面向無(wú)線(xiàn)工業(yè)節點(diǎn)應用的多傳感器AI資料監控架構

FP-AI-MONITOR1為無(wú)線(xiàn)工業(yè)節點(diǎn)上之多傳感器AI數據監控架構，是STM32Cube的功能套件。本模塊有助于實(shí)作和開(kāi)發(fā)以STM32Cube的X-CUBE-AI擴充套件或NanoEdge AI Studio 設計的傳感器監控型應用，且FP-AI-MONITOR1從擷取數據集到整合至實(shí)體節點(diǎn)，完整覆蓋了機器學(xué)習項目開(kāi)發(fā)。

FP-AI-MONITOR1可在SensorTile無(wú)線(xiàn)工業(yè)節點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具包（STEVAL-STWINKT1B）上實(shí)時(shí)執行學(xué)習及推論工作，將內建傳感器的數據作為輸入數據。除此之外，FP-AI-MONITOR1利用有線(xiàn)交互式CLI設定節點(diǎn)，并使用NanoEdge? AI鏈接庫管理學(xué)習、偵測和分類(lèi)階段，與此同時(shí)，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(lèi)結果結合。在簡(jiǎn)易現場(chǎng)操作情況下，FP-AI-MONITOR1的獨立電池供電模式能讓用戶(hù)無(wú)須使用控制臺，僅透過(guò)用戶(hù)按鈕，便能進(jìn)行基本控制。

硬件與軟件概覽
SensorTile無(wú)線(xiàn)工業(yè)節點(diǎn)開(kāi)發(fā)工具包STEVAL-STWINKT1B
SensorTile 無(wú)線(xiàn)工業(yè)節點(diǎn)（STEVAL-STWINKT1B）為開(kāi)發(fā)工具包與參考設計，可簡(jiǎn)化狀態(tài)監控與預防性維護等進(jìn)階工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的原型設計和測試。本產(chǎn)品采超低功耗的Arm Cortex-M4 MCU、120 MHz（含FPU）、2048 KB閃存（STM32L4R9），還配備microSD記憶卡槽，適用于獨立的數據記錄應用。

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6 kHz）、低噪音的3軸數字振動(dòng)傳感器（IIS3DWB）

? 具備機器學(xué)習內核心（ISM330DHCX）的6軸數字加速度計及陀螺儀iNEMO慣性測量單元（IMU）

? 頻率響應高達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(shuō)明
FP-AI-MONITOR1功能套件的頂層架構，如圖所示。



 
圖一 : FP-AI-MONITOR1架構

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

? STEVAL-STWINKT1B開(kāi)發(fā)工具包板；

? STLINK-V3MINI debugger；

? 支援Windows 7、8或10；

? 兩條Micro-USB連接線(xiàn)，一條將傳感器板連接至計算機，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，復制到計算機上的文件夾內。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(kāi)發(fā)工具包（MDK-ARM）toolchain 5.32版。

? STM32CubeProgrammer（STM32CubeProg）為全方位多重操作系統軟件工具，適合為STM32產(chǎn)品進(jìn)行程序設計。本產(chǎn)品透過(guò)除錯接口（JTAG及SWD）與開(kāi)機加載器界面 （UART、USB DFU、I2C、SPI及CAN）提供易于使用的高效率環(huán)境，適合讀寫(xiě)和驗證裝置內存。STM32CubeProgrammer具備多樣功能，可為STM32內部存儲器（如閃存、RAM和OTP）以及外部?jì)却孢M(jìn)行程序設計。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(kāi)放的原始碼軟件終端仿真器，其透過(guò)序列聯(lián)機主控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(jiǎn)單的方法是于STM32CubeMX工具（7.1.0 版或更新版本）內下載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A(yíng)naconda Prompt或Ubuntu的指令終端內，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是新的機器學(xué)習（ML）技術(shù)，可將真正的創(chuàng )新體驗輕松地呈現給終端使用者，只需幾個(gè)步驟，開(kāi)發(fā)人員便能使用最少數據打造出最出色的ML鏈接庫。

更新傳感器板STEVAL-STWINKT1B上的應用程序
下載并解壓縮套件后，下一步便是用功能套件的二進(jìn)制文件對傳感器節點(diǎn)進(jìn)行程序設計。為了方便用戶(hù)，功能套件配備了預先建立的項目二進(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，只需執行拖放動(dòng)作，即可利用隨附的二進(jìn)制文件對傳感器板進(jìn)行程序設計。


 
圖二 : 更新STEVAL-STWINKT1B上的應用程序

FP-AI-MONITOR1控制臺應用程序
設定控制臺
利用項目的二進(jìn)制文件針對傳感器板進(jìn)行程序設計后（如第2、3節所示），接著(zhù)透過(guò)TeraTerm設定傳感器板與計算機之間的序列聯(lián)機。首先，啟動(dòng)TeraTerm，并從工具欄選取或選取適當端口建立新聯(lián)機，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(huì )因使用者而異。

設定傳感器
透過(guò)CLI接口，用戶(hù)可針對感測和狀態(tài)監控應用設定支持的傳感器。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(huì )列出受支持傳感器及其ID清單，如圖所示，而這些ID可用于設定傳感器，選項包含：

? enable（啟用）：?jiǎn)⒂没蛲Ｓ脗鞲衅鳎?br/>
? ODR（輸出數據速率）：從可用選項列表中設定傳感器輸出數據的速率；

? FS（全規模范圍）：從可用選項列表中設定全規模范圍。

下圖范例為取得和設定的數值，以及舊值和變更后之數值。

圖三


 
圖四

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

 
圖五

輸入help即可顯示所有可用指令的列表及使用說(shuō)明。

按鈕操作模式
模式是讓用戶(hù)即使沒(méi)有CLI控制臺，仍能在STWIN上操作FP-AI-MONITOR1。在按鈕操作模式中，傳感器節點(diǎn)可透過(guò)用戶(hù)按鈕控制，不須使用交互式CLI控制臺。

然而，按鈕操作模式無(wú)論是否有搭配CLI皆可執行，且能完全兼容于當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(gè)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重設腳位；

3.Power按鈕：連接至電源管理；

以及三個(gè)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，當透過(guò)USB連接線(xiàn)供電時(shí)，表示正在充電。

因此，按鈕的基本用戶(hù)互動(dòng)僅需透過(guò)兩個(gè)按鈕（User及Reset按鈕），以及兩個(gè)LED燈（綠色及橘色）完成。以下將詳細說(shuō)明這些資源如何分配，藉以向使用者展示哪些運行時(shí)間為作用中，或報告傳感器節點(diǎn)的狀態(tài)。

可用的應用
? NanoEdge AI異常偵測存根

? n元分類(lèi)存根

FP-AI-MONITOR1包含部分預先整合的存根，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，像是在邊緣執行學(xué)習和偵測階段。

? 慣性資料分類(lèi)

此為CLI應用，含有預先建置的人類(lèi)活動(dòng)識別模型。

? 雙重模式應用

除了上述的三種應用，FP-AI-MONITOR1亦可提供進(jìn)階執行，也被稱(chēng)做「雙重應用模式」。此模式使用以NanoEdge AI鏈接庫為基礎的異常偵測功能，并使用以模擬麥克風(fēng)為基礎的預先建置ANN模型進(jìn)行分類(lèi)。雙重模式可于省電模式下運作，且內含的應用互相獨立。以NanoEdge AI鏈接庫為基礎的低功率異常偵測算法會(huì )持續依據振動(dòng)數據執行，而以高頻率模擬麥克風(fēng)路線(xiàn)為基礎的ANN分類(lèi)僅會(huì )于偵測到異常時(shí)觸發(fā)。除此之外，雙重模式是針對USB風(fēng)扇在最大速度下執行建立，因此于其他速度下測試時(shí)，效能并非十分出色。此應用的執行方式非常簡(jiǎn)單。

參考資源
[1]FP-AI-MONITOR1連結下載：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應用，例如：在FP-AI-MONITOR上執行異常偵測： https://wiki.st.com/stm32mcu/wiki/AI:How_to_perform_anomaly_detection_using_FP-AI-MONITOR1

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