有多種方法可以為工業(yè)系統(tǒng)增加更多的智能，包括與具有模擬和數(shù)字組件的傳感器相匹配的邊緣和云人工智能(AI)。通過(guò)AI方法的多樣性，傳感器設(shè)計(jì)師必須考慮一些競(jìng)爭(zhēng)要求，包括決策延遲，網(wǎng)絡(luò)使用，功耗/電池壽命以及適合機(jī)器的AI模型。上一篇文章的重點(diǎn)是Voyager4的概述和硬件設(shè)計(jì)：一個(gè)無(wú)線，基于AI的條件監(jiān)視傳感器。本文將重點(diǎn)介紹為智能邊緣傳感器創(chuàng)建的軟件體系結(jié)構(gòu)和AI算法。將描述用于Voyager4上AI模型開(kāi)發(fā)的完整系統(tǒng)級(jí)方法。
條件監(jiān)控傳感器的軟件設(shè)計(jì)
Voyager4是一個(gè)由模擬設(shè)備開(kāi)發(fā)的無(wú)線狀況監(jiān)視平臺(tái)，使開(kāi)發(fā)人員能夠快速部署和測(cè)試機(jī)器或測(cè)試設(shè)置的無(wú)線解決方案。汽車健康監(jiān)測(cè)解決方案(例如Voyager4)在機(jī)器人技術(shù)和旋轉(zhuǎn)機(jī)器等領(lǐng)域(例如渦輪機(jī)，風(fēng)扇，泵和電動(dòng)機(jī))都使用。
為這種無(wú)線邊緣設(shè)備開(kāi)發(fā)軟件可能很困難。從傳感器設(shè)計(jì)的早期開(kāi)始，開(kāi)發(fā)人員必須考慮整體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，考慮系統(tǒng)的各個(gè)部分將如何運(yùn)行，如何集成不同的組件以共同工作，以及如何應(yīng)用和部署諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之類的有用算法和分析工具，以將智能添加到優(yōu)勢(shì)。
任何此類項(xiàng)目的目標(biāo)是為邊緣設(shè)備和連接的主機(jī)創(chuàng)建軟件，該軟件易于理解，可修改和升級(jí)。在Voyager4中，有兩個(gè)微控制器和許多外圍設(shè)備，包括傳感器，電源管理板，閃存和通信接口。開(kāi)發(fā)控制和組合這些部分所需的代碼是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
本文的希望是，通過(guò)展示Voyager4開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的設(shè)計(jì)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)所采取的步驟并給出一些具體的實(shí)現(xiàn)示例，讀者可以更好地了解如何開(kāi)發(fā)其邊緣傳感器。
概述
雖然此處給出了Voyager操作的簡(jiǎn)要回顧，但請(qǐng)參閱文章系列的第1部分，以獲取有關(guān)條件監(jiān)視傳感器的更多信息，以及有關(guān)Voyager4 Project的獨(dú)特硬件，功率和安全功能的更多詳細(xì)信息。
Voyager4的傳感器操作原理，ADXL382三方8 kHz數(shù)字微電機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)用于收集振動(dòng)數(shù)據(jù)?；诓僮鞣绞剑占臄?shù)據(jù)可能遵循幾個(gè)不同的路徑。
路徑A是最初將原始振動(dòng)數(shù)據(jù)直接發(fā)送到Max32666藍(lán)牙®低能(BLE)處理器的路徑。從這里，數(shù)據(jù)可以通過(guò)BLE收音機(jī)或通過(guò)USB發(fā)送給用戶。路徑B是一種替代操作方式，一旦使用Voyager收集原始數(shù)據(jù)，并且使用Max78000外部工具訓(xùn)練了模型。數(shù)據(jù)不是發(fā)送給用戶的，而是傳遞到Edge AI算法以預(yù)測(cè)機(jī)器數(shù)據(jù)有故障的。路徑C和D覆蓋分別檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)故障或未檢測(cè)到的用例。如果檢測(cè)到故障，則可以通過(guò)BLE處理器發(fā)送標(biāo)志或用戶警報(bào)到主機(jī)。如果未檢測(cè)到故障，傳感器將返回睡眠模式，直到下一個(gè)檢測(cè)事件。
該體系結(jié)構(gòu)是Voyager4的軟件和AI算法開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。有關(guān)對(duì)該體系結(jié)構(gòu)的完整系統(tǒng)級(jí)別的理解，本文將討論：
· BLE術(shù)語(yǔ)
· 實(shí)施BLE周圍
· BLE中央的實(shí)施
· 培訓(xùn)和部署AI算法
BLE背景
在設(shè)計(jì)工業(yè)邊緣傳感器時(shí)，連接性是關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素之一。這會(huì)根據(jù)可用的功率/所需的功率，從而影響從范圍和可靠性到設(shè)備的整體壽命和大小的所有事物。如表1所示，與其他連接標(biāo)準(zhǔn)相比，BLE具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 BLE的范圍，功率和可靠性對(duì)于我們的工業(yè)監(jiān)測(cè)用例尤為重要。要了解BLE邊緣設(shè)備的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，您必須首先了解任何BLE項(xiàng)目使用的一些基本術(shù)語(yǔ)。
對(duì)BLE所提供的所有內(nèi)容的詳盡解釋將填寫(xiě)一本書(shū)，因此本文重點(diǎn)介紹了實(shí)施BLE設(shè)備的任何人都需要考慮的一些關(guān)鍵概念，即：
· 軟件堆棧
· 外圍/中央模型
· 協(xié)議和配置文件
BLE軟件堆棧
BLE軟件堆棧是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的集合，必須由設(shè)備實(shí)現(xiàn)，才能將其視為BLE兼容。通過(guò)說(shuō)明堆棧中的不同協(xié)議是如何分層的，可以更容易地理解該名稱。高級(jí)功能(例如用戶通信和設(shè)備連接)由負(fù)責(zé)基本任務(wù)(例如數(shù)據(jù)封裝和解析)的低級(jí)協(xié)議支持。
幸運(yùn)的是，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)堆棧組件的基本了解通常足夠，他們可以從已實(shí)現(xiàn)自己的版本的一系列硬件設(shè)備中進(jìn)行選擇。這要求用戶簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的一部分，該應(yīng)用程序?qū)⒃谑褂妙A(yù)構(gòu)建的BLE堆棧時(shí)控制設(shè)備本身。
BLE堆棧通常表示為三個(gè)不同的部分：應(yīng)用，主機(jī)和控制器。應(yīng)用程序?qū)⒔涌诙x為用戶和用戶正在實(shí)現(xiàn)的特定應(yīng)用程序代碼(振動(dòng)監(jiān)視)。主機(jī)是指BLE軟件堆棧的上層，該堆?？刂浦呒?jí)功能，例如配置文件和協(xié)議?？刂破髦傅氖荁LE堆棧的下層，該層涉及鏈路層和物理層(如2.4 GHz無(wú)線電本身)。對(duì)于此項(xiàng)目，選擇了MAX32666 BLE微控制器。這是一個(gè)低功率ARM®Cortex® - M4微控制器，具有藍(lán)牙5 LE無(wú)線電，并支持遠(yuǎn)距離(4×)和高數(shù)據(jù)吞吐量(2 Mbps)。
外圍/中央模型
BLE設(shè)備可以根據(jù)其作用定義為外圍設(shè)備或中心。由于數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向上流動(dòng)，因此兩者之間最大的區(qū)別之一是它們的連接方式。連接之前，外圍設(shè)備宣傳其連接的可用性。中央設(shè)備掃描可用的外圍設(shè)備以連接并啟動(dòng)連接。數(shù)據(jù)可能在外圍和中央之間的兩個(gè)方向上流動(dòng)，但中心被視為主機(jī)。較舊的BLE參考文獻(xiàn)還分別將外圍設(shè)備和中心作為服務(wù)器和客戶。
在我們的系統(tǒng)中，Voyager平臺(tái)被定義為我們的外圍平臺(tái)，它收集并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)并易于理解，最初的重點(diǎn)是與單個(gè)外圍交互的最簡(jiǎn)單情況。
協(xié)議和配置文件
協(xié)議和配置文件是藍(lán)牙命名術(shù)語(yǔ)的易于混淆的部分。簡(jiǎn)而言之，協(xié)議是定義設(shè)備操作的基本功能構(gòu)建塊：數(shù)據(jù)封裝，格式，路由等。配置文件是功能捆綁，結(jié)合起來(lái)以啟用基本的操作模式。它本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)一定總體功能的協(xié)議的組合，例如，電池服務(wù)配置文件可用于詢問(wèn)設(shè)備的剩余電池。必須由所有BLE設(shè)備實(shí)現(xiàn)所有重要的通用訪問(wèn)配置文件(GAP)和通用屬性配置文件(GATT)，以允許它們連接到其他BLE設(shè)備。 GAP涵蓋了低級(jí)功能 - 廣告，設(shè)備發(fā)現(xiàn)和管理連接。 Gatt管理高級(jí)數(shù)據(jù)組織并在設(shè)備之間傳輸，允許他們?cè)诮⒌倪B接上讀寫(xiě)。
其他配置文件是可選的附加組件，可用于諸如接近度配置文件之類的設(shè)備。這包括由藍(lán)牙特殊興趣組(SIG)創(chuàng)建的預(yù)定義配置文件。在開(kāi)發(fā)典型的設(shè)備(例如智能手表或智能電表)時(shí)，使用預(yù)定義的配置文件可能很有用，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)大量自定義功能的設(shè)備可能會(huì)限制。
還允許使用藍(lán)牙SIG定義的自定義配置文件，以便攜性成本以更大的設(shè)計(jì)靈活性。每個(gè)配置文件將其數(shù)據(jù)組織到服務(wù)中，該服務(wù)由幾個(gè)特征組成。
當(dāng)中央和外圍設(shè)備之間形成連接時(shí)，中央設(shè)備可以請(qǐng)求與該外圍設(shè)備相關(guān)的配置文件和服務(wù)。顯示了Central要求時(shí)的差距，GATT和自定義配置文件(及其服務(wù))的結(jié)構(gòu)。
對(duì)于Voyager，除了用作命令服務(wù)器的單個(gè)自定義配置文件之外，我們還定義了基本差距和GATT配置文件，其中處理了中央的命令并返回?cái)?shù)據(jù)或更新外圍設(shè)備本身的配置。
固件實(shí)現(xiàn)
BLE微控制器是系統(tǒng)的核心，可確保來(lái)自所有外圍傳感器和設(shè)備的數(shù)據(jù)可供連接的BLE Central檢索或修改。
設(shè)備配置
在Max32666上預(yù)先構(gòu)建了BLE堆棧，我們通過(guò)填寫(xiě)相關(guān)配置功能來(lái)構(gòu)建外圍設(shè)備的外觀。例如，我們?yōu)閽呙钄?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)陣列提供了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，廣告類型和字符列表，每當(dāng)Voyager供電時(shí)，我們的外圍設(shè)置功能都會(huì)在我們的外圍設(shè)置功能中調(diào)用。
這樣的BLE設(shè)備將具有大量的配置設(shè)置，包括收音機(jī)和返回?cái)?shù)據(jù)類型的傳輸功率。建議從您使用的硬件可用的任何預(yù)構(gòu)建示例開(kāi)始，然后從那里進(jìn)行自定義修改。 Max32666為BLE數(shù)據(jù)服務(wù)器(外圍)提供了一個(gè)示例代碼，稱為BLE DATS，該代碼被用作Voyager項(xiàng)目的基礎(chǔ)。配置后，當(dāng)中央掃描可用設(shè)備時(shí)，外圍的名稱出現(xiàn)為Voyager。這也可以用來(lái)過(guò)濾搜索列表，以便中央僅顯示預(yù)期名稱的設(shè)備。設(shè)備名稱與設(shè)備MAC地址和接收的信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)一起顯示。
堆棧中的其他配置設(shè)置控制設(shè)備其他模式的預(yù)期名稱和行為，例如制造商ID，對(duì)讀/寫(xiě)命令的響應(yīng)，等等。
命令服務(wù)器
由于串聯(lián)設(shè)計(jì)了Voyager4應(yīng)用程序的中央和外圍側(cè)，因此可以通過(guò)使用帶有單個(gè)BLE服務(wù)的自定義配置文件來(lái)簡(jiǎn)化外圍界面。此配置文件將負(fù)責(zé)從中央設(shè)備接收命令，并以加速度計(jì)數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)和其他設(shè)備信息的形式返回響應(yīng)。
這項(xiàng)單一的自定義服務(wù)是在像Voyager一樣復(fù)雜的設(shè)備中進(jìn)行通信的非正統(tǒng)服務(wù)，但有一些好處。它可以使Voyager版本之間的向后兼容性提高命令靈活性，因?yàn)槭褂米址鳛槊钶斎氲絍oyager外圍設(shè)備的命令輸入允許根據(jù)數(shù)據(jù)解析的方式來(lái)獲得各種命令類型和值。
一旦在外圍和中心之間形成了連接，建立雙向通信，中心將向圖11所示的自定義特征發(fā)出通知命令。這將在外圍側(cè)建立通知系統(tǒng)，并在中心側(cè)分配相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。這意味著任何時(shí)候分配給該自定義特征的更新數(shù)據(jù)，通知中心設(shè)備，傳輸新數(shù)據(jù)并觸發(fā)中央設(shè)備的回調(diào)函數(shù)。
固件體系結(jié)構(gòu)
硬件圖顯示了Voyager中包含的內(nèi)容數(shù)組以及相對(duì)數(shù)據(jù)路徑和電源。大多數(shù)軟件開(kāi)發(fā)都在BLE微控制器上進(jìn)行，因?yàn)樗侵笓]中心，將BLE接口與設(shè)備的BLE接口以及傳感器和微控制器數(shù)據(jù)的內(nèi)部管道進(jìn)行協(xié)調(diào)。為了與系統(tǒng)中的不同傳感器和微型相互作用，我們必須開(kāi)發(fā)用于BLE微控制器使用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以及AI微控制器，如AI部分所述。實(shí)際上，這些驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和集成是連接邊緣傳感器所需的大部分編碼工作。
編寫(xiě)便攜式代碼
在開(kāi)發(fā)固件時(shí)，我們將代碼分為幾層抽象，將一個(gè)特定微控制器的特定細(xì)節(jié)與應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序代碼分開(kāi)。這是一個(gè)很好理解的問(wèn)題，除應(yīng)用層外，通常通過(guò)將代碼責(zé)任分為三個(gè)不同的層來(lái)解決。這些是硬件抽象層(HAL)，董事會(huì)支持軟件包(BSP)和驅(qū)動(dòng)程序?qū)印?
HAL為程序提供了一種與不同硬件進(jìn)行交互的程序，而無(wú)需了解每個(gè)設(shè)備的詳細(xì)信息。 BSP定義了與硬件有關(guān)的軟件，驅(qū)動(dòng)程序?qū)佣x了單個(gè)設(shè)備(例如寄存器映射)的更細(xì)節(jié)。例如，在Voyager中，我們有兩個(gè)微控制器，最大32666用于BLE連接，Max78000帶有機(jī)上卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)加速器。如圖10所示，Voyager中的HAL定義了最基本的通信命令，這些命令將由MicroControllers，SPI和I2C使用。例如，任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出的任何SPI呼叫最初都會(huì)將責(zé)任推遲到HAL中的SPI函數(shù)，然后查找BSP的特定信息，以使用該微控制器使用正確的SPI命令。
系統(tǒng)中每個(gè)板的HAL保持不變，但是每個(gè)微控制器都會(huì)更新BSP。 BSP還負(fù)責(zé)定義系統(tǒng)的通用構(gòu)建塊，該塊將應(yīng)用程序從所使用的特定設(shè)備中調(diào)用。在圖10中，BSP中的main_adxl塊是所使用的基礎(chǔ)加速度計(jì)的抽象。在BSP層中定義了任何加速度計(jì)(例如初始化和讀取)的通用命令，而在ADXL382塊中的驅(qū)動(dòng)程序級(jí)別上定義了諸如get_raw_xyz_data之類的低級(jí)功能。將驅(qū)動(dòng)程序代碼從MAX32666移植到Max78000微控制器時(shí)，加速度計(jì)代碼僅與加速度計(jì)本身相關(guān)，因此保持不變。唯一更新的文件允許與新的微控制器進(jìn)行通信，在BSP層內(nèi)。
在更換或升級(jí)系統(tǒng)中的零件方面，這也具有明顯的好處。 Voyager中的一個(gè)真實(shí)例子是決定升級(jí)所使用的主要加速度計(jì)。在這種情況下，僅更新了驅(qū)動(dòng)程序?qū)又械拇a，從而簡(jiǎn)化了維護(hù)，修改和測(cè)試。
數(shù)據(jù)管道和中央
盡管可以根據(jù)要求提供溫度和電池信息，但Voyager的主要角色是條件監(jiān)視器和振動(dòng)傳感器。我們?cè)跀?shù)據(jù)吞吐量和必須發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率方面的要求將集中在振動(dòng)傳感器和典型的狀態(tài)監(jiān)視設(shè)置上，例如，每天一次進(jìn)行一次簡(jiǎn)短的測(cè)量。 BLE不允許高數(shù)據(jù)吞吐量。 ADXL382是一個(gè)高帶寬，3軸加速度計(jì)，每軸每秒收集16,000個(gè)樣本，以高性能模式。有一些可用的選項(xiàng)，可根據(jù)系統(tǒng)中包含的組件發(fā)送數(shù)據(jù)。
發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
沒(méi)有任何形式的緩沖，請(qǐng)?jiān)谥醒胝?qǐng)求時(shí)立即發(fā)送數(shù)據(jù)。盡管這是一種演示模式，但實(shí)時(shí)展示了高性能加速度計(jì)數(shù)據(jù)，但隨著生成的數(shù)據(jù)量超過(guò)可以發(fā)送的速率，電池會(huì)很快消耗或丟棄或損壞。
從內(nèi)存發(fā)送數(shù)據(jù)
另一個(gè)選擇是將數(shù)據(jù)保存到閃存。這樣，我們可以安全地記錄加速度計(jì)數(shù)據(jù)，而不必?fù)?dān)心覆蓋先前的值。然后，保存的數(shù)據(jù)將直接發(fā)送到中央或從中央接收命令后報(bào)告。由于該系統(tǒng)不再是實(shí)時(shí)的(數(shù)據(jù)可能是幾分鐘甚至幾天)，因此我們還可以利用數(shù)據(jù)包的BLE確認(rèn)系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)到達(dá)中心完全完整，并重新保存任何丟失的數(shù)據(jù)。
對(duì)于典型的工業(yè)狀況監(jiān)測(cè)設(shè)置，該解決方案更為實(shí)用，但是該設(shè)備的電池壽命大多浪費(fèi)了每天不會(huì)改變太大的振動(dòng)信息。
在邊緣進(jìn)行分析
為了節(jié)省電池壽命，最好在邊緣進(jìn)行一些分析，以確保僅通過(guò)無(wú)線電鏈接傳達(dá)相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)然，僅當(dāng)在邊緣創(chuàng)建有意義的見(jiàn)解所需的功率明顯少于通過(guò)BLE發(fā)送數(shù)據(jù)所需的功率(有關(guān)此信息的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)本文系列的第1部分)。
您可以看到加速度計(jì)具有兩個(gè)微控制器的直接數(shù)據(jù)路徑。在我們將在邊緣進(jìn)行一些分析的用例中，AI微控制器可以直接從加速度計(jì)讀取振動(dòng)數(shù)據(jù)，并使用板載AI模型進(jìn)行分析。
設(shè)計(jì)中央用戶界面
由于BLE周圍是與Voyager外圍的同時(shí)設(shè)計(jì)的，因此兩者的相互作用方式具有很大的靈活性。通常，中央設(shè)備需要掃描并連接到Voyager外圍設(shè)備，然后發(fā)送字符串命令并處理其返回值。初始連接后，所有BLE命令將直接發(fā)送到外圍的自定義服務(wù)以進(jìn)行解析。在這種情況下，中心是用Python編寫(xiě)的Windows PC上的圖形用戶界面(GUI)，并利用BLE外圍圖書(shū)館(Bleak)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)BLE命令。 Bleak是在Python標(biāo)準(zhǔn)的Asyncio庫(kù)的頂部建造的，允許BLE命令異步運(yùn)行，從而確保用戶界面保持可互作用且不會(huì)凍結(jié)。
當(dāng)GUI成功連接到外圍設(shè)備時(shí)，將自動(dòng)發(fā)出通知命令，將自動(dòng)發(fā)出Voyager的單個(gè)自定義特征。這確保了此特征的任何更新都向中央報(bào)告。這很重要，因?yàn)檫M(jìn)一步的命令獲得了航行者的確認(rèn)或回應(yīng)，指示他們是否成功地進(jìn)行了。
數(shù)據(jù)是如何請(qǐng)求的?
始終使用簡(jiǎn)單的字符串命令請(qǐng)求數(shù)據(jù)。例如，Central可能會(huì)發(fā)出SetPhy 2命令，以指示Voyager使用其2M收音機(jī)，這可以以某些范圍和可靠性為代價(jià)更快的數(shù)據(jù)通信。外圍設(shè)備解析此命令以確保其有效，然后以2個(gè)輸入值為2的內(nèi)部setPhy函數(shù)以切換所使用的無(wú)線電。如果Voyager成功地執(zhí)行了此功能，則將返回：OK命令發(fā)回中央設(shè)備并顯示給用戶。
解釋加速度計(jì)數(shù)據(jù)
在接收數(shù)據(jù)之前，GUI的用戶可以選擇使用SetAdxlCFG命令配置連接的Voyager的加速度計(jì)。一旦周圍發(fā)出開(kāi)始命令，加速度計(jì)數(shù)據(jù)的流量從外圍到中心開(kāi)始。默認(rèn)情況下，中央設(shè)備和外圍設(shè)備在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模式下運(yùn)行，因?yàn)檫@對(duì)演示目的很有用。
在外圍方面，內(nèi)部第一局(FIFO)緩沖區(qū)以用戶指定的采樣率填充了最新數(shù)據(jù)。 FIFO填充后，將在Voyager自定義服務(wù)上放置一個(gè)標(biāo)志，并通知外圍有新數(shù)據(jù)可用。然后，數(shù)據(jù)被周圍發(fā)送并解析為三個(gè)軸的加速數(shù)據(jù)的格式陣列：x，y和z。數(shù)據(jù)始終繪制，用戶可以選擇選擇一個(gè)保存數(shù)據(jù)選項(xiàng)，該選項(xiàng)也將相同的數(shù)據(jù)保存到CSV文件中以進(jìn)行以后分析。
AI算法設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目的目的是檢測(cè)汽車的健康何時(shí)開(kāi)始降解。邊緣的AI分析旨在基于一個(gè)或多個(gè)輸入(包括音頻，溫度和振動(dòng))來(lái)代替或補(bǔ)充數(shù)據(jù)分析，以創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)健康的指標(biāo)或表征。到目前為止，振動(dòng)是當(dāng)今狀況監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序中最常使用的振動(dòng)。
輸入
許多Edge AI處理器往往是相當(dāng)渴望的，它與任何無(wú)線狀況監(jiān)控解決方案的目標(biāo)之一相反：長(zhǎng)期設(shè)備壽命。 Max78000(如前所述)可以使快速，低功率的AI推斷總體上使用比使用BLE無(wú)線電更少的功率。但是，在使用低功率邊緣AI處理器時(shí)，請(qǐng)記住，我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大小不能超過(guò)董事會(huì)的規(guī)格。該板配備具有512 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的CNN加速器。它主要用于對(duì)象檢測(cè)，音頻處理和時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理。
隨著時(shí)間的推移，我們解決方案的可用數(shù)據(jù)是加速度。為了最大程度地提高受過(guò)訓(xùn)練的算法的性能，試用了幾種預(yù)處理方法，以確定哪些對(duì)準(zhǔn)確性的影響最大。
訓(xùn)練
通過(guò)“模擬設(shè)備AI” Github在線描述了培訓(xùn)和部署神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向Max78000進(jìn)行培訓(xùn)和部署的過(guò)程。通常，首先使用Pytorch®和TensorFlow®等傳統(tǒng)工具集在主機(jī)PC上創(chuàng)建模型。該模型需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須由目標(biāo)設(shè)備保存并轉(zhuǎn)移到PC。輸入的一個(gè)小節(jié)成為訓(xùn)練集，專門用于訓(xùn)練模型。進(jìn)一步的小節(jié)成為驗(yàn)證集，用于觀察訓(xùn)練過(guò)程中損耗函數(shù)(衡量網(wǎng)絡(luò)性能的度量)的變化。
根據(jù)所使用的模型類型，可能需要不同類型和數(shù)量的數(shù)據(jù)。如果您希望表征特定的電動(dòng)機(jī)故障，那么您正在訓(xùn)練的模型將需要標(biāo)記的數(shù)據(jù)，除了存在不存在故障的健康振動(dòng)數(shù)據(jù)之外，還存在不同故障時(shí)，概述了振動(dòng)。
Voyager最初是由自動(dòng)編碼器型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的。自動(dòng)編碼器不需要數(shù)據(jù)即可擁有任何標(biāo)簽來(lái)學(xué)習(xí)如何對(duì)其進(jìn)行分類。盡管這種類型的模型不適合復(fù)雜的故障分類，但它可以快速訓(xùn)練，并且僅使用客戶已經(jīng)擁有的數(shù)據(jù)，例如健康的電機(jī)數(shù)據(jù)。
在每種情況下找到理想的數(shù)據(jù)要培訓(xùn)是獨(dú)有的，需要足夠的數(shù)據(jù)來(lái)了解健康運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的一般趨勢(shì)，而無(wú)需將數(shù)據(jù)過(guò)度擬合到培訓(xùn)輸入中。使用Voyager部署的默認(rèn)示例經(jīng)過(guò)僅
30秒的健康加速度計(jì)數(shù)據(jù)培訓(xùn)。存在相同數(shù)量的具有不平衡故障的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。使用Python GUI直接將兩個(gè)數(shù)據(jù)集直接保存到訓(xùn)練PC中。
在用于訓(xùn)練模型之前，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。然后，訓(xùn)練腳本會(huì)順序進(jìn)行訓(xùn)練的幾次迭代，并選擇表現(xiàn)最佳的模型。為了測(cè)試目的，需要一些故障輸入數(shù)據(jù)。您不能在沒(méi)有首先測(cè)試錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的情況下對(duì)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并表達(dá)對(duì)結(jié)果的信心。
如何部署算法?
一旦訓(xùn)練了模型，就必須使用ADI的在線工具集對(duì)其進(jìn)行量化和合成。量化通過(guò)舍入或截?cái)鄬⑸赡Ｐ偷臋?quán)重調(diào)整為較小的垃圾箱，從而減少存儲(chǔ)模型所需的內(nèi)存。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署到較小的邊緣設(shè)備時(shí)，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。合成將量化模型轉(zhuǎn)換為C文件，這些模型可以由微控制器理解。
生成三個(gè)文件，然后將其復(fù)制到微控制器的活動(dòng)項(xiàng)目中，并加載下一個(gè)固件更新。其中兩個(gè)文件(CNN.H和CNN.C)包含寄存器寫(xiě)入CNN配置和已加載模型的其他有用功能。第三個(gè)文件(weights.h)包含訓(xùn)練有素(和量化的)模型權(quán)重。
一旦加載了新的固件，要么通過(guò)對(duì)調(diào)試端口的有線更新或無(wú)線更新(OTA)更新，該模型已被部署，并且可以由BLE MicroController查詢，以根據(jù)需要進(jìn)行AI推斷。
部署后如何使用它?
部署了新的固件后，AI微控制器將作為有限狀態(tài)機(jī)操作，接受并對(duì)BLE控制器的命令反應(yīng)SPI。
當(dāng)請(qǐng)求推理時(shí)，AI微控制器喚醒并從加速度計(jì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。重要的是，它與培訓(xùn)中使用的時(shí)間序列數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的預(yù)處理步驟。最后，此預(yù)處理的輸出被饋送到部署的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以報(bào)告分類。
作為節(jié)省電池的措施，AI微控制器旨在自動(dòng)對(duì)喚醒發(fā)出推斷，這使BLE微控制器只有在需要分析時(shí)才能為其供電。
在典型的設(shè)置中，BLE微控制器每天可以在短時(shí)間內(nèi)從低功率睡眠模式中醒來(lái)，請(qǐng)求AI推斷存在加速度計(jì)數(shù)據(jù)，并返回其睡眠模式，如果數(shù)據(jù)不通過(guò)用戶設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，例如模型，該數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)看起來(lái)健康的確定性為99%。在相反的情況下，數(shù)據(jù)看起來(lái)異?；虿荒茏孕诺刈R(shí)別為健康的地方，BLE微控制器可以連接到附近的BLE主機(jī)并共享數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方式，邊緣的分析消除了理解主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，從而節(jié)省了電池壽命。
結(jié)論
在本文中，我們介紹了Voyager4，這是一種無(wú)線振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用邊緣AI分析來(lái)改善其智能和壽命作為條件監(jiān)控工具。設(shè)計(jì)有效的條件監(jiān)控傳感器需要幾個(gè)考慮因素。我們討論了Voyager4的硬件信號(hào)鏈以及用于集成不同系統(tǒng)元素的固件，除了設(shè)備的外部外觀作為外圍外觀。我們還探索了在Voyager中使用AI的使用，對(duì)如何考慮開(kāi)發(fā)和部署邊緣AI模型有一些見(jiàn)解。
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