회사 소식 미래 공장 건설을 위해 인공 지능을 활용하여 엣지 센서를 설계합니다.

엣지 및 클라우드 인공 지능(AI)을 특징으로 하는 센서와 아날로그 및 디지털 구성 요소를 매칭하는 것을 포함하여 산업 시스템에 더 많은 지능을 추가하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. AI 방법의 다양성으로 인해 센서 설계자는 의사 결정 지연, 네트워크 사용량, 전력 소비/배터리 수명 및 기계에 적합한 AI 모델을 포함하여 여러 가지 상충되는 요구 사항을 고려해야 합니다. 이 기사에서는 지능형 AI 무선 모터 모니터링 센서의 적용과 ADI에서 출시한 관련 솔루션을 소개하는 데 중점을 둡니다.

무선 산업용 센서를 사용하여 모터 상태 모니터링 수행

로봇 및 회전 기계(터빈, 팬, 펌프 및 모터 등)의 상태 모니터링(CbM)은 기계의 상태 및 성능과 관련된 실시간 데이터를 기록하여 대상 예측 유지 관리를 가능하게 하고 제어를 최적화할 수 있습니다. 기계의 수명 주기 초기에 수행되는 대상 예측 유지 관리는 생산 중단 위험을 줄여 신뢰성을 향상시키고 비용을 크게 절감하며 공장 작업장의 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 산업 기계의 상태 모니터링(CbM)은 전기 측정, 진동, 온도, 오일 품질, 음향, 자기장과 같은 일련의 센서 데이터와 유량 및 압력과 같은 공정 측정을 활용할 수 있습니다. 그러나 진동 측정은 불균형 및 베어링 고장과 같은 기계적 문제에 대한 가장 신뢰할 수 있는 지표를 제공할 수 있기 때문에 지금까지 가장 일반적입니다.

현재 시장에 나와 있는 무선 산업용 센서는 일반적으로 매우 낮은 듀티 사이클로 작동합니다. 사용자는 센서의 절전 시간을 설정합니다. 절전 기간이 끝나면 센서가 깨어나 온도와 진동을 측정하고, 그런 다음 무선 신호를 통해 데이터를 사용자의 데이터 집계기로 다시 보냅니다. 상용 센서는 일반적으로 24시간마다 또는 24시간 내 여러 번 데이터를 수집하는 것을 기준으로 5년의 배터리 수명을 주장합니다.

대부분의 경우 센서는 시간의 90% 이상 절전 모드에 있습니다. ADI의 Voyager4 센서를 예로 들어 보겠습니다. 유사한 방식으로 작동하지만 엣지 AI 이상 감지(MAX78000 AI 마이크로컨트롤러 사용)를 사용하여 무선 사용을 제한합니다. 센서가 깨어나 데이터를 측정할 때 마이크로컨트롤러가 비정상적인 데이터를 감지하는 경우에만 데이터를 사용자에게 다시 보내 기계 진단 및 유지 관리를 트리거하고 모터의 서비스 수명을 연장합니다. 엣지에서 AI를 사용하면 배터리 수명을 최소 50% 연장할 수 있습니다.

Voyager4는 Analog Devices(ADI)에서 개발한 무선 상태 모니터링 플랫폼으로, 개발자가 기계 또는 테스트 장비용 무선 솔루션을 신속하게 배포하고 테스트할 수 있도록 설계되었습니다. Voyager4와 같은 모터 상태 모니터링 솔루션은 로봇뿐만 아니라 터빈, 팬, 펌프 및 모터와 같은 회전 기계에도 널리 사용됩니다.

Voyager4 센서 시스템의 작동 원리

Voyager4 센서는 ADXL382 3축 8kHz 디지털 미세 전기 기계 시스템(MEMS)과 함께 사용하여 진동 데이터를 수집합니다. 먼저, 원시 진동 데이터는 MAX32666 저전력 Bluetooth ® (BLE) 프로세서로 전송됩니다. 데이터는 BLE 무선 또는 USB를 통해 사용자에게 보낼 수 있습니다. 이러한 원시 진동 데이터는 MAX78000 도구를 사용하여 엣지 AI 알고리즘을 훈련하는 데 사용됩니다.

MAX78000 도구를 사용하여 AI 모델을 C 코드로 합성합니다. 엣지 AI 알고리즘은 BLE 무선(OTA) 업데이트를 통해 Voyager4 센서로 전송되고 엣지 AI 하드웨어 가속기가 있는 MAX78000 프로세서를 사용하여 메모리에 저장됩니다. Voyager4의 초기 훈련 단계 후 ADXL382 MEMS 데이터는 경로를 따라 전송될 수 있습니다. MAX78000 엣지 AI 알고리즘은 수집된 진동 데이터를 기반으로 기계가 오작동했는지 또는 정상적으로 작동하는지 예측합니다. 진동 데이터가 정상인 경우 MAX32666 무선을 사용할 필요가 없으며 MEMS는 절전 모드로 돌아갑니다. 그러나 예측된 진동 데이터가 잘못된 경우 비정상적인 진동 경고가 BLE를 통해 사용자에게 전송됩니다.

Voyager4의 하드웨어 시스템에서 채택된 ADXL382는 선택 가능한 측정 범위를 특징으로 하는 저잡음 밀도 및 저전력 소비의 3축 MEMS 가속도계입니다. 이 장치는 ± 15g, ± 30g 및 ± 60g 측정 범위를 지원하며 8kHz의 넓은 측정 대역폭을 지원합니다. ADG1634는 단극 이중 투척(SPDT) CMOS 스위치로, MEMS 원시 진동 데이터를 MAX32666 BLE 무선 또는 MAX78000 AI 마이크로컨트롤러로 라우팅하는 데 사용되며, BLE 마이크로컨트롤러는 SPDT 스위치를 제어하는 데 사용됩니다. MAX32666에는 배터리 전류를 모니터링하기 위한 MAX17262 배터리 게이지와 초저전력 ADXL367 MEMS 가속도계를 포함한 몇 가지 다른 주변 장치가 연결되어 있습니다. ADXL367은 고진동 충격 이벤트 동안 딥 슬립 모드에서 BLE 무선을 깨우는 데 사용됩니다. 모션 활성화 웨이크 모드에서 전력 소비는 180 nA에 불과합니다. BLE 마이크로컨트롤러는 ADXL382 MEMS의 원시 데이터를 FTDI FT234XD-R의 BLE 또는 USB를 통해 호스트로 전송할 수 있습니다.

Voyager4 센서는 MAX20335 전력 관리 집적 회로(PMIC)를 채택하여 두 개의 초저 정지 전류 스텝다운 레귤레이터와 세 개의 초저 정지 전류 저전압 강하(LDO) 선형 레귤레이터를 특징으로 합니다. 각 LDO 및 스텝다운 레귤레이터의 출력 전압은 독립적으로 활성화 또는 비활성화할 수 있으며, 각 출력 전압 값은 기본 사전 구성을 사용하여 I2C를 통해 프로그래밍할 수 있습니다. BLE 프로세서는 다른 Voyager4 작동 모드에 대해 단일 PMIC 전력 출력을 활성화 또는 비활성화하는 데 사용됩니다.

훈련 모드에서 BLE 마이크로컨트롤러는 먼저 BLE 네트워크에서 자신의 존재를 알린 다음 네트워크 관리자와 BLE 연결을 설정해야 합니다. 그런 다음 Voyager4는 BLE 네트워크를 통해 원시 ADXL382 MEMS 데이터를 전송하여 사용자의 PC에서 AI 알고리즘을 훈련합니다. 그 후 Voyager4 센서는 딥 슬립 모드로 돌아갑니다. 정상(AI) 모드에서 BLE 무선 신호, 연결 및 전송 기능은 기본적으로 비활성화됩니다. MAX78000은 정기적으로 깨어나 AI 추론을 실행합니다. 이상이 감지되지 않으면 Voyager4는 딥 슬립 모드로 돌아갑니다.

ADI에서 출시한 Voyager4 평가 키트(EV-CBM-VOYAGER4-1Z)에는 여러 구성 요소(LED, 풀업 저항)가 포함되어 있어 고객이 평가를 수행하는 데 편리합니다. 이러한 구성 요소는 LDO1OUT 전압 레일에서 0.3mW의 딥 슬립 전류를 생성합니다. Voyager4 평가 제품군의 평균 전력 소비는 딥 슬립, 훈련 및 정상/AI 모드의 이벤트 간 시간 간격을 기준으로 계산됩니다.

다음은 이러한 관련 장치의 기능적 특성을 자세히 소개합니다.

AI 마이크로컨트롤러는 신경망이 사물 인터넷의 엣지에서 초저전력 소비로 작동할 수 있도록 합니다.

MAX78000은 초저전력 컨볼루션 신경망 가속도계를 채택한 AI 마이크로컨트롤러입니다. 이 새로운 유형의 AI 마이크로컨트롤러는 고효율 AI 처리를 입증된 Maxim 초저전력 마이크로컨트롤러와 결합하여 신경망이 사물 인터넷의 엣지에서 초저전력으로 작동할 수 있도록 합니다. 이 하드웨어 기반 컨볼루션 신경망(CNN) 가속기를 사용하면 배터리 구동식 애플리케이션도 마이크로줄 수준의 전력 소비로 AI 추론을 수행할 수 있습니다. MAX78000은 Arm® Cortex®-M4 코어와 FPU CPU를 통합하고 초저전력 딥 신경망 가속기를 통해 효율적인 시스템 제어를 달성하는 고급 시스템 온 칩입니다. 이 장치는 81핀 CTBGA(8mm x 8mm, 0.8mm 피치) 패키지를 채택합니다.

MAX32666은 웨어러블 애플리케이션에 적합한 Bluetooth 5를 갖춘 저전력 ARM Cortex-M4 FPU 기반 마이크로컨트롤러입니다. 이 차세대 UB MCU의 설계는 배터리 구동식 및 무선 연결 장치의 복잡한 애플리케이션 요구 사항을 충족하기 위한 것입니다. 이 지능형 컨트롤러는 유사한 제품 중에서 더 큰 메모리를 갖추고 있으며 대규모로 확장할 수 있는 메모리 아키텍처를 채택합니다. 이 장치는 웨어러블 전력 기술을 채택하여 오랫동안 작동하고 내구성이 뛰어나며 높은 수준의 사이버 공격에 견딜 수 있습니다. 이 장치는 109핀 WLP(0.35mm 피치) 및 121핀 CTBGA(0.65mm 피치)로 패키징됩니다.

ADXL382는 선택 가능한 측정 범위를 갖춘 저잡음, 저전력, 광대역, 3축 MEMS 가속도계로, ± 15g, ± 30g 및 ± 60g 측정 범위를 지원합니다. ADXL382는 업계 최고의 잡음 수준을 제공하여 최소한의 보정으로 정밀한 애플리케이션을 가능하게 합니다. 저잡음 및 저전력 소비 특성으로 인해 고진동 환경에서도 오디오 신호 또는 심장 소리를 정확하게 측정할 수 있습니다. ADXL382의 다기능 핀 이름은 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI) 또는 I2C 인터페이스와 관련된 기능 또는 오디오 기능(펄스 밀도 변조(PDM), I2S 또는 시분할 다중화(TDM))과 관련된 기능으로만 참조할 수 있습니다. ADXL382는 2.9mm x 2.8mm x 0.87mm의 14핀 LGA 패키지로 제공됩니다.

엣지 AI를 사용한 무선 자산 상태 모니터링을 위한 완벽한 솔루션

Voyager4는 엣지 AI를 사용하여 무선 자산 상태 모니터링을 수행할 수 있습니다. ADXL382 및 ADXL367을 포함한 3축 디지털 출력 MEMS 센서를 사용합니다. 이 설계에는 MAX32666 BLE 및 MAX78000 AI 마이크로컨트롤러도 포함되어 있습니다. 무선 센서의 에너지 절약 효과를 향상시키기 위해 유연하고 PCB 공간 절약형 PMIC 전원 공급 장치가 로드 스위치로 추가되었습니다. 각 Voyager4 키트에는 안테나가 있는 BLE 5.3 어댑터가 포함되어 있습니다. Voyager4는 BLE를 사용하므로 Bluetooth 무선 장치가 있는 모든 PC와 호환됩니다. 그러나 최상의 성능과 범위를 보장하려면 Voyager4와 통신할 때 어댑터를 사용하는 것이 좋습니다.

ADG1633/ADG1634는 4.5Ω RON, 3/4채널 단극 이중 투척(SPDT), ± 5V /+ 12V /+ 5V /+ 3.3V 스위치입니다. ADG1633 및 ADG1634는 모두 단일 칩 산업용 CMOS(iCMOS®) 아날로그 스위치입니다. 각각 3개 또는 4개의 독립적이고 선택 가능한 단극 이중 투척 스위치가 장착되어 있습니다. 모든 채널에는 채널을 열거나 닫을 때 순간적인 단락을 방지하기 위해 첫 번째 열기 및 마지막 닫기 스위치가 장착되어 있습니다. ADG1633(LFCSP 및 TSSOP 패키지) 및 ADG1634(LFCSP 패키지)는 장치를 활성화 또는 비활성화하기 위한 EN 입력을 제공합니다. iCMOS 구조는 매우 낮은 전력 소비를 보장할 수 있으므로 이러한 장치는 휴대용 배터리 구동식 기기에 매우 적합합니다.

ADXL367은 나노미터 수준의 전력 소비, 3축, ± 2g /± 4g /± 8g 디지털 출력을 갖춘 MEMS 가속도계입니다. 100Hz의 출력 데이터 속도에서 0.89 µA만 소비하며, 동작 트리거 웨이크업 모드에서는 180 nA만 소비합니다. 전력 듀티 사이클을 사용하여 저전력 소비를 달성하는 가속도계와 달리 ADXL367은 언더 샘플링을 통해 입력 신호를 에일리어싱하지 않고 모든 데이터 속도에서 센서의 전체 대역폭을 샘플링합니다. ADXL367은 2.2mm x 2.3mm x 0.87mm 패키지로 제공됩니다.

MAX17262는 내장 전류 감지를 갖춘 5.2µA, ModelGauge m5 EZ 단일 셀 배터리 레벨 게이지입니다. 업계에서 가장 낮은 IQ를 가진 배터리 레벨 게이지로, 통합 전류 감지기와 ModelGauge m5 EZ 알고리즘을 특징으로 하여 배터리 특성 분석이 필요하지 않습니다. MAX17262는 단일 배터리 셀을 모니터링할 수 있으며, 내부 전류 감지기를 통합하고 최대 3.1A의 펄스 전류를 감지할 수 있습니다. IC는 100mAhr에서 6Ahr까지의 용량으로 배터리 계량을 위해 최적화되었습니다. MAX17262는 작고 무연, 0.4mm 솔더 피치, 1.5mm x 1.5mm, 9핀 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)를 특징으로 합니다.

MAX20335는 초저 IQ 전압 레귤레이터와 배터리 충전기가 장착된 리튬 이온 시스템용 소형 PMIC입니다. 최적화된 전력 관리 솔루션을 특징으로 하며 웨어러블 및 IoT를 위한 7 x 24시간 모니터링 시스템을 지원합니다. MAX20335 배터리 충전 관리 솔루션은 저전력 웨어러블 애플리케이션에 이상적입니다. 이 장치에는 지능형 전력 선택기가 있는 선형 배터리 충전기와 다양한 전력 최적화 주변 장치가 포함되어 있습니다. MAX20335는 36개의 솔더 볼, 0.4mm 솔더 볼 피치 및 2.72mm x 2.47mm의 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)를 채택합니다.

결론

통합 AI 하드웨어 가속기가 있는 마이크로컨트롤러는 무선 센서 노드에 우수한 의사 결정 능력과 더 긴 배터리 수명을 제공합니다. 엣지에서 AI를 사용하면 배터리 수명을 최소 50% 연장할 수 있습니다. 진동 센서에 포함된 모드 분석은 센서 개발 주기를 가속화하고 모니터링된 자산에서 고품질 진동 데이터의 캡처를 보장할 수 있습니다. ADI에서 출시한 Voyager4 무선 상태 모니터링 플랫폼은 관련 구성 요소 솔루션과 결합되어 산업 시스템에 지능을 추가하는 최고의 도우미가 될 것입니다.