图2.ADIS16576信号链和外部同步输入
图3.比例同步模式下ADIS16576的时序图
惯性传感器还在物联网系统中发挥着关键作用，此类系统可用于持续监测动物的位置和生理状况。典型安装形式包括钉在耳朵、尾巴或身体上的标签，或是戴在脖子上的智能项圈。此类标签不仅可以帮助管理畜群位置，更重要的是，还能持续提供动物的健康数据，例如活跃度、进食时间和呼吸频率。此外，新型标签还具备追踪心率及其他生命体征的能力。颈戴项圈已成为检测牛只发情、反刍、跛行和其他状况的重要工具。此类物联网系统的核心要求之一是低功耗，因为维护大规模畜群的电池（包括可充电电池或一次性电池）是一项繁琐且困难的任务。ADXL366拥有出色的低功耗优势。这款三轴加速度计采用内部稳压设计，因此可以直接连接到电池。其最低工作电压为1.1 V，能够以100 Hz的频率提供运动数据，能耗仅为约1 µW。这一能耗水平低于纽扣电池的自放电水平。当用于颈戴项圈时，这款加速度计可以在低功耗和低噪声模式之间进行调整，提供的最小信号介于3 mg到8 mg rms，足以区分咀嚼、反刍和呼吸频率(RR)。ADXL380具备增强的生命体征监测能力，在4 kHz带宽内的工作噪声水平几乎降低了两个数量级。在200 Hz带宽下进行同等带宽比较，这款加速度计的等效噪声为0.4 mg rms。高信噪比(SNR)加上宽带宽，使得这款三轴加速度计可以化身为“听诊器”，通过心冲击描记图收集心率信息，或捕捉与呼吸、消化和其他生理功能相关的各种噪声。表1列出了这两款加速度计的比较结果。超低功耗惯性传感器的另一项核心能力是支持物联网节点的系统级电源管理。ADXL366提供专用唤醒模式，能够根据检测到的运动曲线发出中断，进而管理电子系统电源的通断周期。典型配置可参见图4。加速度计提供了丰富的可编程参数，不仅能配置所需的运动曲线，最重要的是，还能在全带宽下唤醒和采样。此功能对于避免混叠和误检非常重要。在唤醒模式下，ADXL366的功耗低至惊人的180 nA。利用这一优势，高功耗传感器、无线电及其他元件可以在无需工作时关断，从而延长传感器节点的使用寿命。
表1.超低功耗加速度计与超低噪声加速度计的并排比较
因此，为了实现预测性维护，加速度计需要满足三个重要性能指标：低噪声（早期预测）、高带宽（检测所有频谱成分并支持故障分类）和足够高的测量范围。然而，最后一项要求经常被忽视，因为加速度的大小与频率ω2成比例；如果不予考虑，高频频谱成分可能会使传感器饱和。采用紧凑封装的全新ADXL382三轴数字加速度计可满足所有三项要求。这款产品具有高达60g的满量程范围、8 kHz带宽和低于55 µg/√Hz的超低噪声。
图4.ADXL366配置为物联网系统中的运动开关
最后要谈的是惯性检测与AI分析的集成方案，集成的目的是在智慧农业领域实现预测性维护。现代农场规模不断扩大，因而不得不依赖高资本支出的机械进行生产。此类设备不仅要精准无误地运行，还必须经受住季节性农耕任务的恶劣环境和高强度作业的考验。在短暂的种植或收获季节中，如果设备发生故障，可能会造成严重的经济损失。例如，播种机或收割机等精密设备，常常需要在风雨、尘土、泥泞、碎石等恶劣环境下作业。在这些环境中，关键振动特征的变化可用于提前预测设备问题，然后在尽量不影响高峰期生产的时间内进行维护来解决问题。机械振动分析（类似于牲畜的生命体征监测）可用于精确定位机械元件中不同问题的故障模式和时间，例如轴承故障、轴未对准、不平衡、松动、齿轮故障和其他问题。假设轴承存在缺陷，如表面剥落或形状偏离理想球体。每当这类缺陷与机器表面接触时，都会在平台上产生一个冲击，从而引发复杂的振动响应，其中既包含基频成分，也包含宽带成分。图5以频谱形式展示了一个复杂的振动曲线。
图5.常见机器故障的宽带宽频谱表示
结语
农业领域的自动化与技术进步，是应对全球粮食安全、劳动力短缺和环境可持续性等严峻挑战的关键力量。通过采用AI、机器人和精准农业等创新手段，农业生产能够提升效率、降低成本，确保粮食生产拥有一个更具可持续性的未来。在农业技术生态中，惯性传感器提供核心感知能力，发挥着关键作用。然而，选择传感器时必须谨慎，确保传感器的性能和功能契合具体应用。
参考文献
1 “Global Agriculture Towards 2050”，联合国粮食及农业组织，2009年10月。
作者：Tzeno Galchev，产品营销与应用总监
作者简介
Tzeno Galchev是ADI公司惯性检测解决方案的营销与应用工程总监。他全面负责ADI公司在惯性检测领域的业务，包括战略营销、产品定义和应用工程。他毕业于密歇根大学安娜堡分校，于2004年获得电气和计算机工程学士学位，并于2006年和2010年分别获得电气工程硕士和博士学位。他在MEMS领域发表了30多篇文章，并获得多项专利。他还经常受邀就MEMS、能量收集和传感器等话题发表演讲和授课。
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