面向無線工業(yè)節(jié)點應(yīng)用的多傳感器AI資料監(jiān)控架構(gòu)

FP-AI-MONITOR1為無線工業(yè)節(jié)點上之多傳感器AI數(shù)據(jù)監(jiān)控架構(gòu)，是STM32Cube的功能套件。本模塊有助于實作和開發(fā)以STM32Cube的X-CUBE-AI擴(kuò)充套件或NanoEdge AI Studio 設(shè)計的傳感器監(jiān)控型應(yīng)用，且FP-AI-MONITOR1從擷取數(shù)據(jù)集到整合至實體節(jié)點，完整覆蓋了機(jī)器學(xué)習(xí)項目開發(fā)。

FP-AI-MONITOR1可在SensorTile無線工業(yè)節(jié)點開發(fā)工具包（STEVAL-STWINKT1B）上實時執(zhí)行學(xué)習(xí)及推論工作，將內(nèi)建傳感器的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)。除此之外，F(xiàn)P-AI-MONITOR1利用有線交互式CLI設(shè)定節(jié)點，并使用NanoEdge? AI鏈接庫管理學(xué)習(xí)、偵測和分類階段，與此同時，支持雙階段進(jìn)階模式，利用CNN模型將NanoEdge? AI鏈接庫的偵測與分類結(jié)果結(jié)合。在簡易現(xiàn)場操作情況下，F(xiàn)P-AI-MONITOR1的獨立電池供電模式能讓用戶無須使用控制臺，僅透過用戶按鈕，便能進(jìn)行基本控制。

硬件與軟件概覽
SensorTile無線工業(yè)節(jié)點開發(fā)工具包STEVAL-STWINKT1B
SensorTile 無線工業(yè)節(jié)點（STEVAL-STWINKT1B）為開發(fā)工具包與參考設(shè)計，可簡化狀態(tài)監(jiān)控與預(yù)防性維護(hù)等進(jìn)階工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的原型設(shè)計和測試。本產(chǎn)品采超低功耗的Arm Cortex-M4 MCU、120 MHz（含F(xiàn)PU）、2048 KB閃存（STM32L4R9），還配備microSD記憶卡槽，適用于獨立的數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用。

STEVAL-STWINKT1B亦搭載多種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器，包括但不限于：

? 超寬帶帶（最高達(dá)6 kHz）、低噪音的3軸數(shù)字振動傳感器（IIS3DWB）

? 具備機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核心（ISM330DHCX）的6軸數(shù)字加速度計及陀螺儀iNEMO慣性測量單元（IMU）

? 頻率響應(yīng)高達(dá)80 kHz的模擬MEMS麥克風(fēng)（IMP23ABSU）。

以取得STEVAL-STWINKT1B所支持之不同傳感器和功能的所有信息。

FP-AI-MONITOR1軟件說明
FP-AI-MONITOR1功能套件的頂層架構(gòu)，如圖所示。



 
圖一 : FP-AI-MONITOR1架構(gòu)

先決條件及設(shè)定
硬件的先決條件及設(shè)定
在STEVAL-STWINKT1B使用FP-AI-MONITOR1功能套件需要取得以下硬件：

? STEVAL-STWINKT1B開發(fā)工具包板；

? STLINK-V3MINI debugger；

? 支援Windows 7、8或10；

? 兩條Micro-USB連接線，一條將傳感器板連接至計算機(jī)，另一條則連接至STLINK-V3MINI。

軟件要求
? 從ST網(wǎng)站下載FP-AI-MONITOR1套件，并將.zip文件解壓縮，復(fù)制到計算機(jī)上的文件夾內(nèi)。套件中包含STEVAL-STWINKT1B傳感器板的二進(jìn)制文件及源代碼。

? 安裝下列任一IDE：

? STMicroelectronics STM32CubeIDE 1.9.0版；

? IAR Embedded Workbench for Arm（EWARM）toolchain 9.20.1版或更新版本；

? RealView微控制器開發(fā)工具包（MDK-ARM）toolchain 5.32版。

? STM32CubeProgrammer（STM32CubeProg）為全方位多重操作系統(tǒng)軟件工具，適合為STM32產(chǎn)品進(jìn)行程序設(shè)計。本產(chǎn)品透過除錯接口（JTAG及SWD）與開機(jī)加載器界面 （UART、USB DFU、I2C、SPI及CAN）提供易于使用的高效率環(huán)境，適合讀寫和驗證裝置內(nèi)存。STM32CubeProgrammer具備多樣功能，可為STM32內(nèi)部存儲器（如閃存、RAM和OTP）以及外部內(nèi)存進(jìn)行程序設(shè)計。FP-AI-MONITOR1采用 STM32CubeProgrammer 2.10.0版測試。本軟件可從STM32CubeProg下載。

? TeraTerm為免費開放的原始碼軟件終端仿真器，其透過序列聯(lián)機(jī)主控FP-AI-MONITOR1 的CLI。（請下載并安裝TeraTerm最新版本。）

? STM32CubeMX：FP-AI-MONITOR1需搭配STM32CubeMX 6.5.0 版使用。

? X-CUBE-AI：最簡單的方法是于STM32CubeMX工具（7.1.0 版或更新版本）內(nèi)下載X-CUBE-AI，如同使用手冊UM2526所述。

? Python 3.7.3：所需套件及版本清單以文本文件提供，可于/FP-AI-MONITOR1_V2.0.0/Utilities/requirements.txt目錄下取得。以下指令適用于Anaconda Prompt或Ubuntu的指令終端內(nèi)，以安裝配置文件案requirements.txt中指定的所有套件：pip install -r requirements.txt

? NanoEdge? AI Studio：NanoEdge? AI Studio是新的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)，可將真正的創(chuàng)新體驗輕松地呈現(xiàn)給終端使用者，只需幾個步驟，開發(fā)人員便能使用最少數(shù)據(jù)打造出最出色的ML鏈接庫。

更新傳感器板STEVAL-STWINKT1B上的應(yīng)用程序
下載并解壓縮套件后，下一步便是用功能套件的二進(jìn)制文件對傳感器節(jié)點進(jìn)行程序設(shè)計。為了方便用戶，功能套件配備了預(yù)先建立的項目二進(jìn)制文件，取得路徑如下：

/FP-AI-MONITOR1_V2.0.0/Projects/STM32L4R9ZI-STWIN/Applications/FP-AI-MONITOR1/Binary/FP-AI-MONITOR1.bin。如圖二所示，只需執(zhí)行拖放動作，即可利用隨附的二進(jìn)制文件對傳感器板進(jìn)行程序設(shè)計。


 
圖二 : 更新STEVAL-STWINKT1B上的應(yīng)用程序

FP-AI-MONITOR1控制臺應(yīng)用程序
設(shè)定控制臺
利用項目的二進(jìn)制文件針對傳感器板進(jìn)行程序設(shè)計后（如第2、3節(jié)所示），接著透過TeraTerm設(shè)定傳感器板與計算機(jī)之間的序列聯(lián)機(jī)。首先，啟動TeraTerm，并從工具欄選取或選取適當(dāng)端口建立新聯(lián)機(jī)，以建立與傳感器板之間的序列通訊。下圖為COM10 - USB序列裝置（COM 10），但可能會因使用者而異。

設(shè)定傳感器
透過CLI接口，用戶可針對感測和狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用設(shè)定支持的傳感器。輸入sensor_info指令，即可在CLI控制臺上顯示所有受支持傳感器的清單。此指令會列出受支持傳感器及其ID清單，如圖所示，而這些ID可用于設(shè)定傳感器，選項包含：

? enable（啟用）：啟用或停用傳感器；

? ODR（輸出數(shù)據(jù)速率）：從可用選項列表中設(shè)定傳感器輸出數(shù)據(jù)的速率；

? FS（全規(guī)模范圍）：從可用選項列表中設(shè)定全規(guī)模范圍。

下圖范例為取得和設(shè)定的數(shù)值，以及舊值和變更后之?dāng)?shù)值。

圖三


 
圖四

成功建立聯(lián)機(jī)后，以下訊息將隨即顯示，若非如此，請重新設(shè)定傳感器板。

 
圖五

輸入help即可顯示所有可用指令的列表及使用說明。

按鈕操作模式
模式是讓用戶即使沒有CLI控制臺，仍能在STWIN上操作FP-AI-MONITOR1。在按鈕操作模式中，傳感器節(jié)點可透過用戶按鈕控制，不須使用交互式CLI控制臺。

然而，按鈕操作模式無論是否有搭配CLI皆可執(zhí)行，且能完全兼容于當(dāng)前的序列控制臺以及其命令行接口（command-line interface，CLI）的定義。

此版本功能套件（STEVAL-STWINKT1B）的支持硬件配備下列三個按鈕：

1.User按鈕：是軟件唯一可以使用的按鈕；

2.Reset按鈕：連接至STM32 MCU重設(shè)腳位；

3.Power按鈕：連接至電源管理；

以及三個LED燈：

1.LED_1（綠色）：由軟件控制；

2.LED_2 （橘色）：由軟件控制；

3.LED_C （紅色）：由硬件控制，當(dāng)透過USB連接線供電時，表示正在充電。

因此，按鈕的基本用戶互動僅需透過兩個按鈕（User及Reset按鈕），以及兩個LED燈（綠色及橘色）完成。以下將詳細(xì)說明這些資源如何分配，藉以向使用者展示哪些運行時間為作用中，或報告?zhèn)鞲衅鞴?jié)點的狀態(tài)。

可用的應(yīng)用
? NanoEdge AI異常偵測存根

? n元分類存根

FP-AI-MONITOR1包含部分預(yù)先整合的存根，可輕松地由NanoEdge AI Studio所產(chǎn)生和提供的AI狀態(tài)監(jiān)控鏈接庫取代。此存根可仿真NanoEdge AI相關(guān)的功能，像是在邊緣執(zhí)行學(xué)習(xí)和偵測階段。

? 慣性資料分類

此為CLI應(yīng)用，含有預(yù)先建置的人類活動識別模型。

? 雙重模式應(yīng)用

除了上述的三種應(yīng)用，F(xiàn)P-AI-MONITOR1亦可提供進(jìn)階執(zhí)行，也被稱做「雙重應(yīng)用模式」。此模式使用以NanoEdge AI鏈接庫為基礎(chǔ)的異常偵測功能，并使用以模擬麥克風(fēng)為基礎(chǔ)的預(yù)先建置ANN模型進(jìn)行分類。雙重模式可于省電模式下運作，且內(nèi)含的應(yīng)用互相獨立。以NanoEdge AI鏈接庫為基礎(chǔ)的低功率異常偵測算法會持續(xù)依據(jù)振動數(shù)據(jù)執(zhí)行，而以高頻率模擬麥克風(fēng)路線為基礎(chǔ)的ANN分類僅會于偵測到異常時觸發(fā)。除此之外，雙重模式是針對USB風(fēng)扇在最大速度下執(zhí)行建立，因此于其他速度下測試時，效能并非十分出色。此應(yīng)用的執(zhí)行方式非常簡單。

參考資源
[1]FP-AI-MONITOR1連結(jié)下載：https://www.st.com/en/embedded-software/fp-ai-monitor1.html

[2]FP-AI-MONITOR1使用手冊：https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/AI:FP-AI-MONITOR1_user_manual

[3]取得更多FP-AI-MONITOR1應(yīng)用，例如：在FP-AI-MONITOR上執(zhí)行異常偵測： https://wiki.st.com/stm32mcu/wiki/AI:How_to_perform_anomaly_detection_using_FP-AI-MONITOR1

[4]在STM32L4 IoTnode上執(zhí)行動作感測：https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/AI:How_to_perform_motion_sensing_on_STM32L4_IoTnode