利用人工智能设计边缘传感器来建设未来工厂

运用无线工业传感器进行电机健康监测 

在机器人和旋转机械（例如涡轮机、风扇、泵和电机）上进行状态监测（CbM），可记录与机器健康和性能相关的实时数据，从而实现有针对性的预测性维护和优化控制。在机器生命周期的早期进行有针对性的预测性维护，可降低生产停机风险，从而提高可靠性、显着节省成本并提高工厂车间的生产效率。工业机器的状态监测（CbM）可以利用一系列传感器数据，例如电气测量、振动、温度、油质、声学、磁场，以及流量和压力等流程测量。然而，振动测量是迄今为止最常见的，因为它可以提供最可靠的机械问题指示，例如不平衡和轴承故障。 

目前市面上的无线工业传感器通常以极低的占空比运行，用户设置传感器的休眠时长，休眠结束后传感器被唤醒并测量温度和振动，然后通过无线电信号将数据发送回用户的数据聚合器。市售传感器通常声称电池寿命为5年，基于每24小时采集一次数据或每24小时采集多次数据。 

在大多数情况下，传感器90%以上的时间处于休眠模式。以ADI的Voyager4传感器为例，它以类似的方式运行，但利用边缘AI异常检测（使用MAX78000 AI微控制器）来限制无线电的使用。在传感器唤醒并测量数据时，只有当微控制器检测到数据异常时，才会将数据发送回用户，从而触发机器诊断和维护，并延长电机使用寿命。通过在边缘使用AI，电池寿命可以延长至少50%。 

Voyager4是由ADI公司开发的无线状态监测平台，旨在帮助开发人员快速部署和测试机器或测试设备的无线解决方案。Voyager4等电机健康监测解决方案广泛应用于机器人，以及涡轮机、风扇、泵和电机等旋转机械等领域。 

Voyager4传感器系统的工作原理 

Voyager4传感器搭配ADXL382三轴8 kHz数字微机电系统（MEMS）用于采集振动数据。首先，原始振动数据传输至MAX32666低功耗蓝牙®（BLE）处理器，数据可以通过BLE无线电或USB发送给用户，这些原始振动数据用于使用MAX78000工具训练边缘AI算法。

使用MAX78000工具，将AI模型合成为C代码。边缘AI算法通过BLE无线（OTA）更新发送到Voyager4传感器，并使用带有边缘AI硬件加速器的MAX78000处理器将其存储在内存中。在Voyager4初始训练阶段之后，ADXL382 MEMS数据可以沿着路径进行传输。MAX78000边缘AI算法将根据收集到的振动数据，预测机器是否发生故障或正常运行。如果振动数据正常，则无需使用MAX32666无线电，MEMS将返回睡眠模式。但是，如果预测到振动数据有误，则通过BLE向用户发送振动异常警报。 

Voyager4的硬件系统中，采用的ADXL382是一款低噪声密度、低功耗的3轴MEMS加速度计，具有可选测量范围。该器件支持±15 g、±30 g和±60 g量程以及8 kHz的宽测量带宽。ADG1634则是单刀双掷（SPDT）CMOS开关，用于将MEMS原始振动数据，路由至MAX32666 BLE无线电或MAX78000 AI微控制器，BLE微控制器用于控制SPDT开关。其他几个外设连接到MAX32666，包括用于监测电池电流的MAX17262电量计和超低功耗ADXL367 MEMS加速度计。ADXL367用于在高振动冲击事件中，将BLE无线电从深度睡眠模式唤醒，在运动激活唤醒模式下，其功耗仅为180 nA。BLE微控制器可以通过FTDI FT234XD-R的BLE或USB将ADXL382 MEMS原始数据传输到主机。 

Voyager4传感器采用MAX20335电源管理集成电路（PMIC），该PMIC具有两个超低静态电流降压稳压器和三个超低静态电流低压差（LDO）线性稳压器。每个LDO和降压稳压器的输出电压均可单独启用和禁用，并且每个输出电压值均可通过I²C进行编程，并采用默认预配置，BLE处理器用于为不同的Voyager4工作模式启用或禁用单个PMIC电源输出。 

在训练模式下，BLE微控制器必须首先通告其在BLE网络中的存在，然后与网络管理器建立BLE连接。然后，Voyager4通过BLE网络传输ADXL382 MEMS原始数据，以便在用户的PC上训练AI算法。之后，Voyager4传感器返回深度睡眠模式。在正常（AI）模式下，BLE无线电通告、连接和传输功能默认处于禁用状态。MAX78000会定期唤醒并运行AI推理，如果未检测到异常，Voyager4将返回深度睡眠模式。 

ADI推出的Voyager4评估套件（EV-CBM-VOYAGER4-1Z）包含多个元器件（LED、上拉电阻），方便客户进行评估。这些元器件在LDO1OUT电压轨上产生0.3 mW的深度睡眠电流。Voyager4评估套件的平均功耗基于深度睡眠、训练和正常／AI模式下事件间隔的时间计算。 

以下将为您进一步介绍这些相关器件的功能特性。 

AI微控制器使神经网络能够在物联网边缘端以超低功耗运行

MAX78000是一款采用超低功耗卷积神经网络加速度计的人工智能微控制器，这款新型AI微控制器，使神经网络能够在物联网边缘端以超低功耗运行，将高能效的AI处理与经过验证的Maxim超低功耗微控制器相结合。通过这款基于硬件的卷积神经网络（CNN）加速器，即使是电池供电的应用也可执行AI推理，同时功耗仅为微焦耳级。MAX78000是一款先进的片上系统，集成带FPU CPU的Arm® Cortex®-M4内核，通过超低功耗深度神经网络加速器实现高效的系统控制。该器件采用81引脚的CTBGA（8mm x 8mm、0.8mm间距）封装。 

MAX32666则是一款低功耗ARM Cortex-M4基于FPU的微控制器，带有Bluetooth 5，适用于可穿戴应用，这款新一代UB MCU的设计旨在满足电池供电和无线连接设备的复杂应用需求。该款智能型控制器搭配同类产品中较大的存储器，采用可以大规模扩展的存储器架构。器件采用可穿戴级别的电源技术，可以长久运行、持久耐用，能够经受高水平的网络攻击。该器件采用109引脚WLP（0.35mm间距）和121引脚CTBGA（0.65mm间距）封装。 

ADXL382则是一款低噪声、低功耗、宽带宽、3轴MEMS加速度计，具有可选测量范围，支持±15 g、±30 g和±60 g的测量范围。ADXL382提供业界领先的噪声水平，只需极少的校准即可实现精密应用，其低噪声和低功耗特性，使其即使在高振动环境下也能精确测量音频信号或心音。ADXL382的多功能引脚名称可以仅通过其与串行外设接口（SPI）或I²C接口相关的功能来引用，也可以通过其音频功能（脉冲密度调制（PDM）、I²S或时分复用（TDM））来引用。ADXL382采用14引脚、2.9 mm x 2.8 mm x 0.87 mm的LGA封装。 

利用边缘AI进行无线资产状况监测的完整解决方案 

Voyager4可利用边缘AI进行无线资产状况监测，Voyager 4使用三轴数字输出MEMS传感器，包括ADXL382和ADXL367。该设计还包括MAX32666 BLE和MAX78000 AI微控制器。添加了灵活且节省PCB空间的PMIC电源器件作为负载开关，以提高无线传感器的节能效果。每个Voyager4套件都包含一个带天线的BLE 5.3适配器。Voyager4使用BLE，因此可与任何带有蓝牙无线电的PC兼容，但为了确保最佳性能和范围，建议在与Voyager4通信时使用适配器。 

ADG1633/ADG1634是一款4.5Ω R_ON、三／四通道单刀双掷（SPDT）、±5 V/+12 V/+5 V/+3.3 V开关，ADG1633和ADG1634均为单芯片工业CMOS（iCMOS®）模拟开关，分别内置三个／四个独立可选的单刀双掷开关。所有通道均采用先开后合式开关，防止开关通道时发生瞬时短路。ADG1633（LFCSP和TSSOP封装）和ADG1634（仅LFCSP封装）提供EN输入，用来使能或禁用器件。iCMOS结构可确保功耗极低，因而这些器件非常适合便携式电池供电仪表。 

ADXL367则是具备纳米等级功耗、3 轴、±2 g/±4 g/±8 g数字输出MEMS加速度计，在100 Hz输出数据速率下，仅消耗0.89 µA，而在动作触发的唤醒模式下，仅消耗180 nA。与使用功率占空比来实现低功耗的加速度计不同，ADXL367不会通过欠采样来混叠输入信号，而是在所有数据速率下，对传感器的全带宽进行采样。ADXL367采用2.2 mm x 2.3 mm x 0.87 mm封装。 

MAX17262是一款5.2µA、ModelGauge m5 EZ单节电池电量计，内置电流检测，是业界 I_Q 最低的电量计，采用内置检流电阻和ModelGauge m5 EZ算法，无需进行电池特征分析。MAX17262可监测单节电池，集成内部检流，可检测高达3. 1A的脉冲电流，IC优化用于100mAhr至6Ahr容量的电池计量。MAX17262采用微小、无铅、0.4mm焊距、1.5mm x 1.5mm、9引脚晶圆级封装（WLP）。 

MAX20335则是一款小型锂离子系统用带超低I_Q电压调节器和电池充电器的PMIC，具有经过优化的电源管理方案，支持可穿戴和IoT等7 x 24小时监测系统。MAX20335电池充电管理方案，理想用于低功耗可穿戴应用。器件包括一个带有智能电源选择器线性电池充电器，和多种经过功率优化的外设。MAX20335采用36焊球、0.4mm焊球间距、2.72mm x 2.47mm晶圆级封装（WLP）。 

结语 

内置AI硬件加速器的微控制器，为无线传感器节点提供了更优的决策能力和更长的电池寿命。通过在边缘使用AI，电池寿命可延长至少50%。振动传感器包含的模态分析可加快传感器开发周期，并确保从受监控资产中捕获高质量的振动数据。ADI推出的Voyager4无线状态监测平台，搭配相关的元器件解决方案，将会是您为工业系统增添智能的最佳帮手。