白皮书
从有线传感器到无线传感器的推动力
详细了解状态监测行业中将传感器需求从有线推向无线的四大主因。
旋转设备资产基于状态的监测是一种管理工厂可靠性和安全性的方法，经数十年实践证明行之有效。 振动监测是其中的主要部分。传统上，加速度传感器安装在机器上，通过硬连接方式接回中央机械保护系统（例如振动监视器）。这种技术虽然可靠，但价格昂贵，因此通常用于大型旋转机器，如蒸汽涡轮机或大型燃烧（气体）涡轮机这类对工厂运营“至关重要”的机器。
而对于不太重要的资产（即所谓的配套设备），如离心泵和压缩机等，安装这类状态监测系统的业务案例则少之又少。然而，在某些情况下，这些机器的可用性对工厂的安全可靠运行亦非常重要，不能有丝毫损失。为此，需要经济实惠的状态监视器配套设备。
作为一种解决方案，无线加速度传感器被提出已有十余年。许多商业实施的结果好坏参半，原因有多种。而在 TE Connectivity (TE) 看来，推出这种无线传感器的技术和市场力量已充分融合。
行业推动力
我们认为，塑造这一市场空间的推动力至少有四个：
- 推动力 1：工厂运营者对于以经济实惠价格获取数据的需求日益增长
- 推动力 2：持续电气化显著提高了电池性能
- 推动力 3：物联网 (IoT) 兴起提升了数字无线电性能
- 推动力 4：物联网设备的边缘计算进一步增强无线通信
推动力 1
工厂运营者对于以经济实惠价格获取数据的需求日益增长
随着数字化进程不断发展，一条经验变得明晰起来，那就是：对于数据的需求是永无止境的。但是，必须以经济可行的方式提供这些数据。工厂资产的状态监测也不例外。
传统安装需要将一条多导线屏蔽电缆连接到安装在机器上的传感器，然后再一路连接回中央机械保护系统。电缆的总长度可能长达上百米。每个传感器都需要这样连接。多个传感器所需的电缆长度则会达到数千米。此外，为了满足国家电气规范® 和当地工厂要求，通常需要将从机器上的传感器接出的电缆的开头若干米装在导管内。接回到中心站的其余电缆通常捆束在较大的导管或电缆盘中。所有这些都增加了人力物力成本，而且不易扩展。
无线传感器解决了这个问题。无线网关硬接线回中心站。但是，多个无线传感器由一个网关处理，因此不再需要在机器上使用电缆和导管。现在，从网关返回中心站的单个电缆承载着来自多个传感器而不是一个传感器的数据。这种架构易于扩展，因为网关可以处理额外的无线传感器，或者可以安装额外的网关，来容纳额外的两到三倍的传感器，而在相同成本下传统方式无法完成这一任务。
推动力 2
持续电气化显著提高了电池性能
无线传感器显然需要电池才能正常工作。利用无线传感器是成功还是失败的最重要因素是电池性能。频频更换电量用尽的电池不仅偏离了使用无线传感器的经济目的，更不用说在传感器断电时的数据丢失了。
直到最近，电池性能的技术改进才跟上电子领域的其他性能改进的步伐。运输部门（电动汽车）和空中无人机的电气化推进大大降低了电池成本和提高了电池性能。锂电池仍然是无线应用的最佳技术和首选电源，且其价格已大幅下降，从 2010 年的每千瓦时 1,200 美元左右降到了 2018 年的每千瓦时约 175 美元。开电动车比开汽油车更便宜的日子已不遥远。随着电池续航时间延长，使用无线传感器变得经济可行。从每隔数月换一次电池，到每隔一年、两年甚至更长时间换一次，无线传感器的运行成本陡然间已具有了可与有线传感器竞争的能力。
推动力 3
物联网 (IoT) 的兴起提升了数字无线电性能
将设备连接到互联网，对其进行远程控制和管理，
从而极大地推动了数字无线电通信技术（包括无线电硬件和通信协议）的改进。随着智能手机以及永远在线平板电脑和 PC 的兴起，无线电硬件成本一直持续下降。移动应用要求使用超低功耗无线电芯片组，以延长电池寿命。所有这些设备生成的数据量极为庞大，因此要求高效、经济地使用无线带宽。
LoRaWANTM 和蓝牙低功耗 (BLE) 无线电通信方法已经得到广泛采用，成为最有前途的低功耗广域网 (LPWAN)。
LoRaWANTM 的优势：
- 亚千兆赫兹免许可无线电频谱
- 超低功耗，可延长电池寿命
- 传感器和网关之间远程运行的能力（5 公里或更长，取决于当地条件）
- 灵活的部署，能够深入渗透到混合环境
- 支持在需要时异步发送数据，从而进一步延长电池寿命。
BLE 的优势：
- 全球 2.4 GHz 免许可无线电频谱
- 超低功耗，可延长电池寿命
- 由于网关、智能手机和平板电脑的大量安装基础，可实现轻松通信
- 更大的数据带宽，通过传输原始数据来进行分析
- 允许在广播模式下发送数据，支持轻松连接并进一步延长电池寿命。
推动力 4
物联网设备的边缘计算进一步增强无线通信
多年前，戈登·摩尔 (Gordon Moore) 曾预言，数字设备的性能大约每隔 18 个月翻一倍（这称为“摩尔定律”）。这一预测通常是正确的，从我们现在的手机或可穿戴设备（如智能手表）拥有的巨大计算能力就可见一斑。这实现了边缘计算，使我们可以在网络末端（网络“边缘”）或接近网络末端的地方处理数据，而不是将原始形式的数据发送回中心站进行处理。
对于无线加速度传感器，一个可能显而易见的边缘计算应用便是在传感器自身上计算采样振动波形的 FFT（快速傅立叶变换）。在传统系统中，原始振动波形会被发送到中心站（作为模拟信号），并在那里计算 FFT。有了边缘计算后，可以直接在传感器中计算 FFT，然后将处理的数据发回。原始振动信号不再被发回，减少了带宽开销和电池耗电量。但这只是一个简单例子。最终，更多计算可以在传感器上完成。借助适当的算法，传感器可以“了解”它所在的机器，了解机器何时运行得好，何时运行得不好。用于构建真正智能化的状态监测加速度传感器的构造块已到位。
结论
在这些市场驱动因素的作用下，TE Connectivity 设计了 89xxN 和 85xxN 型无线加速度传感器。这款新型传感器具有易于扩展的无线架构，可满足工厂运营者对机器状况数据的需求。89xxN 采用内置的 LoRa™ 无线电，并使用 LoRaWANTM 协议与无线网关通信。根据采样率的不同，它可以将电池寿命延长至 4 年。89xxN 还支持用于设备配置的 BLE 连接，而且用户可以利用 TE 工具箱通过 LoRaWAN 网络配置传感器。85xxN 在设计上完全围绕通过 BLE 进行数据传输和配置。通过支持最新的蓝牙 5.0 标准，您可以确保此传感器与网关、智能手机或平板电脑无缝配合。涵盖所有机器和条件范围。8xx1N 平台在设计时考虑了灵活性。8911N 或 8511N 设计用于使用单轴加速度传感器进行更简单的单机分析。要进行更复杂的机器分析，可以使用利用三轴加速度传感器的 8931N 或 8531N。由于采用防水防尘设计并通过危险场所认证，89x1N 或 85x1N 可以安装在复杂的工厂环境中。
89xxN 或 85xxN 无线加速度传感器是 21 世纪工厂所需的状态监测传感器。
LoRaWAN 是一个商标。
