智能工业兴起发展的关键--传感器和低功耗通信连接

前言

智能工业是一个描述制造设施网络化和自动化的术语。在智能工业时代，工厂生产效率更高; 从供应链角度看，产供更加灵活，按需定制程度更高，制造过程更环保节能，工业垃圾更少，工作环境更安全，车间人机协同性更高。

传感器和低功耗通信连接技术是互联智慧工业兴起发展的关键，本文详细介绍这两项技术近期取得的重大进步。

智能工业发展历程

第一次工业革命发生在18世纪，标志着以蒸汽机为动力的机械工业时代的来临，每个劳动力参与大规模生产的全部环节。

第二次工业革命发生在20世纪，机械设备的动力由蒸汽变为电力，大规模生产首次出现劳动分工，每个工人只负责产品加工过程中的一个工艺，不再自始至终的全程参与生产过程。

第三次工业革命发生在20世纪70年代，因为电子信息技术的广泛应用，制造过程实现自动化，大型机械设备被电子设备取代。这次革命还是半导体行业发展史上的一个重要里程碑，半导体工业成为自动化发展的引擎。

第四次工业革命发生在今天，机器变得越来越智能，人机交互更加直观，新机器可以自主监测性能状态、使用情况和故障状况，因此，能效、安全和灵活度更高。企业可以使用大数据、分析学和分权决策方法提高供应链的可靠性和生产运营效率。

在智能工业时代，制造过程更加高效和环保，工作环境更加安全，工人的工作体验更好，人机交互更直观，可以按照客户需求更灵活、大批量地制造产品。

智能工业启用技术

能效

智能机器在每种工作模式下都能保持高能效，可以将电能高效地转化成机械能，必要时还能高效地储备电能。今天，电机能效比过去高很多；照明系统可以通过无线网络远程控制灯具，只在需要时才点亮。

智能和感知

智能机器使用传感器测量振动、温度、湿度等参数，并将传感器数据送到处理器处理，将其变成有用的信息，智能机器与附近的操作员交互，将传感器信息提供给操作员。

通信连接

在工厂内部，所有的智能机器互联上云，提供底层的实时信息，融入一个超大供应链。传感器信息被安全地送到云端，供分析技术使用，包括停机预测。

智能工业应用领域

工厂自动化

工厂自动化是使用各种控制系统管理制造过程，让机器按照预定工序运行，尽可能减少人工干预。通过在制造过程中监测各种数据，例如，原料和成品的温湿度、故障检测、自动测试报告等，自动化系统可以做出各种决策。不同的机器可以通过6LowPan subGhz RF 技术互联，构成网格网络，共享信息。

工业机器人

工业机器人是一种运动自由度很高的机器。在设定程序后，工业机器人可以完成制造、测试和生产任务，有助于实现高品质制造，节省人工成本，在对人体健康有害和不适宜人类生存的危险环境中代替人类作业。新一代机器人灵活可变，能够执行程序，按照客户的需求和意愿，一对一地量身定制产品。机器人有多颗传感器，能够准确地监测运动位置和角度。工业智能机器人之间也是无线通信，收发数据。

工业照明

在非制造类设施用电量中，照明用电占相当大的比例。如果灯具不用时还点亮，大量的电能将被浪费。智能照明系统可以通过6LowPan subGhz网络监控每支灯具，只在必要时才会开启灯具，并自动检测故障灯具，甚至还能远程调节灯光亮度。灯杆上还可以安装气象监测设备和治安摄像头。

智能制造

智能制造将各种制造领域与供应链完全融为一体，这个概念覆盖自动化控制、先进机器人、电机控制、传感器、互联机器等。智能制造设施能够自动订购原料，在故障发生前提出维修请求，能够改进工作条件，更安全地管理危险制造活动。智能制造设施也需要用到大数据和人工智能技术。

经济实惠的低功耗传感器和通信连接技术正在让智能工业离我们越来越近。

案例研究： 利用自动化振动监测技术监视机器性能状况

传统监测方法

因为机器易磨损和断裂，所以企业必须采用预防性维护计划，定期检查机器的部件，即便没必要也得做，或者定期监测机器的运行状态。预防性维护计划通常外包给外部服务机构，他们会定期派人上门监测振动参数。这种方法成本很高，因为委托企业要承担维修工的服务费和差旅费。此外，因为数据监测不是连续的过程，故障发生率仍然很高，致使故障不可预测。

智能监测方法

机器本身配备传感器和射频通信模块。传感器连续监测振动和温度等参数，并通过BLE蓝牙或RF subGhz无线技术将数据上传至网关，再送到云服务器。传感器和射频通信模块的功耗极低，甚至可以选用电池作电源。网关将数据传到云端进行振动分析和FFT分析。

机器振动特征分析技术可提前发现各种故障或异常，例如，负载均衡、错位偏差、轴承缺陷、齿轮啮合等。

传感器在工业智能化中的作用

加速度计

加速度计用于测量工业机器沿X、Y、 Z三轴方向发生的加速度，还可以测量机器或机械臂的倾角。如果机器水平静止，则X、Y两轴输出数据是0g，而Z轴输出则是1g。1g是地球上所有物体都要承受的地球引力。如果机器沿X轴旋转90度，则X和Z两轴将输出0g，Y轴输出1g。在倾斜状态下，X、Y、Z三轴输出值在 0和1g之间，然后将输出值代入三角学公式，算出机器的倾角。

加速度计还能测量沿水平和垂直方向的线性加速度，这些数据可用于计算机器的运动速率和方向，甚至还能计算高度变化率。

加速度计还能检测机器振动。在电机上安装的加速度计为检测故障类型提供关键数据。因为电机负载失衡引起的故障、轴承缺陷和齿轮啮合故障三者的振动频率不同，这些信息可用于预测电机的检修需求。

陀螺仪

陀螺仪是一种测量沿三轴方向的角速度的传感器，能够测量俯仰、横滚、航向三轴的角度变化率。角速率变化信息可用于提高机器运行的稳定性，防止机器横向晃动。在收到陀螺仪信息后，电机控制器可以动态调节电机转速，确保机器或机械臂稳定运行。陀螺仪还能让机器或机械臂按照用户要求的角度精确旋转。

磁罗盘

顾名思义，磁罗盘为机器或机械臂提供运动方向数据。磁罗盘测量物体所在磁场沿X、Y、Z三轴方向的数据，并报送到微控制器，利用专门算法算出以北极为参照点的航向角，以确定地理方向。

为取得准确的方向，应将加速度计的倾角数据和磁罗盘数据综合应用。

磁罗盘的精确度很容易受到软硬铁或运行角度的影响。硬铁是存在于传感器附近的硬磁铁材料，可使罗盘的指针发生永久性偏移。软铁是传感器附近的弱磁铁材料、电路迹线等，可使罗盘指针发生可变性偏移。为滤除这些异常，需要一个磁传感器校准算法。对于这个算法，最重要的是校准快，人工干预少。

气压计

气压计可以把气压值换算成高度值。气压传感器可测量地球大气压。气压计数据有助于机器或机械臂导航，达到目标高度。升降速度估算的准确性对包括机器人在内的很多机器至关重要。意法半导体推出了新款数据速率200Hz的压力传感器LPS22HD，能够满足高度估算需求。

湿度传感器

湿度传感器可以测量湿度参数，用于气象站、凝结度监测、空气密度监测和气体传感器测量校正。

意法半导体湿度传感器HTS221包括传感器单元和模拟前端，通过数字串口输出测量数据。传感单元包括聚合物电介质平面电容结构，能够测量相对湿度变化。

MEMS麦克风

MEMS麦克风是一种将声音信号转化成电信号的音频传感器。MEMS麦克风的人气越来越高，与传统麦克风相比，MEMS麦克风信噪比高、尺寸小、数字接口、抗射频干扰性强、抗振性强，主要用于摄像机、治安监控和情报搜集等设备。

智能工业传感器的重要特性

机器很容易发生极端的工况，受到振动、噪声和环境的影响。工业机器传感器应该有很强的抗振性能，能够捕捉更少的噪声信号，响应速度快，能够捕捉到所有的振动，性能稳定，不受温度、湿度等环境参数变化的影响。最后，可靠性和性能应该很高。

算法的作用

在把传感器原始数据变成有意义的用例过程中，软件库在其中发挥着重要作用。算法可提升传感器的功能性，实现预想不到的功能。算法整合不同传感器发送的数据，然后输出上下文感知数据。

加速度计、陀螺仪和磁罗盘三个运动传感器有各自的优缺点。传感器的短板包括校准不完美、时间或温度漂移、随机噪声。磁强计和加速度计受失真问题困扰，陀螺仪本身有漂移问题。传感器融合算法库用于让三个传感器相互取长补短，提高校准精度，在所有的场景中输出精确的结果，不仅输出经过校准的传感器数据，而且还有角度和航向角信息以及四元数。

智能机器互联技术

智能机器可以通过不同的通信连接技术联网，低能耗蓝牙和 Wi-Fi用于机器和手机之间的连接。Sub-1GHz射频技术用于通过专属协议连接传感器网络，兼具功耗低和通信距离远两大优点。移动蜂窝通信和Sigfox用于将机器数据直接上传到电信基础设施。

下表列出了各种连接技术的通信距离和功耗情况。在下文中我们将更详细地讨论低功耗通信技术，例如，BLE、RF sub-1GHz和Sigfox。

低能耗蓝牙 - 智能蓝牙［BLE］

低能耗蓝牙［BLE］又称智能蓝牙，是一种低能耗的机器连接通信技术，适用于低端机器，特别是玩具。支持机器与控制器之间双向通信，例如，手机、平板、笔记本和专用遥控器。BLE协议可大幅延长机器电池的续航时间，令Wi-Fi和Classical Bluetooth等传统无线技术望尘莫及。

低能耗蓝牙工作在免牌照费的2.4GHz ISM频段。蓝牙技术联盟（SIG）是低能耗蓝牙标准的管理者，所有大牌手机厂商都支持该标准。

目前低能耗蓝牙芯片市场有两大阵营。

a.网络处理器

网络处理器运行低能耗蓝牙协议，包括控制器、主设备和协议栈。与运行不同的蓝牙应用协议和应用的主微控制器交互，网络处理器还需要一个单独的微控制器。网络处理器是一个独立的平台，为用户选择最适合的微控制器或操作系统提供很大的灵活性。BlueNRG-MS是意法半导体开发的兼容BLE 4.1的网络处理器，能够同时充当主控制器和从控制器两个角色，可以让一个遥控器当手机的从设备，机器的主控制器。

b.系统芯片

系统芯片（SOC）是一个独立的芯片组，包括控制器、主设备、应用协议栈和应用。意法半导体的BlueNRG-1是 BLE 4.2认证系统芯片，包含15个GPIO引脚、I2C、SPI、UART、PWM、PDM和160kB RAM。这款芯片还提供BLE 4.2.的先进数据安全和隐私保护功能。

RF sub-1GHz

顾名思义，RF sub-1GHz技术是以低于1GHz的载波频率传送信号，不同的国家为工业和科研领域分配了不同的免牌照费的无线电波段。

下面是各个国家的免费无线电波段。

·北美： 315， 433， 915Mhz

·欧洲433， 868Mhz

·印度： 433， 865-867Mhz

sub-1GHz技术的优点是噪声小，通信距离远，功耗低。缺点是不能直连手机，应用不广泛。

Sigfox是采用sub-1GHz频率的需要付费的LPWAN服务。Sigfox技术可直连电信基础设施上云。通信距离长达几公里。在机器内，Sigfox可用于跟踪，向云端上传传感器数据。作为直连电信基础设施的低速率通信技术，预计未来不会取代BLE等控制直连技术和RF sub-1GHz直接对等连接。

意法半导体最近推出了 RF sub-1GHz和 Sigfox收发器芯片S2-LP。这款产品的通信频率是430-470 MHz和860-940 MHz，输出功率高达+16dbm，灵敏度低至-130dbm，工作电流极低，可在机器与遥控器之间建立对等连接。这还是一款Sigfox认证产品，可直接将机器连至Sigfox网络上云，无需通过网关，因为功耗极低，电池电量可用10年。

开发平台

物联网市场正在飞速发展，产品能否成功，很大程度取决于研发时间和成本，在这种情况下，拥有一个价格划算、灵活可变、可伸缩的生产级开源开发平台很重要。

意法半导体推出了STM32开放式开发环境，为设计人员使用意法半导体产品开发应用提供了一个灵活多变、经济实惠的解决方案。STM32开发环境包括微控制器、传感器、射频芯片、模拟器件。除硬件平台外，开发环境还提供驱动软件、中间件和应用例程，以及相关的 Android和iOS代码。

用户只要在电脑上签署一份授权协议，就可以使用这些高级软件库。在平台测试成功后，设计人员就可开发自己的印刷电路板，装载在这个平台上开发的固件。用户只有在自己的电路板上测试应用时，才需要签署生产级软件库许可证。

SensorTile

SensorTile是一个方砖状微型设计平台，具有远程感测运动、环境和声学等参数所需的全部功能，让设备开发人员集中精力研发机器或机械臂的空气动力、电机控制和物理设计，而无需考虑通信连接和传感器集成等问题。

该解决方案可以开发预防性和预测性机器维护方法，监控安装在危险和危害人体健康的环境中的机器，因为维护技师无需到现场检修，为企业节省一大笔维修费。

结论

实现更高的生产率、更安全的工作环境和更高的能效，智能工业是当务之急。低功耗传感器和通信连接技术的问世为智能工业的发展提供了可能。多元化的传感器和连接技术正在解决诸多的复杂难题，要是放在过去，这些难题是根本无法解决的，即使能够解决，也需要付出很大的代价。

意法半导体拥有30余年的工业产品研发经验和深厚的应用知识积累，我们有能力为智能工业市场提供优化的解决方案。意法半导体有自己的先进制造设施，市场领先的创新技术，以及丰富的开发工具、软件和技术支持。