【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型中，融合人工智能技術(shù)的傳感器正成為關(guān)鍵推動(dòng)力。其中，將邊緣與云端人工智能（AI）技術(shù)融入配備模擬和數(shù)字器件的傳感器，成為極具潛力的方向。由于AI技術(shù)手段繁多，傳感器設(shè)計(jì)人員在推進(jìn)這一融合時(shí)，面臨著諸多相互制約的挑戰(zhàn)，像決策延遲、網(wǎng)絡(luò)帶寬占用、功耗與電池壽命，以及適配機(jī)器的AI模型選擇等問題。前文已對(duì)基于AI的無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器Voyager4的概況與硬件設(shè)計(jì)做了介紹，本文將深入剖析為智能邊緣傳感器構(gòu)建的軟件架構(gòu)、AI算法，以及在Voyager4上開發(fā)AI模型的全系統(tǒng)級(jí)方法。
摘要
在現(xiàn)代工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型中，融合人工智能技術(shù)的傳感器正成為關(guān)鍵推動(dòng)力。其中，將邊緣與云端人工智能（AI）技術(shù)融入配備模擬和數(shù)字器件的傳感器，成為極具潛力的方向。由于AI技術(shù)手段繁多，傳感器設(shè)計(jì)人員在推進(jìn)這一融合時(shí)，面臨著諸多相互制約的挑戰(zhàn)，像決策延遲、網(wǎng)絡(luò)帶寬占用、功耗與電池壽命，以及適配機(jī)器的AI模型選擇等問題。前文已對(duì)基于AI的無線狀態(tài)監(jiān)控傳感器Voyager4的概況與硬件設(shè)計(jì)做了介紹，本文將深入剖析為智能邊緣傳感器構(gòu)建的軟件架構(gòu)、AI算法，以及在Voyager4上開發(fā)AI模型的全系統(tǒng)級(jí)方法。
狀態(tài)監(jiān)控傳感器的軟件設(shè)計(jì)
Voyager4 是由ADI公司開發(fā)的無線狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)，開發(fā)人員借助它能夠快速將無線解決方案部署到機(jī)器或測(cè)試設(shè)置并進(jìn)行測(cè)試。Voyager4等電機(jī)健康狀況監(jiān)控解決方案廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如機(jī)器人以及渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。
為這樣的無線邊緣設(shè)備開發(fā)軟件可能很困難。從傳感器設(shè)計(jì)的早期階段開始，開發(fā)人員就必須考慮整體系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)的各個(gè)部分如何運(yùn)行，如何集成不同組件以協(xié)同工作，以及如何應(yīng)用和部署有用的算法與分析工具（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來提升邊緣智能水平。
對(duì)于此類項(xiàng)目，主要目標(biāo)就是為邊緣設(shè)備和所連主機(jī)創(chuàng)建易于理解、可修改、可升級(jí)的軟件。Voyager4內(nèi)部有兩個(gè)微控制器和許多外設(shè)，包括傳感器、電源管理板、閃存和通信接口。開發(fā)旨在控制和整合每個(gè)部分的代碼是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
本文希望通過展示Voyager4的開發(fā)設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)說明所采取的步驟，并提供一些具體的實(shí)現(xiàn)案例，以幫助讀者更好地了解自行開發(fā)邊緣傳感器的方法。
這是闡述Voyager4狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)開發(fā)的三部分系列文章的第2部分。
?本系列文章的第1部分介紹了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。
概述
這里簡(jiǎn)要回顧了Voyager的工作原理。有關(guān)狀態(tài)監(jiān)控傳感器的更多信息，以及關(guān)于Voyager4項(xiàng)目的專有硬件、功耗和安全特性的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱本系列文章的第1部分。
圖1.Voyager4工作模式。
圖1顯示了Voyager4的傳感器工作原理。ADXL382 三軸8 kHz數(shù)字微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)用于采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)會(huì)依據(jù)工作模式遵循不同的路徑。
路徑A是最初采用的路徑，原始振動(dòng)數(shù)據(jù)直接發(fā)送到MAX32666 低功耗藍(lán)牙?(BLE)處理器。然后，數(shù)據(jù)可以通過無線BLE或USB發(fā)送給用戶。路徑B是一種替代工作模式，可以在利用Voyager采集原始數(shù)據(jù)并通過MAX78000外部工具訓(xùn)練模型后使用該模式。數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)送給用戶，而是傳遞給邊緣AI算法來預(yù)測(cè)機(jī)器故障。路徑C和D分別代表檢測(cè)到和未檢測(cè)到電機(jī)故障的用例。如果檢測(cè)到故障，則可以通過BLE處理器向主機(jī)發(fā)送故障標(biāo)志或用戶警報(bào)。如果未檢測(cè)到故障，傳感器將返回休眠模式，直到發(fā)生下一次檢測(cè)事件。
該架構(gòu)是Voyager4軟件和AI算法開發(fā)的重點(diǎn)。為了從系統(tǒng)層面全面理解該架構(gòu)，本文將討論以下幾方面：
?BLE術(shù)語
?BLE外圍設(shè)備的實(shí)現(xiàn)
?BLE中心設(shè)備的實(shí)現(xiàn)
?AI算法的訓(xùn)練和部署
BLE背景知識(shí)
設(shè)計(jì)工業(yè)邊緣傳感器時(shí)，連接是關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素之一。根據(jù)可用或所需的功率，連接會(huì)影響覆蓋范圍、可靠性、設(shè)備整體壽命和尺寸等方方面面。如表1所示，與其他連接標(biāo)準(zhǔn)相比，BLE擁有一些特別的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于我們的工業(yè)監(jiān)控用例而言，BLE的覆蓋范圍、功率和可靠性尤為重要。要了解BLE邊緣設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)，首先必須了解所有BLE項(xiàng)目都會(huì)使用的一些基本術(shù)語。
表1.無線連接標(biāo)準(zhǔn)比較
全面介紹BLE的所有特性將需要一本書的篇幅。本文將重點(diǎn)介紹實(shí)現(xiàn)BLE設(shè)備時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵概念，包括：
?軟件堆棧
?外圍設(shè)備/中心設(shè)備模型
?協(xié)議和配置文件
BLE軟件堆棧
BLE軟件堆棧是一系列標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的集合，設(shè)備必須支持這些協(xié)議才能被視為與BLE兼容。為了幫助讀者更輕松地理解這個(gè)術(shù)語，圖2展示了堆棧內(nèi)不同協(xié)議的分層方式。對(duì)于用戶通信和設(shè)備連接等高級(jí)功能，需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)封裝和解析等基本任務(wù)的較低級(jí)協(xié)議提供支持。
幸運(yùn)的是，開發(fā)人員對(duì)堆棧組成部分有基本的了解通常就足夠了，他們可以從一系列已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各自版本堆棧的硬件設(shè)備中進(jìn)行選擇。用戶只需開發(fā)應(yīng)用程序中負(fù)責(zé)控制設(shè)備本身的部分，并利用預(yù)構(gòu)建的BLE堆棧即可。
圖2.BLE堆棧。
BLE堆棧通常由三個(gè)不同部分組成：應(yīng)用程序、主機(jī)和控制器。應(yīng)用程序定義用戶接口和用戶實(shí)現(xiàn)的具體應(yīng)用代碼（振動(dòng)監(jiān)測(cè)）。主機(jī)是指BLE軟件堆棧的上層，它控制配置文件和協(xié)議等高級(jí)功能。控制器是指BLE堆棧的底層，它處理鏈路層和物理層，如2.4 GHz無線電本身。此項(xiàng)目選擇使用MAX32666 BLE微控制器。這是一款低功耗Arm? Cortex?-M4微控制器，搭載低功耗藍(lán)牙5無線電，支持遠(yuǎn)距離(4×)通信和高數(shù)據(jù)吞吐速率(2 Mbps)。
外圍設(shè)備/中心設(shè)備模型
根據(jù)BLE設(shè)備的作用，可以將其定義為外圍設(shè)備或中心設(shè)備。數(shù)據(jù)可以雙向流動(dòng)，兩者之間最大的區(qū)別之一是其連接方式。在連接之前，外圍設(shè)備會(huì)通告其能否連接，中心設(shè)備則掃描可供連接的外圍設(shè)備并發(fā)起連接。數(shù)據(jù)可以在外圍設(shè)備和中心設(shè)備之間雙向流動(dòng)，但中心設(shè)備被視為主機(jī)。舊版BLE文獻(xiàn)也將外圍設(shè)備和中心設(shè)備分別稱為服務(wù)器和客戶端。
圖3.外圍設(shè)備/中心設(shè)備1:1模型。
在我們的系統(tǒng)中，將Voyager平臺(tái)定義為外圍設(shè)備，它收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到中心設(shè)備。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，為了簡(jiǎn)化開發(fā)和便于理解，我們首先研究最簡(jiǎn)單的情形：?jiǎn)蝹€(gè)中心設(shè)備與單個(gè)外圍設(shè)備交互，如圖3所示。
協(xié)議和配置文件
在藍(lán)牙的命名術(shù)語中，協(xié)議和配置文件很容易混淆。簡(jiǎn)單地說，協(xié)議是定義設(shè)備操作的基本功能塊：數(shù)據(jù)封裝、格式、路由等。配置文件是組合在一起以支持基本工作模式的功能包。它本質(zhì)上是多種協(xié)議的組合，以實(shí)現(xiàn)某種整體功能。例如，電池服務(wù)配置文件可用于查詢?cè)O(shè)備的剩余電池電量。所有BLE設(shè)備都必須實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要的通用訪問配置文件(GAP)和通用屬性配置文件(GATT)，以便能夠連接到其他BLE設(shè)備。GAP負(fù)責(zé)處理底層各項(xiàng)功能：廣播、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接管理。GATT負(fù)責(zé)管理設(shè)備之間的高級(jí)數(shù)據(jù)組織和傳輸，使它們能夠通過已建立的連接執(zhí)行讀寫操作。
其他配置文件是可選的附加項(xiàng)，用于為設(shè)備提供額外功能，例如接近配置文件(Proximity Profile)。這些配置文件包括由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)創(chuàng)建的預(yù)定義配置文件。開發(fā)智能手表或智能電表等典型設(shè)備時(shí)，使用一組預(yù)定義的配置文件可能很有用，但對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)大量自定義功能的設(shè)備而言，預(yù)定義配置文件可能會(huì)帶來限制。
開發(fā)人員還可以使用并非由藍(lán)牙SIG創(chuàng)建的自定義配置文件，這樣做可以提升設(shè)計(jì)靈活性，但會(huì)犧牲一定的可移植性。每個(gè)配置文件將其數(shù)據(jù)組織成服務(wù)，服務(wù)由多個(gè)特性組成，如圖4所示。
圖4.自定義命令服務(wù)器配置文件。
當(dāng)中心設(shè)備和外圍設(shè)備之間形成連接時(shí)，中心設(shè)備可以請(qǐng)求與該外圍設(shè)備關(guān)聯(lián)的配置文件和服務(wù)。圖5顯示了中心設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，Voyager的GAP、GATT和自定義配置文件（及其服務(wù)）的結(jié)構(gòu)。
圖5.Voyager配置文件結(jié)構(gòu)。
對(duì)于Voyager，除了基本的GAP和GATT配置文件，我們還定義了一個(gè)用作命令服務(wù)器的自定義配置文件，它處理來自中心設(shè)備的命令，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微控制器是該系統(tǒng)的核心，它確保所有外圍傳感器和設(shè)備的數(shù)據(jù)都可以由相連的BLE中心設(shè)備檢索或修改。
設(shè)備配置
我們利用MAX32666上預(yù)先構(gòu)建的BLE堆棧，通過填充相關(guān)配置功能來構(gòu)建外圍設(shè)備的外觀。例如，在圖6中，我們?yōu)閽呙钄?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)組提供了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、廣播類型和一系列字符，每次Voyager上電時(shí)，外圍設(shè)備設(shè)置函數(shù)都會(huì)調(diào)用該數(shù)組。
圖6.設(shè)置Voyager掃描數(shù)據(jù)。
像這樣的BLE設(shè)備將有大量的設(shè)置需要配置，包括無線電的傳輸功率和返回?cái)?shù)據(jù)類型。建議從所使用硬件附帶的預(yù)構(gòu)建示例入手，然后在其基礎(chǔ)上進(jìn)行自定義修改。MAX32666提供了一個(gè)BLE數(shù)據(jù)服務(wù)器（外圍設(shè)備）的示例代碼，名為BLE DATS，Voyager項(xiàng)目就是以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的。配置后，當(dāng)中心設(shè)備掃描可用設(shè)備時(shí)，外圍設(shè)備的名稱顯示為Voyager。這也可以用于過濾搜索列表，以便中心設(shè)備僅顯示預(yù)期名稱的設(shè)備。如圖7所示，設(shè)備名稱與設(shè)備MAC地址和接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)一同顯示。
圖7.中心設(shè)備中顯示的Voyager。
堆棧內(nèi)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/寫命令的響應(yīng)等。
圖8.Voyager4硬件框圖，采用了MAX3207E、DS28C40A、ADXL382、ADG1634、MAX32666、ADXL367、MAX78000、MAX17262、MAX20335和MAX38642。
命令服務(wù)器
Voyager4應(yīng)用的中心端和外圍端是同步設(shè)計(jì)的，因此可以利用含有單個(gè)BLE服務(wù)的自定義配置文件來簡(jiǎn)化外圍設(shè)備接口。該配置文件將負(fù)責(zé)接收來自中心設(shè)備的命令，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)。
對(duì)于像Voyager這樣復(fù)雜的設(shè)備，采用該單一自定義服務(wù)進(jìn)行BLE通信是不同尋常的做法，但卻帶來了幾點(diǎn)好處。這種做法不僅支持Voyager版本之間的向后兼容性，而且增強(qiáng)了命令靈活性，因?yàn)橥ㄟ^將字符串用作Voyager外圍設(shè)備的命令輸入，應(yīng)用可以根據(jù)數(shù)據(jù)的解析方式，靈活支持各種類型的命令和值。
一旦外圍設(shè)備和中心設(shè)備之間形成連接，為了建立雙向通信，中心設(shè)備就會(huì)向自定義特性發(fā)出通知命令，如圖11所示。這樣就在外圍端建立了一個(gè)通知系統(tǒng)，并在中心端指定了相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。這意味著，每當(dāng)有更新的數(shù)據(jù)分配給該自定義特性時(shí)，都會(huì)通知中心設(shè)備，傳輸新數(shù)據(jù)，并觸發(fā)中心設(shè)備的回調(diào)函數(shù)。
固件架構(gòu)
圖8中的硬件示意圖顯示了Voyager中包含的各種元器件以及相關(guān)的數(shù)據(jù)路徑和電源。大多數(shù)軟件開發(fā)都是在BLE微控制器上進(jìn)行的，因?yàn)樗鳛槊钪行模?fù)責(zé)協(xié)調(diào)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。為了與系統(tǒng)中的不同傳感器和微控制器進(jìn)行交互，我們必須開發(fā)供BLE微控制器和AI部分中討論的AI微控制器使用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)際上，這些驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)和集成占了聯(lián)網(wǎng)邊緣傳感器所需編程工作的很大一部分。
編寫可移植代碼
開發(fā)固件時(shí)，我們將代碼劃分成幾個(gè)抽象層，以將特定微控制器的具體細(xì)節(jié)與應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序代碼區(qū)分開來。這種做法很常見，通常會(huì)在應(yīng)用層之外再劃分出三個(gè)明確的層次來管理不同的代碼功能，即硬件抽象層(HAL)、板支持包(BSP)和驅(qū)動(dòng)程序?qū)印４思軜?gòu)如圖9所示。
圖9.通用BSP-HAL架構(gòu)。
HAL為程序與不同硬件的交互提供了一種統(tǒng)一方法，程序無需知道每個(gè)設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。BSP定義了依賴于硬件的軟件，而驅(qū)動(dòng)程序?qū)佣x了各個(gè)設(shè)備的更具體細(xì)節(jié)，如寄存器映射。例如，Voyager有兩個(gè)微控制器，MAX32666用于BLE連接，MAX78000 帶有一個(gè)板載卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)加速器。如圖10所示，Voyager中的HAL定義了微控制器、SPI和I2C將使用的基本通信命令。舉例來說，任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出任何SPI通信請(qǐng)求時(shí)，此任務(wù)最初都會(huì)被委托給HAL中的SPI函數(shù)，然后HAL查找BSP的具體信息，以便針對(duì)該微控制器使用正確的SPI命令。
對(duì)于系統(tǒng)中的每個(gè)電路板，HAL保持不變，但對(duì)于每個(gè)微控制器，BSP會(huì)更新。BSP還負(fù)責(zé)定義系統(tǒng)的通用構(gòu)建模塊，以將應(yīng)用程序調(diào)用與所使用的具體設(shè)備解耦。在圖10中，BSP中的MAIN_ADXL模塊是所使用的底層加速度計(jì)的抽象塊。任何加速度計(jì)的常用命令（如初始化和讀取）都在BSP層中定義，而低級(jí)函數(shù)（如get_raw_xyz_data）則在ADXL382模塊中的驅(qū)動(dòng)程序級(jí)別上定義。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)代碼保持不變，因?yàn)樗鼉H與加速度計(jì)本身有關(guān)。只有BSP層中的文件需要更新，以便能夠與新微控制器通信。
這對(duì)于系統(tǒng)中部件的更換或升級(jí)來說，也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在Voyager中，一個(gè)真實(shí)例子是我們決定升級(jí)所用的主加速度計(jì)。升級(jí)僅需更新驅(qū)動(dòng)程序?qū)又械拇a，維護(hù)、修改和測(cè)試工作都得以簡(jiǎn)化。
圖10.Voyager BSP HAL架構(gòu)。
數(shù)據(jù)管道和BLE中心設(shè)備
雖然溫度和電池信息可根據(jù)要求提供給BLE中心設(shè)備應(yīng)用程序，但Voyager的主要作用是作為狀態(tài)監(jiān)控器和振動(dòng)傳感器。關(guān)于數(shù)據(jù)吞吐速率和數(shù)據(jù)發(fā)送頻率，我們重點(diǎn)考慮振動(dòng)傳感器和典型狀態(tài)監(jiān)控場(chǎng)景，比如每天進(jìn)行一次短暫測(cè)量。BLE不支持高數(shù)據(jù)吞吐速率。ADXL382是一款高帶寬、3軸加速度計(jì)，在高性能模式下每秒每軸采集16,000個(gè)樣本。根據(jù)系統(tǒng)所包含的元器件，有幾種數(shù)據(jù)發(fā)送方式可供選擇。
發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
沒有任何形式的緩沖，當(dāng)中心設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，只要數(shù)據(jù)可用，便立即發(fā)送。這種方式在演示模式下很有用，可以實(shí)時(shí)展示高性能加速度計(jì)數(shù)據(jù)，但是電池電量很快就會(huì)耗盡，并且由于生成數(shù)據(jù)的速度超過發(fā)送的速度，數(shù)據(jù)包會(huì)被丟棄或損壞。
從存儲(chǔ)器發(fā)送數(shù)據(jù)
另一種方式是將數(shù)據(jù)保存到閃存中。這樣，我們就可以安全地記錄加速度計(jì)數(shù)據(jù)，而不必?fù)?dān)心覆蓋以前的值。保存的數(shù)據(jù)隨后會(huì)直接發(fā)送到中心設(shè)備，或在收到中心設(shè)備的命令后進(jìn)行報(bào)告。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前的），因此我們還可以利用BLE對(duì)數(shù)據(jù)包的應(yīng)答系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)完整無缺地到達(dá)中心設(shè)備，如有任何數(shù)據(jù)丟失則重新發(fā)送。
對(duì)于典型的工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控場(chǎng)景而言，這種方案更為實(shí)用，但設(shè)備的電池壽命大部分浪費(fèi)在發(fā)送每天變化不大的振動(dòng)信息上。
在邊緣執(zhí)行分析
為了延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，在邊緣執(zhí)行一些分析會(huì)更好，確保僅相關(guān)數(shù)據(jù)才通過無線電鏈路傳輸。當(dāng)然，這只有在邊緣產(chǎn)生有意義洞察所需的功耗明顯低于通過BLE發(fā)送數(shù)據(jù)所需的功耗時(shí)才是可行的（有關(guān)這方面的更多信息，請(qǐng)參閱本系列文章的第1部分）。
在圖8中可以看到，加速度計(jì)與兩個(gè)微控制器都有直接數(shù)據(jù)路徑。在我們于邊緣執(zhí)行某些分析的用例中，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。
圖11.Voyager中心/外圍設(shè)備架構(gòu)。
設(shè)計(jì)中心設(shè)備用戶界面
BLE外圍設(shè)備與Voyager外圍設(shè)備同步設(shè)計(jì)，因此兩者的交互方式存在非常大的靈活性。一般來說，中心設(shè)備需要掃描并連接Voyager外圍設(shè)備，然后發(fā)送字符串命令并處理其返回值。初次連接后，所有BLE命令都直接發(fā)送到外圍設(shè)備的自定義服務(wù)進(jìn)行解析。在本例中，中心設(shè)備是Windows PC上的圖形用戶界面(GUI)，用Python編寫，并利用BLE外圍設(shè)備庫(BLEak)發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)BLE命令。BLEak建立在Python的asyncio標(biāo)準(zhǔn)庫之上，允許BLE命令異步運(yùn)行，確保用戶界面保持可交互狀態(tài)且不會(huì)凍結(jié)。
當(dāng)GUI成功連接到外圍設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向Voyager的單個(gè)自定義特性發(fā)出通知命令，如圖11所示。這樣可確保對(duì)此特性的任何更新都會(huì)報(bào)告給中心設(shè)備。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)閂oyager會(huì)對(duì)后續(xù)命令給出應(yīng)答或響應(yīng)，表明這些命令是否已成功執(zhí)行。
如何請(qǐng)求數(shù)據(jù)？
始終使用簡(jiǎn)單的字符串命令來請(qǐng)求數(shù)據(jù)。例如，中心設(shè)備可以發(fā)出setphy 2命令，指示Voyager使用其2M無線電。這會(huì)提升數(shù)據(jù)通信速度，但覆蓋范圍和可靠性會(huì)受到一定的影響。外圍設(shè)備會(huì)解析此命令以確保其有效，然后以輸入值2調(diào)用自己的內(nèi)部setphy函數(shù)，從而切換所用的無線電。如果Voyager成功執(zhí)行了此函數(shù)，則Return: OK命令會(huì)被發(fā)回中心設(shè)備并顯示給用戶。
解譯加速度計(jì)數(shù)據(jù)
接收數(shù)據(jù)之前，GUI用戶可以選擇使用setadxlcfg命令配置所連Voyager的加速度計(jì)。一旦外圍設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)命令，加速度計(jì)數(shù)據(jù)就會(huì)從外圍設(shè)備流向中心設(shè)備。默認(rèn)情況下，中心設(shè)備和外圍設(shè)備以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模式運(yùn)行，這對(duì)于演示目的很有用。
在外圍設(shè)備端，內(nèi)部先進(jìn)先出(FIFO)緩沖區(qū)按照用戶指定的采樣速率填充新數(shù)據(jù)。一旦FIFO填滿，系統(tǒng)就會(huì)在Voyager自定義服務(wù)上設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，通知外圍設(shè)備有新數(shù)據(jù)可用。然后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到外圍設(shè)備并進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)化為x、y、z三個(gè)軸的加速度數(shù)據(jù)的格式化數(shù)組。數(shù)據(jù)始終以圖形方式顯示，用戶可以選擇“保存數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，以將數(shù)據(jù)保存到csv文件供以后分析。
圖12.Voyager4中心設(shè)備GUI繪圖數(shù)據(jù)。
AI算法設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目的目標(biāo)是檢測(cè)電機(jī)的健康狀況何時(shí)開始下降。邊緣AI分析旨在通過分析音頻、溫度、振動(dòng)等一種或多種輸入數(shù)據(jù)，生成電機(jī)健康狀況的指標(biāo)或特征，從而取代或補(bǔ)充人類數(shù)據(jù)分析。振動(dòng)分析是當(dāng)今狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用中常用的技術(shù)手段。
輸入
許多邊緣AI處理器往往非常耗電，這與無線狀態(tài)監(jiān)控解決方案的目標(biāo)之一（即延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間）背道而馳。MAX78000（如前所述）能夠快速、低功耗地進(jìn)行AI推理，其總功耗比使用無線BLE還要低。但是，在使用低功耗邊緣AI處理器時(shí)，應(yīng)注意神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不能超出電路板的規(guī)格。該板搭載一個(gè)512 kB數(shù)據(jù)內(nèi)存的CNN加速器。它主要用于目標(biāo)檢測(cè)、音頻處理和時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理。
我們解決方案可用的數(shù)據(jù)是加速度時(shí)間序列。為了盡量提高所訓(xùn)練算法的性能，我們嘗試了幾種預(yù)處理方法，以確定哪種方法對(duì)準(zhǔn)確度影響最大。本系列文章的第3部分將對(duì)此加以詳細(xì)討論。
訓(xùn)練
在線資源“Analog Devices AI”GitHub詳細(xì)說明了訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并將其部署到MAX78000的過程。一般來說，首先使用PyTorch?或TensorFlow?等常規(guī)工具集在主機(jī)PC上創(chuàng)建模型。此模型需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須由目標(biāo)設(shè)備保存并傳輸?shù)絇C。輸入的一部分成為訓(xùn)練集，專門用于訓(xùn)練模型。還有一部分成為驗(yàn)證集，用于觀察損失函數(shù)（網(wǎng)絡(luò)性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)）在訓(xùn)練期間如何變化。
根據(jù)所用的模型類型，可能需要不同類型和數(shù)量的數(shù)據(jù)。要識(shí)別特定的電機(jī)故障，您需要使用標(biāo)注好的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型。這些數(shù)據(jù)不僅要包含各種故障狀態(tài)下的振動(dòng)信息，還要包含無故障的正常狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)作為對(duì)比。
圖13.Voyager健康狀況訓(xùn)練數(shù)據(jù)。
Voyager最初采用自動(dòng)編碼器類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。自動(dòng)編碼器無需借助數(shù)據(jù)標(biāo)簽就能學(xué)會(huì)如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。雖然這種類型的模型不適合復(fù)雜的故障分類，但它可以快速完成訓(xùn)練，并且僅需使用客戶已有的數(shù)據(jù)，例如正常運(yùn)行電機(jī)數(shù)據(jù)。
訓(xùn)練所需的理想數(shù)據(jù)量因具體情況而異。關(guān)鍵在于擁有足夠的數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)正常運(yùn)行電機(jī)數(shù)據(jù)的一般趨勢(shì)，同時(shí)避免過擬合。Voyager部署的默認(rèn)示例僅使用了30秒的正常運(yùn)行加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。同時(shí)保存了同樣數(shù)量的存在不平衡故障的數(shù)據(jù)以供驗(yàn)證。兩個(gè)數(shù)據(jù)集均通過Python GUI直接保存到訓(xùn)練PC中。
圖14.Voyager故障測(cè)試數(shù)據(jù)。
輸入數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練模型之前，經(jīng)過了預(yù)處理。然后，訓(xùn)練腳本按順序運(yùn)行幾次訓(xùn)練迭代，并挑選出表現(xiàn)突出的模型。為了測(cè)試目的，需要一些故障輸入數(shù)據(jù)。基于正常運(yùn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型后，務(wù)必先用故障數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，這樣才能確保結(jié)果的可靠性。
如何部署算法？
模型訓(xùn)練完成后，必須使用ADI公司的在線工具集進(jìn)行量化和合成。量化步驟通過舍入或截?cái)啵瑢⑺赡Ｐ偷臋?quán)重映射到更小的數(shù)值區(qū)間集合，從而減少模型存儲(chǔ)所需的內(nèi)存。這是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部署到較小邊緣設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)步驟。合成步驟將量化模型轉(zhuǎn)換成微控制器可理解的C文件。
此步驟生成三個(gè)文件，隨后必須將這些文件復(fù)制到微控制器的活動(dòng)項(xiàng)目中，并在下次固件更新時(shí)加載。其中兩個(gè)文件（cnn.h和cnn.c）包含用于CNN配置的寄存器寫入操作，以及所加載模型的其他有用功能。第三個(gè)文件(weights.h)包含訓(xùn)練（和量化）得到的模型權(quán)重。
通過有線更新（借助調(diào)試端口）或無線(OTA)更新加載新固件后，就完成了模型部署，BLE微控制器就能按需查詢模型，執(zhí)行AI推理。
部署后如何使用？
一旦部署新固件，AI微控制器就會(huì)作為有限狀態(tài)機(jī)運(yùn)行，通過SPI接受并響應(yīng)來自BLE控制器的命令。
圖15.微控制器SPI通信。
收到推理請(qǐng)求時(shí)，AI微控制器會(huì)喚醒，并向加速度計(jì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。重要的一點(diǎn)是，它隨后會(huì)對(duì)該時(shí)間序列數(shù)據(jù)執(zhí)行與訓(xùn)練時(shí)相同的預(yù)處理步驟。最后，此預(yù)處理的輸出會(huì)送到已部署的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由其報(bào)告分類結(jié)果。
圖16.AI推理狀態(tài)機(jī)。
出于省電考慮，AI微控制器被設(shè)計(jì)成在喚醒時(shí)自動(dòng)執(zhí)行推理。因此，BLE微控制器可以僅在需要進(jìn)行分析時(shí)才啟動(dòng)AI微控制器。
在典型設(shè)置中，BLE微控制器可以每天短暫地從低功耗休眠模式喚醒，請(qǐng)求對(duì)現(xiàn)有加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行AI推理，如果數(shù)據(jù)不滿足用戶設(shè)定的條件，比如模型以99%的置信度判斷數(shù)據(jù)正常，則返回休眠模式。反之，如果數(shù)據(jù)看起來異常或無法判斷是否正常時(shí)，則BLE微控制器可以連接到附近的BLE主機(jī)并共享數(shù)據(jù)。通過這種方式，在邊緣進(jìn)行分析就無需主機(jī)系統(tǒng)理解數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了電池電量。
結(jié)語
本文介紹了無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Voyager4，它采用邊緣AI分析來提升其作為狀態(tài)監(jiān)控工具的智能水平和電池續(xù)航時(shí)間。設(shè)計(jì)有效的狀態(tài)監(jiān)控傳感器需要考慮多個(gè)方面。我們討論了Voyager4的硬件信號(hào)鏈、用于將不同系統(tǒng)元素集成在一起的固件，以及該設(shè)備作為BLE外圍設(shè)備的外觀。我們還探討了AI在Voyager中的應(yīng)用，并提供了有關(guān)如何開發(fā)和部署邊緣AI模型的一些見解。
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