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AI方法的多樣性，傳感器設計師必須考慮一些競爭要求，包括決策延遲，網(wǎng)絡使用，功耗/電池壽命以及適合機器的AI模型。上一篇文章的重點是Voyager4的概述和硬件設計：一個無線，基于AI的條件監(jiān)視傳感器。本文將重點介紹為智能邊緣傳感器創(chuàng)建的軟件體系結構和AI算法。將描述用于Voyager4上AI模型開發(fā)的完整系統(tǒng)級方法。

條件監(jiān)控傳感器的軟件設計

Voyager4是一個由模擬設備開發(fā)的無線狀況監(jiān)視平臺，使開發(fā)人員能夠快速部署和測試機器或測試設置的無線解決方案。汽車健康監(jiān)測解決方案(例如Voyager4)在機器人技術和旋轉機器等領域(例如渦輪機，風扇，泵和電動機)都使用。

為這種無線邊緣設備開發(fā)軟件可能很困難。從傳感器設計的早期開始，開發(fā)人員必須考慮整體系統(tǒng)體系結構，考慮系統(tǒng)的各個部分將如何運行，如何集成不同的組件以共同工作，以及如何應用和部署諸如神經(jīng)網(wǎng)絡之類的有用算法和分析工具，以將智能添加到優(yōu)勢。

任何此類項目的目標是為邊緣設備和連接的主機創(chuàng)建軟件，該軟件易于理解，可修改和升級。在Voyager4中，有兩個微控制器和許多外圍設備，包括傳感器，電源管理板，閃存和通信接口。開發(fā)控制和組合這些部分所需的代碼是一項艱巨的任務。

本文的希望是，通過展示Voyager4開發(fā)過程中使用的設計過程，強調(diào)所采取的步驟并給出一些具體的實現(xiàn)示例，讀者可以更好地了解如何開發(fā)其邊緣傳感器。

概述

雖然此處給出了Voyager操作的簡要回顧，但請參閱文章系列的第1部分，以獲取有關條件監(jiān)視傳感器的更多信息，以及有關Voyager4 Project的獨特硬件，功率和安全功能的更多詳細信息。

Voyager4的傳感器操作原理，ADXL382三方8 kHz數(shù)字微電機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計用于收集振動數(shù)據(jù)?；诓僮鞣绞剑占臄?shù)據(jù)可能遵循幾個不同的路徑。

路徑A是最初將原始振動數(shù)據(jù)直接發(fā)送到Max32666藍牙®低能(BLE)處理器的路徑。從這里，數(shù)據(jù)可以通過BLE收音機或通過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算法以預測機器數(shù)據(jù)有故障的。路徑C和D覆蓋分別檢測到電動機故障或未檢測到的用例。如果檢測到故障，則可以通過BLE處理器發(fā)送標志或用戶警報到主機。如果未檢測到故障，傳感器將返回睡眠模式，直到下一個檢測事件。

該體系結構是Voyager4的軟件和AI算法開發(fā)的重點。有關對該體系結構的完整系統(tǒng)級別的理解，本文將討論：

· BLE術語

· 實施BLE周圍

· BLE中央的實施

· 培訓和部署AI算法

BLE背景

在設計工業(yè)邊緣傳感器時，連接性是關鍵設計因素之一。這會根據(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，與其他連接標準相比，BLE具有一些獨特的優(yōu)勢。 BLE的范圍，功率和可靠性對于我們的工業(yè)監(jiān)測用例尤為重要。要了解BLE邊緣設備的設計和開發(fā)，您必須首先了解任何BLE項目使用的一些基本術語。

對BLE所提供的所有內(nèi)容的詳盡解釋將填寫一本書，因此本文重點介紹了實施BLE設備的任何人都需要考慮的一些關鍵概念，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軟件堆棧是標準協(xié)議的集合，必須由設備實現(xiàn)，才能將其視為BLE兼容。通過說明堆棧中的不同協(xié)議是如何分層的，可以更容易地理解該名稱。高級功能(例如用戶通信和設備連接)由負責基本任務(例如數(shù)據(jù)封裝和解析)的低級協(xié)議支持。

幸運的是，對于開發(fā)人員來說，對堆棧組件的基本了解通常足夠，他們可以從已實現(xiàn)自己的版本的一系列硬件設備中進行選擇。這要求用戶簡單地開發(fā)應用程序的一部分，該應用程序將在使用預構建的BLE堆棧時控制設備本身。

BLE堆棧通常表示為三個不同的部分：應用，主機和控制器。應用程序將接口定義為用戶和用戶正在實現(xiàn)的特定應用程序代碼(振動監(jiān)視)。主機是指BLE軟件堆棧的上層，該堆?？刂浦呒壒δ埽缗渲梦募蛥f(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無線電本身)。對于此項目，選擇了MAX32666 BLE微控制器。這是一個低功率ARM®Cortex® - M4微控制器，具有藍牙5 LE無線電，并支持遠距離(4×)和高數(shù)據(jù)吞吐量(2 Mbps)。

外圍/中央模型

BLE設備可以根據(jù)其作用定義為外圍設備或中心。由于數(shù)據(jù)可以在兩個方向上流動，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，外圍設備宣傳其連接的可用性。中央設備掃描可用的外圍設備以連接并啟動連接。數(shù)據(jù)可能在外圍和中央之間的兩個方向上流動，但中心被視為主機。較舊的BLE參考文獻還分別將外圍設備和中心作為服務器和客戶。

在我們的系統(tǒng)中，Voyager平臺被定義為我們的外圍平臺，它收集并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心。對于這個項目，為了簡化開發(fā)并易于理解，最初的重點是與單個外圍交互的最簡單情況。

協(xié)議和配置文件

協(xié)議和配置文件是藍牙命名術語的易于混淆的部分。簡而言之，協(xié)議是定義設備操作的基本功能構建塊：數(shù)據(jù)封裝，格式，路由等。配置文件是功能捆綁，結合起來以啟用基本的操作模式。它本質上是實現(xiàn)一定總體功能的協(xié)議的組合，例如，電池服務配置文件可用于詢問設備的剩余電池。必須由所有BLE設備實現(xiàn)所有重要的通用訪問配置文件(GAP)和通用屬性配置文件(GATT)，以允許它們連接到其他BLE設備。 GAP涵蓋了低級功能 - 廣告，設備發(fā)現(xiàn)和管理連接。 Gatt管理高級數(shù)據(jù)組織并在設備之間傳輸，允許他們在建立的連接上讀寫。

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備。這包括由藍牙特殊興趣組(SIG)創(chuàng)建的預定義配置文件。在開發(fā)典型的設備(例如智能手表或智能電表)時，使用預定義的配置文件可能很有用，但是對于實現(xiàn)大量自定義功能的設備可能會限制。

還允許使用藍牙SIG定義的自定義配置文件，以便攜性成本以更大的設計靈活性。每個配置文件將其數(shù)據(jù)組織到服務中，該服務由幾個特征組成。

當中央和外圍設備之間形成連接時，中央設備可以請求與該外圍設備相關的配置文件和服務。顯示了Central要求時的差距，GATT和自定義配置文件(及其服務)的結構。

對于Voyager，除了用作命令服務器的單個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數(shù)據(jù)或更新外圍設備本身的配置。

固件實現(xiàn)

BLE微控制器是系統(tǒng)的核心，可確保來自所有外圍傳感器和設備的數(shù)據(jù)可供連接的BLE Central檢索或修改。

設備配置

在Max32666上預先構建了BLE堆棧，我們通過填寫相關配置功能來構建外圍設備的外觀。例如，我們?yōu)閽呙钄?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)陣列提供了數(shù)據(jù)長度，廣告類型和字符列表，每當Voyager供電時，我們的外圍設置功能都會在我們的外圍設置功能中調(diào)用。

這樣的BLE設備將具有大量的配置設置，包括收音機和返回數(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構建示例開始，然后從那里進行自定義修改。 Max32666為BLE數(shù)據(jù)服務器(外圍)提供了一個示例代碼，稱為BLE DATS，該代碼被用作Voyager項目的基礎。配置后，當中央掃描可用設備時，外圍的名稱出現(xiàn)為Voyager。這也可以用來過濾搜索列表，以便中央僅顯示預期名稱的設備。設備名稱與設備MAC地址和接收的信號強度指示器(RSSI)一起顯示。

堆棧中的其他配置設置控制設備其他模式的預期名稱和行為，例如制造商ID，對讀/寫命令的響應，等等。

命令服務器

由于串聯(lián)設計了Voyager4應用程序的中央和外圍側，因此可以通過使用帶有單個BLE服務的自定義配置文件來簡化外圍界面。此配置文件將負責從中央設備接收命令，并以加速度計數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)和其他設備信息的形式返回響應。

這項單一的自定義服務是在像Voyager一樣復雜的設備中進行通信的非正統(tǒng)服務，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，因為使用字符串作為命令輸入到Voyager外圍設備的命令輸入允許根據(jù)數(shù)據(jù)解析的方式來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。這將在外圍側建立通知系統(tǒng)，并在中心側分配相應的回調(diào)函數(shù)。這意味著任何時候分配給該自定義特征的更新數(shù)據(jù)，通知中心設備，傳輸新數(shù)據(jù)并觸發(fā)中央設備的回調(diào)函數(shù)。

固件體系結構

硬件圖顯示了Voyager中包含的內(nèi)容數(shù)組以及相對數(shù)據(jù)路徑和電源。大多數(shù)軟件開發(fā)都在BLE微控制器上進行，因為它是指揮中心，將BLE接口與設備的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，我們必須開發(fā)用于BLE微控制器使用的設備驅動程序，以及AI微控制器，如AI部分所述。實際上，這些驅動程序的開發(fā)和集成是連接邊緣傳感器所需的大部分編碼工作。

編寫便攜式代碼

在開發(fā)固件時，我們將代碼分為幾層抽象，將一個特定微控制器的特定細節(jié)與應用程序和驅動程序代碼分開。這是一個很好理解的問題，除應用層外，通常通過將代碼責任分為三個不同的層來解決。這些是硬件抽象層(HAL)，董事會支持軟件包(BSP)和驅動程序層。

HAL為程序提供了一種與不同硬件進行交互的程序，而無需了解每個設備的詳細信息。 BSP定義了與硬件有關的軟件，驅動程序層定義了單個設備(例如寄存器映射)的更細節(jié)。例如，在Voyager中，我們有兩個微控制器，最大32666用于BLE連接，Max78000帶有機上卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(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，任何設備驅動程序發(fā)出的任何SPI呼叫最初都會將責任推遲到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)中每個板的HAL保持不變，但是每個微控制器都會更新BSP。 BSP還負責定義系統(tǒng)的通用構建塊，該塊將應用程序從所使用的特定設備中調(diào)用。在圖10中，BSP中的main_adxl塊是所使用的基礎加速度計的抽象。在BSP層中定義了任何加速度計(例如初始化和讀取)的通用命令，而在ADXL382塊中的驅動程序級別上定義了諸如get_raw_xyz_data之類的低級功能。將驅動程序代碼從MAX32666移植到Max78000微控制器時，加速度計代碼僅與加速度計本身相關，因此保持不變。唯一更新的文件允許與新的微控制器進行通信，在BSP層內(nèi)。

在更換或升級系統(tǒng)中的零件方面，這也具有明顯的好處。 Voyager中的一個真實例子是決定升級所使用的主要加速度計。在這種情況下，僅更新了驅動程序層中的代碼，從而簡化了維護，修改和測試。

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)視器和振動傳感器。我們在數(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傳感器和典型的狀態(tài)監(jiān)視設置上，例如，每天一次進行一次簡短的測量。 BLE不允許高數(shù)據(jù)吞吐量。 ADXL382是一個高帶寬，3軸加速度計，每軸每秒收集16,000個樣本，以高性能模式。有一些可用的選項，可根據(jù)系統(tǒng)中包含的組件發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送實時數(shù)據(jù)

沒有任何形式的緩沖，請在中央請求時立即發(fā)送數(shù)據(jù)。盡管這是一種演示模式，但實時展示了高性能加速度計數(shù)據(jù)，但隨著生成的數(shù)據(jù)量超過可以發(fā)送的速率，電池會很快消耗或丟棄或損壞。

從內(nèi)存發(fā)送數(shù)據(jù)

另一個選擇是將數(shù)據(jù)保存到閃存。這樣，我們可以安全地記錄加速度計數(shù)據(jù)，而不必擔心覆蓋先前的值。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告。由于該系統(tǒng)不再是實時的(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確認系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)到達中心完全完整，并重新保存任何丟失的數(shù)據(jù)。

對于典型的工業(yè)狀況監(jiān)測設置，該解決方案更為實用，但是該設備的電池壽命大多浪費了每天不會改變太大的振動信息。

在邊緣進行分析

為了節(jié)省電池壽命，最好在邊緣進行一些分析，以確保僅通過無線電鏈接傳達相關數(shù)據(jù)。當然，僅當在邊緣創(chuàng)建有意義的見解所需的功率明顯少于通過BLE發(fā)送數(shù)據(jù)所需的功率(有關此信息的更多信息，請參見本文系列的第1部分)。

您可以看到加速度計具有兩個微控制器的直接數(shù)據(jù)路徑。在我們將在邊緣進行一些分析的用例中，AI微控制器可以直接從加速度計讀取振動數(shù)據(jù)，并使用板載AI模型進行分析。

設計中央用戶界面

由于BLE周圍是與Voyager外圍的同時設計的，因此兩者的相互作用方式具有很大的靈活性。通常，中央設備需要掃描并連接到Voyager外圍設備，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以進行解析。在這種情況下，中心是用Python編寫的Windows PC上的圖形用戶界面(GUI)，并利用BLE外圍圖書館(Bleak)發(fā)出標準BLE命令。 Bleak是在Python標準的Asyncio庫的頂部建造的，允許BLE命令異步運行，從而確保用戶界面保持可互作用且不會凍結。

當GUI成功連接到外圍設備時，將自動發(fā)出通知命令，將自動發(fā)出Voyager的單個自定義特征。這確保了此特征的任何更新都向中央報告。這很重要，因為進一步的命令獲得了航行者的確認或回應，指示他們是否成功地進行了。

數(shù)據(jù)是如何請求的?

始終使用簡單的字符串命令請求數(shù)據(jù)。例如，Central可能會發(fā)出SetPhy 2命令，以指示Voyager使用其2M收音機，這可以以某些范圍和可靠性為代價更快的數(shù)據(jù)通信。外圍設備解析此命令以確保其有效，然后以2個輸入值為2的內(nèi)部setPhy函數(shù)以切換所使用的無線電。如果Voyager成功地執(zhí)行了此功能，則將返回：OK命令發(fā)回中央設備并顯示給用戶。

解釋加速度計數(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。一旦周圍發(fā)出開始命令，加速度計數(shù)據(jù)的流量從外圍到中心開始。默認情況下，中央設備和外圍設備在實時數(shù)據(jù)模式下運行，因為這對演示目的很有用。

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自定義服務上放置一個標志，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保存數(shù)據(jù)選項，該選項也將相同的數(shù)據(jù)保存到CSV文件中以進行以后分析。

AI算法設計

該項目的目的是檢測汽車的健康何時開始降解。邊緣的AI分析旨在基于一個或多個輸入(包括音頻，溫度和振動)來代替或補充數(shù)據(jù)分析，以創(chuàng)建運動健康的指標或表征。到目前為止，振動是當今狀況監(jiān)測應用程序中最常使用的振動。

輸入

許多Edge AI處理器往往是相當渴望的，它與任何無線狀況監(jiān)控解決方案的目標之一相反：長期設備壽命。 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無線電更少的功率。但是，在使用低功率邊緣AI處理器時，請記住，我們的神經(jīng)網(wǎng)絡的大小不能超過董事會的規(guī)格。該板配備具有512 KB數(shù)據(jù)存儲器的CNN加速器。它主要用于對象檢測，音頻處理和時間序列數(shù)據(jù)處理。

隨著時間的推移，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訓練的算法的性能，試用了幾種預處理方法，以確定哪些對準確性的影響最大。

訓練

通過“模擬設備AI” Github在線描述了培訓和部署神經(jīng)網(wǎng)絡向Max78000進行培訓和部署的過程。通常，首先使用Pytorch®和TensorFlow®等傳統(tǒng)工具集在主機PC上創(chuàng)建模型。該模型需要訓練數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須由目標設備保存并轉移到PC。輸入的一個小節(jié)成為訓練集，專門用于訓練模型。進一步的小節(jié)成為驗證集，用于觀察訓練過程中損耗函數(shù)(衡量網(wǎng)絡性能的度量)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機故障，那么您正在訓練的模型將需要標記的數(shù)據(jù)，除了存在不存在故障的健康振動數(shù)據(jù)之外，還存在不同故障時，概述了振動。

Voyager最初是由自動編碼器型神經(jīng)網(wǎng)絡開發(fā)的。自動編碼器不需要數(shù)據(jù)即可擁有任何標簽來學習如何對其進行分類。盡管這種類型的模型不適合復雜的故障分類，但它可以快速訓練，并且僅使用客戶已經(jīng)擁有的數(shù)據(jù)，例如健康的電機數(shù)據(jù)。

在每種情況下找到理想的數(shù)據(jù)要培訓是獨有的，需要足夠的數(shù)據(jù)來了解健康運動數(shù)據(jù)的一般趨勢，而無需將數(shù)據(jù)過度擬合到培訓輸入中。使用Voyager部署的默認示例經(jīng)過僅

30秒的健康加速度計數(shù)據(jù)培訓。存在相同數(shù)量的具有不平衡故障的數(shù)據(jù)進行驗證。使用Python GUI直接將兩個數(shù)據(jù)集直接保存到訓練PC中。

在用于訓練模型之前，對輸入數(shù)據(jù)進行了預處理。然后，訓練腳本會順序進行訓練的幾次迭代，并選擇表現(xiàn)最佳的模型。為了測試目的，需要一些故障輸入數(shù)據(jù)。您不能在沒有首先測試錯誤數(shù)據(jù)的情況下對健康數(shù)據(jù)進行訓練，并表達對結果的信心。

如何部署算法?

一旦訓練了模型，就必須使用ADI的在線工具集對其進行量化和合成。量化通過舍入或截斷將生成模型的權重調(diào)整為較小的垃圾箱，從而減少存儲模型所需的內(nèi)存。將神經(jīng)網(wǎng)絡部署到較小的邊緣設備時，這是一個標準過程。合成將量化模型轉換為C文件，這些模型可以由微控制器理解。

生成三個文件，然后將其復制到微控制器的活動項目中，并加載下一個固件更新。其中兩個文件(CNN.H和CNN.C)包含寄存器寫入CNN配置和已加載模型的其他有用功能。第三個文件(weights.h)包含訓練有素(和量化的)模型權重。

一旦加載了新的固件，要么通過對調(diào)試端口的有線更新或無線更新(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)機操作，接受并對BLE控制器的命令反應SPI。

當請求推理時，AI微控制器喚醒并從加速度計請求數(shù)據(jù)。重要的是，它與培訓中使用的時間序列數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的預處理步驟。最后，此預處理的輸出被饋送到部署的神經(jīng)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡可以報告分類。

作為節(jié)省電池的措施，AI微控制器旨在自動對喚醒發(fā)出推斷，這使BLE微控制器只有在需要分析時才能為其供電。

在典型的設置中，BLE微控制器每天可以在短時間內(nèi)從低功率睡眠模式中醒來，請求AI推斷存在加速度計數(shù)據(jù)，并返回其睡眠模式，如果數(shù)據(jù)不通過用戶設定的標準，例如模型，該數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)看起來健康的確定性為99%。在相反的情況下，數(shù)據(jù)看起來異常或不能自信地識別為健康的地方，BLE微控制器可以連接到附近的BLE主機并共享數(shù)據(jù)。通過這種方式，邊緣的分析消除了理解主機系統(tǒng)數(shù)據(jù)的負擔，從而節(jié)省了電池壽命。

結論

在本文中，我們介紹了Voyager4，這是一種無線振動監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用邊緣AI分析來改善其智能和壽命作為條件監(jiān)控工具。設計有效的條件監(jiān)控傳感器需要幾個考慮因素。我們討論了Voyager4的硬件信號鏈以及用于集成不同系統(tǒng)元素的固件，除了設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，對如何考慮開發(fā)和部署邊緣AI模型有一些見解。