IoT向け小型センサ･ノード開発キット「STWIN」が予知保全に使える！？ スマホ編（基本）

STマイクロエレクトロニクスのインダストリアルIoT向けワイヤレス･センサ･ノード用開発キット「STWIN」には、製造設備などの予知保全にも使える可能性のあるファームウェアが用意されています。今回はこのファームウェアをSTWINに入れて、振動状態をモニタしてみます。異常な振動を検知した場合には、アラートを出すことができるので、予知保全に応用できると思います。今回は、振動状態をスマートフォンのアプリでモニタするデモを試してみました。
・ハードウェアの組立て&ファームウェアの書き込み
・専用アプリのインストール（スマートフォン）
・動作確認
の手順で進めていきます。

１．ハードウェアの準備

【用意するもの】

• STWINスタータキット：STEVAL-STWINKT1B
• USBケーブルx2（USB-Micro）
• パソコン　（Windows7/10）

搭載されているセンサ

STWINのセットアップ

同梱されているリチウムイオン・バッテリをボード裏側のコネクタに接続し、ケース内に入れて4か所ネジ止めします。
M3ネジ（12mm、3x12）

２．ファームウェアの準備

STM32CubeProgrammerのインストール

（既にインストール済みであればスキップ）
初めてパソコンでSTM32マイコンの開発ボードを使用する場合、 STM32CubeProgrammer （旧ツール：ST Link Utility）をインストールしてCOMポート･ドライバなどを入れます。このツールはSTM32マイコンにファームウェア・プログラムを書き込む際に一般的に使いますが、今回は使用しません。後述しますように簡易書き込みで行います。
ダウンロードはこちらから：STM32CubeProgrammer

動作用ファームウェアの入手（FP-IND-PREDMNT1）

デモ用プログラム・ファイルをダウンロードします。
ダウンロードはこちらから：「FP-IND-PREDMNT1」

ダウンロードしたファイルを解凍すると、そのまま統合開発環境用の作業フォルダができあがります。以下のフォルダに今回使用するデモ用プログラム･ファイル（バイナリ・ファイル）が用意されているので、まずはファイルを確認します。
今回はベーシック版のBluetooth®のみ使いますので、“xxx_BLE”フォルダに入ります。また、そのまま書き込みして使えるようにするので、ファイル名に”BL”付き（boot loader版）のものを使用します。*1
ファイル保管場所（例）：
Drive:_MySTM32Cube3\STM32CubeFunctionPack_PREDMNT1_V2.2.0\Projects\STM32L4R9ZI-STWIN\Demonstrations\Predictive_Maintenance_BLE\Binary
ファイル名：「STM32L4R9ZI-STWIN_PredictiveMaintenance_BL_v2.2.0.bin」

FOTA機能（Firmware-Over-The-Air。スマートフォンなどからBluetooth LE経由でファームウェアを書き換える機能）と合わせてデザインされているため、ファームウェア本体（“BL”無しのバイナリ･ファイル）をそのままユーザ先頭アドレス（0x08000000~）に書き込んでも動きません。Bootloaderをまず先頭に配置し、プログラム･エリア（0x08004000~）にファームウェア本体を置くことで動作します。“BL”付きはBootloader部分と合わせたファイル構成となっているのでそのまま動きます。

STWINにファームウェアを書き込むための準備（パソコンと接続）

STWINスタータ・キットに同梱されている小さいボード（STLINK-B3MINI）とSTWINをケーブルで接続します。STWINボード側は単なる2列ヘッダ・ピンなので向きと列に注意してください（逆差し防止がありません）。ケーブルの赤側（pin1）をボードコネクタの“J2”表記に合わせます。その後STLINKボードのUSB-Microコネクタ経由でパソコンに接続します。また、ボードへの電源はボード本体のUSB-Microコネクタから供給が必要なので、こちらは適当なUSB電源アダプタを利用します（同じパソコンへの接続でもＯＫ）

両USBケーブルの接続が完了したらWindowsエクスプローラで確認します。
ボードを両USBケーブルで接続すると、 「STLINK_V3M」 といったUSBメモリ・デバイスのような形式で認識されます。

ファームウェアの書き込み

先ほど確認した「STM32L4R9ZI-STWIN_PredictiveMaintenance_BL_vx.x.x.bin」というバイナリ・ファイルを、この「STLINK_V3M」へドラッグ&ドロップ。
これだけでSTM32 マイコンへのファームウェア書き込みは完了です。
「容量が足りなくて書き込めない」といったメッセージが出た場合、STLINK側のUSBコネクタを抜き差ししてみてください。

終了後、USBケーブルを2本とも外します。STWIN上のJ2コネクタも取り外します。

３．アプリのインストール

（ここではAndroidスマートフォンを例に説明しますが、iPhoneでも同じアプリが用意されているので同様の操作で実行できます）
Google Playアプリにて“st ble”などで検索するとST BLE Sensorというアプリが見つかりますので、こちらをインストールしてください。STのセンサ・デモは大抵こちらのアプリに対応しています。センサ情報を無線（Bluetooth® Low Energy）でスマートフォンなどに送り、そのデータをアプリでモニタできるようになっています。

４．動作確認　「予知保全」（Predictive maintenance）

起動について

起動方法は２つあります。
電源オン

• バッテリ接続の場合： PWRスイッチ2秒程度長押し→5～7秒程度待った後、うっすらとLED1が点滅開始（Bluetooth 接続Ready状態）
• USB接続の場合： 5～7秒程度待った後、うっすらとLED1が点滅開始（Bluetooth 接続ready状態）
  電源オフ
• バッテリ接続の場合： PWRスイッチ2秒程度長押し（赤LEDが点灯継続）
• USB接続の場合： 常時オン（電源オフ不可）

USBケーブル接続で5V電源が供給されている場合、常時オン状態となります（電源オフ不可）。USBケーブルを外しても電源オン状態は継続します。電源オフしたい場合は、USBケーブルを外した後PWRスイッチを長押しします。
バッテリー駆動の場合、スイッチ長押しでオン/オフできます。

ここではとりあえずUSBケーブル接続して電源オンします。

接続

STWINのUSB-MicroコネクタにPC等から接続して電源オンします。次にスマートフォンのST BLE Sensorアプリを立上げてBluetooth接続。接続方法は下図を参考ください。

FFT確認画面

FFTAmplitude 画面に移動すると、振動状態を周波数ドメインで確認することができます。設定された時間（デフォルト=5秒）データを取得後、Bluetooth LEでデータを転送します。この画面を表示させている間は“データ取得&転送”動作を繰り返します。FFTパラメータに関する設定変更も可能です。下図を参照ください。

予知保全画面

左スワイプを何度か繰り返してこの画面へ移動。ファームウェア内に設定された数値を基準に、リアルタイムで以下項目において2段階の警告判定をしています。ステータスとしては、Good/Warning/Alertの3種類があり、Waring用しきい値を超えると”Warning”、さらにAlert用しきい値を超えると“Alert”が表示がされます。
・RMS速度（m/s）
・加速度ピーク（m/s^2）
・周波数サブレンジ毎加速度ピーク（m/s^2）

ステータス・アップデートの時間間隔は、FFTAmplitude画面のFFTsettingsにて変更できます。また画面上のStart loggingをタップすることでスマートフォン内（STMicroelectonics>logsフォルダ内）にログファイルを残すことができます。

５．しきい値の設定

再度コンパイルが必要ですが、X､Y､Z軸それぞれに“Warning用”と“Alert用”といった2段階のしきい値を設定できます。
RMS速度の例

MotionSP_Threshold.h

static const sTimeDomainThresh_t TDSpeedRMSThresh = 
{/* Value in mm/s */
  5.65f,        //!< SPEED_RMS_THR_WARN_AXIS_X
  5.65f,        //!< SPEED_RMS_THR_WARN_AXIS_Y
  5.65f,        //!< SPEED_RMS_THR_WARN_AXIS_Z
  9.65f,        //!< SPEED_RMS_THR_ALARM_AXIS_X
  9.65f,        //!< SPEED_RMS_THR_ALARM_AXIS_Y
  9.65f,        //!< SPEED_RMS_THR_ALARM_AXIS_Z
}; 

他項目の加速度ピーク、周波数サブレンジ毎加速度ピークの設定も同じMotionSP_Threshold.hファイル内にて変更できます。設定変更後、再コンパイル&ビルドして出来上がったバイナリ・ファイル（もしくはHexファイル）をSTM32CubeProgrammerにてSTWINに書き込みした後試してみてください。

いかがでしたでしょうか？
今回使用した開発用ファームウェア・パッケージ「FP-IND-PREDMNT1」の中には、WiFiを使ってインターネットに接続し、クラウド上で振動状態をモニタできるバージョンも入っているようです。次回はこちらを試してみます。

IoT向け小型センサ･ノード開発キット「STWIN」が予知保全に使える！？ クラウド編