ADI VOYAGER4 MEMS传感器：基于边缘AI的电机预测性维护方案

在工业自动化与各类系统中，电机是关键设备，其性能与稳定性直接影响生产效率。一旦电机发生故障，可能导致非计划停机，进而引发供应链中断、巨额经济损失乃至制造商声誉受损。因此，对电机等旋转机械进行持续的状态监测，实施预测性维护，对于最小化故障、提升可靠性与工厂生产率至关重要，能显著节省成本。

在众多监测参数中，振动是评估旋转机械健康状况的最关键特征之一。它能够有效揭示诸如软底座、轴承故障等潜在问题。然而，监测振动本身不难，难点在于如何高效采集数据、进行有意义的数据分析并生成有效报告。这通常需要结合先进的数据处理算法与可靠的无线连接技术。

监测电机振动

针对这一需求，Analog Devices, Inc (ADI) 开发了基于微机电系统 (MEMS) 加速计技术的无线振动监测传感器。MEMS 传感器因其体积小、功耗低以及高达 8 kHz 的宽频率响应等优点，已成为工业旋转机械状态监测的首选技术。

ADI 的新一代产品 VOYAGER4，专为机器人及工业应用中的基于状态监控 (CbM) 设计，其最大特点是集成了边缘人工智能 (AI)，能够在传感器端进行更智能的数据分析。该传感器实际上是一个完整的解决方案，包含了加速度计、处理器、电源管理集成电路 (PMIC) 等一系列配套元器件。

图 1：完整的 VOYAGER4 系统框图。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

VOYAGER4 评估套件

为了帮助工程师快速理解和部署无线状态监测系统，ADI 推出了 VOYAGER4 无线振动监测器评估套件 EV-CBM-VOYAGER4-1Z。该套件提供了一个完整的低功耗振动监测平台，便于工程师为电机或类似测试设备快速部署无线监测方案。套件的主要特性包括：

• 在边缘侧实现智能、安全的决策
• 运行于边缘的人工智能算法
• 支持机械安装，具备高达 8 kHz 带宽的测量能力
• 3 轴超低功耗、超低噪音 MEMS 加速计技术
• 超低功耗微控制器、功能强大的低功耗蓝牙 (BLE) 技术

该套件的印刷电路板 (PCB) 上集成了 ADI 的多款核心 IC 与组件。核心器件包括 ADXL382 和 ADXL367 三轴数字输出 MEMS 传感器、BLE 微控制器 MAX32666、AI 微控制器 MAX78000、PMIC MAX20335 以及电池管理芯片 MAX17262 和 MAX38642。

组装好的 PCB 垂直安装在一个铝制底座上，电池则固定在一个支座上。底座上设计有 M6 螺纹孔，方便通过螺柱安装到电机外壳上。整个装置最终被封装在一个直径 46 mm、高 77 mm 的铝制外壳内，以提供坚固的保护。

图 2：EV-CBM-VOYAGER4-1Z 套件中安装在铝底座上的 PCB。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

为了不影响 BLE 天线信号，外壳顶部使用了 ABS 塑料盖。ABS 是一种坚固的非金属材料，无线电信号可以轻松穿透，同时将干扰降至最低。

图 3：VOYAGER4 传感器装置的机械组件，包括铝外壳和 ABS 塑料盖。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

通过模态分析，ADI 工程师设计出了坚固的机械外壳，确保 VOYAGER4 能够从被测电机或旋转机器中精确捕获敏感的振动数据。该平台利用边缘 AI 算法检测电机异常，并触发诊断和维护请求。

系统工作时，首先由 16 位、8 kHz 三轴 MEMS 加速计传感器 ADXL382 采集振动数据。随后，原始振动数据由 MAX78000 AI 处理器进行处理。如果 AI 算法检测到故障或异常振动模式，系统将通过 MAX32666 的无线 BLE 无线电向用户发送警报。

传感器系统的运行

VOYAGER4 传感器系统以清晰的工作流程处理振动数据。如下图所示，MEMS 传感器采集的原始数据通过路径 (a) 发送至 BLE 处理器。不过，在通过 BLE 无线电或经由 FT234XD-R USB 至 UART 接口 IC 的 USB 连接发送给用户之前，这些数据会先通过路径 (b) 发送给集成边缘 AI 的处理器进行故障预测。

如果 AI 算法预测数据存在异常，系统将通过路径 (c) 利用 BLE 无线电向用户发送警报。如果未预测到故障，系统则通过路径 (d) 将 MEMS 传感器置于休眠模式，直到下一次检测事件被触发。

图 4：VOYAGER4 系统的工作原理示意图。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

系统采用两个 MEMS 加速计是出于功耗考虑。当高性能 ADXL382 MEMS 加速计用于采集振动数据时，超低功耗的 14 位、100 Hz ADXL367 可用于在发生显著振动或冲击事件时，将 BLE 无线电设备从深度睡眠模式唤醒。该唤醒功能功耗仅为 180 nA，能显著节省电能，延长电池寿命。

同时，MEMS 原始振动数据通过 ADG1634 单刀双掷 (SPDT) 模拟开关传输至 MAX32666 BLE 无线电或 MAX78000 AI 微控制器，该开关由 BLE 微控制器控制。

与 MAX32666 BLE 微控制器连接的其他外围设备包括 MAX17262 多电池电量计 IC、MAX3207E 瞬态电压抑制 (TVS) 二极管阵列和 DS28C40A 安全验证器。其中，电量计 IC 采用 Maxim ModelGauge m5 EZ 算法监测电池状态，TVS 二极管阵列提供 ±15 kV ESD 保护，而安全认证器则基于集成的非对称 (ECC-P256) 和对称 (SHA-256) 加密功能，确保数据完整性。

管理功耗和电池寿命

为了最大限度地降低功耗，VOYAGER4 能够根据 BLE 微控制器和边缘 AI 处理器的工作模式，智能地管理板载 PMIC 的运行。BLE 微控制器会针对不同的工作模式，启用或禁用 MAX20335 PMIC 的各个输出。

该 PMIC 集成了两个超低静态电流降压稳压器和三个超低静态电流低压差 (LDO) 线性稳压器。通过其 I2C 接口，可以设定每个输出电压的值。此外，套件还提供了 MAX38642 可调节降压稳压器，以在需要时提供额外的电源（最高 350 mA 电流）。

图 5：MAX20335 PMIC 的内部功能框图。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

VOYAGER4 传感器会根据 BLE 和 AI 的工作模式，在激活与非激活状态间切换电源模式，以进一步优化功耗。例如：

• 训练模式：BLE MCU 首先在 BLE 网络中广播自身，并管理设备连接。随后，VOYAGER4 通过 BLE 网络将 ADXL382 MEMS 的原始数据传输至用户 PC，用于训练 AI 算法。
• 正常 AI 模式：默认禁用 BLE 无线电的广播、连接和流媒体功能。MAX78000 AI 处理器会定期唤醒并运行 AI 推理。如果未检测到异常，系统将返回深度睡眠模式。

下图清晰地展示了不同模式下的功耗表现。当传感器不需要通过 BLE 无线电传输原始数据时（正常 AI 模式），其功耗可降低高达 50%。在训练模式下，每小时进行一次广播、连接和数据传输的功耗约为 0.65 mW。而在正常 AI 模式下，即使每小时激活一次，系统功耗也仅为 0.3 mW 左右。

图 6：VOYAGER4 传感器在不同工作模式下的平均功耗与事件间隔时间关系图。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

数据分析表明，使用一节 1500 mAh 电池，在 0.3 mW 功耗下可工作约两年。若使用两节标准的 2.6 Ah AA 电池，则可将电池寿命延长至 7 年左右。对于更长时间的应用，建议选用具有低自放电率和周期性脉冲充电能力的电池。

VOYAGER4 的 GUI 和固件

VOYAGER4 图形用户界面 (GUI) 采用 Python 语言编写，利用了 bleak、asyncio 和 Tkinter 等关键库，为用户提供了一个通过 BLE 无线电与 VOYAGER4 传感器交互的界面。

评估套件包含两个微控制器及多个外设，开发过程可以利用 ADI 提供的丰富工具。例如，工程师可以使用 CodeFusion IDE 进行整体嵌入式开发，利用 VOYAGER SDK 进行 AI 应用部署。对于 MAX32666 和 MAX78000 微控制器，均有专门的开发者资源可供编程和调试使用。

结语

ADI 的 VOYAGER4 无线振动监测传感器，为机器人电机和工业系统中的旋转机械提供了一套高效的基于状态的监测工具。其评估套件为工程师提供了一个完整的低功耗平台，便于快速部署无线振动监测系统，深入理解和应用 MEMS 传感器与边缘 AI 技术。

实现预测性维护的核心价值在于将电机维护从“被动检修”转变为“主动预防”，这对于保障工业 4.0 和智能工厂中设备的可靠性、降低全生命周期成本至关重要。VOYAGER4 为此提供了一个集高效、可靠与智能于一身的解决方案。如果您对工业物联网传感器方案有更多兴趣或实践经验，欢迎在 云栈社区 参与相关技术讨论。