智能工業(yè)傳感器和聯(lián)網(wǎng)技術

　　前言

　　智能工業(yè)是一個描述制造設施網(wǎng)絡化和自動化的術語。在智能工業(yè)時代，工廠生產(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，車間人機協(xié)同性更高。

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

　　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，標志著以蒸汽機為動力的機械工業(yè)時代的來臨，每個勞動力參與大規(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，機械設備的動力由蒸汽變?yōu)殡娏?，大?guī)模生產(chǎn)首次出現(xiàn)勞動分工，每個工人只負責產(chǎn)品加工過程中的一個工藝，不再自始至終的全程參與生產(chǎn)過程。

　　第三次工業(yè)革命發(fā)生在20世紀70年代，因為電子信息技術的廣泛應用，制造過程實現(xiàn)自動化，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)展史上的一個重要里程碑，半導體工業(yè)成為自動化發(fā)展的引擎。

　　第四次工業(yè)革命發(fā)生在今天，機器變得越來越智能，人機交互更加直觀，新機器可以自主監(jiān)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(shù)據(jù)、分析學和分權決策方法提高供應鏈的可靠性和生產(chǎn)運營效率。

　　在智能工業(yè)時代，制造過程更加高效和環(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，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

　　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，必要時還能高效地儲備電能。今天，電機能效比過去高很多;照明系統(tǒng)可以通過無線網(wǎng)絡遠程控制燈具，只在需要時才點亮。

　　智能和感知

　　智能機器使用傳感器測量振動、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，所有的智能機器互聯(lián)上云，提供底層的實時信息，融入一個超大供應鏈。傳感器信息被安全地送到云端，供分析技術使用，包括停機預測。

　　智能工業(yè)應用領域

　　工廠自動化

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

　　工業(yè)機器人

　　工業(yè)機器人是一種運動自由度很高的機器。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，有助于實現(xiàn)高品質(zhì)制造，節(jié)省人工成本，在對人體健康有害和不適宜人類生存的危險環(huán)境中代替人類作業(yè)。新一代機器人靈活可變，能夠執(zhí)行程序，按照客戶的需求和意愿，一對一地量身定制產(chǎn)品。機器人有多顆傳感器，能夠準確地監(jiān)測運動位置和角度。工業(yè)智能機器人之間也是無線通信，收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　工業(yè)照明

　　在非制造類設施用電量中，照明用電占相當大的比例。如果燈具不用時還點亮，大量的電能將被浪費。智能照明系統(tǒng)可以通過6LowPan subGhz網(wǎng)絡監(jiān)控每支燈具，只在必要時才會開啟燈具，并自動檢測故障燈具，甚至還能遠程調(diào)節(jié)燈光亮度。燈桿上還可以安裝氣象監(jiān)測設備和治安攝像頭。

　　智能制造

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

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

　　案例研究: 利用自動化振動監(jiān)測技術監(jiān)視機器性能狀況

　　傳統(tǒng)監(jiān)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，即便沒必要也得做，或者定期監(jiān)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機構，他們會定期派人上門監(jiān)測振動參數(shù)。這種方法成本很高，因為委托企業(yè)要承擔維修工的服務費和差旅費。此外，因為數(shù)據(jù)監(jiān)測不是連續(xù)的過程，故障發(fā)生率仍然很高，致使故障不可預測。

　　智能監(jiān)測方法

　　機器本身配備傳感器和射頻通信模塊。傳感器連續(xù)監(jiān)測振動和溫度等參數(shù)，并通過BLE藍牙或RF subGhz無線技術將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關，再送到云服務器。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)關將數(shù)據(jù)傳到云端進行振動分析和FFT分析。

　　機器振動特征分析技術可提前發(fā)現(xiàn)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(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性加速度，這些數(shù)據(jù)可用于計算機器的運動速率和方向，甚至還能計算高度變化率。

　　加速度計還能檢測機器振動。在電機上安裝的加速度計為檢測故障類型提供關鍵數(shù)據(jù)。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(wěn)定性，防止機器橫向晃動。在收到陀螺儀信息后，電機控制器可以動態(tài)調(diào)節(jié)電機轉速，確保機器或機械臂穩(wěn)定運行。陀螺儀還能讓機器或機械臂按照用戶要求的角度精確旋轉。

　　磁羅盤

　　顧名思義，磁羅盤為機器或機械臂提供運動方向數(shù)據(jù)。磁羅盤測量物體所在磁場沿X、Y、Z三軸方向的數(shù)據(jù)，并報送到微控制器，利用專門算法算出以北極為參照點的航向角，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(shù)據(jù)和磁羅盤數(shù)據(jù)綜合應用。

　　磁羅盤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，需要一個磁傳感器校準算法。對于這個算法，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(shù)據(jù)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(nèi)的很多機器至關重要。意法半導體推出了新款數(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

　　濕度傳感器可以測量濕度參數(shù)，用于氣象站、凝結度監(jiān)測、空氣密度監(jiān)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，通過數(shù)字串口輸出測量數(shù)據(jù)。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

　　MEMS麥克風是一種將聲音信號轉化成電信號的音頻傳感器。MEMS麥克風的人氣越來越高，與傳統(tǒng)麥克風相比，MEMS麥克風信噪比高、尺寸小、數(shù)字接口、抗射頻干擾性強、抗振性強，主要用于攝像機、治安監(jiān)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、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，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程中，軟件庫在其中發(fā)揮著重要作用。算法可提升傳感器的功能性，實現(xiàn)預想不到的功能。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、陀螺儀和磁羅盤三個運動傳感器有各自的優(yōu)缺點。傳感器的短板包括校準不完美、時間或溫度漂移、隨機噪聲。磁強計和加速度計受失真問題困擾，陀螺儀本身有漂移問題。傳感器融合算法庫用于讓三個傳感器相互取長補短，提高校準精度，在所有的場景中輸出精確的結果，不僅輸出經(jīng)過校準的傳感器數(shù)據(jù)，而且還有角度和航向角信息以及四元數(shù)。

　　智能機器互聯(lián)技術

　　智能機器可以通過不同的通信連接技術聯(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射頻技術用于通過專屬協(xié)議連接傳感器網(wǎng)絡，兼具功耗低和通信距離遠兩大優(yōu)點。移動蜂窩通信和Sigfox用于將機器數(shù)據(jù)直接上傳到電信基礎設施。

　　下表列出了各種連接技術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，例如，BLE、RF sub-1GHz和Sigfox。

　　低能耗藍牙 - 智能藍牙[BLE]

　　低能耗藍牙[BLE]又稱智能藍牙，是一種低能耗的機器連接通信技術，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、筆記本和專用遙控器。BLE協(xié)議可大幅延長機器電池的續(xù)航時間，令Wi-Fi和Classical Bluetooth等傳統(tǒng)無線技術望塵莫及。

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

　　目前低能耗藍牙芯片市場有兩大陣營。

　　a. 網(wǎng)絡處理器

　　網(wǎng)絡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)絡處理器還需要一個單獨的微控制器。網(wǎng)絡處理器是一個獨立的平臺，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是意法半導體開發(fā)的兼容BLE 4.1的網(wǎng)絡處理器，能夠同時充當主控制器和從控制器兩個角色，可以讓一個遙控器當手機的從設備，機器的主控制器。

　　b. 系統(tǒng)芯片

　　系統(tǒng)芯片(SOC)是一個獨立的芯片組，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(tǒng)芯片，包含15個GPIO引腳、I2C、SPI、UART、PWM、PDM和160kB RAM。這款芯片還提供BLE 4.2.的先進數(shù)據(jù)安全和隱私保護功能。

　　RF sub-1GHz

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

　　下面是各個國家的免費無線電波段。

　　· 北美: 315, 433, 915Mhz

　　· 歐洲433, 868Mhz

　　· 印度: 433, 865-867Mhz

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

　　Sigfox是采用sub-1GHz頻率的需要付費的LPWAN服務。Sigfox技術可直連電信基礎設施上云。通信距離長達幾公里。在機器內(nèi)，Sigfox可用于跟蹤，向云端上傳傳感器數(shù)據(jù)。作為直連電信基礎設施的低速率通信技術，預計未來不會取代BLE等控制直連技術和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)絡上云，無需通過網(wǎng)關，因為功耗極低，電池電量可用10年。

　　開發(fā)平臺

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

　　意法半導體推出了STM32開放式開發(fā)環(huán)境，為設計人員使用意法半導體產(chǎn)品開發(fā)應用提供了一個靈活多變、經(jīng)濟實惠的解決方案。STM32開發(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，開發(fā)環(huán)境還提供驅(qū)動軟件、中間件和應用例程，以及相關的 Android和iOS代碼。

　　用戶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，設計人員就可開發(fā)自己的印刷電路板，裝載在這個平臺上開發(fā)的固件。用戶只有在自己的電路板上測試應用時，才需要簽署生產(chǎn)級軟件庫許可證。

　　SensorTile

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

　　該解決方案可以開發(fā)預防性和預測性機器維護方法，監(jiān)控安裝在危險和危害人體健康的環(huán)境中的機器，因為維護技師無需到現(xiàn)場檢修，為企業(yè)節(jié)省一大筆維修費。

　　結論

　　實現(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)是當務之急。低功耗傳感器和通信連接技術的問世為智能工業(yè)的發(fā)展提供了可能。多元化的傳感器和連接技術正在解決諸多的復雜難題，要是放在過去，這些難題是根本無法解決的，即使能夠解決，也需要付出很大的代價。

　　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)市場提供優(yōu)化的解決方案。意法半導體有自己的先進制造設施，市場領先的創(chuàng)新技術，以及豐富的開發(fā)工具、軟件和技術支持。