AIを活用して未来の工場を構築するエッジセンサーの設計

産業システムにインテリジェンスを追加する方法は多数あり、アナログおよびデジタルコンポーネントを備えたセンサーに対応するエッジおよびクラウド人工知能（AI）を含みます。AIのアプローチが多様であるため、センサーデザイナーは意思決定のためのレイテンシ、ネットワーク使用、消費電力/バッテリー寿命、機械に適したAIモデルなど、競合する複数の要件を考慮する必要があります。この記事では、インテリジェントなAI駆動のワイヤレスモーターモニタリングセンサーの適用と、ADIによって導入された関連ソリューションを紹介します。 

ロボットや回転機械（タービン、ファン、ポンプ、モーターなど）の状態監視（CbM）は、機械の健康状態と性能に関連するリアルタイムデータを記録し、ターゲットを絞った予知保全と最適化された制御を可能にします。機械のライフサイクルの早期段階でのターゲットを絞った予知保全は、生産のダウンタイムリスクを減少させ、信頼性を向上させると同時に、コストを大幅に削減し、工場の効率を高めます。産業機械のCbMは、電気測定、振動、温度、油の質、音響、磁気、流量や圧力などのプロセス測定を含むさまざまなセンサーデータを利用できます。しかし、振動測定は最も一般的であり、不均衡やベアリングの故障などの機械的問題の信頼性の高い指標を提供します。

現在市場に出回っている無線産業用センサーは、通常非常に低いデューティサイクルで動作しています。ユーザーはセンサーのスリープ時間を設定し、その後センサーは起きて温度と振動を計測し、無線信号でデータをユーザーのデータアグリゲーターに送信します。商用センサーはしばしば、24時間ごとに一度またはその期間内に複数回データを収集することで、バッテリー寿命が5年であると主張しています。

ほとんどの場合、センサーは全体の90%以上の時間をスリープモードで過ごします。ADIのVoyager4センサーを例にとると、類似の動作をしますが、エッジAI異常検出（MAX78000 AIマイクロコントローラーを使用）を用いて無線使用を制限します。センサーが起動してデータを測定する際、マイクロコントローラーが異常を検出した場合にのみデータをユーザーに送信し、これが機械の診断と保守を誘発しつつモーターの寿命を延ばします。エッジでAIを使用することで、バッテリー寿命を少なくとも50%延ばすことができます。

Voyager4はADIによって開発されたワイヤレス状態監視プラットフォームで、開発者が機械やテスト設定のためのワイヤレスソリューションを迅速に展開およびテストできるように設計されています。Voyager4やその他のモーターヘルス監視ソリューションは、ロボット工学やタービン、ファン、ポンプ、モーターなどの回転機械で広く使用されています。

Voyager4センサーは、振動データを収集するための三軸8 kHzデジタル微小電気機械システム（MEMS）であるADXL382と組み合わせられています。まず、生の振動データは、低消費電力のBluetooth®（BLE）プロセッサであるMAX32666に送信されます。このデータはBLEラジオまたはUSBを介してユーザーに送信でき、この生の振動データはMAX78000ツールを使用してエッジAIアルゴリズムを訓練するために使用されます。

MAX78000ツールを使用して、AIモデルはCコードに合成されます。エッジAIアルゴリズムは、BLEオーバーザエア（OTA）更新を介してVoyager4センサーに送信され、エッジAIハードウェアアクセラレータを備えたMAX78000プロセッサを使用してメモリに保存されます。Voyager4の最初のトレーニングフェーズの後、ADXL382 MEMSデータは経路に沿って送信されます。MAX78000エッジAIアルゴリズムは、収集された振動データに基づいて機械の故障または正常な動作を予測します。振動データが正常であれば、MAX32666ラジオは使用されず、MEMSはスリープモードに戻ります。しかし、異常な振動が予測された場合、振動異常アラートがBLEを介してユーザーに送信されます。

Voyager4のハードウェアシステムでは、ADXL382は、選択可能な測定範囲を持つ低ノイズ密度、低消費電力の3軸MEMS加速度計です。このデバイスは、±15 g、±30 g、±60 gの範囲をサポートし、測定帯域幅は8 kHzです。ADG1634は、MAX32666 BLEラジオまたはMAX78000 AIマイクロコントローラのいずれかに生のMEMS振動データを送るために使用される単極双投（SPDT）CMOSスイッチです。BLEマイクロコントローラがSPDTスイッチを制御します。他にもいくつかの周辺機器がMAX32666に接続されており、その中にはバッテリー電流を監視するためのMAX17262燃料ゲージや、超低消費電力のADXL367 MEMS加速度計が含まれています。ADXL367は、高振動ショックイベントの際にBLEラジオをディープスリープモードから起こすために使用され、動作検出によるウェイクアップモードではわずか180 nAを消費します。BLEマイクロコントローラは、ADXL382 MEMSの生データをBLEまたはFTDI FT234XD-R経由でUSBを通じてホストに送信することができます。

Voyager4センサーは、2つの超低静止電流バックレギュレーターと3つの超低静止電流低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレーターを備えたMAX20335電源管理集積回路（PMIC）を使用しています。各LDOおよびバックレギュレーターの出力電圧は個別にイネーブルまたはディセーブルでき、各出力電圧値はあらかじめ設定されたデフォルトでI²Cを介してプログラム可能です。BLEプロセッサは、異なるVoyager4動作モードのために個別のPMIC電力出力をイネーブルまたはディセーブルするために使用されます。

トレーニングモードでは、BLEマイクロコントローラは最初にBLEネットワーク上でその存在を広告し、次にネットワークマネージャーとBLE接続を確立する必要があります。その後、Voyager4はADXL382 MEMS生データをBLEネットワーク経由で送信し、ユーザーのPCでAIアルゴリズムをトレーニングします。その後、Voyager4センサーはディープスリープモードに戻ります。通常（AI）モードでは、BLE無線の広告、接続、ストリーミング機能はデフォルトで無効になっています。MAX78000は定期的に起動してAI推論を実行します。異常が検出されない場合、Voyager4はディープスリープモードに戻ります。

ADIのVoyager4評価キット（EV-CBM-VOYAGER4-1Z）には、顧客評価用のいくつかのコンポーネント（LED、プルアップ抵抗）が含まれています。これらのコンポーネントは、LDO1OUT電圧レールで0.3 mWのディープスリープ電流を生成します。Voyager4評価キットの平均消費電力は、ディープスリープ、トレーニング、および通常/AIモードのイベント間の時間間隔に基づいて計算されます。

次のセクションでは、これらの関連コンポーネントの機能特性についてさらに詳しく説明します。

MAX78000は、超低消費電力の畳み込みニューラルネットワークアクセラレータを備えたAIマイクロコントローラです。この新しいAIマイクロコントローラは、超低消費電力でIoTのエッジでニューラルネットワークを動作させることを可能にし、エネルギー効率の高いAI処理とMaximの実績ある超低消費電力マイクロコントローラを組み合わせています。このハードウェアベースの畳み込みニューラルネットワーク（CNN）アクセラレータにより、電池駆動のアプリケーションであっても、僅かなマイクロジュールの消費電力でAI推論を行うことができます。MAX78000は、Arm® Cortex®-M4 with FPU CPUを統合した高度なシステムオンチップであり、超低消費電力のディープニューラルネットワークアクセラレータを通じて効率的なシステム制御を可能にします。このデバイスは、81ピンのCTBGA（8 mm x 8 mm、0.8 mmピッチ）でパッケージ化されています。

MAX32666は、Bluetooth 5を搭載した低消費電力のARM Cortex-M4 FPUベースのマイクロコントローラーで、ウェアラブルアプリケーション向けに設計されています。この次世代UB MCUは、バッテリー駆動および無線接続されたデバイスの複雑な要求を満たすように設計されています。類似製品と比較してより大きなメモリを持ち、スケーラブルなメモリアーキテクチャを採用しています。デバイスは、長時間の動作と耐久性のためのウェアラブルグレードの電力技術を使用しており、高度なサイバー攻撃にも耐えることができます。109バンプ WLP（0.35 mmピッチ）および121バンプ CTBGA（0.65 mmピッチ）パッケージで提供されます。

ADXL382は、選択可能な計測範囲を備えた低ノイズ、低消費電力、広帯域幅の3軸MEMS加速度計で、±15 g、±30 g、および±60 gをサポートしています。ADXL382は業界をリードするノイズ性能を提供し、最小限のキャリブレーションで精密なアプリケーションを可能にします。その低ノイズと低消費電力は、高振動環境でもオーディオ信号や心音の正確な計測を可能にします。ADXL382の多機能ピンは、シリアルペリフェラルインターフェース（SPI）またはI²Cインターフェースに関連した機能、またはオーディオ機能（パルス密度変調（PDM）、I²S、または時分割多重化（TDM））によって参照できます。ADXL382は、14端子、2.9 mm x 2.8 mm x 0.87 mmのLGAパッケージで提供されます。

Voyager4は、エッジAIを活用してワイヤレス資産の健康監視を行います。Voyager4は、ADXL382およびADXL367を含む3軸デジタル出力MEMSセンサーを使用しています。設計にはまた、MAX32666 BLEおよびMAX78000 AIマイクロコントローラが組み込まれています。柔軟性があり、PCB面積効率の良いPMIC電源デバイスが負荷スイッチとして追加され、ワイヤレスセンサーのエネルギー効率を向上させています。各Voyager4キットには、アンテナ付きのBLE 5.3アダプタが含まれています。Voyager4はBLEを使用し、Bluetoothラジオを搭載した任意のPCと互換性がありますが、Voyager4との通信時の最適なパフォーマンスと範囲を得るために、アダプタの使用が推奨されます。

ADG1633/ADG1634は、4.5 Ω R_ONの、3/4チャンネル単一極双投（SPDT）、±5 V/+12 V/+5 V/+3.3 Vスイッチです。ADG1633およびADG1634は、各々が3つ/4つの独立して選択可能な単一極双投スイッチを統合したモノリシック産業用CMOS（iCMOS®）アナログスイッチです。すべてのチャンネルは、チャンネルを切り替える際の一時的なショートを防ぐためのメイク前ブレークスイッチング機能を備えています。ADG1633（LFCSPおよびTSSOPパッケージ）およびADG1634（LFCSPパッケージのみ）は、デバイスを有効または無効にするためのEN入力を備えています。iCMOS構造により、非常に低い消費電力が保証され、これらのデバイスは携帯型のバッテリー駆動機器に理想的です。

ADXL367は、ナノパワーの三軸、±2 g/±4 g/±8 gデジタル出力MEMS加速度計です。100 Hzの出力データレートで、わずか0.89 µAを消費し、モーション起動ウェイクアップモードではわずか180 nAを消費します。低消費電力を達成するためにパワーデューティサイクリングを使用する加速度計とは異なり、ADXL367はアンダーサンプリングを通じて入力信号を別名しませんが、全てのデータレートでセンサーの全帯域幅をサンプリングします。ADXL367は、2.2 mm x 2.3 mm x 0.87 mmのフォームファクタでパッケージ化されています。

MAX17262は、組み込み電流検出機能を備えた5.2 µAのModelGauge m5 EZ単一セルバッテリーフューエルゲージです。これは業界で最も低いIQのフューエルゲージで、統合された電流検出抵抗とModelGauge m5 EZアルゴリズムを備えており、バッテリー特性評価の必要がありません。MAX17262は、統合された電流検出機能を持つ単一セルバッテリーパックを監視し、最大3.1 Aのパルス電流を検出することができます。ICは100 mAhから6 Ahまでのバッテリー容量の測定に最適化されています。MAX17262は、小型のリードフリー、0.4 mmピッチ、1.5 mm x 1.5 mm、9ピンのウェーハレベルパッケージ（WLP）で提供されます。

MAX20335は、ウェアラブルやIoTのような24/7監視システムに最適化された電源管理ソリューションを特徴とするリチウムイオンシステム用の超低I_Q電圧レギュレータおよびバッテリーチャージャを備えたコンパクトなPMICです。MAX20335のバッテリー充電管理ソリューションは、省電力のウェアラブルアプリケーションに理想的です。このデバイスには、スマートパワーセレクターを備えたリニアバッテリーチャージャーや、いくつかの電源最適化された周辺機器が含まれています。MAX20335は、36バンプ、0.4 mmピッチ、2.72 mm x 2.47 mmのウェーハレベルパッケージ（WLP）で提供されます。

内蔵されたAIハードウェアアクセラレータを備えたマイクロコントローラは、ワイヤレスセンサーノードに優れた意思決定能力とより長いバッテリー寿命を提供します。エッジでAIを使用することにより、バッテリー寿命を少なくとも50％延長できます。モーダル解析を組み込んだ振動センサーは、センサーの開発サイクルを加速し、監視対象の資産から高品質の振動データを確保します。ADIのVoyager4ワイヤレス状態監視プラットフォームは、関連するコンポーネントソリューションと組み合わせることで、産業システムにインテリジェンスを追加するための最高の味方となるでしょう。