移動式高靈敏振動感知自適性傳輸系統設計驗證

摘要：馬達在工業生產中扮演重要角色，透過振動量測技術評估馬達健康程度，已經是智慧化工廠常見的量測手段。然而在導入移動式振動方案時往往因為靈敏度需求必須於解析度與持久度之間取捨，無法同時兼顧高流量與低能耗。本文提出一訊息感知自適性節能機制，利用資料數據變異性，讓藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)無線傳輸模組自動調適休眠時間，達到節省BLE能耗之目的，以實現BLE運作時機最佳化，用來解決長時間進行馬達設備診斷與監測時，BLE振動資料傳輸模組能耗問題。透過導入生產線機台的案例數據歸納，可得到採用本方案帶來能耗節省達89%的最佳化效益驗證結果。

Abstract：Motors play an important role in industrial production. Assessing the health of motors through vibration measurement technology has become a common measurement method in smart factories. However, when introducing mobile vibration solutions, there is often a trade-off between resolution and durability due to sensitivity requirements, and it is impossible to take into account high flow and low energy consumption at the same time. This article proposes a message-aware adaptive energy-saving mechanism that uses data variability to allow the Bluetooth Low Energy (BLE) wireless transmission module to automatically adjust the sleep time to save BLE energy consumption. Optimization is used to solve the energy consumption problem of the BLE vibration data transmission module when diagnosing and monitoring motor equipment for a long time. By summarizing the case data of the imported production line machines, we can get the optimal benefit verification result of using this solution to save energy consumption by up to 89%.

關鍵詞：移動式、振動感知、節能

Keywords：Mobility, Vibration sensing, Energy saving

前言

馬達在工業生產中具有不可或缺的角色，其正常運行直接關聯到工廠的生產穩定性，因此需要科學的振動量測方式來持續評估其運作狀態。儘管存在多種物理指標，如溫度、電流等，振動量測仍是最直接且廣泛的方式，原因是馬達只要發生劣化，一定會產生磨損造成間隙變大，於高速旋轉過程中導致振動量增加，因此偵測馬達振動量為健康度依據是最有效直接的方法。

對於振動的偵測，目前主要有固定式與移動式兩種方案。固定式方案允許長期、高解析度的數據收集，但在設置過程中需考量佈線與外接電源，特別是在已建好的工廠中。相對而言，移動式方案提供更多彈性，但需頻繁更換電池以保持連續性。在現有振動量測大多使用外掛式，因便利性與佈建價格考量，充電式藍芽低功耗BLE（Bluetooth Low Energy）振動量測相關產品，接受度較高，然而大多充電式BLE振動量測產品只能運作約5~6天，需經常更換電池，往往造成系統整合商與使用者相當大的困擾[1]。因此，如何在節省設備維護人力與使用移動式振動感知方案的基礎上，如何有效控制資料傳送期與休眠期的配比成為一大挑戰。

本文旨在解決移動式方案中能耗的問題，提出一種自適性節能機制。這一機制利用BLE模組，根據數據變異性自動調整休眠時間，以減少能耗。實驗結果證明，相對於既有無線傳輸方案，這一機制能節省高達89 %的能量，並將馬達監測期限延長到至少半年。以下將逐一回顧無線傳輸節能機制相關文獻，接著描述實驗系統架構與自適性機制，並提出實驗操作方式與測試情境驗證結果，最後分享案場導入實例並歸納效益以及為此應用進行結論說明。

相關文獻檢視

藍牙無線傳輸技術已普遍使用在近距離(10公尺內)點對點應用上，關於傳輸時減少能源消耗的技巧有很多種，分析傳輸協定從底層到上層而言可區分為以下4類包含PHY硬體層、MAC存取層、APP驅動層與APP應用層；仰賴PHY硬體層達到節能的方法如[2]，透過藍芽與無線WIFI硬體普遍整合為一體的單晶片優勢，利用了配備藍牙與WLAN接口的移動設備的多無線電功能，根據每個節點的頻寬需求動態地重組集群，能源使用和應用類型，利用頻段共享協作以減少能源消耗。透過MAC存取層控制達到節能的方法如[3]提出了一種用於Low-Duty-Cycle中配備藍牙的無線電能量消耗的現實模型，該模型基於藍牙模組的經驗能耗測量，能使用戶在保持數據速率的同時優化其無線電通信的能耗。而透過APP驅動層達到節能效果的有[4][5]，文獻中提出了一種於協定中優化連接間隔(connect interval)分配，藉以滿足延遲限制，以延長 BLE 節點的睡眠時間來達到節能的效果，並且分析最佳advertisement interval對能源消耗的影響，對於給定數量的BLE advertisers與最佳advertisement interval可以明顯減少discovery time與能耗。另外透過APP應用層規律性自動啟閉設計方式達到節能的文獻有[6]，藉由策略通過根據節點接近的預期頻率決定何時打開與關閉藍芽接口來達成節能。綜觀以上文獻，不論是底層PHY方式或者上層APP應用層設計都屬於固定或規律式休眠達到能源節省，無法真正檢知傳輸數據意義，並針對數據內容作適當節能回應。本文利用資料的變異性來決定休眠時間，透過資料傳輸過程檢知(data aware)數據物理意並選擇性僅傳輸具備決定性振動參數資料，捨棄不具影響之冗餘資料，保留電量執行必要資料傳輸以達到省電最佳化效益。

自適性節能機制系統設計

1.高靈敏藍牙基礎功能

振動感知系統通常由一個振動感測器與無線傳輸模組組成。振動感測器吸附於振動來源設備，負責感應產生振動數據，而無線傳輸模組則負責將振動數據收集打包，再透過無線方式傳送至接收器，最後由主機匯集並解析振動資料。選擇振動感測方案時，我們綜合評估了多家供應商，如ADI、Kionix、和ST等，並從售價、性能、訊號雜訊比、可靠性等多方面出發做比較；最終，為了符合大數據振動檢知分析所需之高解析度原生資料需求，我們選定了靈敏度最高規之Kionix KX122-1037系列，其具有16 位解析度、10 kHz的取樣率，使得振動數據產生速率達到480 kbps。為確保原生振動數據的高保真性，無線傳輸模組設計了一個最高可達640 kbps的藍芽傳輸對口。我們也對該藍芽傳輸率進行了專門的驗證，如圖1所示。資料流經由BLE Peripheral端無線傳送至BLE Central端，再由接收模組經UART傳送至主機端。我們使用了700 kbps的測試數據包，經過詳細的序號對比和資料率計算，確保資料流無遺失或重複。此結果證明了本方案已具備高靈敏的無線振動檢知能力。

圖 1 藍牙單點傳輸率對口

2.節能設計理念

    為達到節能省電且可長時間監測與診斷馬達振動數據，本文提出運作(Running)、休眠(Hibernate)、探測(Probe)三種運作狀態與一種狀態轉換決策機制，如圖2架構所示。

    運作期啟用所有硬體資源，可取得來自振動感測器(Sensor)之振動原生資料，經過運算元計算後，透過BLE傳送至接收端，此狀態耗電量為100 %。休眠期關閉振動感測、無線傳輸、運算元，僅保留計時器倒數功能，進入休眠後系統達到最少元件運作狀態，此狀態耗電量趨近於0 %，直到倒數時間終了，運作元件才會再次甦醒。探測期如同運作期，可取得振動感測器之振動資料，但並不會將資料透過藍芽傳送，而僅於計算元件中完成振動數據預處理，達到振動資料變異性識別為目的，並將識別結果提供給運算元件之狀態轉換機制做判斷，此狀態耗電量介於運作與休眠之間，經過元件耗電規格分析之耗電程度是50 %。