Concevoir des capteurs de périphérie avec l'IA pour construire l'usine du futur

Il existe de nombreuses façons d'ajouter de l'intelligence aux systèmes industriels, y compris l'intelligence artificielle (AI) en périphérie et dans le cloud associée à des capteurs avec des composants analogiques et numériques. Étant donné la diversité des approches AI, les concepteurs de capteurs doivent prendre en compte plusieurs exigences concurrentes, telles que la latence pour la prise de décision, l'utilisation du réseau, la consommation d'énergie/vie de la batterie et les modèles AI adaptés aux machines. Cet article met en avant l'application de capteurs de surveillance de moteur sans fil intelligents alimentés par AI et les solutions associées introduites par ADI.

La surveillance basée sur l'état (CbM) pour les robots et les machines tournantes (telles que les turbines, les ventilateurs, les pompes et les moteurs) enregistre des données en temps réel liées à la santé et aux performances des machines, permettant une maintenance prédictive ciblée et un contrôle optimisé. Une maintenance prédictive ciblée tôt dans le cycle de vie d'une machine réduit les risques de temps d'arrêt de production, améliorant ainsi la fiabilité, réduisant considérablement les coûts et augmentant l'efficacité sur le sol de l'usine. Le CbM des machines industrielles peut utiliser une gamme de données de capteurs, y compris des mesures électriques, de la vibration, de la température, de la qualité d'huile, de l'acoustique, du magnétisme, ainsi que des mesures de processus comme le débit et la pression. Cependant, la mesure de la vibration est de loin la plus courante, car elle fournit les indicateurs les plus fiables des problèmes mécaniques tels que les déséquilibres et les défaillances des roulements.

Les capteurs industriels sans fil actuellement sur le marché fonctionnent généralement avec des cycles d'utilisation très bas. Les utilisateurs définissent la durée de sommeil du capteur, après quoi le capteur se réveille pour mesurer la température et les vibrations, puis transmet les données via des signaux radio à l'agrégateur de données de l'utilisateur. Les capteurs commerciaux revendiquent souvent une durée de vie de batterie de cinq ans, basée sur la collecte de données une fois toutes les 24 heures ou plusieurs fois pendant cette période.

Dans la plupart des cas, le capteur passe plus de 90 % de son temps en mode veille. Prenons l'exemple du capteur Voyager4 d'ADI, qui fonctionne de manière similaire mais utilise la détection d'anomalies par edge AI (avec le microcontrôleur AI MAX78000) pour limiter l'utilisation de la radio. Lorsque le capteur se réveille et mesure les données, il ne transmet les données à l'utilisateur que si le microcontrôleur détecte une anomalie, ce qui déclenche le diagnostic et la maintenance de la machine tout en prolongeant la durée de vie du moteur. En utilisant l'AI à la périphérie, la durée de vie de la batterie peut être prolongée d'au moins 50 %.

Voyager4 est une plateforme de surveillance de l'état sans fil développée par ADI, conçue pour aider les développeurs à déployer et tester rapidement des solutions sans fil pour machines ou configurations de test. Voyager4 et d'autres solutions de surveillance de la santé des moteurs sont largement utilisées dans la robotique et les machines rotatives telles que les turbines, ventilateurs, pompes et moteurs.

Le capteur Voyager4 est associé à l'ADXL382, un système microélectromécanique numérique triaxial de 8 kHz (MEMS) pour la collecte de données de vibration. Tout d'abord, les données brutes de vibration sont transmises au MAX32666, un processeur Bluetooth® basse consommation (BLE). Les données peuvent être envoyées à l'utilisateur via la radio BLE ou USB, et ces données brutes de vibration sont utilisées pour entraîner un algorithme d'AI en périphérie à l'aide des outils MAX78000.

À l'aide des outils MAX78000, le modèle AI est synthétisé en code C. L'algorithme d'edge AI est envoyé au capteur Voyager4 via des mises à jour OTA (over-the-air) BLE et stocké en mémoire à l'aide du processeur MAX78000 avec accélérateur matériel d'edge AI. Après la phase initiale d'apprentissage de Voyager4, les données MEMS de l'ADXL382 peuvent être transmises le long du chemin. L'algorithme d'edge AI MAX78000 prédit les pannes de machine ou le fonctionnement normal en fonction des données de vibration collectées. Si les données de vibration sont saines, la radio MAX32666 n'est pas utilisée, et le MEMS retourne en mode veille. Cependant, si une vibration anormale est prédite, une alerte d'anomalie de vibration est envoyée à l'utilisateur via BLE.

Dans le système matériel du Voyager4, l'ADXL382 est un accéléromètre MEMS à faible densité de bruit, à faible consommation d'énergie, avec plages de mesure sélectionnables, sur trois axes. Le dispositif prend en charge des plages de ±15 g, ±30 g et ±60 g ainsi qu'une large bande passante de mesure de 8 kHz. L'ADG1634 est un commutateur CMOS unipolaire bidirectionnel (SPDT) utilisé pour acheminer les données de vibration brutes MEMS soit vers la radio MAX32666 BLE, soit vers le microcontrôleur MAX78000 AI. Le microcontrôleur BLE contrôle le commutateur SPDT. Plusieurs autres périphériques sont connectés au MAX32666, y compris la jauge de carburant MAX17262 pour surveiller le courant de la batterie et l'accéléromètre MEMS ultra-basse consommation ADXL367. L'ADXL367 est utilisé pour réveiller la radio BLE du mode de sommeil profond lors d'un événement de choc à forte vibration, consommant seulement 180 nA en mode de réveil activé par le mouvement. Le microcontrôleur BLE peut transmettre les données brutes MEMS de l'ADXL382 à l'hôte via BLE ou USB par l'intermédiaire du FTDI FT234XD-R.

Le capteur Voyager4 utilise le circuit intégré de gestion de l'alimentation MAX20335 (PMIC), qui comprend deux régulateurs buck à très faible courant de repos et trois régulateurs linéaires à très faible courant de repos à faible chute de tension (LDO). La tension de sortie de chaque régulateur LDO et buck peut être activée ou désactivée individuellement, et chaque valeur de tension de sortie peut être programmée via I²C avec la configuration par défaut préconfigurée. Le processeur BLE est utilisé pour activer ou désactiver les sorties d'alimentation PMIC individuelles pour différents modes de fonctionnement du Voyager4.

En mode d'apprentissage, le microcontrôleur BLE doit d'abord signaler sa présence sur le réseau BLE, puis établir une connexion BLE avec le gestionnaire de réseau. Le Voyager4 transmet ensuite les données brutes MEMS ADXL382 sur le réseau BLE pour entraîner l'algorithme d'AI sur le PC de l'utilisateur. Par la suite, le capteur Voyager4 retourne en mode de veille profonde. En mode normal (AI), les fonctions de publicité radio BLE, de connexion et de streaming sont désactivées par défaut. Le MAX78000 se réveille périodiquement pour exécuter une inférence AI. Si aucune anomalie n'est détectée, le Voyager4 retourne en mode de veille profonde.

Le kit d'évaluation Voyager4 d'ADI (EV-CBM-VOYAGER4-1Z) comprend plusieurs composants (LED, résistances de pull-up) pour l'évaluation par le client. Ces composants génèrent un courant de veille prolongée de 0,3 mW sur le rail de tension LDO1OUT. La consommation électrique moyenne du kit d'évaluation Voyager4 est calculée en fonction des intervalles de temps entre les événements en veille prolongée, en mode apprentissage et en modes normal/AI.

Les sections suivantes détaillent davantage les caractéristiques fonctionnelles de ces composants connexes.

Le MAX78000 est un microcontrôleur AI doté d'un accélérateur de réseau neuronal convolutif à ultra-basse consommation. Ce nouveau microcontrôleur AI permet aux réseaux neuronaux de fonctionner à la périphérie de l'IoT avec une consommation d'énergie ultra-faible, en combinant un traitement AI économe en énergie avec les microcontrôleurs à ultra-basse consommation éprouvés de Maxim. Grâce à cet accélérateur de réseau neuronal convolutif (CNN) basé sur le matériel, même les applications alimentées par batterie peuvent effectuer des inférences AI tout en ne consommant que des microjoules d'énergie. Le MAX78000 est un système sur puce avancé intégrant un Arm® Cortex®-M4 avec CPU FPU, permettant un contrôle système efficace grâce à un accélérateur de réseau neuronal profond à ultra-basse consommation. Le dispositif est emballé dans un boîtier CTBGA à 81 broches (8 mm x 8 mm, pas de 0,8 mm).

Le MAX32666 est un microcontrôleur à faible consommation basé sur un ARM Cortex-M4 FPU avec Bluetooth 5, conçu pour les applications portables. Ces UB MCUs de nouvelle génération sont conçus pour répondre aux demandes complexes des appareils alimentés par batterie et connectés sans fil. Il s'associe à une mémoire plus grande par rapport à des produits similaires, adoptant une architecture mémoire évolutive. L'appareil utilise une technologie d'alimentation de qualité portable pour une opération longue durée et une durabilité, capable de résister à des niveaux élevés de cyberattaques. Il est disponible dans des boîtiers WLP à 109 bosses (pas de 0,35 mm) et CTBGA à 121 bosses (pas de 0,65 mm).

L'ADXL382 est un accéléromètre MEMS tri-axial à faible bruit, faible consommation d'énergie et large bande passante, avec des plages de mesure sélectionnables, prenant en charge ±15 g, ±30 g et ±60 g. L'ADXL382 offre des performances de bruit à la pointe de l'industrie, permettant des applications de précision avec un étalonnage minimal. Son faible bruit et sa faible consommation d'énergie permettent une mesure précise des signaux audio ou des sons cardiaques même dans des environnements à haute vibration. Les noms des broches multifonctionnelles de l'ADXL382 peuvent être référencés soit par leurs fonctions liées à l'interface périphérique série (SPI) ou à l’interface I²C, soit par leurs fonctions audio (modulation de densité d'impulsions (PDM), I²S ou multiplexage par répartition dans le temps (TDM)). L'ADXL382 est disponible dans un boîtier LGA de 14 terminaux, 2,9 mm x 2,8 mm x 0,87 mm.

Voyager4 exploite l'IA en périphérie pour la surveillance sans fil de l'état des actifs. Voyager4 utilise des capteurs MEMS à sortie numérique triaxiale, y compris les ADXL382 et ADXL367. La conception intègre également les microcontrôleurs MAX32666 BLE et MAX78000 AI. Des dispositifs d'alimentation PMIC flexibles et économes en espace PCB sont ajoutés en tant qu'interrupteurs de charge pour améliorer l'efficacité énergétique des capteurs sans fil. Chaque kit Voyager4 comprend un adaptateur BLE 5.3 avec une antenne. Voyager4 utilise BLE et est compatible avec n'importe quel PC équipé d'une radio Bluetooth, mais pour des performances et une portée optimales, il est recommandé d'utiliser l'adaptateur lors de la communication avec Voyager4.

L'ADG1633/ADG1634 est un commutateur de 4,5 Ω R_ON, trois/quatre canaux, simple pôle double voie (SPDT), ±5 V/+12 V/+5 V/+3,3 V. Les ADG1633 et ADG1634 sont des commutateurs analogiques CMOS industriels monolithiques (iCMOS®), intégrant chacun trois/quatre commutateurs simple pôle double voie indépendamment sélectionnables. Tous les canaux disposent d'un commutateur break-before-make pour éviter des courts-circuits momentanés lors du changement de canal. Les ADG1633 (boîtiers LFCSP et TSSOP) et ADG1634 (boîtier LFCSP uniquement) sont dotés d'une entrée EN pour activer ou désactiver l'appareil. La structure iCMOS garantit une consommation d'énergie extrêmement faible, rendant ces appareils idéaux pour les instruments portables alimentés par batterie.

L'ADXL367 est un accéléromètre numérique MEMS à nanopower, trois axes, ±2 g/±4 g/±8 g. À un taux de sortie de données de 100 Hz, il consomme seulement 0,89 µA, et en mode de réveil déclenché par le mouvement, il consomme juste 180 nA. Contrairement aux accéléromètres qui utilisent le cyclage de puissance pour atteindre une faible consommation d'énergie, l'ADXL367 n'alias pas les signaux d'entrée par sous-échantillonnage mais échantillonne la bande passante complète du capteur à tous les taux de données. L'ADXL367 est emballé dans un format de 2,2 mm x 2,3 mm x 0,87 mm.

Le MAX17262 est un jauge de carburant pour batterie monocellulaire de 5,2 µA, ModelGauge m5 EZ, avec détection de courant intégrée. C'est le jauge de carburant à la consommation IQ la plus faible de l'industrie, doté d'une résistance de détection de courant intégrée et d'un algorithme ModelGauge m5 EZ, éliminant le besoin de caractérisation de la batterie. Le MAX17262 surveille le pack de batterie monocellulaire avec détection de courant intégrée, capable de détecter des courants d'impulsion allant jusqu'à 3,1 A. Le CI est optimisé pour la mesure de capacité de batterie allant de 100 mAh à 6 Ah. Le MAX17262 est disponible dans un minuscule boîtier niveau plaquette (WLP) sans plomb, avec un espacement des broches de 0,4 mm, mesurant 1,5 mm x 1,5 mm et comportant 9 broches.

Le MAX20335 est un PMIC compact avec des régulateurs de tension à ultra-faible I_Q et un chargeur de batterie pour systèmes lithium-ion, offrant une solution de gestion de l'alimentation optimisée pour les systèmes de surveillance 24h/24 et 7j/7 tels que les appareils portables et l'IoT. La solution de gestion de charge de batterie MAX20335 est idéale pour les applications portables à faible consommation. L'appareil comprend un chargeur de batterie linéaire avec un sélecteur d'alimentation intelligent et plusieurs périphériques optimisés pour l'alimentation. Le MAX20335 est conditionné dans un boîtier de niveau de plaquette (WLP) à 36 bosses, avec une épaisseur de 0,4 mm, et mesure 2,72 mm x 2,47 mm.

Les microcontrôleurs avec accélérateurs matériels IA intégrés offrent aux nœuds de capteurs sans fil de meilleures capacités de prise de décision et une durée de vie de batterie plus longue. En utilisant l'IA à la périphérie, la durée de vie de la batterie peut être prolongée d'au moins 50 %. Les capteurs de vibration intégrant l'analyse modale accélèrent les cycles de développement des capteurs et garantissent la capture de données de vibration de haute qualité à partir des actifs surveillés. La plateforme de surveillance de l'état sans fil Voyager4 d'ADI, associée aux solutions de composants connexes, sera votre meilleur allié pour ajouter de l'intelligence aux systèmes industriels.