基于面向STM32Cube的功能包設(shè)計(jì)過程

FP-AI-MONITOR1是一種多傳感器AI數(shù)據(jù)監(jiān)控框架（基于面向STM32Cube的功能包），工作于無線工業(yè)節(jié)點(diǎn)。針對(duì)由X-CUBE-AI（面向STM32Cube的擴(kuò)展包）或NanoEdge AI Studio設(shè)計(jì)的傳感器監(jiān)測(cè)型應(yīng)用，它有助于快速啟動(dòng)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)和開發(fā)。從數(shù)據(jù)集獲取到物理節(jié)點(diǎn)上的集成，它涵蓋了機(jī)器學(xué)習(xí)周期的整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

FP-AI-MONITOR1能在SensorTile無線工業(yè)節(jié)點(diǎn)開發(fā)套件（STEVAL-STWINKT1B）上實(shí)時(shí)運(yùn)行學(xué)習(xí)和推理會(huì)話，同時(shí)將來自板載傳感器的數(shù)據(jù)作為輸入。FP-AI-MONITOR1通過有線交互CLI來配置節(jié)點(diǎn)，并使用NanoEdge AI庫管理學(xué)習(xí)、檢測(cè)和分類階段。此外，它還支持一種稱為雙階段的高級(jí)模式，能將來自NanoEdge AI庫的檢測(cè)和使用CNN模型的分類相結(jié)合。對(duì)于簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)操作，獨(dú)立的電池供電模式也允許用戶在不借助控制臺(tái)的情況下，通過用戶按鈕進(jìn)行基本控制。

硬件和軟件概述

SensorTile無線工業(yè)節(jié)點(diǎn)評(píng)估套件STEVAL-STWINKT1B

SensorTile無線工業(yè)節(jié)點(diǎn)（STEVAL-STWINKT1B）是一種開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)化先進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)）的原型開發(fā)和測(cè)試。它由超低功耗Arm Cortex-M4 MCU（運(yùn)行頻率120 MHz，具有FPU和2048-Kb Flash存儲(chǔ)器（STM32L4R9））供電。STEVAL-STWINKT1B配備microSD卡插槽，用于獨(dú)立式數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用。STEVAL-STWINKT1B還配有廣泛的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，包括但不限于：

?超寬帶寬（高達(dá)6 kHz）、低噪聲、3軸數(shù)字振動(dòng)傳感器（IIS3DWB）。

?6軸數(shù)字加速度計(jì)和陀螺儀iNEMO慣性測(cè)量單元（IMU），帶機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核（ISM330DHCX），以及模擬MEMS麥克風(fēng)，頻率響應(yīng)可達(dá)80 kHz（IMP23ABSU）。

?參考本文檔獲取關(guān)于STEVAL-STWINKT1B支持的不同傳感器和特性的所有信息。

FP-AI-MONITOR1軟件描述

FP-AI-MONITOR1功能包的頂層架構(gòu)如下圖所示。

▲圖1 FP-AI-MONITOR1架構(gòu)

先決條件和設(shè)置

硬件先決條件和設(shè)置

如要將FP-AI-MONITOR1功能包用在STEVAL-STWINKT1B上，需準(zhǔn)備以下硬件項(xiàng)目：

?STEVAL-STWINKT1B開發(fā)套件板；

?采用Windows操作系統(tǒng)的筆記本電腦/臺(tái)式機(jī)（Windows 7、8、或10）；

?兩根Micro-USB線纜（一根將傳感器板連接到PC， 另一根用于STLINK-V3MINI），以及一個(gè)STLINK-V3MINI。

軟件要求

?下載FP-AI-MONITOR1軟件包，將.zip文件解壓，您將得到項(xiàng)目的軟件包。軟件包中包含面向傳感器板STEVAL-STWINKT1B的二進(jìn)制文件和源代碼。

?安裝以下IDE之一：

意法半導(dǎo)體的STM32CubeIDE版本 1.9.0；

面向Arm（EWARM）工具鏈（版本9.20.1或更高版本）的IAR Embedded Workbench；

RealView微控制器開發(fā)套件（MDK-ARM）工具鏈（版本5.32）。

?STM32CubeProgrammer（STM32CubeProg）是一款用于編程STM32產(chǎn)品的全功能多操作系統(tǒng)軟件工具。它通過調(diào)試接口（JTAG和SWD）和bootloader接口（UART、USB DFU、I2C、SPI和CAN）提供了一個(gè)易用高效的環(huán)境，用于讀取、寫入和驗(yàn)證設(shè)備內(nèi)存。STM32CubeProgrammer提供了廣泛的功能，可編程STM32內(nèi)部存儲(chǔ)器（如Flash存儲(chǔ)器、RAM和OTP）以及外部存儲(chǔ)器。FP-AI-MONITOR1通過STM32CubeProgrammer測(cè)試基于（版本2.10.0）。該軟件可以從STM32CubeProg下載。

?TeraTerm是一款開源免費(fèi)軟件終端仿真器，可用于通過串行連接托管FP-AI-MONITOR1的CLI。下載和安裝最新版本的TeraTerm。

?STM32CubeMX：FP-AI-MONITOR1要求STM32CubeMX版本達(dá)到6.5.0。如需下載STM32CubeMX并獲取所有特性的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問st.com。

?X-CUBE-AI：在STM32CubeMX工具（版本7.1.0或更新的版本）安裝使用，在UM2526入門用戶手冊(cè)中有相關(guān)的介紹。

?Python 3.7.3：所需軟件包的列表及其版本信息以文本文件的形式在/FP-AI-MONITOR1_V2.0.0/Utilities/requirements.txt目錄中提供。以下指令用于anaconda提示符或Ubuntu的指令終端，安裝配置文件requirements.txt中指定的所有包：

pip install -r requirements.txt

?NanoEdge AI Studio：NanoEdge AI Studio是一種新型機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)，可以讓終端用戶輕松享有真正的創(chuàng)新成果。只需幾步，開發(fā)人員便可運(yùn)用少量的數(shù)據(jù)創(chuàng)建理想的ML庫。

在傳感器板STEVAL-STWINKT1B上刷寫應(yīng)用程序

下載并解壓軟件包之后，下一步是使用功能包的二進(jìn)制文件對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程。為了方便用戶，功能包配備了預(yù)構(gòu)建的項(xiàng)目二進(jìn)制文件。該二進(jìn)制文件可通過路徑/FP-AI-MONITOR1_V2.0.0/Projects/STM32L4R9ZI-STWIN/Applications/FP-AI-MONITOR1/Binary/FP-AI-MONITOR1.bin獲得。只需執(zhí)行如下圖中所示的拖放操作，就可以輕松使用所提供的二進(jìn)制文件對(duì)傳感器板進(jìn)行編程。

▲圖2 在STEVAL-STWINKT1B上刷寫應(yīng)用程序

FP-AI-MONITOR1控制臺(tái)應(yīng)用程序

設(shè)置控制臺(tái)

運(yùn)用項(xiàng)目的二進(jìn)制文件對(duì)傳感器板進(jìn)行編程（如第2.3節(jié)中所示）之后，在PC上通過TeraTerm設(shè)置板件的串行連接。為此，需啟動(dòng)TeraTerm并創(chuàng)建一個(gè)新連接 - 從工具欄中進(jìn)行選擇，或選擇適當(dāng)?shù)?a target="_blank">端口以建立與板件的串行通信。下面的圖片舉例了COM10 - USB串行設(shè)備（COM 10），但可能根據(jù)用戶的不同而變化。

配置傳感器

通過CLI接口，用戶可以配置傳感和狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用所支持的傳感器?？梢栽贑LI控制臺(tái)上顯示支持的傳感器列表，方法是輸入指令sensor_info。該指令打印支持的傳感器列表及其id，如下圖所示。用戶可以使用這些id配置這些傳感器。這些傳感器的可配置選項(xiàng)包括：

?enable：?jiǎn)⒂没蚪脗鞲衅鳎?/p>

?ODR：從可用的選項(xiàng)列表中設(shè)置傳感器的輸出數(shù)據(jù)速率；

?FS：從可用選項(xiàng)列表中設(shè)置滿量程范圍。

下圖顯示了獲取和設(shè)置這些值（以及原有值和更改值）的完整示例。

連接建立之后，將顯示以下消息。如果情況并非如此，請(qǐng)復(fù)位板件。

輸入help顯示所有可用指令列表及各自的使用說明。

按鈕操作模式

該模式旨在使用戶能夠再?zèng)]有CLI控制臺(tái)的情況下操作STWIN上的FP-AI-MONITOR1。在按鈕操作模式下，可以通過用戶按鈕（無需借助交互式CLI控制臺(tái)）來控制傳感器節(jié)點(diǎn)。

按鈕操作模式可以自行選擇是否使用CLI，并且與串口控制臺(tái)及其命令行接口（CLI）的當(dāng)前定義完全兼容和一致。

該版本功能包的支持硬件（STEVAL-STWINKT1B）配有三個(gè)按鈕：

1.用戶按鈕，唯一通過軟件可用的按鈕；

2.復(fù)位按鈕，連接到STM32 MCU復(fù)位引腳；

3.電源按鈕，連接到電源管理。

以及三個(gè)LED：

1.LED_1（綠色），由軟件控制；

2.LED_2（橙色），由軟件控制；

3.LED_C（紅色），由軟件控制，指示通過USB數(shù)據(jù)線充電時(shí)的充電狀態(tài)。

因此，按鈕操作的基本用戶交互是通過兩個(gè)按鈕（用戶和復(fù)位）和兩個(gè)LED（綠色和橙色）完成的。下面詳細(xì)介紹如何分配這些資源，以便向用戶顯示哪些執(zhí)行階段是活動(dòng)的，或者報(bào)告?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

可用應(yīng)用程序

?NanoEdge AI異常檢測(cè)短線

?n-class分類短線

FP-AI-MONITOR1包括一些預(yù)先集成的短線，這些短線可輕松被NanoEdge AI Studio所生成和提供的AI狀態(tài)監(jiān)測(cè)庫所替代。該短線模擬NanoEdge AI相關(guān)功能，例如在邊緣運(yùn)行學(xué)習(xí)和檢測(cè)階段。

?慣性數(shù)據(jù)分類

這是一個(gè)CLI應(yīng)用程序，具有預(yù)先構(gòu)建的人類活動(dòng)識(shí)別模型。

?雙模式應(yīng)用程序

除了上面章節(jié)中描述的三個(gè)應(yīng)用程序之外，F(xiàn)P-AI-MONITOR1還提供一個(gè)高級(jí)執(zhí)行階段，我們稱之為雙應(yīng)用程序模式。該模式使用基于NanoEdge AI庫的異常檢測(cè)，并使用基于模擬麥克風(fēng)的預(yù)構(gòu)建ANN模型進(jìn)行分類。雙模式工作于省電配置?；贜anoEdge AI庫的低功耗異常檢測(cè)算法始終基于振動(dòng)數(shù)據(jù)運(yùn)行，而基于高頻模擬麥克風(fēng)管道的ANN分類僅在檢測(cè)到異常時(shí)才觸發(fā)。除此之外，兩個(gè)應(yīng)用程序是彼此獨(dú)立的。值得一提的是，雙模式是針對(duì)以最高速度運(yùn)行的USB風(fēng)扇而創(chuàng)建的，在其他速度下進(jìn)行測(cè)試時(shí)的表現(xiàn)較差。應(yīng)用程序的工作原理非常簡(jiǎn)單。