)必須采用預防性維護計劃，定期檢查機器的部件，即便沒(méi)必要也得做，或者定期監測機器的運行狀態(tài)。預防性維護計劃通常外包給外部服務(wù)機構，他們會(huì )定期派人上門(mén)監測振動(dòng)參數。這種方法成本很高，因為委托企業(yè)要承擔維修工的服務(wù)費和差旅費。此外，因為數據監測不是連續的過(guò)程，故障發(fā)生率仍然很高，致使故障不可預測。

　　智能監測方法

　　機器本身配備傳感器和射頻通信模塊。傳感器連續監測振動(dòng)和溫度等參數，并通過(guò)BLE藍牙或RF subGhz無(wú)線(xiàn)技術(shù)將數據上傳至網(wǎng)關(guān)，再送到云服務(wù)器。傳感器和射頻通信模塊的功耗極低，甚至可以選用電池作電源。網(wǎng)關(guān)將數據傳到云端進(jìn)行振動(dòng)分析和FFT分析。

　　機器振動(dòng)特征分析技術(shù)可提前發(fā)現各種故障或異常，例如，負載均衡、錯位偏差、軸承缺陷、齒輪嚙合等。

　　傳感器在工業(yè)智能化中的作用

　　加速度計

　　加速度計用于測量工業(yè)機器沿X、Y、 Z三軸方向發(fā)生的加速度，還可以測量機器或機械臂的傾角。如果機器水平靜止，則X、Y兩軸輸出數據是0g，而Z軸輸出則是1g。1g是地球上所有物體都要承受的地球引力。如果機器沿X軸旋轉90度，則X和Z兩軸將輸出0g，Y軸輸出1g。在傾斜狀態(tài)下，X、Y、Z三軸輸出值在 0和1g之間，然后將輸出值代入三角學(xué)公式，算出機器的傾角。

　　加速度計還能測量沿水平和垂直方向的線(xiàn)性加速度，這些數據可用于計算機器的運動(dòng)速率和方向，甚至還能計算高度變化率。

　　加速度計還能檢測機器振動(dòng)。在電機上安裝的加速度計為檢測故障類(lèi)型提供關(guān)鍵數據。因為電機負載失衡引起的故障、軸承缺陷和齒輪嚙合故障三者的振動(dòng)頻率不同，這些信息可用于預測電機的檢修需求。

　　陀螺儀

　　陀螺儀是一種測量沿三軸方向的角速度的傳感器，能夠測量俯仰、橫滾、航向三軸的角度變化率。角速率變化信息可用于提高機器運行的穩定性，防止機器橫向晃動(dòng)。在收到陀螺儀信息后，電機控制器可以動(dòng)態(tài)調節電機轉速，確保機器或機械臂穩定運行。陀螺儀還能讓機器或機械臂按照用戶(hù)要求的角度精確旋轉。

　　磁羅盤(pán)

　　顧名思義，磁羅盤(pán)為機器或機械臂提供運動(dòng)方向數據。磁羅盤(pán)測量物體所在磁場(chǎng)沿X、Y、Z三軸方向的數據，并報送到微控制器，利用專(zhuān)門(mén)算法算出以北極為參照點(diǎn)的航向角，以確定地理方向。

　　為取得準確的方向，應將加速度計的傾角數據和磁羅盤(pán)數據綜合應用。

　　磁羅盤(pán)的精確度很容易受到軟硬鐵或運行角度的影響。硬鐵是存在于傳感器附近的硬磁鐵材料，可使羅盤(pán)的指針發(fā)生永久性偏移。軟鐵是傳感器附近的弱磁鐵材料、電路跡線(xiàn)等，可使羅盤(pán)指針發(fā)生可變性偏移。為濾除這些異常，需要一個(gè)磁傳感器校準算法。對于這個(gè)算法，最重要的是校準快，人工干預少。

　　氣壓計

　　氣壓計可以把氣壓值換算成高度值。氣壓傳感器可測量地球大氣壓。氣壓計數據有助于機器或機械臂導航，達到目標高度。升降速度估算的準確性對包括機器人在內的很多機器至關(guān)重要。意法半導體推出了新款數據速率200Hz的壓力傳感器LPS22HD，能夠滿(mǎn)足高度估算需求。

　　濕度傳感器

　　濕度傳感器可以測量濕度參數，用于氣象站、凝結度監測、空氣密度監測和氣體傳感器測量校正。

　　意法半導體濕度傳感器HTS221包括傳感器單元和模擬前端，通過(guò)數字串口輸出測量數據。傳感單元包括聚合物電介質(zhì)平面電容結構，能夠測量相對濕度變化。

　　MEMS麥克風(fēng)

　　MEMS麥克風(fēng)是一種將聲音信號轉化成電信號的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)的人氣越來(lái)越高，與傳統麥克風(fēng)相比，MEMS麥克風(fēng)信噪比高、尺寸小、數字接口、抗射頻干擾性強、抗振性強，主要用于攝像機、治安監控和情報搜集等設備。

　　智能工業(yè)傳感器的重要特性

　　機器很容易發(fā)生極端的工況，受到振動(dòng)、噪聲和環(huán)境的影響。工業(yè)機器傳感器應該有很強的抗振性能，能夠捕捉更少的噪聲信號，響應速度快，能夠捕捉到所有的振動(dòng)，性能穩定，不受溫度、濕度等環(huán)境參數變化的影響。最后，可靠性和性能應該很高。

　　算法的作用

　　在把傳感器原始數據變成有意義的用例過(guò)程中，軟件庫在其中發(fā)揮著(zhù)重要作用。算法可提升傳感器的功能性，實(shí)現預想不到的功能。算法整合不同傳感器發(fā)送的數據，然后輸出上下文感知數據。

　　加速度計、陀螺儀和磁羅盤(pán)三個(gè)運動(dòng)傳感器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。傳感器的短板包括校準不完美、時(shí)間或溫度漂移、隨機噪聲。磁強計和加速度計受失真問(wèn)題困擾，陀螺儀本身有漂移問(wèn)題。傳感器融合算法庫用于讓三個(gè)傳感器相互取長(cháng)補短，提高校準精度，在所有的場(chǎng)景中輸出精確的結果，不僅輸出經(jīng)過(guò)校準的傳感器數據，而且還有角度和航向角信息以及四元數。

　　智能機器互聯(lián)技術(shù)

　　智能機器可以通過(guò)不同的通信連接技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，低能耗藍牙和 Wi-Fi用于機器和手機之間的連接。Sub-1GHz射頻技術(shù)用于通過(guò)專(zhuān)屬協(xié)議連接傳感器網(wǎng)絡(luò )，兼具功耗低和通信距離遠兩大優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)蜂窩通信和Sigfox用于將機器數據直接上傳到電信基礎設施。

　　下表列出了各種連接技術(shù)的通信距離和功耗情況。在下文中我們將更詳細地討論低功耗通信技術(shù)，例如，BLE、RF sub-1GHz和Sigfox。

　　低能耗藍牙 - 智能藍牙[BLE]

　　低能耗藍牙[BLE]又稱(chēng)智能藍牙，是一種低能耗的機器連接通信技術(shù)，適用于低端機器，特別是玩具。支持機器與控制器之間雙向通信，例如，手機、平板、筆記本和專(zhuān)用遙控器。BLE協(xié)議可大幅延長(cháng)機器電池的續航時(shí)間，令Wi-Fi和Classical Bluetooth等傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)望塵莫及。

　　低能耗藍牙工作在免牌照費的2.4GHz ISM頻段。藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)是低能耗藍牙標準的管理者，所有大牌手機廠(chǎng)商都支持該標準。

　　目前低能耗藍牙芯片市場(chǎng)有兩大陣營(yíng)。

　　a. 網(wǎng)絡(luò )處理器

　　網(wǎng)絡(luò )處理器運行低能耗藍牙協(xié)議，包括控制器、主設備和協(xié)議棧。與運行不同的藍牙應用協(xié)議和應用的主微控制器交互，網(wǎng)絡(luò )處理器還需要一個(gè)單獨的微控制器。網(wǎng)絡(luò )處理器是一個(gè)獨立的平臺，為用戶(hù)選擇最適合的微控制器或操作系統提供很大的靈活性。BlueNRG-MS是意法半導體開(kāi)發(fā)的兼容BLE 4.1的網(wǎng)絡(luò )處理器，能夠同時(shí)充當主控制器和從控制器兩個(gè)角色，可以讓一個(gè)遙控器當手機的從設備，機器的主控制器。

　　b. 系統芯片

　　系統芯片(SOC)是一個(gè)獨立的芯片組，包括控制器、主設備、應用協(xié)議棧和應用。意法半導體的BlueNRG-1是 BLE 4.2認證系統芯片，包含15個(gè)GPIO引腳、I2C、SPI、UART、PWM、PDM和160kB RAM。這款芯片還提供BLE 4.2.的先進(jìn)數據安全和隱私保護功能。

　　RF sub-1GHz

　　顧名思義，RF sub-1GHz技術(shù)是以低于1GHz的載波頻率傳送信號，不同的國家為工業(yè)和科研領(lǐng)域分配了不同的免牌照費的無(wú)線(xiàn)電波段。

　　下面是各個(gè)國家的免費無(wú)線(xiàn)電波段。

　　· 北美: 315, 433, 915Mhz

　　· 歐洲433, 868Mhz

　　· 印度: 433, 865-867Mhz

　　sub-1GHz技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是噪聲小，通信距離遠，功耗低。缺點(diǎn)是不能直連手機，應用不廣泛。

　　Sigfox是采用sub-1GHz頻率的需要付費的LPWAN服務(wù)。Sigfox技術(shù)可直連電信基礎設施上云。通信距離長(cháng)達幾公里。在機器內，Sigfox可用于跟蹤，向云端上傳傳感器數據。作為直連電信基礎設施的低速率通信技術(shù)，預計未來(lái)不會(huì )取代BLE等控制直連技術(shù)和RF sub-1GHz直接對等連接。

　　意法半導體最近推出了 RF sub-1GHz和 Sigfox收發(fā)器芯片S2-LP。這款產(chǎn)品的通信頻率是430-470 MHz和860-940 MHz，輸出功率高達+16dbm，靈敏度低至-130dbm，工作電流極低，可在機器與遙控器之間建立對等連接。這還是一款Sigfox認證產(chǎn)品，可直接將機器連至Sigfox網(wǎng)絡(luò )上云，無(wú)需通過(guò)網(wǎng)關(guān)，因為功耗極低，電池電量可用10年。

　　開(kāi)發(fā)平臺

　　物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)正在飛速發(fā)展，產(chǎn)品能否成功，很大程度取決于研發(fā)時(shí)間和成本，在這種情況下，擁有一個(gè)價(jià)格劃算、靈活可變、可伸縮的生產(chǎn)級開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺很重要。

　　意法半導體推出了STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境，為設計人員使用意法半導體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應用提供了一個(gè)靈活多變、經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案。STM32開(kāi)發(fā)環(huán)境包括微控制器、傳感器、射頻芯片、模擬器件。除硬件平臺外，開(kāi)發(fā)環(huán)境還提供驅動(dòng)軟件、中間件和應用例程，以及相關(guān)的 Android和iOS代碼。

　　用戶(hù)只要在電腦上簽署一份授權協(xié)議，就可以使用這些高級軟件庫。在平臺測試成功后，設計人員就可開(kāi)發(fā)自己的印刷電路板，裝載在這個(gè)平臺上開(kāi)發(fā)的固件。用戶(hù)只有在自己的電路板上測試應用時(shí)，才需要簽署生產(chǎn)級軟件庫許可證。

　　SensorTile

　　SensorTile是一個(gè)方磚狀微型設計平臺，具有遠程感測運動(dòng)、環(huán)境和聲學(xué)等參數所需的全部功能，讓設備開(kāi)發(fā)人員集中精力研發(fā)機器或機械臂的空氣動(dòng)力、電機控制和物理設計，而無(wú)需考慮通信連接和傳感器集成等問(wèn)題。

　　該解決方案可以開(kāi)發(fā)預防性和預測性機器維護方法，監控安裝在危險和危害人體健康的環(huán)境中的機器，因為維護技師無(wú)需到現場(chǎng)檢修，為企業(yè)節省一大筆維修費。

　　結論

　　實(shí)現更高的生產(chǎn)率、更安全的工作環(huán)境和更高的能效，智能工業(yè)是當務(wù)之急。低功耗傳感器和通信連接技術(shù)的問(wèn)世為智能工業(yè)的發(fā)展提供了可能。多元化的傳感器和連接技術(shù)正在解決諸多的復雜難題，要是放在過(guò)去，這些難題是根本無(wú)法解決的，即使能夠解決，也需要付出很大的代價(jià)。

　　意法半導體擁有30余年的工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗和深厚的應用知識積累，我們有能力為智能工業(yè)市場(chǎng)提供優(yōu)化的解決方案。意法半導體有自己的先進(jìn)制造設施，市場(chǎng)領(lǐng)先的創(chuàng )新技術(shù)，以及豐富的開(kāi)發(fā)工具、軟件和技術(shù)支持。