基于面向STM32Cube的功能包设计过程

意法半导体中国 2022-09-29 2442

描述

FP-AI-MONITOR1是一种多传感器AI数据监控框架（基于面向STM32Cube的功能包），工作于无线工业节点。针对由X-CUBE-AI（面向STM32Cube的扩展包）或NanoEdge AI Studio设计的传感器监测型应用，它有助于快速启动应用的实现和开发。从数据集获取到物理节点上的集成，它涵盖了机器学习周期的整个设计过程。

FP-AI-MONITOR1能在SensorTile无线工业节点开发套件（STEVAL-STWINKT1B）上实时运行学习和推理会话，同时将来自板载传感器的数据作为输入。FP-AI-MONITOR1通过有线交互CLI来配置节点，并使用NanoEdge AI库管理学习、检测和分类阶段。此外，它还支持一种称为双阶段的高级模式，能将来自NanoEdge AI库的检测和使用CNN模型的分类相结合。对于简单的现场操作，独立的电池供电模式也允许用户在不借助控制台的情况下，通过用户按钮进行基本控制。

硬件和软件概述

SensorTile无线工业节点评估套件STEVAL-STWINKT1B

SensorTile无线工业节点（STEVAL-STWINKT1B）是一种开发套件和参考设计，可简化先进工业物联网应用（如状态监测和预测性维护）的原型开发和测试。它由超低功耗Arm Cortex-M4 MCU（运行频率120 MHz，具有FPU和2048-Kb Flash存储器（STM32L4R9））供电。STEVAL-STWINKT1B配备microSD卡插槽，用于独立式数据记录应用。STEVAL-STWINKT1B还配有广泛的物联网传感器，包括但不限于：

✦ 超宽带宽（高达6 kHz）、低噪声、3轴数字振动传感器（IIS3DWB）。

✦ 6轴数字加速度计和陀螺仪iNEMO惯性测量单元（IMU），带机器学习内核（ISM330DHCX），以及模拟MEMS麦克风，频率响应可达80 kHz（IMP23ABSU）。

✦ 参考本文档获取关于STEVAL-STWINKT1B支持的不同传感器和特性的所有信息。

FP-AI-MONITOR1软件描述

FP-AI-MONITOR1功能包的顶层架构如下图所示。

▲图1 FP-AI-MONITOR1架构

先决条件和设置

硬件先决条件和设置

如要将FP-AI-MONITOR1功能包用在STEVAL-STWINKT1B上，需准备以下硬件项目：

✦ STEVAL-STWINKT1B开发套件板；

✦ 采用Windows操作系统的笔记本电脑/台式机（Windows 7、8、或10）；

✦ 两根Micro-USB线缆（一根将传感器板连接到PC，另一根用于STLINK-V3MINI），以及一个STLINK-V3MINI。

软件要求

✦ 下载FP-AI-MONITOR1软件包，将.zip文件解压，您将得到项目的软件包。软件包中包含面向传感器板STEVAL-STWINKT1B的二进制文件和源代码。

✦ 安装以下IDE之一：

意法半导体的STM32CubeIDE版本 1.9.0；

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

RealView微控制器开发套件（MDK-ARM）工具链（版本5.32）。

✦ STM32CubeProgrammer （STM32CubeProg）是一款用于编程STM32产品的全功能多操作系统软件工具。它通过调试接口（JTAG和SWD）和bootloader接口（UART、USB DFU、I2C、SPI和CAN）提供了一个易用高效的环境，用于读取、写入和验证设备内存。STM32CubeProgrammer提供了广泛的功能，可编程STM32内部存储器（如Flash存储器、RAM和OTP）以及外部存储器。FP-AI-MONITOR1通过STM32CubeProgrammer测试基于（版本2.10.0）。该软件可以从STM32CubeProg下载。

✦ TeraTerm是一款开源免费软件终端仿真器，可用于通过串行连接托管FP-AI-MONITOR1的CLI。下载和安装最新版本的TeraTerm。

✦ STM32CubeMX：FP-AI-MONITOR1要求STM32CubeMX版本达到6.5.0。如需下载STM32CubeMX并获取所有特性的详细信息，请访问st.com。

✦ X-CUBE-AI：在STM32CubeMX工具（版本7.1.0或更新的版本）安装使用，在UM2526入门用户手册中有相关的介绍。

✦ Python 3.7.3：所需软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目录中提供。以下指令用于anaconda提示符或Ubuntu的指令终端，安装配置文件requirements.txt中指定的所有包：

pip install -r requirements.txt

✦ NanoEdge AI Studio：NanoEdge AI Studio是一种新型机器学习（ML）技术，可以让终端用户轻松享有真正的创新成果。只需几步，开发人员便可运用少量的数据创建理想的ML库。

在传感器板STEVAL-STWINKT1B上刷写应用程序

下载并解压软件包之后，下一步是使用功能包的二进制文件对传感器节点进行编程。为了方便用户，功能包配备了预构建的项目二进制文件。该二进制文件可通过路径/FP-AI-MONITOR1_V2.0.0/Projects/STM32L4R9ZI-STWIN/Applications/FP-AI-MONITOR1/Binary/FP-AI-MONITOR1.bin获得。只需执行如下图中所示的拖放操作，就可以轻松使用所提供的二进制文件对传感器板进行编程。

▲图2 在STEVAL-STWINKT1B上刷写应用程序

FP-AI-MONITOR1控制台应用程序

设置控制台

运用项目的二进制文件对传感器板进行编程（如第2.3节中所示）之后，在PC上通过TeraTerm设置板件的串行连接。为此，需启动TeraTerm并创建一个新连接 - 从工具栏中进行选择，或选择适当的端口以建立与板件的串行通信。下面的图片举例了COM10 - USB串行设备（COM 10），但可能根据用户的不同而变化。

配置传感器

通过CLI接口，用户可以配置传感和状态监测应用所支持的传感器。可以在CLI控制台上显示支持的传感器列表，方法是输入指令sensor_info。该指令打印支持的传感器列表及其id，如下图所示。用户可以使用这些id配置这些传感器。这些传感器的可配置选项包括：

✦ enable：启用或禁用传感器；

✦ ODR：从可用的选项列表中设置传感器的输出数据速率；

✦ FS：从可用选项列表中设置满量程范围。

下图显示了获取和设置这些值（以及原有值和更改值）的完整示例。

连接建立之后，将显示以下消息。如果情况并非如此，请复位板件。

输入help显示所有可用指令列表及各自的使用说明。

按钮操作模式

该模式旨在使用户能够再没有CLI控制台的情况下操作STWIN上的FP-AI-MONITOR1。在按钮操作模式下，可以通过用户按钮（无需借助交互式CLI控制台）来控制传感器节点。

按钮操作模式可以自行选择是否使用CLI，并且与串口控制台及其命令行接口（CLI）的当前定义完全兼容和一致。

该版本功能包的支持硬件（STEVAL-STWINKT1B）配有三个按钮：

1.用户按钮，唯一通过软件可用的按钮；

2.复位按钮，连接到STM32 MCU复位引脚；

3.电源按钮，连接到电源管理。

以及三个LED：

1.LED_1（绿色），由软件控制；

2.LED_2（橙色），由软件控制；

3.LED_C（红色），由软件控制，指示通过USB数据线充电时的充电状态。

因此，按钮操作的基本用户交互是通过两个按钮（用户和复位）和两个LED（绿色和橙色）完成的。下面详细介绍如何分配这些资源，以便向用户显示哪些执行阶段是活动的，或者报告传感器节点的状态。

可用应用程序

✦ NanoEdge AI异常检测短线

✦ n-class分类短线

FP-AI-MONITOR1包括一些预先集成的短线，这些短线可轻松被NanoEdge AI Studio所生成和提供的AI状态监测库所替代。该短线模拟NanoEdge AI相关功能，例如在边缘运行学习和检测阶段。

✦ 惯性数据分类

这是一个CLI应用程序，具有预先构建的人类活动识别模型。

✦ 双模式应用程序

除了上面章节中描述的三个应用程序之外，FP-AI-MONITOR1还提供一个高级执行阶段，我们称之为双应用程序模式。该模式使用基于NanoEdge AI库的异常检测，并使用基于模拟麦克风的预构建ANN模型进行分类。双模式工作于省电配置。基于NanoEdge AI库的低功耗异常检测算法始终基于振动数据运行，而基于高频模拟麦克风管道的ANN分类仅在检测到异常时才触发。除此之外，两个应用程序是彼此独立的。值得一提的是，双模式是针对以最高速度运行的USB风扇而创建的，在其他速度下进行测试时的表现较差。应用程序的工作原理非常简单。　

审核编辑：彭静

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