解决方案代替有线系统，以小巧轻便的三轴模拟器件取代单轴笨重的压电传感器，让经济高效地连续监控暴增的机器设备成为可能。对于维护和设施工程师而言，这意味着可通过全新的

　　全球有数以百万的电动机在持续运行，消耗全世界大约45%的电力。其中，一些最重要的电动机可享受有线状态监控系统的看护。研究显示，接受调查的公司中有82%曾经历过计划外维护，成本最高达到每小时250,000美元。对于那些经历过计划外停机的公司，基于两次停机事件的平均值，停机平均持续4小时，平均损失高达200万美元。

　　另一项研究发现，70%的公司不知道资产何时需要进行维护或升级工作。缺乏意识加上停机成本，推动公司走向数字化，大约50%的公司计划投资于数字孪生和人工智能(AI)。随着工业4.0运动的大规模开展，企业组织积极研究工业版图的数字化，以此提高生产力和效率。

　　该运动的一个关键方面是向无线传感器系统发展的趋势。未来几年，状态监控行业将出现显著增长，其中无线安装将占到增长的很大一部分。据估计，到2030年，全球智能制造业将部署近50亿个无线模块。众所周知，最关键资产需要有线状态监控系统，但当前部署的所有其他资产呢？对于一些老旧设施，安装有线解决方案是不可行的，这就增加了对无线状态监控解决方案的需求。

　　有线状态监控系统在性能、可靠性、速度和安全性方面非常出色，因此部署在最关键的资产上。由于这些优势，有线系统仍然更有可能部署在新建设施上。安装有线状态监控系统时，工厂车间可能不得不到处布设线缆，尤其是当某些机器不能受到干扰时，难度更大。工业有线传感器网络通常使用60m线缆，单条布设的成本从3000美元到20,000美元不等，包括材料和人工费用。某些情况下需要线束，这会增加额外的复杂性，安装可能很耗时。如果电缆通过现有基础设施布设，那么在受损或需要升级的时候，可能无法更换或重新布线。

　　虽然无线系统初看起来可能更昂贵，但更简单的维护程序加上易于扩展的能力，可以显著节省状态监控系统全寿命周期的成本。维护路线更少，布线和相关硬件也更少，这些都能节省成本。根据所需的报告级别不同，电池最长可以使用数年。如果可以部署基于能量采集的无线系统，那么维护将变得更容易，而且成本更低。选择无线系统后，下一个要关注的方面是哪种技术最适合您的状态监控应用？

　　无线网络尽管已经部署了数十年，但直到最近才在工厂车间广泛部署，这要感谢低功耗技术的进步以及无线网络对恶劣RF干扰的耐受力的提高。本节将讨论各种网格网络的优点。

　　有多种常见技术可用于创建低功耗、低数据速率网络，例如Bluetooth®Low Energy、Zigbee和6LoWPAN。如果想开发一个传输数据量相对较低、传输距离较短的密集无线传感器节点集群（比如工厂车间就需要这样的节点集群），那么这些低数据网格或多对多网络技术会是不错的选择。

　　网格网络可用于基础设施节点并相互无线所示。如果两个特定节点之间的通信链路受到干扰或噪声影响，这些节点可以互相帮助，扩展无线电信号，甚至可以将信号重新路由。网格技术最重要的特性之一是能够通过网络中各个节点将数据从一个节点发送到另一个节点，从而能够创建一个覆盖大面积的大型互连网络，而消耗的功率则非常少。例如，在图1中，节点1和节点3之间的距离很长，因此它们不能直接通信。但是，在节点1和节点3之间不存在直接链路的情况下，节点1可以通过节点2向节点3传输数据。

　　2显示了一个工厂车间示例，其中节点1测量一台电机的振动。此数据需要传输到节点6，但其间的距离超出了收发器的能力。数据直接从节点1传输到节点6的话，需要更高的发射功率和更高的接收器灵敏度。更高的发射功率一般意味着峰值电流消耗更高，因而需要更大的电池。若使用网格网络，此数据可以沿着节点1到节点6之间的每个节点跳过去，最终到达目的地。每个设备在较小范围内传输所需的功率，远小于在整个工厂车间形成更长的直接无线链路所需的功率。

　　自主配置：随着工业4.0成为现实，以及企业数字化程度的提高，工厂经理必须寻求更好的性能。这种探索的一个重要方面是要能在较小的地理位置添加高密度的无线设备集群，同时保持高度可靠的性能——在某些情况下几乎与有线系统一样好，而且几乎不需要手动配置，因为节点可以自行配置。

　　自愈：网格网络在不断地路由数据，因此不断受到来自工厂车间的噪声、干扰、多路径、衰落反射等的干扰。SmartMesh®IP系统（管理器和节点）持续监测每个节点的噪声水平并共享此数据，以便重新路由信号，使其远离可能存在高噪声的路径。

　　覆盖范围：只需添加或删除节点，即可轻松调整网络的大小。如图2所示，覆盖面积可以轻松扩展，而无线设备无需增加功耗。

　　或LoRaWAN可以实现远距离（长达6英里）的低数据速率通信，同时消耗的功率非常低。它基于各种频段，可实现点对点通信。因此，对于低功耗、长距离的点对点通信，这些解决方案很理想。NB-IoT或蜂窝网络的实施成本更高、更复杂，功耗高于网格技术，而传输的数据量却更小。但是，它确实提供高质量的蜂窝服务和对云的直接访问。如果您的无线解决方案需要长距离蜂窝接入以及比Zigbee高的数据速率，那么LTE-M可能值得考虑。

　　MEMS传感器还不足以与IEPE振动传感器竞争，如图3所示。MEMS传感器的主要限制在于噪声、带宽和g范围。低噪声是检测低水平振动以实现更早的故障检测甚至预测的关键。带宽很重要，因为许多资产/电机故障，如气穴现象、轴承问题和齿轮啮合等，最早常常发生在5kHz以上的频率，当然时间对于检测故障至关重要。g范围也很重要，因为较大的资产可以产生高达数百g的冲击或撞击，这可能会破坏专为不太苛刻操作而设计的MEMS传感器。

　　MEMS传感器是为多种应用而设计的，因此通常不会有多个特定于应用的特性，但状态监控至少需要三个特性。汽车碰撞检测MEMS传感器是具备高级特性且特定于应用的单一部件的典范。此类传感器被设计为具有高g范围，但带宽和/或噪声性能不足以用于状态监控和其他许多应用。开发适用于状态监控应用的MEMS传感器非常困难，这就是迄今为止成功的供应商很少的原因。

　　MEMS性能的这些进步，ADI对2010年和2017年发布的两款单轴模拟输出MEMS振动传感器进行了比较，如表2所示。两款MEMS加速度计均设计用于状态监控应用中的振动检测。这两款传感器的带宽都相当高，但噪声改进最为显著，以至于MEMS传感器现在可以与压电IEPE振动传感器竞争。

　　MEMS传感器上也实现了这种噪声改善，如表3所示。这些传感器并非专门为振动检测而设计，但它们是性能高超的MEMS传感器，能够在全带宽下检测到低于1 mgrms的振动。再加上出色的稳定性和可靠性，这些传感器已被证明在各种机械的状态监控应用中非常有效，无论是用作唯一的振动传感器，还是与其他宽带宽MEMS/IEPE传感器搭配使用。超低噪声、窄带宽(5kHz) MEMS传感器在检测许多资产的振动方面可以发挥关键作用，通常用在低转速和亚赫兹的情况下，或用在直流响应有利的情况下，例如纸张/工厂加工、食品/制药、风力发电、金属加工业。表3突出展现了多轴MEMS传感器性能从2009年到2017年的改善。应该注意的是，为了实现更宽的带宽、更低的噪声和更高的g范围，待机电流等规格相比更通用的MEMS传感器会更高。

　　12位至20位分辨率传感器，可提供最为可靠和精确的性能。此外，有线安装的较高成本也很容易被证明是合理的。对于重要性较低的资产，性能要求并不那么严格，资本支出上限可能要低得多。10位至16位的振动传感器分辨率是可以接受的，这是当今大多数基于MEMS的无线状态监控系统所涵盖的范围。

　　MEMS传感器在此类情况下可以提供的价值和灵活性，这一状况现已开始改变。图4显示了从10位到24位的潜在振动传感器分辨率。尽管MEMS的分辨率明显较低，但性价比优势很有吸引力，足以为监控中低重要性的资产提供合理性。

　　传感器的主要优势之一是低功耗，通常在µA范围内，甚至nA范围也是可能的。这使得它们非常适合于无线状态监控应用。有些压电传感器的功耗低至200µA左右，但它们缺乏集成特性，而且与MEMS相比价格昂贵。确实存在一些基于压电传感器的专用无线振动传感器，它们可以在高达104kHz的采样速率下提供24位分辨率，但与MEMS解决方案相比，电池寿命非常有限。这种无线振动传感器系统通常具有8小时的连续电池寿命。MEMS的另一个关键优势是可以将多达三个轴集成到一个小封装中。三轴压电传感器会更加昂贵、更大，并且需要更多的信号调理电路，这使得它们更不适合无线应用。

　　2025年，其全球市场将从383.4亿美元增长到469.2亿美元。其中一些泵对于确保流程持续畅通无阻地运行至关重要，这就需要状态监控以避免计划外停机。这种泵的未来会怎样？根据Frost&Sullivan最近的一份报告，泵将具备分析能力并变得智能化。泵OEM的增长将由服务驱动，服务基于分析、人工智能或机器学习(ML)，旨在提供有关提高泵性能和可靠性的诊断信息。研究发现，2025年之后，泵OEM收入的60%可能是来自与服务相关的活动，泵行业将从基于产品的模式转变为基于服务的模式。推动这种转变的主要因素是制造业的快速数字化(IIoT)，以及状态监控硬件和算法、人工智能、机器学习的进步。预计水/废水处理厂、炼油厂、天然气生产厂等传统重工业在寻求数字化运营时会使用这些智能泵。新建设施很可能会使用有线状态监控系统，但老旧设施上的现有设备怎么办？为了将这种基于服务的模式应用于已部署的泵和其他旋转机械，无线状态监控系统可以提供快速、无缝和可靠的解决方案。

　　平台（如图5所示）是一款稳健型低功耗无线网格网络振动监控平台，它让设计人员能够将无线解决方案快速部署到机器或测试设置中。设计人员可以快速评估用于振动监控的ADIMEMS传感器技术，同时评估用于工业无线检测的SmartMesh IP技术。总体目标是加速客户资产监控和解决方案开发。节点包括一个机械外壳和带有¼-28行业标准螺柱附件的安装硬件。Voyager解决方案可以轻松地直接安装到电机或测试电路上。

　　无线传感器网络产品是IC和预认证PCB模块，带网格网络软件，使得传感器可以在恶劣的工业物联网(IIoT)环境中进行通信。它们面向IP兼容性而构建且基于6LoWPAN和802.15.4e标准。6LoWPAN由Internet Protocol第6版(IPv6)和低功耗无线个人区域网络(LoWPAN)组。