CN113196240A - 传感器设备 - Google Patents

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CN113196240A CN201980079193.5A CN201980079193A CN113196240A CN 113196240 A CN113196240 A CN 113196240A CN 201980079193 A CN201980079193 A CN 201980079193A CN 113196240 A CN113196240 A CN 113196240A
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T·钱尼
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Abstract

公开了一种传感器设备，其包括：传感器，其被布置为产生表示传感器附近感测到的时间相关特性的时域数据；以及信号处理组件，该信号处理组件被布置为利用时域数据产生频域数据，该频域数据指示时域数据中存在的频率分量。该传感器设备还包括数据传输组件，该数据传输组件被布置为传输频域数据的至少一部分。传感器设备被布置为选择与频域数据中的定义数量的最高峰相对应的频域数据的子集，并且传输选择的频域数据的子集。

Description

传感器设备
技术领域
本发明涉及一种用于感测工业设施中的组件的操作特性(例如LNG工厂中的组件的振动和温度特性)的传感器设备、一种包括多个此类传感器设备的传感器网络，以及一种感测工业设施中的组件的操作特性的方法。
背景技术
已知提供一种用于感测工业设施中的组件的操作特性(例如振动和温度)的传感器设备，并且典型地，这种传感器设备被布置为将采集的温度和振动信号通信到远程设施以进行分析。通常，这些设备至少在工业设施附近使用常规电缆或例如基于802.11x、LTE或802.15.4协议的无线通信布置来传送信号。
通常，要求用于感测操作特性的现有的传感器设备相对复杂，因为需要传送的采集的数据量较大。现有的传感器设备还往往较昂贵并且往往消耗相对大量的功率，以至于设备的使用寿命为大约2年，并且在某些情况下为几个月，这在工业设施中是一个极大的负担，因为通常使用大量的传感器设备。
另外，基于802.11x、LTE或802.15.4协议的常规通信电缆和通信设备较昂贵，以至于由于支持大量设备所需的基础设施，在工业设施中提供传感器设备变得成本高昂。
此外，基于诸如802.11x的协议的无线通信布置具有相对较高的载波频率(通常为2.4GHz)，以及通过障碍物(尤其是金属障碍物)的相关的有限范围(通常小于100m)和低穿透特性。这在包括许多金属障碍物的典型工业设施中是非常不利的。
因此，用于感测工业设施中的组件的操作特性的现有的传感器设备较昂贵、效率低并且难以实施。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种传感器设备，包括：
传感器，其被布置为产生表示传感器附近感测到的时间相关特性的时域数据；
信号处理组件，所述信号处理组件被布置为利用所述时域数据产生频域数据，所述频域数据指示所述时域数据中存在的频率分量；以及
数据传输组件，其被布置为传输所述频域数据的一部分；
其中，所述传感器设备被布置为基于定义的标准从所述频域数据中选择频域数据的子集，并且传输选择的所述频域数据的子集。
在一个实施例中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的定义数量的频率峰值。
在一个实施例中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的定义数量的最高频率峰值。
在一个实施例中，传感器被布置为对于其中产生时域数据的至少一些数据采集实例，以单个数据包传输选择的所述频域数据的子集。
在一个实施例中，根据所述单个数据包中能够包括的数据量来确定定义数量的频率峰值。
在一个实施例中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的33个最高频率峰值。
在一个实施例中，所述传感器设备还被布置为除了选择的所述频域数据的子集之外还发送其他数据。
在一个实施例中，根据单个数据包中能够包括的数据量来确定其他数据量。
在一个实施例中，述其他数据包括以下中的任意一个或多个：
最大峰值加速度幅值；
最小峰值加速度幅值；
平均加速度幅值；
时域加速度波峰因数；
频域均方根值；
频域正峰值平均值；
频域负峰值平均值；
通过对加速度频域数据积分导出的峰值速度数据值，例如其中，每个速度值是一组仓中的一个仓中的多个最大值或多个最大值中的一个；和/或
传感器所附接的组件的可旋转部分的转速。
在一个实施例中，所述传感器被布置为产生表示振动传感器附近的振动的时域振动数据。
在一个实施例中，所述传感器被布置为产生时域加速度数据、时域速度数据和/或时域位移数据。
在一个实施例中，所述数据传输组件被布置为使用LPWAN协议。LPWAN协议可以是LoRaWAN协议。
在一个实施例中，所述传感器设备包括与所述信号处理组件和所述数据传输组件分离的外部存储器，所述传感器设备被布置为将所述时域数据存储在所述外部存储器中，并且将所述时域数据加载到所述信号处理组件中进行处理。所述传感器设备被布置为将所述时域数据的连续部分加载到所述信号处理组件中，使得所述时域数据能够被分批处理。
在一个实施例中，选择的所述频域数据的子集是从定义的频带中选择的。
在一个实施例中，传感器设备包括功率管理器，所述功率管理器被布置为基于定义的功率管理标准来控制向至少一个传感器设备组件的功率提供。所述至少一个传感器设备组件可以包括传感器、至少一个传感器端口、与所述信号处理组件和所述数据传输组件分离的外部存储器，和/或重编程端口。
在一个实施例中，所述定义的功率管理标准被布置为当不使用所述至少一个传感器设备组件时使至少一个传感器设备组件与电源断开连接。
在一个实施例中，所述定义的功率管理标准定义了唤醒时间和睡眠时间，由此在唤醒时间期间使至少一个传感器设备组件连接到电源并且在睡眠时间期间使所述至少一个传感器设备组件与电源断开连接。
在一个实施例中，所述传感器设备包括至少一个功率开关，所述至少一个功率开关响应于来自所述功率管理器的激活信号，所述功率开关被布置为响应于所述激活信号使功率被提供给至少一个传感器设备组件，并且在没有激活信号的情况下使功率不被提供给至少一个传感器设备组件。所述至少一个功率开关包括至少一个FET，所述至少一个FET可以是MOSFET。
在一个实施例中，所述功率管理器被布置为根据定义的标准来控制所述数据传输组件进行的频域数据的传输，从而控制所述数据传输组件的使用。
在一个实施例中，所述功率管理器被布置为用数据逐渐填充缓冲器，直到所述缓冲器中的数据量足以填充所述数据传输组件所使用的数据包的有效载荷，以及被布置为当所述缓冲器中存在足够的数据时，使所述数据传输组件发送所述缓冲器中的数据。
在一个实施例中，所述功率管理器被布置为在满足至少一个定义的标准时发送所述数据，而与是否存在足够的数据来填充数据包无关。
所述至少一个定义的标准包括与传感器相关联的最大和/或最小允许值，并且所述功率管理器被布置为使得如果与所述传感器相关联的当前值超过最大或最小值，则传输所述当前值。
所述至少一个定义的标准包括与传感器相关联的最大允许差值，所述允许差值表示当前值和对应的先前值之间的差量，并且所述功率管理器被布置为使得如果当前差值超过最大差值，则传输当前值。
在一个实施例中，所述传感器设备被布置为基于接收到的传感器值来传输心跳通信消息，以指示监测的组件正在按预期运行，并且如果满足至少一个定义的标准，则发送频域数据。
在一个实施例中，所述信号处理组件被布置为执行快速傅立叶变换(FFT)过程以使用所述时域数据来产生FFT数据。
所述传感器设备可包括采样器，所述采样器被布置为产生时域数据样本，所述信号处理组件被布置为使用所述时域数据样本来产生指示时域样本中存在的频率分量的频域数据。
在一个实施例中，传感器设备包括至少一个另外的传感器，所述数据传输组件被布置为传输从所述至少一个另外的传感器导出的传感器数据的至少一部分。所述至少一个另外的传感器可包括温度传感器。
在一个实施例中，所述传感器包括加速度计，所述加速度计可被布置为在三个相互正交的轴上感测振动。
在一个实施例中，所述加速度计被布置为产生指示加速度、速度或位移的时域数据。
在一个实施例中，传感器设备包括可形成芯片上系统(SoC)设备的一部分的处理器，所述SoC设备包括所述数据传输组件。
在一个实施例中，传感器设备包括解码器，以在所述SoC设备的数据输入和所述传感器设备的组件之间进行多路复用。
在一个实施例中，传感器设备包括指示与所述传感器设备相关联的唯一标识符的机器可读代码。所述机器可读代码可包括QR代码。
在一个实施例中，所述传感器设备的组件被封装成使得所述组件与环境条件隔离。
在一个实施例中，传感器设备包括本安开关，所述本安开关被布置为控制从电池到所述传感器设备的所有电气组件的功率供应。本安开关可包括簧片开关和磁体，所述磁体能够被容纳在靠近所述簧片开关设置的凹部中，其中，当所述磁体未被容纳在所述凹部中时，所述簧片开关闭合，并且当所述磁体被容纳在所述凹部中时，由所述磁体提供的磁力使所述簧片开关打开。
在一个实施例中，传感器设备包括至少一个磁性部分，例如磁性支脚，用于将所述传感器设备附接到工业设施组件。
根据本发明的第二方面，提供了一种传感器网络，包括：
根据本发明的第一方面的多个传感器设备；
通信网络，其能够便于来自所述传感器设备的数据传输组件的数据传输；以及
远程设施，其通过所述通信网络与所述多个传感器设备进行网络通信，使得能够在所述远程设施处接收来自所述数据传输组件的数据传输。
根据本发明的第三方面，提供了一种使用传感器设备感测组件的操作特性的方法，所述方法包括：
将所述传感器设备设置在所述组件上；
为所述传感器设备提供传感器，所述传感器被布置为产生表示传感器附近感测到的时间相关特性的时域数据；
使用所述传感器设备的信号处理组件来利用时域数据产生频域数据，所述频域数据指示所述时域数据中存在的频率分量；
使用所述传感器设备的数据传输组件来传输所述频域数据的一部分；
其中，所述传感器设备被布置为从所述频域数据中选择频域数据的子集，并且传输选择的所述频域数据的子集。
附图说明
现将参考附图仅以举例的方式描述本发明，其中：
图1是根据本发明的实施例的传感器设备的示意图；
图2是图1的传感器设备的横截面图解视图，示出了本安开关；
图3是根据本发明的实施例的传感器网络的图形表示，该传感器网络包括图1和图2所示的多个传感器设备；
图4是示出图1和图2所示的传感器设备的组件的框图；
图5是图1和图2所示的传感器设备的功能组件和由该传感器设备的处理器实现的功能组件的图形表示；
图6a至图6c示出了从三轴加速度计采集的原始样本振动数据；
图7a至图7c示出了从图6a至图6c所示的原始样本振动数据获得的FFT数据；以及
图8是示出图1至图5所示的传感器设备的操作过程的流程图。
具体实施方式
参照附图，图1中示出了传感器设备10，其适合用于工业设施中以获得工业设施中的组件的操作特性，在该示例中为LNG工厂中的组件的振动和温度特性。这些组件可包括例如包含至少一个运动部件的组件，该运动部件包括压缩机、泵、电机和风扇；热交换器；开关机构；以及结构监测设备。可附加地或替代地获得其他操作特性，包括组件的速度和/或位移。
传感器设备10包括：外壳12，其封装传感器设备的组件，使得组件与环境条件隔离；以及多个支脚14(在该示例4中)，其在该示例中是磁性的，以便于传感器设备10磁性附接到工业设施中具有期望被监测的特性的组件。作为磁性附接的替代，将理解的是，传感器设备10可以以任何其他方式例如使用电缆扎带附接到工业设施组件。
在该示例中，识别标记设置在壳体12上以唯一地识别传感器设备，例如作为调试过程的一部分，其中，期望将传感器设备10与传感器设备将监测的特定工业设施组件相关联。在该示例中，识别标记包括诸如QR码16的机器可读代码。
传感器设备10还包括本安开关17，本安开关17用于通过将电源连接到传感器设备10的组件或从传感器设备10的组件断开电源来激活或停用传感器设备。在该示例中，本安开关17包括簧片开关18和细长磁体20，磁体20可被容纳在靠近簧片开关18设置的细长凹部22中。该布置使得当磁体20未被容纳在凹部22中时，簧片开关18闭合，并且当磁体20被容纳在凹部22中时，由磁体提供的磁力使簧片开关18打开。
将理解的是，本安开关17使传感器设备组件能够保持封装并与环境隔离，同时提供用于由用户激活和停用传感器设备的有效布置。
在替代布置中，代替使用簧片开关18和磁体20以便于传感器设备的激活和停用，传感器设备可包括机械开关和MOSFET，例如，使用分压器的电阻器来限制开关电流。
图3中示出了传感器网络30，该传感器网络30示出了设置在多个工业设施处的多个传感器设备10a、10b，在该示例2中为两个工业设施32a、32b。
每个工业设施32a、32b包括多个工业设施组件34a、34b，每个工业设施组件具有(在该示例中使用磁性支脚14)附连到该工业设施组件的相关联的传感器设备10a、10b。
每个传感器设备10a、10b与网关36a、36b通信，网关36a、36b被布置为从多个传感器设备10a、10b接收无线通信并且(在该示例中通过防火墙38a、38b)与本地服务器40a、40b无线通信。然后，每个本地服务器40a、40b例如以常规方式通过诸如因特网42的广域网与公共远程分析设施44通信，该公共远程分析设施44例如可用于分析从传感器设备10a、10b接收到的数据。
在该示例中，分析设施44包括防火墙46和远程服务器48，该远程服务器48可由本地终端50直接访问，或由远程终端52(例如通过因特网42)远程访问。
根据低功率广域网(LPWAN)配置每个工业设施32a、32b处的通信网络，LPWAN被布置为便于以低功率(但低比特率)进行远程通信。LPWAN的范围通常可达10公里，每通道的比特率为约0.3kbit/s至50kbit/s，并且基于LPWAN的设备通常可工作10年或更长时间，然后才需更换电池。在本示例中，使用了低功率、远程、易于扩展的LoRaWAN无线通信网络协议，但应当理解，可使用其他LPWAN协议。
澳大利亚的LoRaWAN使用915-930MHz载波频率运行。使用LoRaWAN协议的通信网络能够在16公里左右的距离上进行通信，并且与例如802.11x协议信号相比，LoRaWAN信号更容易在密集的金属环境中传输。此外，LoRaWAN协议使用扩频信号啁啾技术，该技术允许将数千个节点连接到每个网关，与802.11x、LTE和802.15.4协议相比，其提供了高度可扩展的网络。
另外，由于使用LPWAN协议的设备使用的功率明显低于例如802.11x、LTE或802.15.4协议的设备，因此，本传感器设备10a、10b的功耗明显低于迄今已知的相关传感器设备。
此外，由于使用LPWAN协议的通信网络的组件的成本明显低于802.11x、LTE或802.15.4网络所需的组件，因此本传感器设备10a、10b的成本明显低于迄今已知的相关传感器设备。
然而，由于LPWAN使用的频率明显低于例如802.11x，因此相对于802.11x，传感器设备10可用于传输数据的带宽被显著减小。
参照图4，示出了传感器设备10的组件60。组件60之间的互连包括数据连接70和功率连接72。
组件60包括芯片上通信系统(SoC)设备62，该设备具有处理器64和相关联的内部存储器66，以及射频调制解调器68，该射频调制解调器68被布置为向网关36无线地发送RF信号以及从网关36无线地接收RF信号。在该示例中，SoC设备62是包括Arm Cortex 3微控制器的Multitech xDot设备，但应当理解，可设想任何合适的SoC设备。
选择了具有非常低的功率使用特性的SoC，但其结果是内部存储器66的量过小而无法处理期望数量的振动数据样本。为此，还包括外部存储器90。
组件60包括：电池74，其在该示例中是3.7V电池；以及电池监测设备76，其被布置为监测电池电压以及例如周期性地向分析设施44发送指示电池电压的通信消息。
组件60还包括本安开关17，该本安开关17被布置为控制激活信号到第一功率开关80的通信，第一功率开关80响应于激活信号的接收而将来自电池74的功率提供给处理器64、RF调制解调器68和解码器82。
在该示例中，第一功率开关80包括诸如MOSFET的FET器件。
类似地，第二功率开关84响应于来自处理器64的激活信号，从而响应于激活信号的接收，第二功率开关84将来自电池74的功率提供给加速度计86、温度传感器88、外部存储器90、重编程端口92、第一传感器端口94和第二传感器端口96。
在该示例中，第二功率开关84包括诸如MOSFET的FET器件。
应当理解的是，尽管SoC设备62具有非常低的固有功率使用特性，但在不使用组件时，通过使用第二功率开关84从传感器设备10的组件主动移除功率，可将传感器设备10的功率使用概况维持在低水平。
基于选择的SoC设备62的类型和传感器设备10的功率管理布置，可设想的是，本传感器设备10将具有大约10年的生产寿命。
包括解码器82，从而能够增加连接到SoC设备62的端口的有效数量，解码器82用作SoC设备62的数据输入和加速度计86/外部存储器90/第一传感器端口94/和第二传感器端口96之间的多路复用器。解码器82可使用处理器64的芯片选择控制线来控制解码器82的多路复用功能。
加速度计86被布置为感测振动并且产生指示振动的信号。在该示例中，加速度计86在三个相互正交的轴上感测振动并且产生指示x、y和z正交振动的3个信号。指示振动的信号可以是指示加速度、速度和/或位移的信号，在该示例中，在三个相互正交的方向上。
在该示例中，加速度计86是基于ADXL345 MEMS的加速度计，但应当理解，可设想任何合适的加速度计。
在处理器64的控制下，指示从加速度计86接收到的原始振动信号的数据被暂时存储在外部存储器90中，该振动数据随后被加载到处理器内部存储器66中，从而处理器64能够对振动数据执行快速傅立叶变换(FFT)处理。在该示例中，执行的FFT处理基于通过对加速度计86产生的原始振动信号进行采样而获得的约65,536个振动数据点。
应当理解的是，由传感器设备10进行的板载(on-board)FFT分析是必要的，因为与LPWAN协议相关联的带宽(在该示例中为LoRaWAN)较低，以至于不可能发送大量的采样振动数据，但带宽足以传输指示FFT分析结果的数据。因此，在传感器设备10上实施FFT分析使得能够传输信息丰富的相对较小的数据集。在该示例中，传输的数据集具有大约200字节，因为这是LoRaWAN包有效载荷的大小。
在该示例中，温度传感器88是DS18B20温度传感器，但应当理解，可设想任何合适的温度传感器。
在该示例中，外部存储器90是4Mb的SRAM，使用SRAM是因为SRAM是易失性的，并且与闪存存储器不同的是，它能够承受大量写入，但应当理解，可设想任何合适的外部存储器。
重编程端口94用于与传感器设备10直接通信，例如，以便对SoC设备62进行重编程。
第一传感器端口94和第二传感器端口96用于连接到其他传感器，例如音频传感器。
参照图5，示出了处理器64的或由处理器64实现的功能组件100。处理器64包括用于执行处理和暂时存储数据的相关联的暂时存储器66。处理器64还例如使用存储在非易失性存储器(未示出)中的程序来执行处理。
由处理器64实现的功能组件100包括：
数据采集器102，其被布置为控制和协调从温度传感器88采集指示温度的数据，并且将采集的温度数据存储在外部存储器90中；
采样器104，其被布置为控制和协调从加速度计86采集振动数据的样本，并且将样本存储在外部存储器90中；
快速傅立叶变换(FFT)实现器106，其被布置为对采样的振动数据执行快速傅立叶变换，以产生FFT振动数据并且将FFT振动数据存储在外部存储器90中；
功率管理器108，其被布置为管理传感器设备10的功率使用，特别是通过使用第二功率开关84来管理对一些传感器设备组件60的功率供应；
数据处理器110，其被布置为管理处理器64和外部存储器90之间的数据传输；以及
发射器控制器112，其被布置为控制RF调制解调器68并且协调RF调制解调器的数据发送和接收。
功能组件100还包括配置设置114，例如，涉及：
从温度传感器88采集温度的数据的定时；
从加速度计86采集振动数据的样本的定时，以及包括采样率的采样特性；
FFT特性；
传输数据特性，包括定义将从FFT振动数据导出的将提供给RF调制解调器68以进行传输的数据集的特性；以及
功率管理特性，包括睡眠时间和唤醒时间，以及使RF调制解调器68进行的传输次数最少化的布置。
在该示例中，这些设置定义指示温度的数据被周期性地(例如每15分钟)采集，但应当理解，可设想任何合适的数据采集定时机制。
在该示例中，这些设置定义振动数据的样本被周期性地(例如每15分钟)采集，但应当理解，可设想任何合适的数据采集定时机制。在该示例中，采样率为约3.2kHz，但应当理解，可设想任何合适的采样率。
在该示例中，FFT实现器106使用Cooley-Tukey算法，但应当理解，可设想任何合适的FFT算法。
在该示例中，基于定义数量的频率峰值(例如，FFT振动数据中的33个最高频率峰值)来选择从FFT振动数据导出以由RF调制解调器68传输的数据集，但应当理解，可使用任何合适的标准从FFT振动数据中选择数据集进行传输。例如，可基于在定义的频带内的定义数量的频率峰值来选择数据集。可替代地，用于传输的数据集可基于定义的标准，例如定义值以上到最大数量的峰值的所有峰值。
在该示例中，在通过从凹部22移除磁体20来激活传感器设备10之后，基于由处理器64管理的功率管理特性，由第二功率开关84控制传感器设备10的功率管理。电源管理特性可定义仅在需要这些组件中的任意一个执行动作时向以下部件提供功功率：加速度计86、温度传感器88、外部存储器90、重编程端口92、第一传感器端口94和第二传感器端口96。例如，功率管理特性可定义在配置设置指示需要采集温度和振动数据时向组件提供功率，并且在RF调制解调器68传输温度数据和FFT振动数据之后从组件中移除功率。
图6和图7中示出了原始振动数据和FFT振动数据的示例。
图6a至图6c示出了从加速度计86采集的原始样本振动数据。图6a示出了沿x轴的原始样本振动数据，图6b示出了沿y轴的原始样本振动数据，并且图6c示出了沿z轴的原始样本振动数据。。
图7a至7c示出了从图6a至6c所示的原始样本振动数据获得的FFT数据。图7a示出了沿x轴的FFT数据，图7b示出了沿y轴的FFT数据，图7c示出了沿z轴的FFT数据。
在该示例中，对于FFT x、y和z轴数据中的每一个，选择对应于33个最高峰值的数据，并且使用RF调制解调器68将其传输到远程分析设施44。
在远程分析设施44处，接收到的选择的FFT数据和接收到的温度数据可用于分析监测的组件34的振动和温度特性，例如以便确定是否存在与组件34有关的任何问题。
取决于所使用的传感器的类型，或取决于用于传感器的配置，接收到的FFT数据可指示加速度、速度或位移。
应当理解，在该示例中，远程分析设施44被布置为监测与多个工业设施32相关联的组件34的操作特性，并且以此方式，通过在远程分析设施44处使用适当的软件，可开发指示能够使操作员改善工业设施的各个方面的操作趋势的有用数据。
通过包括以下特征来构造传感器设备10以符合IECEx认证要求：
将传感器设备组件封装在可承受内部散热产生的温度以及安全因素的材料中；
使用40欧姆电阻器限制所有外部电子元件的电流；
在封装材料中包括一足以为设备供电的3.7V电池；
在封装材料中包括天线；
确保所有未保护的内部电路迹线具有至少0.5mm的间距。
在本实施例中，为了使功率使用进一步最小化，传感器设备10可被布置为基于定义的标准来传输数据，从而使相对较高的功率消耗的RF调制解调器68的使用最少化。例如，并非紧接在采集数据之后传输数据，功率管理器108可被布置为维持例如在CPU 64中实现的数据缓冲器，并且逐渐填充缓冲器直到缓冲器中的数据量足以填充LoRaWAN包的有效载荷。在达到所需的包长度之后，功率管理器108使数据被发送。
在本实施例中，紧接在获得FFT振动数据之后传输FFT振动数据，并且温度数据用于填充缓冲器并且仅在缓冲器已满时发送。
在该布置的一种变型中，功率管理器108仍然可被布置为在满足至少一个定义的标准时发送创建时的数据，而与是否存在足够的数据来填充LoRaWAN包无关。
例如，最大和最小允许温度值的记录可被存储，并且功率管理器108被布置为使得如果检测到的温度数据值超过最大或最小值，则传输当前温度数据。
类似地，可存储最大允许的FFT振动或温度差值的记录，该允许的差值表示当前值和对应的先前值之间的差量。在该示例中，功率管理器108可被布置为使得如果差值超过最大差值，则传输当前数据。另外，利用该布置，传感器设备10可被布置为如果未超过差异阈值则传输心跳通信消息，以向分析设施44指示监测的组件正在按预期运行，其中，仅在超过阈值时传输数据，以指示组件特性已发生显著变化。
参照图8，示出了图示传感器设备10的示例性操作过程的流程图130。
基于数据采集和定义唤醒时间的功率管理配置设置114，处理器64通过使功率提供给加速度计86、温度传感器88、外部存储器90、重编程端口92、第一传感器端口94和第二传感器端口96向第二功率开关84发送激活信号，以使传感器设备10唤醒132。在唤醒之后，处理器64读取134存储的配置设置114以确定用于从温度传感器88和加速度计86采集温度和振动数据的设置，并且使用这些设置，获得136、138、140温度数据和原始三轴振动数据的样本并将其存储142在外部存储器90中。
传感器设备10的至少一些组件，包括加速度计86，可包括响应于睡眠信号的输入，使得尽管仍然向组件提供功率，但响应于睡眠信号的接收，该组件被置于睡眠状态以使组件使用更少的功率。
在本示例中，在已经采集了加速度计信号之后，将加速度计86置于睡眠状态144。
处理器64使用数据处理器110将原始振动数据的146个连续部分从外部存储器90加载146到内部存储器66中，并且使用FFT实现器106对原始振动数据执行148FFT处理以产生FFT振动数据。将FFT振动数据存储150在外部存储器中。
使用存储的FFT振动数据，基于配置设置114中定义的FFT特性从存储的FFT数据中选择152数据，并且通过RF调制解调器68使用LoRaWAN协议将选择的FFT数据传输到远程分析设施44。。
在远程分析设施44从传感器设备10接收到选择的FFT数据之后，远程分析设施44可借机在传感器设备10环形时向传感器设备10发送指令。例如，指令可包括用于改变采样时间、唤醒/睡眠时间、采样率等的新配置数据，或者指令可包括用于重启传感器设备10的指令。存储160任何接收到的新配置数据，并且基于定义睡眠时间的功率管理配置设置114，处理器64向第二功率开关84发送停用信号，以使传感器设备10睡眠164，直到下一个预定的唤醒时间。
关于以下布置描述了上述实施例：其中，从时域振动数据获得FFT频域数据，并且选择FFT数据的子集以由RF调制解调器68传输，诸如频域数据中定义数量(诸如33)的最高峰值。这样的数据可以以每个LPWAN包被发送。例如，LPWAN数据包可包括约200个字节，包括下表中示出的数据。
项 字节数 小数点位 最小值 最大值
描述 1
33个峰(频率值&幅值) 198
每个峰值频率(Hz) 2 1 0 6500
每个峰值幅值(m/s<sup>2</sup>) 4 5 0 42200
应当理解，利用该布置，在从传感器10采集数据之后，通常可以以单个LPWAN包传输数据，并且因此传感器10的功耗较低。然而，尽管通常使用单个LPWAN包传输与每个数据采集实例相关联的数据，但在某些情况下，取决于需要发送的数据，可传输多于一个包。
在替代实施例中，选择的FFT数据的子集可包括不同数量的最高峰值，和/或不同数量的用于传送峰值数据的字节。例如，发明人已经认识到，对于频域数据中的加速度幅值，165m/s2是足够高的最大值，因此可使用较少数量的字节来表示LPWAN包中的幅值数据。由于在该示例中峰值幅值数据使用的是3个字节而不是4个字节，因此可在每个LPWAN包中包括从采集的时域振动数据派生的附加数据，因为LPWAN包中总有1位可用于数据中的每个频率峰值。
例如，LPWAN包可包括指示以下中的任意一个或多个的数据：
最大峰值加速度幅值；
最小峰值加速度幅值；
平均加速度幅值；
时域加速度波峰因数；
频域均方根值；
频域正峰值平均值；
频域负峰值平均值；
通过对加速度频域数据积分导出的峰值速度数据值，例如其中，每个速度值是一组仓中的一个仓中的多个最大值或多个最大值中的一个；和/或
传感器所附接的组件的可旋转部分的转速。
传输上述数据的实施例可包括LPWAN包，该LPWAN包包括下表中所示的数据。
Figure BDA0003092472880000171
Figure BDA0003092472880000181
因此，应当理解，即使通常仅与每个数据采集实例一起传输单个LPWAN包，也以该布置发送附加信息。
然而，应当理解，在LPWAN包中可包括在传感器处可从时域和/或频域数据导出的任何合适的数据。
应当理解，在本文中引用任何现有技术出版物时，这样的引用并不意味着承认该出版物在澳大利亚或任何其他国家构成了本领域公知常识的一部分。
在所附权利要求和本发明的在前描述中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示而另有要求，否则词语“包括”或者诸如“包括了”或“包括着”的变体以包括性含义使用，即，在本发明的各种实施例中，指定所陈述的特征的存在，但不排除其他特征的存在或增加。
对于本领域技术人员显而易见的修改和变型被视为在本发明的范围内。

Claims (62)

1.一种传感器设备，包括：
传感器，其被布置为产生表示传感器附近感测到的时间相关特性的时域数据；
信号处理组件，所述信号处理组件被布置为利用所述时域数据产生频域数据，所述频域数据指示所述时域数据中存在的频率分量；以及
数据传输组件，其被布置为传输所述频域数据的一部分；
其中，所述传感器设备被布置为基于定义的标准从所述频域数据中选择频域数据的子集，并且传输选择的所述频域数据的子集。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的定义数量的频率峰值。
3.根据权利要求2所述的传感器设备，其中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的定义数量的最高频率峰值。
4.根据权利要求3所述的传感器设备，其中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的33个最高频率峰值。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的传感器设备，其中，传感器被布置为对于其中产生时域数据的至少一些数据采集实例，以单个数据包传输选择的所述频域数据的子集。
6.根据权利要求5所述的传感器设备，其中，根据所述单个数据包中能够包括的数据量来确定定义数量的频率峰值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器设备还被布置为除了选择的所述频域数据的子集之外还发送其他数据。
8.根据权利要求7所述的传感器设备，其中，根据单个数据包中能够包括的数据量来确定其他数据量。
9.根据权利要求7或8所述的传感器设备，其中，所述其他数据包括以下中的任意一个或多个：
最大峰值加速度幅值；
最小峰值加速度幅值；
平均加速度幅值；
时域加速度波峰因数；
频域均方根值；
频域正峰值平均值；
频域负峰值平均值；
通过对加速度频域数据积分导出的峰值速度数据值，例如其中，每个速度值是一组仓中的一个仓中的多个最大值或多个最大值中的一个；和/或
传感器所附接的组件的可旋转部分的转速。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器被布置为产生表示振动传感器附近的振动的时域振动数据。
11.根据权利要求10所述的传感器设备，其中，所述传感器被布置为产生时域加速度数据、时域速度数据和/或时域位移数据。
12.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述数据传输组件被布置为使用LPWAN协议。
13.根据权利要求12所述的传感器设备，其中，所述数据传输组件被布置为使用LoRaWAN协议。
14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器设备包括与所述信号处理组件和所述数据传输组件分离的外部存储器，所述传感器设备被布置为将所述时域数据存储在所述外部存储器中，并且将所述时域数据加载到所述信号处理组件中进行处理。
15.根据权利要求14所述的传感器设备，其中，所述传感器设备被布置为将所述时域数据的连续部分加载到所述信号处理组件中，使得所述时域数据能够被分批处理。
16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，选择的所述频域数据的子集是从定义的频带中选择的。
17.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括功率管理器，所述功率管理器被布置为基于定义的功率管理标准来控制向至少一个传感器设备组件的功率提供。
18.根据权利要求17所述的传感器设备，其中，所述至少一个传感器设备组件包括传感器、至少一个传感器端口、与所述信号处理组件和所述数据传输组件分离的外部存储器和/或重编程端口。
19.根据权利要求17或18所述的传感器设备，其中，所述定义的功率管理标准被布置为当不使用所述至少一个传感器设备组件时使所述至少一个传感器设备组件与电源断开连接。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器设备，其中，所述定义的功率管理标准定义了唤醒时间和睡眠时间，由此在唤醒时间期间使至少一个传感器设备组件连接到电源并且在睡眠时间期间使所述至少一个传感器设备组件与电源断开连接。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器设备包括至少一个功率开关，所述至少一个功率开关响应于来自所述功率管理器的激活信号，所述功率开关被布置为响应于所述激活信号使功率被提供给至少一个传感器设备组件，并且在没有激活信号的情况下使功率不被提供给至少一个传感器设备组件。
22.根据权利要求21所述的传感器设备，其中，所述至少一个功率开关包括至少一个FET，所述至少一个FET可以是MOSFET。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的传感器设备，其中，所述功率管理器被布置为根据定义的标准来控制所述数据传输组件进行的频域数据的传输，从而控制所述数据传输组件的使用。
24.根据权利要求23所述的传感器设备，其中，所述功率管理器被布置为用数据逐渐填充缓冲器，直到所述缓冲器中的数据量足以填充所述数据传输组件所使用的数据包的有效载荷，以及被布置为当所述缓冲器中存在足够的数据时，使所述数据传输组件发送所述缓冲器中的数据。
25.根据权利要求24所述的传感器设备，其中，所述功率管理器被布置为在满足至少一个定义的标准时发送所述数据，而与是否存在足够的数据来填充数据包无关。
26.根据权利要求25所述的传感器设备，其中，所述至少一个定义的标准包括与传感器相关联的最大和/或最小允许值，并且所述功率管理器被布置为使得如果与所述传感器相关联的当前值超过最大或最小值，则传输所述当前值。
27.根据权利要求25或26所述的传感器设备，其中，所述至少一个定义的标准包括与传感器相关联的最大允许差值，所述允许差值表示当前值和对应的先前值之间的差量，并且所述功率管理器被布置为使得如果当前差值超过最大差值，则传输当前值。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器设备被布置为基于接收到的传感器值来传输心跳通信消息，以指示监测的组件正在按预期运行，并且如果满足所述至少一个定义的标准，则发送频域数据。
29.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述信号处理组件被布置为执行快速傅立叶变换(FFT)过程以使用所述时域数据来产生FFT数据。
30.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括：采样器，所述采样器被布置为产生时域数据样本，所述信号处理组件被布置为使用所述时域数据样本来产生指示时域样本中存在的频率分量的频域数据。
31.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括至少一个另外的传感器，所述数据传输组件被布置为传输从所述至少一个另外的传感器导出的传感器数据的至少一部分。
32.根据权利要求31所述的传感器设备，其中，所述至少一个另外的传感器包括温度传感器。
33.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器包括加速度计，所述加速度计被布置为在三个相互正交的轴上感测振动。
34.根据权利要求33所述的传感器设备，其中，所述加速度计被布置为产生指示加速度、速度或位移的时域数据。
35.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括形成芯片上系统(SoC)设备的一部分的处理器，SoC设备包括所述数据传输组件。
36.根据权利要求35所述的传感器设备，包括解码器，以在SoC设备的数据输入和所述传感器设备的组件之间进行多路复用。
37.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括指示与所述传感器设备相关联的唯一标识符的机器可读代码。
38.根据权利要求37所述的传感器设备，其中，所述机器可读代码包括QR代码。
39.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器设备的组件被封装成使得所述组件与环境条件隔离。
40.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括本安开关，所述本安开关被布置为控制从电池到所述传感器设备的所有电气组件的功率供应。
41.根据权利要求40所述的传感器设备，其中，所述本安开关包括簧片开关和磁体，所述磁体能够被容纳在靠近所述簧片开关设置的凹部中，其中，当所述磁体未被容纳在所述凹部中时，所述簧片开关闭合，并且当所述磁体被容纳在所述凹部中时，由所述磁体提供的磁力使所述簧片开关打开。
42.根据前述权利要求中任一项所述的传感器设备，包括至少一个磁性部分，所述磁性部分用于将所述传感器设备附接到工业设施组件。
43.一种传感器网络，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的多个传感器设备；
通信网络，其能够便于来自所述传感器设备的数据传输组件的数据传输；以及
远程设施，其通过所述通信网络与所述多个传感器设备进行网络通信，使得能够在所述远程设施处接收来自所述数据传输组件的数据传输。
44.一种使用传感器设备感测组件的操作特性的方法，所述方法包括：
将所述传感器设备设置在所述组件上；
为所述传感器设备提供传感器，所述传感器被布置为产生表示传感器附近感测到的时间相关特性的时域数据；
使用所述传感器设备的信号处理组件来利用时域数据产生频域数据，所述频域数据指示所述时域数据中存在的频率分量；
使用所述传感器设备的数据传输组件来传输所述频域数据的一部分；
其中，所述传感器设备被布置为从所述频域数据中选择频域数据的子集，并且传输选择的所述频域数据的子集。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的定义数量的频率峰值。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的定义数量的最高频率峰值。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，选择的所述频域数据的子集对应于所述频域数据中的33个最高频率峰值。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的方法，包括：对于其中产生时域数据的至少一些数据采集实例，以单个数据包传输选择的所述频域数据的子集。
49.根据权利要求48所述的方法，包括根据所述单个数据包中能够包括的数据量来确定定义数量的频率峰值。
50.根据权利要求44至49中任一项所述的方法，其中，所述传感器设备还被布置为除了选择的所述频域数据的子集之外还发送其他数据。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，根据单个数据分组中能够包括的数据量来确定其他数据量。
52.根据权利要求50或51所述的方法，其中，所述其他数据包括以下中的任意一个或多个：
最大峰值加速度幅值；
最小峰值加速度幅值；
平均加速度幅值；
时域加速度波峰因数；
频域均方根值；
频域正峰值平均值；
频域负峰值平均值；
通过对加速度频域数据积分导出的峰值速度数据值，例如其中，每个速度值是一组仓中的一个仓中的多个最大值或多个最大值中的一个；和/或
传感器所附接的组件的可旋转部分的转速。
53.根据权利要求52所述的方法，包括产生表示振动传感器附近的振动的时域振动数据。
54.根据权利要求52或权利要求53所述的方法，包括：使用LPWAN协议来传输所述频域数据的子集。
55.根据权利要求54所述的方法，包括使用LoRaWAN协议来传输所述频域数据的子集。
56.根据权利要求52至55中任一项所述的方法，包括：将所述时域数据存储在外部存储器中，并且将时域数据加载到所述信号处理组件中以进行处理。
57.根据权利要求56所述的方法，包括将所述时域数据的连续部分加载到所述信号处理组件中，使得所述时域数据能够被分批处理。
58.根据权利要求52至57中任一项所述的方法，包括：从定义的频带中选择所述频域数据的子集。
59.根据权利要求58所述的方法，包括：用数据逐渐填充缓冲器，直到所述缓冲器中的数据量足以填充所述数据传输组件所使用的数据包的有效载荷，以及当所述缓冲器中存在足够的数据时，使所述数据传输组件发送所述缓冲器中的数据。
60.根据权利要求59所述的方法，包括：在满足至少一个定义的标准时发送所述数据，而与是否存在足够的数据来填充数据包无关。
61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述至少一个定义的标准包括与传感器相关联的最大和/或最小允许值，其中，如果与所述传感器相关联的当前值超过最大或最小值，则传输所述当前值。
62.根据权利要求60或61所述的方法，其中，所述至少一个定义的标准包括与传感器相关联的最大允许差值，所述允许差值表示当前值和对应的先前值之间的差量，其中，如果当前差值超过最大差值，则传输当前值。
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