摘要

提升工業(yè)系統(tǒng)智能化的方法有多種，其中包括將邊緣和云端人工智能(AI)技術(shù)應(yīng)用于配備模擬和數(shù)字器件的傳感器。鑒于AI方法的多樣性，傳感器設(shè)計(jì)人員需要考慮若干相互沖突的要求，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。本系列文章重點(diǎn)介紹智能AI無線電機(jī)監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)，并回答一些關(guān)鍵問題，例如：邊緣AI如何延長(zhǎng)傳感器電池的壽命?系統(tǒng)的洞察和決策能力有哪些提升?本文介紹的傳感器利用邊緣AI算法檢測(cè)異常電機(jī)行為，進(jìn)而觸發(fā)機(jī)器診斷和維護(hù)，最終延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

電機(jī)健康狀況監(jiān)測(cè)

對(duì)機(jī)器人和旋轉(zhuǎn)機(jī)器(例如渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī))實(shí)施的狀態(tài)監(jiān)控(CbM)會(huì)記錄與機(jī)器的健康和性能相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便針對(duì)性地實(shí)施預(yù)測(cè)維護(hù)和優(yōu)化控制。在機(jī)器生命周期的早期進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)測(cè)維護(hù)，可以減少生產(chǎn)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高可靠性、顯著節(jié)約成本和提高工廠的生產(chǎn)率。要對(duì)工業(yè)機(jī)器實(shí)施基于狀態(tài)的監(jiān)控，可以利用一系列傳感器數(shù)據(jù)，如電氣測(cè)量、振動(dòng)、溫度、油品質(zhì)量、聲學(xué)、磁和流程測(cè)量(如流量和壓力)。但是，振動(dòng)測(cè)量是目前常見的方法，它可以非常可靠地指出不平衡和軸承故障等機(jī)械問題。本文將介紹Voyager4評(píng)估套件(EV-CBM-VOYAGER4-1Z)，這是一款穩(wěn)健的低功耗無線振動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)，它讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)o線解決方案快速部署到機(jī)器或測(cè)試設(shè)置中。Voyager4傳感器利用邊緣人工智能(AI)算法檢測(cè)異常電機(jī)行為，進(jìn)而觸發(fā)機(jī)器診斷和維護(hù)，最終延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。本文是介紹Voyager4傳感器的三部分系列文章的第1部分。該傳感器可作為參考范例，幫助開發(fā)人員加速智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，以及理解設(shè)計(jì)過程中需要權(quán)衡的各種因素。

? 本系列文章的第1部分將介紹Voyager4無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器，包括傳感器架構(gòu)的關(guān)鍵元素、硬件設(shè)計(jì)、功耗分析和機(jī)械集成。

? 本系列文章的第2部分將重點(diǎn)討論軟件架構(gòu)和AI算法，并說明在Voyager4上開發(fā)和部署AI模型的完整系統(tǒng)級(jí)方法。

? 本系列文章的第3部分將討論AI算法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，以及Voyager4可以檢測(cè)的各種故障，例如不平衡、未對(duì)準(zhǔn)和軸承缺陷。

無線振動(dòng)傳感器的典型工作模式

目前市售的無線工業(yè)傳感器通常以非常低的占空比運(yùn)行。用戶設(shè)置傳感器的休眠時(shí)長(zhǎng)，定期傳感器喚醒并測(cè)量溫度和振動(dòng)，然后通過無線電將數(shù)據(jù)傳回用戶的數(shù)據(jù)服務(wù)器。市售傳感器通常聲稱電池壽命為5年，此壽命基于每24小時(shí)捕獲一次數(shù)據(jù)，或每24小時(shí)捕獲多次數(shù)據(jù)而預(yù)測(cè)的。參見圖1。

圖1.工業(yè)無線傳感器的典型操作

大多數(shù)情況下，傳感器90%以上的時(shí)間處于休眠模式。Voyager4傳感器也以類似方式運(yùn)行，但會(huì)利用邊緣AI異常檢測(cè)(采用MAX78000 AI微控制器)來限制無線電的使用。當(dāng)傳感器喚醒并測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，只有微控制器檢測(cè)到數(shù)據(jù)中存在異常時(shí)，才會(huì)將數(shù)據(jù)傳回用戶。借助邊緣AI，電池壽命可延長(zhǎng)至少50%(參見“硬件系統(tǒng)和功耗分析”部分)。

Voyager4傳感器系統(tǒng)工作原理

Voyager4傳感器的工作原理如圖2所示。ADXL382 三軸8 kHz數(shù)字微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)用于采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。首先，原始振動(dòng)數(shù)據(jù)沿著路徑A到達(dá)MAX32666 低功耗藍(lán)牙®(BLE)處理器。數(shù)據(jù)可以通過無線BLE或USB發(fā)送給用戶。借助MAX78000工具，這些原始振動(dòng)數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練邊緣AI算法。

圖2.Voyager4傳感器的工作原理

利用MAX78000工具將AI模型合成為C代碼。邊緣AI算法通過BLE無線(OTA)更新發(fā)送到Voyager4傳感器，并利用搭載邊緣AI硬件加速器的MAX78000處理器存儲(chǔ)在內(nèi)存中。在Voyager4初始訓(xùn)練階段之后，ADXL382 MEMS數(shù)據(jù)可以采用圖2所示的路徑B。MAX78000邊緣AI算法將根據(jù)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)機(jī)器運(yùn)行是否正常。如果振動(dòng)數(shù)據(jù)正常，則無需使用MAX32666的無線電功能。Voyager4傳感器按照?qǐng)D2所示的路徑D進(jìn)行操作，MEMS返回休眠模式。但是，如果算法預(yù)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)存在異常，則操作按照路徑C進(jìn)行，并通過BLE向用戶發(fā)送振動(dòng)異常警報(bào)。本系列文章的第2部分將詳細(xì)解釋該邊緣AI的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

硬件系統(tǒng)和功耗分析

圖3概要顯示了Voyager4硬件系統(tǒng)。ADXL382是一款低噪聲密度、低功耗、3軸MEMS加速度計(jì)，具有可選測(cè)量范圍。該器件支持±15 g、±30 g和±60 g范圍以及8 kHz的寬測(cè)量帶寬。ADG1634 單刀雙擲(SPDT) CMOS開關(guān)用于將MEMS原始振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至MAX32666的無線BLE或MAX78000 AI微控制器。BLE微控制器用于控制SPDT開關(guān)。其他幾個(gè)外設(shè)連接到MAX32666，包括用于監(jiān)測(cè)電池電流的MAX17262 電量計(jì)以及超低功耗ADXL367 MEMS加速度計(jì)。ADXL367用于在高振動(dòng)沖擊事件中將無線BLE從深度睡眠模式喚醒。在運(yùn)動(dòng)激活的喚醒模式下，它僅消耗180 nA電流。BLE微控制器可利用FTDI FT234XD-R通過BLE或USB將ADXL382 MEMS的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)。

圖3.Voyager4硬件系統(tǒng)

Voyager4傳感器采用MAX20335 電源管理集成電路(PMIC)，如圖3和圖4所示。該P(yáng)MIC具有兩個(gè)超低靜態(tài)電流降壓型穩(wěn)壓器和三個(gè)超低靜態(tài)電流低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器。每個(gè)LDO和降壓型穩(wěn)壓器的輸出電壓均可單獨(dú)使能和禁用，并且每個(gè)輸出電壓值均可通過I2C編程(默認(rèn)值預(yù)配置)。BLE處理器用于針對(duì)Voyager4的不同工作模式，使能或禁用各個(gè)PMIC電源輸出。

圖4.MAX20335 PMIC

表1詳細(xì)列出了Voyager4傳感器的不同工作模式。

表1.Voyager4傳感器工作模式和相應(yīng)的MAX20335 PMIC

電源配置

表2詳細(xì)列出了MAX32666和MAX78000處于激活模式或停用模式下，各項(xiàng)特性的激活情況。例如，對(duì)于訓(xùn)練模式，BLE微控制器必須首先在BLE網(wǎng)絡(luò)中廣播其存在，然后與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立BLE連接。Voyager4隨后通過BLE網(wǎng)絡(luò)傳輸ADXL382 MEMS原始數(shù)據(jù)，以在用戶的PC上訓(xùn)練AI算法。

表2.Voyager4 BLE、AI和深度睡眠模式

然后，Voyager4傳感器返回深度睡眠模式。在正常(AI)模式下，無線BLE的廣播、連接和流傳輸特性默認(rèn)禁用。每隔一定周期，MAX78000就會(huì)喚醒并運(yùn)行AI推理。如果未檢測(cè)到異常，則Voyager4返回深度睡眠模式。

Voyager4評(píng)估套件的平均功耗是根據(jù)其在深度睡眠、訓(xùn)練和正常/AI模式下的事件間隔時(shí)間來衡量的。圖5顯示了平均功耗的匯總情況。

Voyager4評(píng)估套件(EV-CBM-VOYAGER4-1Z)包含了多個(gè)方便客戶評(píng)估的元器件(LED、上拉電阻)。這些元器件由LDO1OUT電源軌供電，功耗為0.3 mW(深度睡眠模式)，如圖5所示。

當(dāng)評(píng)估套件在訓(xùn)練模式下運(yùn)行時(shí)，如果BLE處于活動(dòng)狀態(tài)，每小時(shí)廣播、連接和傳輸數(shù)據(jù)一次，功耗超過0.65 mW。如果Voyager4傳感器在AI模式下運(yùn)行，即使傳感器每小時(shí)激活一次，功耗也只接近0.3 mW。

圖5顯示，當(dāng)傳感器無需傳輸原始BLE數(shù)據(jù)時(shí)，其功耗降低多達(dá)50%。

在大約0.3 mW的功耗下，一顆1500 mAh電池(例如TinyCircuits的可充電ASR00073)可工作長(zhǎng)達(dá)兩年;如果使用兩顆標(biāo)準(zhǔn)AA型2.6 Ah LS14500 Saft電池，則可工作7年以上。Saft的LS 14500電池具有低基極電流和周期性脈沖特性，非常適合長(zhǎng)期應(yīng)用(通常5至20年以上)。

圖5.平均功耗與事件間隔時(shí)間的關(guān)系

Voyager4傳感器機(jī)械設(shè)計(jì)

Voyager4傳感器直徑為46 mm，最小高度為77 mm。底座上有一個(gè)M6螺紋孔，可通過螺柱或粘合劑將其安裝到電機(jī)外殼上。圖6為機(jī)械組件的分解圖，它包含鋁制底座和壁殼，并采用ABS塑料蓋以減輕BLE數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶炀€屏蔽效應(yīng)。BLE和邊緣AI微控制器的PCB垂直安裝，電池固定在支架上。MEMS傳感器和電源的PCB置于底座上，靠近被監(jiān)測(cè)的振動(dòng)源。

圖6.Voyager4傳感器外殼，機(jī)械組件。

機(jī)械模態(tài)分析

為MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的機(jī)械外殼，確保從被測(cè)對(duì)象中提取高質(zhì)量的CbM振動(dòng)數(shù)據(jù)。理解模態(tài)分析是設(shè)計(jì)出良好機(jī)械外殼的必要條件。

什么是模態(tài)分析，為什么它如此重要?

模態(tài)分析用于了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。它可以提供設(shè)計(jì)的固有頻率和正常模式(相對(duì)變形而言)。使用模態(tài)分析時(shí)，關(guān)鍵問題是要避免諧振，此時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的固有頻率與施加的振動(dòng)負(fù)載的固有頻率非常接近。對(duì)于振動(dòng)傳感器，外殼的固有頻率必須大于由MEMS傳感器測(cè)量的所施加振動(dòng)負(fù)載的固有頻率。Voyager4的X、Y和Z軸上的3 dB帶寬為8 kHz。在低于8 kHz的頻率下，傳感器外殼不應(yīng)產(chǎn)生明顯的諧振。

固有頻率和振型

ANSYS和其他仿真工具提供了模態(tài)分析插件，有助于設(shè)計(jì)人員探索幾何形狀、材料選擇和機(jī)械組件對(duì)傳感器外殼頻率響應(yīng)的影響。傳感器外殼的質(zhì)量、剛度和固有頻率之間相互關(guān)聯(lián)。

方程1為質(zhì)量矩陣[M]、剛度矩陣[K]、角頻率ωi和振型{?i}的關(guān)系式，用于諸如ANSYS的FEM程序進(jìn)行計(jì)算。ωi除以2π，可以計(jì)算得出固有頻率fi，振型{?i}提供特定固有頻率下材料的相對(duì)變形模式。

對(duì)于單自由度系統(tǒng)，頻率可以用方程2來簡(jiǎn)單表示。

方程2提供了一種簡(jiǎn)單、直觀的設(shè)計(jì)評(píng)估方法。如果降低傳感器外殼的高度，使得剛度增大、質(zhì)量減小，從而提高固有頻率。此外，如果增加外殼的高度，剛度減小、質(zhì)量增大，固有頻率隨之降低。大多數(shù)設(shè)計(jì)都具有多個(gè)自由度。有些設(shè)計(jì)具有數(shù)百個(gè)自由度。利用有限元方法可以快速得出方程2的計(jì)算結(jié)果，如果采用手動(dòng)計(jì)算則非常耗費(fèi)時(shí)間。

使用仿真工具及方程1和2，并仔細(xì)選擇材料，可確保實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。更多信息請(qǐng)參閱“如何利用模態(tài)分析設(shè)計(jì)出色的振動(dòng)傳感器外殼”一文，其中全面概述了模態(tài)分析。

模式參與因子

模式參與因子(MPF)用于確定哪些模式和固有頻率對(duì)于設(shè)計(jì)更重要。方程3是振型{?i}、質(zhì)量矩陣[M]和激勵(lì)方向矢量D的關(guān)系式，用于求解MPF。參與因子的平方即是有效質(zhì)量。

MPF和有效質(zhì)量測(cè)量每種模式下在每個(gè)方向移動(dòng)的質(zhì)量數(shù)。一個(gè)方向上的值較高意味著在該方向上，模式將被力(例如振動(dòng))激勵(lì)。

為了完成模態(tài)分析解析，您需要了解結(jié)構(gòu)上的所有點(diǎn)都按會(huì)相同頻率(全局變量)振動(dòng)，但每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)幅度(或振型)是不同的。例如，18 kHz頻率對(duì)機(jī)械外殼頂部的影響比底部大。

Voyager4模態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

Voyager4傳感器組件的仿真采用了以下材料：外殼底部和中間部分使用3003鋁合金，蓋子使用ABS-PC塑料。

模態(tài)分析仿真結(jié)果如表3所示，在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)共獲得了14個(gè)模式結(jié)果。X、Y、Z方向的MPF以表格顯示。最強(qiáng)的模式以藍(lán)色高亮顯示。仿真結(jié)果用于檢查這些相對(duì)較強(qiáng)模式的變形位置。

表3.模態(tài)分析仿真結(jié)果

模式1和2類似，會(huì)影響ABS-PC蓋子，如圖7所示。

圖7.模式1，蓋子變形，遠(yuǎn)離剛性傳感器底座。

基于模式1的位置遠(yuǎn)離底座傳感器PCB，這個(gè)小諧振不會(huì)影響ADXL382 MEMS的性能。

表3著重強(qiáng)調(diào)的模式7發(fā)生在Z(垂直)軸上大約7.25 kHz頻率處。圖8顯示其對(duì)外殼的垂直壁有一些明顯的影響。然而，底座并未受到模式7的強(qiáng)烈影響。

圖8.模式7，頻率為7.25 kHz，對(duì)外殼鋁壁有明顯的影響。

該模態(tài)仿真表明，沒有任何模式會(huì)對(duì)位于外殼底座上的ADXL382傳感器PCB產(chǎn)生明顯的影響，并且8 kHz的3 dB帶寬內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)顯著的機(jī)械諧振。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，我們將Voyager4傳感器放置在模態(tài)振動(dòng)器上，輸入振動(dòng)為恒定的0.25峰值(g)，頻率掃描范圍為0 kHz至8 kHz。在最高8 kHz的頻率范圍內(nèi)，Voyager4傳感器的頻率響應(yīng)在±1.5 dB以內(nèi)，如圖9所示。

圖9.Voyager4傳感器頻率響應(yīng)

結(jié)語

搭載嵌入式AI硬件加速器的微控制器可以提升無線傳感器節(jié)點(diǎn)的決策能力，并延長(zhǎng)其電池壽命。借助邊緣AI，電池壽命可延長(zhǎng)至少50%。對(duì)振動(dòng)傳感器外殼進(jìn)行模態(tài)分析能夠加速傳感器的開發(fā)周期，并確保從被測(cè)對(duì)象中獲取高質(zhì)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)。