Condition Monitoring Zustandsbasierte Instandhaltung mit drahtlosen MEMS-Sensoren (Teil 2)

Von Chris Murphy, Richard Anslow *

MEMS-Sensorik ist inzwischen so ausgereift, dass sie klassische IEPE-Sensoren für die vorausscheuende Wartung in elektrischen Antrieben ablösen können. Diese dreiteilige Artikelserie zeigt die Vorzüge, den Nutzen und die mögliche Kostenersparnis am Beispiel einer MEMS-Entwicklung.

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Mitarbeiter bei der Schwingungserfassung für die zustandsorientierte Überwachung des Antriebs.
Mitarbeiter bei der Schwingungserfassung für die zustandsorientierte Überwachung des Antriebs.
(Bild: ADI)

Was Sie in dieser Artikelserie erwartet:

Der Teil 1 diskutiert beispielhaft Design-Einschränkungen bei der Auswahl eines geeigneten MEMS-Sensors und drahtlosen Transceivers zur zustandsbasierten Wartung beim Einsatz in rauen HF-Umgebungen. Im Verlauf erklärt dieser Artikel die Voyager-Plattform, eine robuste, drahtlose Mesh- Vibrations-Überwachungs-Plattform mit geringem Stromverbrauch. Diese erlaubt es den Entwicklern, schnell ein drahtloses Überwachungssystem in einer Maschine oder einen Testaufbau zu integrieren.

Im vorliegenden Teil, dem Teil 2, geht es u.a. um die Analysefähigkeit bei Pumpen-Anwendungen. Markttrends und Umsatzwachstum werden skizziert. Es folgen technische Betrachtungen zum drahtlosen CbM-Modul EV-CBM-VOYAGER3-1Z, zu SmartMesh-Netzwerken, Signalketten und den Stromverbrauch.

Teil 3 thematisiert die unterschiedlichen mechanischen Fehlerarten wie Unwucht, Ausricht- und Lagerfehler am Motor, die das System Voyager aufdecken kann. Weiterhin diskutiert der Artikel am Beispiel Voyager detailliert die reale Leistung sowie mehrere unterschiedliche Betriebsmodi, die zwischen Arbeitsweisen mit höheren Datenraten und extrem geringem Stromverbrauch variieren.

Künftiger Trend: Der Wunsch nach neuen Umsatzströmen

Pumpen machen einen großen Anteil an den heute weltweit in Fabriken eingesetzten rotierenden Maschinen aus und es wird prognostiziert, dass dieser globale Markt von heute 38,34 Mird. US-$ bis 2015 auf 46,92 Mrd. US-$ zulegt. Einige dieser Pumpen sind kritisch, weil sichergestellt sein muss, dass ein Prozess stets ungehindert weiterläuft, was eine zustandsbasierte Überwachung erfordert, um ungeplante Stillstandzeiten zu vermeiden.

Was hält die Zukunft für solche Pumpen bereit? Laut einer kürzlich durchgeführten Studie von Frost & Sullivan werden Pumpen dafür Analysefähigkeiten bekommen und intelligenter werden. Das Wachstum der Pumpen-OEMs wird von auf Dienstleistungen basierenden Analysen, KI oder maschinellem Lernen (ML) getrieben, um Diagnoseinformationen zu bieten, die helfen die Leistung und Zuverlässigkeit der Pumpen zu verbessern. Es wurde herausgefunden, das nach 2025 bis zu 60% des Umsatzes der Pumpen-OEMs vermutlich aus Dienstleistungsaktivitäten generiert wird. Damit wird der Übergang in der Pumpenindustrie von einem produkt- zu einem dienstleistungsorientieren Geschäftsmodell eingeleitet. Dieser Übergang wird primär getrieben von der rapiden Digitalisierung der Fertigung (IIoT = Industrial Internet of Things) aber auch durch die Fortschritte bei der CbM-Hardware und den Algorithmen, KI und ML. Es wird vorhergesagt, dass die traditionelle Schwerindustrie wie Wasser/Abwasser-Aufbereitungsanlagen, Ölraffinerien und Gasförderanlagen diese intelligenten Pumpen einsetzen, da sie ihren Betrieb digitalisieren wollen. Für neugebaute Fabriken ist es aber wahrscheinlich, dass sie auch weiter drahtgebundene CbM-Systeme nutzen werden, aber was ist mit den Anlagen in bestehenden Fabriken? Um das serviceorientierte Geschäftsmodell auch auf installierte Pumpen und andere rotierenden Maschinen anwenden zu können, bieten drahtlose CbM-Systeme eine schnelle, nahtlose und zuverlässige Lösung.

Beispiel drahtloses CbM-Modul EV-CBM-VOYAGER3-1Z

Die in Bild 1 dargestellte Voyager-Plattform ist ein robustes, drahtloses Mesh-Vibrationsüberwachungssystem mit geringem Leistungsbedarf. Es erlaubt eine drahtlose Lösung schnell an einer Maschine oder in einen Testaufbau zu integrieren.

Bild 1: Das drahtlose CbM-Modul Voyager.
Bild 1: Das drahtlose CbM-Modul Voyager.
(Bild: ADI)

Die Entwickler können damit rasch die MEMS-Sensortechnik zur Vibrationsüberwachung von ADI und gleichzeitig auch die SmartMesh-IP-Technik für industrielle drahtlose Messaufgaben evaluieren. Das Ziel ist es, die Entwicklung von Anlagenüberwachungssystemen und Lösungen zu beschleunigen. Das Sensor-/Mess-/Sende-/Empfangs-Modul (Mote) besteht aus dem mechanischen Gehäuse und Anschluss-Hardware sowie einem Industriestandard-¼-28-Gewindeanschluss (stud attachment). Das Voyager-System kann einfach direkt an einem Motor oder Testadapter montiert werden.

SmartMesh-IP-Produkte für Drahtlos-Sensornetze

SmartMesh-IP-Produkte für drahtlose Sensornetzwerke sind ICs und vorzertifizierte Baugruppen mit integrierter Mesh-Netzwerk-Software, die es den Sensoren ermöglichen, in rauen IIoT-Umgebungen zu kommunizieren. Sie sind kompatibel zum Internet-Protokoll (IP) und basieren auf den Standards 6LoWPAN und 802.15.4. 6LoWPAN wird mit dem Internet-Protokoll (IPv6) und dem LoWPAN (low-power wireless personal area network) gebildet. Die SmartMesh-Produktlinie hat einen geringen Leistungsbedarf und bietet selbst in rauen, sich dynamisch ändernden HF-Umgebungen eine Datenübertragungssicherheit von > 99,999%.

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Bild 2 zeigt die hoch skalierbaren sich selbst-konfigurierenden sogenannten Multihop-Mesh-Netzwerke mit drahtlosen Knoten, die Daten sammeln und weiterleiten, kombiniert mit einem Netzwerk-Manager, der die Leistung und Sicherheit überwacht sowie Daten mit einer Host-Applikation austauscht.

Bild 2: Verbindungen in einem SmartMesh-IP-Netz.
Bild 2: Verbindungen in einem SmartMesh-IP-Netz.
(Bild: ADI)

Das Mesh-Netzwerk formt sich automatisch, wenn der Manager und die Motes eingeschaltet werden. Motes, die sich außerhalb des Sende-/Empfangsbereichs des Managers befinden, leiten Datenpakete über Motes innerhalb dieses Bereichs weiter. Wenn die Kommunikationsverbindung eines Knotens wegen Rauschens gestört ist, können Daten/Pakete über einen anderen Pfad mit anderer Betriebsfrequenz geleitet werden. Damit werden Daten um eine Störquelle herum oder von ihr weggeleitet. So wird die Selbstheilung oder eine den drahtgebundenen Lösungen entsprechende Datenübertragungssicherheit (99,999%) der SmartMesh-IP erreicht.

Das Voyager-Kit wurde für das sogenannte Mote-Hopping der SmartMesh-IP getestet. Dabei kann ein Mote, das außerhalb des Sende-/Empfangsbereichs des Netzwerkmanagers liegt, über ein anderes Mote innerhalb dieses Bereichs zum Netzwerkmanager „hüpfen“, wie es Bild 2 zeigt. Dieses Netzwerk mit mehrfachen Verbindungspfaden stellt sicher, dass auch Motes außerhalb des Sende-/Empfangsbereichs Daten an den Netzwerkmanager streamen können.

Wo passt SmartMesh-IP am besten?

SmartMesh-IP-Netzwerke sind für IIoT-Anwendungen (Industrial Internet of Things) ausgelegt. In Fabriken sind Sensoren an Anlagen üblicherweise in Gruppen (cluster) angeordnet, wie in Bild 3 gezeigt.

Bild 3: Sensoren sind in einer Werkshalle dicht und nahe beieinander platziert.
Bild 3: Sensoren sind in einer Werkshalle dicht und nahe beieinander platziert.
(Bild: ADI)

Anlagen, die eine periodische oder sogar kontinuierliche Überwachung erfordern, können an unterschiedlichen Stellen in der Fabrikhalle platziert sein, werden aber in den meisten Fällen nicht weiter als 100 m voneinander entfernt sein. SmartMesh-IP mit tausenden von Knoten in sehr dichten Gruppen wurde z.B. bereits erfolgreich in Datenzentren implementiert.

In der Vergangenheit waren drahtlose Kommunikationsgeräte mit sehr geringem Leistungsbedarf empfindlich auf Störungen, wie sie in den Fabrikhallen generiert werden. Dies ist jetzt nicht nur ein Bereich, in dem sich SmartMesh-IP bewährt, sondern sie wurde speziell für den Einsatz von dichten Sensorgruppen in rauen Industrieumgebungen entwickelt, in denen eine Datenübertragungssicherheit wie bei drahtgebundenen Lösungen gefordert wird und eine synchrone Überwachung oder Steuerung nötig ist.

SmartMesh-IP-Netzwerke kommunizieren über eine TSCH-Verbindung (time synchronized channel hopping), einer Technik, der vom SmartMesh-IP-Team von Analog Devices der Weg bereitet wurde, und die ein Grundelement von Standards von drahtlosen Mesh-Netzwerken, wie WirelessHart (IEC 62591) und IEEE 802.15.4 geworden ist. In einem TSCH-Netzwerk sind alle Motes im Netzwerk auf einige wenige Mikrosekunden miteinander synchronisiert. Die Netzwerkkommunikation ist in Zeitschlitzen organisiert, was den Austausch von Low-Power-Datenpaketen, paarweises Kanalsprungverfahren und uneingeschränkte Pfadvielfalt erlaubt. Der Einsatz von TSCH ermöglicht es SmartMesh-Geräten zwischen den vorgesehenen Kommunikationen in einem Zustand mit extrem geringer Stromaufnahme zu „schlafen“, was zu einem Arbeitszyklus von typisch 1% führt. Der Netzwerkmanager nutzt TSCH um sicherzustellen, dass die Motes genau wissen wann sie sprechen, hören oder schlafen. Dies stellt ebenfalls sicher, dass keine Datenpakete im Netz kollidieren und es eine extrem geringe Stromaufnahme an jedem Knoten gibt – das Verbinden von Knoten benötigt typisch < 50 µA.

SmartMesh-Netzwerke befinden sich unter den sichersten Mesh-Netzwerken die heute verfügbar sind. Der gesamte Datenverkehr in einem SmartMesh-IP-Netzwerk ist durch Verschlüsselung, Integritätsprüfung der Nachricht und Geräteauthentifizierung geschützt. Zusätzlich enthält der Netzwerkmanager Applikationen, die das sichere Eintreten in ein Netzwerk, Schlüssel-Generierung und Austausch der Schlüssel erlauben.

Die Voyager-Signalkette

Bild 4 zeigt den vereinfachten Überblick einer drahtlosen Vibrationsüberwachungsplattform. Sie enthält ein dreiachsiges Vibrationssensor-Board ADXL356 und den stromsparenden Mikrocontroller ADuCM4050. Eine robuste SmartMesh-IP-Baugruppe mit geringem Leistungsbedarf LTC5800 ist über eine Chip-Antenne eingebunden. Dieses Kit hat auch einen SmartMesh-IP-USB-Dongle, der als Netzwerkmanager für das drahtlose Netz fungiert. Auf GitHub sind dafür eingebettete Firmware und ein GUI-Code verfügbar.

Bild 4: Allgemeiner Überblick über die Voyager-Hardware und GUI.
Bild 4: Allgemeiner Überblick über die Voyager-Hardware und GUI.
(Bild: ADI)

Eine lange Batterielaufzeit des Voyager-Moduls war die Schlüsselanforderung in der Entwicklung und deshalb wurden Hochleistungs-Bausteine mit geringem Strombedarf gewählt, um Vibrationsdaten zu messen, zu konditionieren, zu verarbeiten und zu übertragen, wie in den Bildern 5 und 6 dargestellt.

Bild 5: Vereinfachtes Blockdiagramm der ADXL356-Signalkette.
Bild 5: Vereinfachtes Blockdiagramm der ADXL356-Signalkette.
(Bild: ADI)

Bild 6: Vereinfachtes Blockdiagramm des ADuCM4050/SmartMesh.
Bild 6: Vereinfachtes Blockdiagramm des ADuCM4050/SmartMesh.
(Bild: ADI)

Stromverbrauch der Voyager-Signalkette

Der Stromverbrauch im aktiven Betrieb und im Standby für jeden Teil der Signalkette (den Leistungsdaten im Datenblatt für den schlechtesten Fall entnommen) ist in den Bildern 7 bzw. 8 illustriert.

Bild 7: Leistungsverbrauch der Signalkette im aktiven Modus.
Bild 7: Leistungsverbrauch der Signalkette im aktiven Modus.
(Bild: ADI)

Man beachte, dass hier der SmartMesh-IP-Transceiver nicht enthalten ist, da sein Verbrauch wesentlich differenzierter ist als nur in aktivem oder Standby-Modus. Der aktuelle Leistungsverbrauch der Signalkette ist geringer. Im aktiven Betrieb verbraucht der ADuCM4050 am meisten Leistung, da er Vibrationsdaten mit bis zu 1,8 MS/s abtastet, filtert und eine DFT ausführt, bevor er die Daten über UART an den SmartMesh-Transceiver weiterleitet.

Bild 8: Leistungsverbrauch der Signalkette im Standby-Modus.
Bild 8: Leistungsverbrauch der Signalkette im Standby-Modus.
(Bild: ADI)

Die beiden Bilder 7 und 8 belegen, wie extrem wichtig der Stromverbrauch des MEMS-Beschleunigungsaufnehmers ist, wenn er Daten überträgt oder im Standby-Modus ist. Ob man eine periodische Überwachung (z.B. einmal alle sechs Stunden) oder eine kontinuierliche Überwachung plant, diese Werte sind wesentlich, um sicherzustellen, dass die batteriebetriebenen Sensoren auch effektiv arbeiten. Im aktiven Betrieb verbraucht der ADXL356 rund 1,4% des gesamten Leistungsbedarfs der Signalkette. Verglichen mit einem typischen Piezo-Sensor hat der ADXL356 einen wesentlich geringeren Leistungsverbrauch. Ein typischer Piezo-Sensor mit 4 mA Konstantstrom und einer Versorgung von 24 bis 30 V verbraucht fast 100 W. Es gibt zwar Piezo-Sensoren mit geringerem, um bis zu 90% gesenktem Leistungsverbrauch, aber sie eignen sich damit immer noch nicht für einen langfristigen Einsatz in batteriebetriebenen Sensornetzwerken.

Tabelle 1: Vergleich des aktiven und Standby-Stromverbrauchs von CbM-geeigneten MEMS-Beschleunigungsaufnehmern mit dem Verbrauch der Voyager-Signalkette.
Tabelle 1: Vergleich des aktiven und Standby-Stromverbrauchs von CbM-geeigneten MEMS-Beschleunigungsaufnehmern mit dem Verbrauch der Voyager-Signalkette.
(Bild: ADI)

Im Standby-Modus benötigt der ADXL 39% des Gesamtstroms der Signalkette. Obwohl dies hoch erscheinen mag, sollte man einen Vergleich und eine Qualifizierung mit einer großen Palette von MEMS-Sensoren machen, die sich für Vibrationsmessungen in CbM-Anwendungen eignen. Tabelle 1 zeigt dies, damit man die daraus resultierenden Leistungskompromisse bezüglich Rauscheigenschaft und Stromverbrauch besser versteht.

Bild 9: Vergleich des Standby-Stroms mit der Rauschdichte der MEMS-Sensoren.
Bild 9: Vergleich des Standby-Stroms mit der Rauschdichte der MEMS-Sensoren.
(Bild: ADI)

Die Bilder 9 und 10 zeigen den Strombedarf und das Rauschen für die MEMS-Sensoren im aktiven und Standby-Modus. Der Stromverbrauch des ADXL356 im aktiven Modus ist zusammen mit MEMS C4 am geringsten, wobei diese Kombination aber nicht mehr für neue Designs empfohlen wird.

Bild 10: Vergleich des aktiven Stromverbrauchs mit der Rauschdichte der MEMS-Sensoren.
Bild 10: Vergleich des aktiven Stromverbrauchs mit der Rauschdichte der MEMS-Sensoren.
(Bild: ADI)

MEMS B zeigt zwar den höchsten aktiven Stromverbrauch (11,5-mal höher als der ADXL356), man sollte aber beachten, dass MEMS B verbunden mit einer hohen Bandbreite das geringste Rauschen aufweist, und somit, verglichen mit allen C-MEMS-Sensoren, eine höhere Leistung besitzt.

Obwohl der ADXL356 und MEMS B den höchsten Standby-Strom haben, ist das Rauschverhalten dieses Sensors 1,6- bis 9-mal besser, als das aller in Bild 10 dargestellten Alternativen. Das inverse Verhältnis von Stromverbrauch und Rauschdichte ist klar zu erkennen und sollte beachtet werden, wenn man einen MEMS-Vibrationssensor für batteriebetriebene Anwendungen auswählt.

Ein weiterer Vorteil des ADXL356 ist sein Keramikgehäuse, das eine exzellente Stabilität und Leistung über die Temperatur bietet. Dies ist besonders wichtig, wenn man bedenkt, dass die meisten MEMS-Sensoren die für drahtlose Geräte entwickelt sind, in für IP6x ausgelegte Gehäuse eingebaut werden. In einigen Fällen ist das Gehäuse auch noch vergossen. Keramikgehäuse können hohen externen Kräften durch diese Vergussmasse standhalten, und damit die Leistungsdaten im Datenblatts des Sensors auch im realen Einsatz sichern. Für MEMS in Plastikgehäusen ist Verguss nicht empfohlen , da Krümmungen des Gehäuses zur Verringerung der Leistung des Sensors führen.

Einschalt/Hochfahrzeiten der MEMS-Sensoren

Bei MEMS-Sensoren hängt die Einschaltzeit (power-up) von der Zeitspanne ab, die er benötigt, um vom ausgeschalteten in den Standby-Modus zu kommen. Die Hochfahr- oder Start-Up-Zeit (turn-on/start-up) ist die Zeitspanne, um vom Standby- in den Messmodus überzugehen. Tabelle 2 zeigt dies. Für den ADXL356 ist diese Spezifikation gültig, wenn der Ausgang innerhalb von 5 mg des Endwertes liegt.

Tabelle 2: Einschalt-/Hochfahrzeiten der MEMS-Sensoren.
Tabelle 2: Einschalt-/Hochfahrzeiten der MEMS-Sensoren.
(Bild: ADI)

Diese Zeiten muss man beachten, wenn man kritische Anlagen überwacht, denn ist die Hochfahrzeit zu lang, könnten wichtige Vibrationsdaten nicht erfasst werden, wenn das System aus dem Standby in den Messmodus übergeht. Um Energie zu sparen ist der Leistungsverbrauch beim Übergang zwischen den Betriebsmodi in einem System, das zyklisch mit Strom versorgt wird, noch wichtiger. Betrachtet man die in Tabelle 2 gezeigte Hochfahrzeit (turn-on) mit der Zeit, in der MEMS C1, MEMS C2 und MEMS C4 valide Daten nach einem Worst-Case von über 1,3 s gemessen haben, haben die anderen Sensoren bereits Messungen durchgeführt und waren für eine beträchtliche Zeit wieder im Standby, was weiter Strom spart.

Bild 11: Stromverbrauch für den ADXL356, MEMS B und MEMS C1 für den Start-up, dann einer 1-s-Messung mit der langsamsten Start-up-Zeit von MEMS C1, zweimal in einer Spanne von 4,5 s wiederholt.
Bild 11: Stromverbrauch für den ADXL356, MEMS B und MEMS C1 für den Start-up, dann einer 1-s-Messung mit der langsamsten Start-up-Zeit von MEMS C1, zweimal in einer Spanne von 4,5 s wiederholt.
(Bild: ADI)

Bild 11 vergleicht ADXL356, MEMS B und MEMS C1 beim Übergang vom Standby- in den Messmodus, dem Messen der Beschleunigung für 1 s mit einer angenommen linearen Versorgungs-Rampe während dieses Übergangs, um dann während einer Periode von 4,5 s wieder zurück in den Standby-Modus zu gehen. Obwohl MEMS B eine schnellere Versorgungseinschaltzeit (power-up) hat, ist der Stromverbrauch im aktiven Betrieb für eine Messung von 1 s signifikant höher, als die des ADXL356. MEMS C1 benötigt im schlechtesten Fall ebenfalls bis zu 1,3 s, um in den Messmodus zu kommen, was bedeutet, dass es länger für die Messung der gleichen Daten braucht, als ADXL356 und MEMS B, und damit effektiv mehr Leistung verbraucht (der Durchschnittstrom für MEMS B ist 573 µA, für MEMS C1 172 µA und den ADXL356 sind es 77 µA). Wenn MEMS B und ADXL356 Daten mit der langsamsten Geschwindigkeit von MEMS C1 messen, können beide Bauteile 55% im Standby-Modus bleiben, während MEMS C1 nur für einige wenige ms in diesen Modus übergeht.

Bild 12: Stromverbrauch für den ADXL356, MEMS B und MEMS C1 für den Start-up, gefolgt von einer 5-s-Messung mit der langsamsten Start-up-Zeit von MEMS C1 in einer Spanne von 60 s.
Bild 12: Stromverbrauch für den ADXL356, MEMS B und MEMS C1 für den Start-up, gefolgt von einer 5-s-Messung mit der langsamsten Start-up-Zeit von MEMS C1 in einer Spanne von 60 s.
(Bild: ADI)

Bild 12 zeigt für den Stromverbrauch eine aktive Datenaufnahme von 5 s pro Minute, wobei das Bauteil den Rest der Zeit im Standby-Modus verbringt. Der Durchschnittsstrom ist 128 µA für MEMS B, 23,4 µA für MEMS C1 und 32 µA für den ADXL356.

Bild 13: Stromverbrauch für ADXL356, MEMS B und MEMS C1 für Start-up, gefolgt von einer 5-s-Messung und anschließend 60 s ausgeschaltet.
Bild 13: Stromverbrauch für ADXL356, MEMS B und MEMS C1 für Start-up, gefolgt von einer 5-s-Messung und anschließend 60 s ausgeschaltet.
(Bild: ADI)

Selbst bei weniger häufigen Messungen (5 s alle 60 s) liegt der durchschnittliche Stromverbrauch von MEMS C1 und ADXL356 trotz der Unterschiede des Stromverbrauchs im aktiven und Standby-Modus sehr nahe beieinander. Wenn die Messrate geringer ist, wäre es sinnvoller den MEMS-Sensor zwischen den Messungen auszuschalten, um den Stromverbrauch weiter zu senken. Die Werte nach Bild 13 für MEMS B=113 µA, MEMS C1= 23 µA. In diesem Fall hat der ADXL356 den geringsten durchschnittlichen Stromverbrauch von 13 µA.

Stromverbrauch der SmartMesh-IP

SmartMesh-IP-Transceiver (wie der LTC5800) haben mehrere unterschiedliche Stromverbrauchsprofile. Bild 14 zeigt den maximalen Stromverbrauch aus dem Datenblatt abhängig vom Betriebsmodus. Allerdings verbraucht eine typische SmartMesh-Chip-Konfiguration in einem Netzwerk und bei sinnvollem Betrieb wesentlich weniger Strom. Mehrere Faktoren bestimmen wieviel Strom verbraucht wird, einschließlich der Berichtsintervalle (1 Paket/Minute im Vergleich zu 1 Paket/Sekunde), Anzahl der nötigen „Sprünge“, um Daten zu übertragen, sowie die Paketgröße (1 bis 900 Byte) und Stabilität des Pfads (z.B. 80% bei dichten Netzwerken in Innenräumen).

Bild 14: Stromverbrauch einer SmartMesh-IP (ungünstigste Spezifikation im Datenblatt).
Bild 14: Stromverbrauch einer SmartMesh-IP (ungünstigste Spezifikation im Datenblatt).
(Bild: ADI)

Die aktuelle Batteriebetriebsdauer hängt von vielen Faktoren ab, z.B. wie lange Motes Daten sammeln und übertragen, im Vergleich zu der Zeit, die Motes schlafen. Die Paketgröße, Pfadstabilität, das Intervall zwischen den Übertragungen, die Sprungtiefe (Anzahl der Sprünge = hop depth) und viele weitere Faktoren tragen dazu bei, wieviel Strom die SmartMesh-IP-Motes verbrauchen.

Bild 15: Das SmartMeshPower und Estimator Tool.
Bild 15: Das SmartMeshPower und Estimator Tool.
(Bild: ADI)

Ein sehr nützliches und akkurates Werkzeug, der in Bild 15 dargestellte SmartMesh Power and Performance Estimator, ist erhältlich, um basierend auf wichtigen Faktoren die Leistung und den Stromverbrauch zu bestimmen.

Voyage-Modul: Einen kompletten Datensatz übertragen

Um den Stromverbrauch zu untersuchen ist es nützlich zu wissen, wie viele Datenpakete nötig sind, um einen vollständigen Datensatz von einem drahtlosen Mote zum SmartMesh-IP-Manager zu senden. Bei einem Berichtsintervall von 1 s werden vom Mote 60 Pakete/Minute an den Manager gesendet. Die in den x-, y- und z-Achsen gesammelten Daten bestehen aus je 512 Abtastungen mit 16 Bit (2 Byte) im Zeitbereich. Wie in Bild 16 zu sehen, werden auch FFT-Daten berechnet und mit übertragen.

Bild 16: Die Voyager-GUI zeigt die Daten im Zeit- und Frequenzbereich.
Bild 16: Die Voyager-GUI zeigt die Daten im Zeit- und Frequenzbereich.
(Bild: ADI)

(512 x 512/2) x 3 = 2304 Abtastungen, ergibt 2304 x 2 Byte = 4608 Byte. 90 Byte werden in einem SmartMesh-Paket gesendet. 4608 Byte/90 Byte = 51,2 Datenpakete. Demzufolge sind 52 SmartMesh-Pakete nötig, um einen vollständigen Datensatz vom drahtlosen Mote zum SmartMesh-IP-Manager zu senden.

Um den Leistungsverbrauch zu bestimmen, nimmt man als Beispiel ein Netzwerk mit 20 Motes, in denen die Motes in 4 Reihen (hops) mit je 5 Motes in jeder Reihe arrangiert sind. Setzt man die Datensatzgröße auf 90 Byte und die Berichtsrate auf 1 Paket pro Sekunde, verbraucht Mote-1 am Anfang der Reihe 587,9 µA nur für das SmartMesh-IC (unter statischen Bedingungen). Für die ungünstigsten dynamischen Bedingungen wird empfohlen, den Leistungsverbrauch um 30% zu erhöhen, was dann 587,9 µA x 1,3 = 764,3 µA ergibt. Diese Ergebnisse werden vom SmartMesh-Power-and-Performance-Estimation-Tool bestätigt.

Bild 17: SmartMesh-Batteriebetriebsdauer, abhängig von den erforderlichen Zwischenschritten (hops), um Daten zu übertragen.
Bild 17: SmartMesh-Batteriebetriebsdauer, abhängig von den erforderlichen Zwischenschritten (hops), um Daten zu übertragen.
(Bild: ADI)

Bild 17 zeigt die Bestimmung der Betriebsdauer der Batterie (2 x Saft LS14500) für das Voyager-Modul mit vier Sprüngen für zwei unterschiedliche Szenarien unter ungünstigsten Bedingungen: im ersten sind die Motes einmal alle 60 Minuten aktiv und im anderen in diesen 60 Minuten einmal pro Minute. Wie zu erwarten, hat das Szenario in dem die Motes 60 Minuten lang einmal pro Minute senden eine deutlich kürzere Batteriebetriebsdauer. Das Mote am Anfang des Sprungs 1 hat mehr Arbeit zu verrichten, da es alle von den Motes 2, 3 und 4 gesendeten Daten empfängt. Die Batteriebetriebsdauer des Hop-1-Motes beträgt 19,1 Tage (0,052 Jahre) während die des Hop-4-Motes 20,1 Tage (0,054 Jahre) beträgt. Wenn die Motes jede Stunde eine Minute lang senden, hält die Batterie des Hop-1-Motes 1,38 Jahre und die des Hop-4-Motes 2,12 Jahre.

Fassen wir zusammen: Dieser Artikel diskutierte einige der großen Trends, die den rapiden Einsatz und die großen Fortschritte vorantreiben, die man derzeit im CbM-Markt sieht. Hochleistungs-MEMS-Sensoren mit geringem Leistungsbedarf und Komponenten höchster Qualität und geringer Verlustleistung für die Signalkette sind wichtig, um die CbM-Industrie mit den drahtlosen Funktionen zu versorgen, die sich schnell in Anlagen integrieren lassen. Damit können auch die ungeplanten Stillstände, die sich auf Kosten von jährlich $ 50 Milliarden belaufen, vermieden werden. Der Überblick über die Mesh-Technologien zeigte einen umfassenden Blick auf die Hauptunterschiede zwischen konkurrierenden drahtlosen Techniken und hob hervor, welche sich am besten für raue HF-Umgebungen eignen, in denen eine synchrone Überwachung und Steuerung bei gleichzeitig höchster Datenübertragungszuverlässigkeit, die mit drahtgebundenen Technologien vergleichbar ist, erforderlich sind.

Die Auswahl des geeignetsten MEMS-Sensors kann schwierig sein, denn dabei müssen viele Dinge, wie Rauschen, Bandbreite und Beschleunigungsbereich beachtet werden. Aber auch Spezifikationen im Datenblatt, auf die weniger Bezug genommen wurde, wie die Hochfahrzeit (turn-on), müssen zusammen mit den für das gewünschte drahtlose System erforderlichen Datenraten beachtet werden, denn das hilft dabei zu entscheiden, welche Betriebsarten und Datenraten am geeignetsten sind.

Der Einsatz von drahtlosen Geräten in rauen HF-Umgebungen, wie in den Fabrikhallen, erfordert eine robuste Kommunikation gepaart mit geringem Leistungsverbrauch. Dieser Artikel illustrierte die Stromverbrauchswerte für die SmartMesh-Bausteine aus dem Datenblatt für die ungünstigsten Einsatzbedingungen und die des SmartMesh-Power-and-Performance-Estimation-Tools, um einen besseren Überblick darüber zu erhalten, was alles möglich ist. Mit diesem Werkzeug werden weitere Untersuchungen empfohlen, um eine bessere Bestimmung von Batteriebetriebsdauer und Leistung zu liefern, da Sensor-Netzwerke auf spezielle Anforderungen maßgeschneidert werden können.

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Damit endet Teil 2 der Serie. Im Teil 3 wird gezeigt, wie die Voyager-Plattform Fehler bereits in einem sehr frühen Stadium aufdeckt.

* Chris Murphy ... ist Applications Engineer bei ADI in Dublin, Irland. Richard Anslow ... ist System Applications Engineer bei ADI in Limerik, Irland.

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