智能工業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)筑，傳感器也要為MCU分擔(dān)任務(wù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）工業(yè)傳感器作為工業(yè)控制中感知層的重要組成部分，在改善工業(yè)流程并提供資產(chǎn)監(jiān)控和保護(hù)的同時(shí)，也使得工業(yè)控制的可視化更加明朗。而在如今的工業(yè)智能制造趨勢下，為了打造智能傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器本身就要加入輔助AI設(shè)計(jì)或是直接集成一定的AI計(jì)算能力，這樣才能減少MCU實(shí)現(xiàn)邊緣AI的算力和功耗。

ST iNEMO慣性模塊

意法半導(dǎo)體的iNEMO慣性模塊，作為主流IMU產(chǎn)品之一，采用集成式封裝，包含多個(gè)傳感器模塊且支持多個(gè)外部傳感器，常被用于智能手機(jī)的光學(xué)穩(wěn)定等場景。而針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，意法半導(dǎo)體推出了ISM330IS，在常見iNEMO慣性模塊的基礎(chǔ)上，集成了一塊新的智能傳感器處理單元（ISPU）。

ISM330IS集成了一個(gè)三軸數(shù)字加速度計(jì)和一個(gè)三軸數(shù)字陀螺儀，其片上傳感器中樞還支持最多4個(gè)外部傳感器。即便是在高性能模式下也可以以0.59mA的電流運(yùn)行，且支持常時(shí)開啟的低功耗特性，可謂是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案中理想的IMU單元選擇。

但I(xiàn)SM330IS最特殊的地方在于集成的ISPU，該處理單元支持依賴傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理應(yīng)用。ISPU是一個(gè)超低功耗的高性能可編程核心，可以在邊緣執(zhí)行C語言編程的各種信號(hào)處理和AI算法。開發(fā)者借由意法半導(dǎo)體的NanoEdgeAI Studio，即可輕易創(chuàng)建強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)功能。

其實(shí)ISPU是基于一個(gè)配備FPU和專用指令集的小型DSP內(nèi)核構(gòu)成，時(shí)鐘頻率只有10MHz。加上極高的面積效率，ISPU進(jìn)行本地處理的過程中，其功耗只有幾μW。與傳統(tǒng)的MCU加傳感器的融合方案相比，ISPU的功耗只有五分之一。

即便需要與外部MCU通信，也會(huì)控制在檢測套特定事件或者需要交換數(shù)據(jù)時(shí)開啟通信。所以即便傳感器處于常時(shí)開啟狀態(tài)，外部MCU大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，極大降低了系統(tǒng)功耗，非常適合用于工業(yè)控制中機(jī)器人與狀態(tài)監(jiān)測之類的應(yīng)用。

ADI OtoSense

對(duì)于工業(yè)場景來說，機(jī)器的運(yùn)行狀況感測至關(guān)重要，關(guān)系到生產(chǎn)環(huán)境的安全性，尤其是對(duì)于電機(jī)這樣的設(shè)備。這也就是為何預(yù)測性維護(hù)在工業(yè)4.0背景下開始成為趨勢的原因，但在傳統(tǒng)傳感器每個(gè)每秒發(fā)送成百上千字節(jié)的數(shù)據(jù)，本地MCU難以處理，又難以指望云端能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，所以同樣需要智能傳感器來救場。

ADI的OtoSense智能電機(jī)傳感器，就采用了典型的本地預(yù)測性維護(hù)設(shè)計(jì)。專為應(yīng)用廣泛的三相鼠籠異步式電機(jī)設(shè)計(jì)，OtoSense集成了兩個(gè)振動(dòng)傳感器（ADXL1002）、一個(gè)定制磁場傳感器和兩個(gè)溫度傳感器（ADT7420）。借助這五個(gè)傳感器，OtoSense可以對(duì)電機(jī)的開關(guān)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)速、電流、輸出功率等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

當(dāng)然，這些任務(wù)傳統(tǒng)的傳感器模塊也都能完成，但在安裝好智能電機(jī)傳感器后，OtoSense就創(chuàng)建好了該電機(jī)的數(shù)字孿生，通過學(xué)習(xí)檢測出常見的9種電機(jī)異常，比如供電異常、定子/轉(zhuǎn)子異常、軸心偏移、散熱異常等等。

同時(shí)，OtoSense還集成了獨(dú)立的2.4GHzWi-Fi網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端進(jìn)行處理，也可以通過與手機(jī)app相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況的24小時(shí)監(jiān)控。這種無線連接方式也解決了電機(jī)運(yùn)行環(huán)境中有線網(wǎng)絡(luò)部署的窘境，可以在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)快速靈活的部署和拆裝。

寫在最后

隨著MEMS技術(shù)、模擬數(shù)字層融合等技術(shù)的發(fā)展，市面上已經(jīng)涌現(xiàn)了越來越多集成AI功能的傳感器產(chǎn)品。未來工業(yè)傳感器廠商在提高傳感器性能的同時(shí)，也必須從AI算法庫、邏輯電路設(shè)計(jì)上發(fā)力，這樣才能盡早突破工業(yè)5.0中的人機(jī)融合邊界。