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(shè)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，工廠生產(chǎn)效率更高; 從供應(yīng)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(jié)能，工業(yè)垃圾更少，工作環(huán)境更安全，車間人機(jī)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(xì)介紹這兩項(xiàng)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(jì)，標(biāo)志著以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的機(jī)械工業(yè)時(shí)代的來(lái)臨，每個(gè)勞動(dòng)力參與大規(guī)模生產(chǎn)的全部環(huán)節(jié)。

　　第二次工業(yè)革命發(fā)生在20世紀(jì)，機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力由蒸汽變?yōu)殡娏Γ笠?guī)模生產(chǎn)首次出現(xiàn)勞動(dòng)分工，每個(gè)工人只負(fù)責(zé)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(jì)70年代，因?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)的廣泛應(yīng)用，制造過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大型機(jī)械設(shè)備被電子設(shè)備取代。這次革命還是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，半導(dǎo)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(jī)器變得越來(lái)越智能，人機(jī)交互更加直觀，新機(jī)器可以自主監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)、分析學(xué)和分權(quán)決策方法提高供應(yīng)鏈的可靠性和生產(chǎn)運(yùn)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(yàn)更好，人機(jī)交互更直觀，可以按照客戶需求更靈活、大批量地制造產(chǎn)品。

　　智能工業(yè)啟用技術(shù)

　　能效

　　智能機(jī)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(zhuǎn)化成機(jī)械能，必要時(shí)還能高效地儲(chǔ)備電能。今天，電機(jī)能效比過(guò)去高很多;照明系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制燈具，只在需要時(shí)才點(diǎn)亮。

　　智能和感知

　　智能機(jī)器使用傳感器測(cè)量振動(dòng)、溫度、濕度等參數(shù)，并將傳感器數(shù)據(jù)送到處理器處理，將其變成有用的信息，智能機(jī)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

　　在工廠內(nèi)部，所有的智能機(jī)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(yīng)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(jī)預(yù)測(cè)。

　　智能工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

　　工廠自動(dòng)化

　　工廠自動(dòng)化是使用各種控制系統(tǒng)管理制造過(guò)程，讓機(jī)器按照預(yù)定工序運(yùn)行，盡可能減少人工干預(yù)。通過(guò)在制造過(guò)程中監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)，例如，原料和成品的溫濕度、故障檢測(cè)、自動(dòng)測(cè)試報(bào)告等，自動(dòng)化系統(tǒng)可以做出各種決策。不同的機(jī)器可以通過(guò)6LowPan subGhz RF 技術(shù)互聯(lián)，構(gòu)成網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，共享信息。

　　工業(yè)機(jī)器人

　　工業(yè)機(jī)器人是一種運(yùn)動(dòng)自由度很高的機(jī)器。在設(shè)定程序后，工業(yè)機(jī)器人可以完成制造、測(cè)試和生產(chǎn)任務(wù)，有助于實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)制造，節(jié)省人工成本，在對(duì)人體健康有害和不適宜人類生存的危險(xiǎn)環(huán)境中代替人類作業(yè)。新一代機(jī)器人靈活可變，能夠執(zhí)行程序，按照客戶的需求和意愿，一對(duì)一地量身定制產(chǎn)品。機(jī)器人有多顆傳感器，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)位置和角度。工業(yè)智能機(jī)器人之間也是無(wú)線通信，收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　工業(yè)照明

　　在非制造類設(shè)施用電量中，照明用電占相當(dāng)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(fèi)。智能照明系統(tǒng)可以通過(guò)6LowPan subGhz網(wǎng)絡(luò)監(jiān)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(cè)故障燈具，甚至還能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)燈光亮度。燈桿上還可以安裝氣象監(jiān)測(cè)設(shè)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(yīng)鏈完全融為一體，這個(gè)概念覆蓋自動(dòng)化控制、先進(jìn)機(jī)器人、電機(jī)控制、傳感器、互聯(lián)機(jī)器等。智能制造設(shè)施能夠自動(dòng)訂購(gòu)原料，在故障發(fā)生前提出維修請(qǐng)求，能夠改進(jìn)工作條件，更安全地管理危險(xiǎn)制造活動(dòng)。智能制造設(shè)施也需要用到大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)。

　　經(jīng)濟(jì)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?cè)絹?lái)越近。

　　案例研究: 利用自動(dòng)化振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)視機(jī)器性能狀況

　　傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法

　　因?yàn)闄C(jī)器易磨損和斷裂，所以企業(yè)必須采用預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，定期檢查機(jī)器的部件，即便沒(méi)必要也得做，或者定期監(jiān)測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃通常外包給外部服務(wù)機(jī)構(gòu)，他們會(huì)定期派人上門監(jiān)測(cè)振動(dòng)參數(shù)。這種方法成本很高，因?yàn)槲衅髽I(yè)要承擔(dān)維修工的服務(wù)費(fèi)和差旅費(fèi)。此外，因?yàn)閿?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不是連續(xù)的過(guò)程，故障發(fā)生率仍然很高，致使故障不可預(yù)測(cè)。

　　智能監(jiān)測(cè)方法

　　機(jī)器本身配備傳感器和射頻通信模塊。傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)和溫度等參數(shù)，并通過(guò)BLE藍(lán)牙或RF subGhz無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳到云端進(jìn)行振動(dòng)分析和FFT分析。

　　機(jī)器振動(dòng)特征分析技術(shù)可提前發(fā)現(xiàn)各種故障或異常，例如，負(fù)載均衡、錯(cuò)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(jì)

　　加速度計(jì)用于測(cè)量工業(yè)機(jī)器沿X、Y、 Z三軸方向發(fā)生的加速度，還可以測(cè)量機(jī)器或機(jī)械臂的傾角。如果機(jī)器水平靜止，則X、Y兩軸輸出數(shù)據(jù)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(jī)器沿X軸旋轉(zhuǎn)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(jī)器的傾角。

　　加速度計(jì)還能測(cè)量沿水平和垂直方向的線性加速度，這些數(shù)據(jù)可用于計(jì)算機(jī)器的運(yùn)動(dòng)速率和方向，甚至還能計(jì)算高度變化率。

　　加速度計(jì)還能檢測(cè)機(jī)器振動(dòng)。在電機(jī)上安裝的加速度計(jì)為檢測(cè)故障類型提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。因?yàn)殡姍C(jī)負(fù)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(yù)測(cè)電機(jī)的檢修需求。

　　陀螺儀

　　陀螺儀是一種測(cè)量沿三軸方向的角速度的傳感器，能夠測(cè)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(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性，防止機(jī)器橫向晃動(dòng)。在收到陀螺儀信息后，電機(jī)控制器可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保機(jī)器或機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)行。陀螺儀還能讓機(jī)器或機(jī)械臂按照用戶要求的角度精確旋轉(zhuǎn)。

　　磁羅盤

　　顧名思義，磁羅盤為機(jī)器或機(jī)械臂提供運(yùn)動(dòng)方向數(shù)據(jù)。磁羅盤測(cè)量物體所在磁場(chǎng)沿X、Y、Z三軸方向的數(shù)據(jù)，并報(bào)送到微控制器，利用專門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(zhǔn)確的方向，應(yīng)將加速度計(jì)的傾角數(shù)據(jù)和磁羅盤數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。

　　磁羅盤的精確度很容易受到軟硬鐵或運(yùn)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、電路跡線等，可使羅盤指針發(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(zhǔn)算法。對(duì)于這個(gè)算法，最重要的是校準(zhǔn)快，人工干預(yù)少。

　　氣壓計(jì)

　　氣壓計(jì)可以把氣壓值換算成高度值。氣壓傳感器可測(cè)量地球大氣壓。氣壓計(jì)數(shù)據(jù)有助于機(jī)器或機(jī)械臂導(dǎo)航，達(dá)到目標(biāo)高度。升降速度估算的準(zhǔn)確性對(duì)包括機(jī)器人在內(nèi)的很多機(jī)器至關(guān)重要。意法半導(dǎo)體推出了新款數(shù)據(jù)速率200Hz的壓力傳感器LPS22HD，能夠滿足高度估算需求。

　　濕度傳感器

　　濕度傳感器可以測(cè)量濕度參數(shù)，用于氣象站、凝結(jié)度監(jiān)測(cè)、空氣密度監(jiān)測(cè)和氣體傳感器測(cè)量校正。

　　意法半導(dǎo)體濕度傳感器HTS221包括傳感器單元和模擬前端，通過(guò)數(shù)字串口輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。傳感單元包括聚合物電介質(zhì)平面電容結(jié)構(gòu)，能夠測(cè)量相對(duì)濕度變化。

　　MEMS麥克風(fēng)

　　MEMS麥克風(fēng)是一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的音頻傳感器。MEMS麥克風(fēng)的人氣越來(lái)越高，與傳統(tǒng)麥克風(fēng)相比，MEMS麥克風(fēng)信噪比高、尺寸小、數(shù)字接口、抗射頻干擾性強(qiáng)、抗振性強(qiáng)，主要用于攝像機(jī)、治安監(jiān)控和情報(bào)搜集等設(shè)備。

　　智能工業(yè)傳感器的重要特性

　　機(jī)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(jī)器傳感器應(yīng)該有很強(qiáng)的抗振性能，能夠捕捉更少的噪聲信號(hào)，響應(yīng)速度快，能夠捕捉到所有的振動(dòng)，性能穩(wěn)定，不受溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)變化的影響。最后，可靠性和性能應(yīng)該很高。

　　算法的作用

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

　　加速度計(jì)、陀螺儀和磁羅盤三個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。傳感器的短板包括校準(zhǔn)不完美、時(shí)間或溫度漂移、隨機(jī)噪聲。磁強(qiáng)計(jì)和加速度計(jì)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(kù)用于讓三個(gè)傳感器相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高校準(zhǔn)精度，在所有的場(chǎng)景中輸出精確的結(jié)果，不僅輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù)，而且還有角度和航向角信息以及四元數(shù)。

　　智能機(jī)器互聯(lián)技術(shù)

　　智能機(jī)器可以通過(guò)不同的通信連接技術(shù)聯(lián)網(wǎng)，低能耗藍(lán)牙和 Wi-Fi用于機(jī)器和手機(jī)之間的連接。Sub-1GHz射頻技術(shù)用于通過(guò)專屬協(xié)議連接傳感器網(wǎng)絡(luò)，兼具功耗低和通信距離遠(yuǎn)兩大優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)蜂窩通信和Sigfox用于將機(jī)器數(shù)據(jù)直接上傳到電信基礎(chǔ)設(shè)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(xì)地討論低功耗通信技術(shù)，例如，BLE、RF sub-1GHz和Sigfox。

　　低能耗藍(lán)牙 - 智能藍(lán)牙[BLE]

　　低能耗藍(lán)牙[BLE]又稱智能藍(lán)牙，是一種低能耗的機(jī)器連接通信技術(shù)，適用于低端機(jī)器，特別是玩具。支持機(jī)器與控制器之間雙向通信，例如，手機(jī)、平板、筆記本和專用遙控器。BLE協(xié)議可大幅延長(zhǎng)機(jī)器電池的續(xù)航時(shí)間，令Wi-Fi和Classical Bluetooth等傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)望塵莫及。

　　低能耗藍(lán)牙工作在免牌照費(fèi)的2.4GHz ISM頻段。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)是低能耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的管理者，所有大牌手機(jī)廠商都支持該標(biāo)準(zhǔn)。

　　目前低能耗藍(lán)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(yùn)行低能耗藍(lán)牙協(xié)議，包括控制器、主設(shè)備和協(xié)議棧。與運(yùn)行不同的藍(lán)牙應(yīng)用協(xié)議和應(yīng)用的主微控制器交互，網(wǎng)絡(luò)處理器還需要一個(gè)單獨(dú)的微控制器。網(wǎng)絡(luò)處理器是一個(gè)獨(dú)立的平臺(tái)，為用戶選擇最適合的微控制器或操作系統(tǒng)提供很大的靈活性。BlueNRG-MS是意法半導(dǎo)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(dāng)主控制器和從控制器兩個(gè)角色，可以讓一個(gè)遙控器當(dāng)手機(jī)的從設(shè)備，機(jī)器的主控制器。

　　b. 系統(tǒng)芯片

　　系統(tǒng)芯片(SOC)是一個(gè)獨(dú)立的芯片組，包括控制器、主設(shè)備、應(yīng)用協(xié)議棧和應(yīng)用。意法半導(dǎo)體的BlueNRG-1是 BLE 4.2認(rèn)證系統(tǒng)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(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)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(hào)，不同的國(guó)家為工業(yè)和科研領(lǐng)域分配了不同的免牌照費(fèi)的無(wú)線電波段。

　　下面是各個(gè)國(guó)家的免費(fèi)無(wú)線電波段。

　　· 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(yuǎn)，功耗低。缺點(diǎn)是不能直連手機(jī)，應(yīng)用不廣泛。

　　Sigfox是采用sub-1GHz頻率的需要付費(fèi)的LPWAN服務(wù)。Sigfox技術(shù)可直連電信基礎(chǔ)設(shè)施上云。通信距離長(zhǎng)達(dá)幾公里。在機(jī)器內(nèi)，Sigfox可用于跟蹤，向云端上傳傳感器數(shù)據(jù)。作為直連電信基礎(chǔ)設(shè)施的低速率通信技術(shù)，預(yù)計(jì)未來(lái)不會(huì)取代BLE等控制直連技術(shù)和RF sub-1GHz直接對(duì)等連接。

　　意法半導(dǎo)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(dá)+16dbm，靈敏度低至-130dbm，工作電流極低，可在機(jī)器與遙控器之間建立對(duì)等連接。這還是一款Sigfox認(rèn)證產(chǎn)品，可直接將機(jī)器連至Sigfox網(wǎng)絡(luò)上云，無(wú)需通過(guò)網(wǎng)關(guān)，因?yàn)楣臉O低，電池電量可用10年。

　　開(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　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(jí)開(kāi)源開(kāi)發(fā)平臺(tái)很重要。

　　意法半導(dǎo)體推出了STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境，為設(shè)計(jì)人員使用意法半導(dǎo)體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了一個(gè)靈活多變、經(jīng)濟(jì)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(tái)外，開(kāi)發(fā)環(huán)境還提供驅(qū)動(dòng)軟件、中間件和應(yīng)用例程，以及相關(guān)的 Android和iOS代碼。

　　用戶只要在電腦上簽署一份授權(quán)協(xié)議，就可以使用這些高級(jí)軟件庫(kù)。在平臺(tái)測(cè)試成功后，設(shè)計(jì)人員就可開(kāi)發(fā)自己的印刷電路板，裝載在這個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的固件。用戶只有在自己的電路板上測(cè)試應(yīng)用時(shí)，才需要簽署生產(chǎn)級(jí)軟件庫(kù)許可證。

　　SensorTile

　　SensorTile是一個(gè)方磚狀微型設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有遠(yuǎn)程感測(cè)運(yùn)動(dòng)、環(huán)境和聲學(xué)等參數(shù)所需的全部功能，讓設(shè)備開(kāi)發(fā)人員集中精力研發(fā)機(jī)器或機(jī)械臂的空氣動(dòng)力、電機(jī)控制和物理設(shè)計(jì)，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(yù)防性和預(yù)測(cè)性機(jī)器維護(hù)方法，監(jiān)控安裝在危險(xiǎn)和危害人體健康的環(huán)境中的機(jī)器，因?yàn)榫S護(hù)技師無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)檢修，為企業(yè)節(jié)省一大筆維修費(fèi)。

　　結(jié)論

　　實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(fù)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(dǎo)體擁有30余年的工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和深厚的應(yīng)用知識(shí)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(dǎo)體有自己的先進(jìn)制造設(shè)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。