Ada banyak cara untuk menambahkan kecerdasan ke sistem industri, termasuk mencocokkan komponen analog dan digital dengan sensor yang menampilkan kecerdasan buatan (AI) tepi dan awan. Karena beragamnya metode AI, perancang sensor perlu mempertimbangkan banyak persyaratan yang saling bertentangan, termasuk penundaan keputusan, penggunaan jaringan, konsumsi daya/masa pakai baterai, dan model AI yang cocok untuk mesin. Artikel ini akan fokus pada pengenalan penerapan sensor pemantauan motor nirkabel AI cerdas dan solusi terkait yang diluncurkan oleh ADI.
Pemantauan kesehatan motor dilakukan menggunakan sensor industri nirkabel
Pemantauan kondisi (CbM) pada robot dan mesin berputar (seperti turbin, kipas, pompa, dan motor) dapat merekam data waktu nyata yang terkait dengan kesehatan dan kinerja mesin, sehingga memungkinkan pemeliharaan prediktif yang ditargetkan dan kontrol yang dioptimalkan. Pemeliharaan prediktif yang ditargetkan yang dilakukan pada tahap awal siklus hidup mesin dapat mengurangi risiko waktu henti produksi, sehingga meningkatkan keandalan, menghemat biaya secara signifikan, dan meningkatkan efisiensi produksi di bengkel pabrik. Pemantauan kondisi (CbM) mesin industri dapat memanfaatkan serangkaian data sensor, seperti pengukuran listrik, getaran, suhu, kualitas oli, akustik, medan magnet, serta pengukuran proses seperti aliran dan tekanan. Namun, pengukuran getaran sejauh ini adalah yang paling umum karena dapat memberikan indikasi paling andal dari masalah mekanis, seperti ketidakseimbangan dan kegagalan bantalan.
Saat ini, sensor industri nirkabel di pasaran biasanya beroperasi pada siklus tugas yang sangat rendah. Pengguna mengatur durasi tidur sensor. Setelah periode tidur berakhir, sensor dibangunkan untuk mengukur suhu dan getaran, dan kemudian data dikirim kembali ke agregator data pengguna melalui sinyal radio. Sensor yang tersedia secara komersial biasanya mengklaim masa pakai baterai lima tahun, berdasarkan pengumpulan data sekali setiap 24 jam atau beberapa kali setiap 24 jam.
Dalam banyak kasus, sensor dalam mode tidur selama lebih dari 90% waktu. Ambil sensor Voyager4 ADI sebagai contoh. Ia beroperasi dengan cara yang serupa, tetapi menggunakan deteksi anomali AI tepi (dengan mikrokontroler AI MAX78000) untuk membatasi penggunaan radio. Ketika sensor dibangunkan dan mengukur data, hanya ketika mikrokontroler mendeteksi data yang tidak normal, ia akan mengirimkan data kembali ke pengguna, sehingga memicu diagnosis dan pemeliharaan mesin dan memperpanjang masa pakai motor. Dengan menggunakan AI di tepi, masa pakai baterai dapat diperpanjang setidaknya 50%.
Voyager4 adalah platform pemantauan kondisi nirkabel yang dikembangkan oleh Analog Devices (ADI), yang dirancang untuk membantu pengembang dengan cepat menyebarkan dan menguji solusi nirkabel untuk mesin atau peralatan uji. Solusi pemantauan kesehatan motor seperti Voyager4 banyak digunakan pada robot, serta pada mesin berputar seperti turbin, kipas, pompa, dan motor.
Prinsip kerja sistem sensor Voyager4
Sensor Voyager4, dalam kombinasi dengan sistem mikro-elektromekanis (MEMS) digital tiga sumbu 8 kHz ADXL382, digunakan untuk mengumpulkan data getaran. Pertama, data getaran mentah ditransmisikan ke prosesor Bluetooth ® (BLE) daya rendah MAX32666. Data dapat dikirim ke pengguna melalui radio BLE atau USB. Data getaran mentah ini digunakan untuk melatih algoritma AI tepi dengan alat MAX78000.
Gunakan alat MAX78000 untuk mensintesis model AI menjadi kode C. Algoritma AI tepi dikirim ke sensor Voyager4 melalui pembaruan nirkabel BLE (OTA) dan disimpan dalam memori menggunakan prosesor MAX78000 dengan akselerator perangkat keras AI tepi. Setelah fase pelatihan awal Voyager4, data MEMS ADXL382 dapat ditransmisikan di sepanjang jalur. Algoritma AI tepi MAX78000 akan memprediksi apakah mesin telah rusak atau beroperasi secara normal berdasarkan data getaran yang dikumpulkan. Jika data getaran normal, tidak perlu menggunakan radio MAX32666, dan MEMS akan kembali ke mode tidur. Namun, jika data getaran yang diprediksi salah, peringatan getaran abnormal akan dikirim ke pengguna melalui BLE.
Dalam sistem perangkat keras Voyager4, ADXL382 yang diadopsi adalah akselerometer MEMS 3-sumbu dengan kepadatan kebisingan rendah dan konsumsi daya rendah, yang menampilkan rentang pengukuran yang dapat dipilih. Perangkat ini mendukung rentang pengukuran ± 15g, ± 30g, dan ± 60g serta bandwidth pengukuran lebar 8 kHz. ADG1634 adalah sakelar CMOS kutub tunggal ganda-lempar (SPDT), yang digunakan untuk merutekan data getaran mentah MEMS ke radio MAX32666 BLE atau mikrokontroler AI MAX78000, dengan mikrokontroler BLE digunakan untuk mengontrol sakelar SPDT. Beberapa periferal lain terhubung ke MAX32666, termasuk pengukur baterai MAX17262 untuk memantau arus baterai dan akselerometer MEMS ADXL367 daya ultra-rendah. ADXL367 digunakan untuk membangunkan radio BLE dari mode tidur nyenyak selama peristiwa kejutan getaran tinggi. Dalam mode bangun yang diaktifkan gerakan, konsumsi dayanya hanya 180 nA. Mikrokontroler BLE dapat mentransfer data mentah MEMS ADXL382 ke host melalui BLE atau USB dari FTDI FT234XD-R.
Sensor Voyager4 mengadopsi sirkuit terpadu manajemen daya (PMIC) MAX20335, yang menampilkan dua regulator step-down arus diam ultra-rendah dan tiga regulator linier low-dropout (LDO) arus diam ultra-rendah. Tegangan keluaran dari setiap LDO dan regulator step-down dapat diaktifkan atau dinonaktifkan secara independen, dan setiap nilai tegangan keluaran dapat diprogram melalui I2C dengan pra-konfigurasi default. Prosesor BLE digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan output daya PMIC tunggal untuk mode kerja Voyager4 yang berbeda.
Dalam mode pelatihan, mikrokontroler BLE harus terlebih dahulu memberi tahu keberadaannya di jaringan BLE dan kemudian membuat koneksi BLE dengan pengelola jaringan. Kemudian, Voyager4 mengirimkan data MEMS ADXL382 mentah melalui jaringan BLE untuk melatih algoritma AI di PC pengguna. Setelah itu, sensor Voyager4 kembali ke mode tidur nyenyak. Dalam mode normal (AI), pensinyalan radio BLE, koneksi, dan fungsi transmisi dinonaktifkan secara default. MAX78000 akan bangun secara teratur dan menjalankan inferensi AI. Jika tidak ada anomali yang terdeteksi, Voyager4 akan kembali ke mode tidur nyenyak.
Kit evaluasi Voyager4 (EV-CBM-VOYAGER4-1Z) yang diluncurkan oleh ADI mencakup beberapa komponen (LED, resistor pull-up), sehingga memudahkan pelanggan untuk melakukan evaluasi. Komponen-komponen ini menghasilkan arus tidur nyenyak sebesar 0,3 mW pada rel tegangan LDO1OUT. Konsumsi daya rata-rata dari rangkaian evaluasi Voyager4 dihitung berdasarkan interval waktu antara peristiwa dalam mode tidur nyenyak, pelatihan, dan normal/AI.
Berikut ini akan lebih lanjut memperkenalkan karakteristik fungsional dari perangkat terkait ini kepada Anda.
Mikrokontroler AI memungkinkan jaringan saraf beroperasi pada konsumsi daya ultra-rendah di tepi Internet of Things
MAX78000 adalah mikrokontroler AI yang mengadopsi akselerometer jaringan saraf konvolusi daya ultra-rendah. Jenis baru mikrokontroler AI ini memungkinkan jaringan saraf beroperasi pada daya ultra-rendah di tepi Internet of Things, menggabungkan pemrosesan AI efisiensi tinggi dengan mikrokontroler daya ultra-rendah Maxim yang terbukti. Dengan akselerator jaringan saraf konvolusi (CNN) berbasis perangkat keras ini, bahkan aplikasi bertenaga baterai dapat melakukan inferensi AI dengan konsumsi daya pada tingkat mikrojoule. MAX78000 adalah sistem-on-chip canggih yang mengintegrasikan inti Arm® Cortex®-M4 dengan CPU FPU dan mencapai kontrol sistem yang efisien melalui akselerator jaringan saraf dalam ultra-rendah daya. Perangkat ini mengadopsi paket 81-pin CTBGA (8mm x 8mm, pitch 0,8mm).
MAX32666 adalah mikrokontroler berbasis ARM Cortex-M4 FPU daya rendah dengan Bluetooth 5, cocok untuk aplikasi yang dapat dikenakan. Desain UB MCU generasi baru ini dimaksudkan untuk memenuhi persyaratan aplikasi kompleks dari perangkat bertenaga baterai dan terhubung secara nirkabel. Pengontrol cerdas ini dilengkapi dengan memori yang lebih besar di antara produk serupa dan mengadopsi arsitektur memori yang dapat diperluas dalam skala besar. Perangkat ini mengadopsi teknologi daya yang dapat dikenakan, yang dapat beroperasi untuk waktu yang lama, tahan lama, dan mampu menahan serangan siber tingkat tinggi. Perangkat ini dikemas dalam WLP 109-pin (pitch 0,35mm) dan CTBGA 121-pin (pitch 0,65mm).
ADXL382 adalah akselerometer MEMS 3-sumbu dengan kebisingan rendah, daya rendah, bandwidth lebar, dengan rentang pengukuran yang dapat dipilih, mendukung rentang pengukuran ± 15g, ± 30g, dan ± 60g. ADXL382 menawarkan tingkat kebisingan terdepan di industri, memungkinkan aplikasi presisi dengan kalibrasi minimal. Karakteristik kebisingan rendah dan konsumsi daya rendahnya memungkinkan pengukuran sinyal audio atau suara jantung yang akurat bahkan di lingkungan getaran tinggi. Nama pin multi-fungsi ADXL382 dapat dirujuk hanya berdasarkan fungsinya yang terkait dengan Antarmuka periferal Serial (SPI) atau antarmuka I2C, atau berdasarkan fungsi audionya (Modulasi kepadatan pulsa (PDM), I2S, atau Multiplexing Pembagian Waktu (TDM)). ADXL382 tersedia dalam paket LGA 14-pin berukuran 2,9mm x 2,8mm x 0,87mm.
Solusi lengkap untuk pemantauan status aset nirkabel menggunakan AI tepi
Voyager4 dapat menggunakan AI tepi untuk pemantauan status aset nirkabel. Ia menggunakan sensor MEMS keluaran digital tiga sumbu, termasuk ADXL382 dan ADXL367. Desain ini juga mencakup mikrokontroler BLE MAX32666 dan AI MAX78000. Perangkat catu daya PMIC yang fleksibel dan hemat ruang PCB telah ditambahkan sebagai sakelar beban untuk meningkatkan efek penghematan energi dari sensor nirkabel. Setiap kit Voyager4 mencakup adaptor BLE 5.3 dengan antena. Voyager4 menggunakan BLE, jadi kompatibel dengan PC apa pun dengan radio Bluetooth. Namun, untuk memastikan kinerja dan jangkauan terbaik, disarankan untuk menggunakan adaptor saat berkomunikasi dengan Voyager4.
ADG1633/ADG1634 adalah sakelar kutub tunggal ganda-lempar (SPDT) 4,5Ω RON, tiga/empat saluran, ± 5V /+ 12V /+ 5V /+ 3.3V. Baik ADG1633 dan ADG1634 adalah sakelar analog CMOS (iCMOS®) industri chip tunggal. Dilengkapi dengan tiga atau empat sakelar kutub tunggal ganda-lempar independen dan dapat dipilih. Semua saluran dilengkapi dengan sakelar buka-pertama dan tutup-terakhir untuk mencegah korsleting sesaat saat membuka atau menutup saluran. ADG1633 (paket LFCSP dan TSSOP) dan ADG1634 (hanya paket LFCSP) menyediakan input EN untuk mengaktifkan atau menonaktifkan perangkat. Struktur iCMOS dapat memastikan konsumsi daya yang sangat rendah, sehingga perangkat ini sangat cocok untuk instrumen bertenaga baterai portabel.
ADXL367 adalah akselerometer MEMS dengan konsumsi daya tingkat nanometer, keluaran digital 3-sumbu, ± 2g /± 4g /± 8g. Pada laju data keluaran 100Hz, ia hanya mengkonsumsi 0,89 µA, dan dalam mode bangun yang dipicu tindakan, ia hanya mengkonsumsi 180 nA. Tidak seperti akselerometer yang mencapai konsumsi daya rendah dengan menggunakan siklus tugas daya, ADXL367 tidak melakukan aliasing sinyal input melalui pengambilan sampel di bawah, tetapi malah mengambil sampel bandwidth penuh sensor pada semua laju data. ADXL367 tersedia dalam paket 2,2mm x 2,3mm x 0,87mm.
MAX17262 adalah pengukur level baterai sel tunggal ModelGauge m5 EZ 5,2µA dengan deteksi arus bawaan. Ini adalah pengukur level baterai dengan IQ terendah di industri, yang menampilkan detektor arus terintegrasi dan algoritma ModelGauge m5 EZ, menghilangkan kebutuhan analisis karakteristik baterai. MAX17262 dapat memantau sel baterai tunggal, mengintegrasikan detektor arus internal, dan dapat mendeteksi arus pulsa hingga 3,1A. IC dioptimalkan untuk pengukuran baterai dengan kapasitas mulai dari 100mAhr hingga 6Ahr. MAX17262 menampilkan pitch solder 0,4mm, bebas timah, 1,5mm x 1,5mm, paket tingkat wafer 9-pin (WLP).
MAX20335 adalah PMIC kecil untuk sistem lithium-ion, dilengkapi dengan regulator tegangan IQ ultra-rendah dan pengisi daya baterai. Ini menampilkan solusi manajemen daya yang dioptimalkan dan mendukung sistem pemantauan 7 x 24 jam untuk perangkat yang dapat dikenakan dan IoT. Solusi manajemen pengisian daya baterai MAX20335 sangat ideal untuk aplikasi yang dapat dikenakan daya rendah. Perangkat ini mencakup pengisi daya baterai linier dengan pemilih daya cerdas dan berbagai periferal yang dioptimalkan daya. MAX20335 mengadopsi 36 bola solder, pitch bola solder 0,4mm, dan paket tingkat wafer (WLP) berukuran 2,72mm x 2,47mm.
Kesimpulan
Mikrokontroler dengan akselerator perangkat keras AI terintegrasi menyediakan simpul sensor nirkabel dengan kemampuan pengambilan keputusan yang unggul dan masa pakai baterai yang lebih lama. Dengan menggunakan AI di tepi, masa pakai baterai dapat diperpanjang setidaknya 50%. Analisis modal yang disertakan dalam sensor getaran dapat mempercepat siklus pengembangan sensor dan memastikan pengambilan data getaran berkualitas tinggi dari aset yang dipantau. Platform pemantauan kondisi nirkabel Voyager4 yang diluncurkan oleh ADI, dikombinasikan dengan solusi komponen terkait, akan menjadi asisten terbaik Anda untuk menambahkan kecerdasan ke sistem industri.
Pesan Anda harus antara 20-3.000 karakter!