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[导读]传统的物联网传感器节点通常体积较大,需要使用刚性PCB板和电池外壳,这限制了其安装位置。为突破这一限制,我们设计了一款采用柔性印刷电路板(FPC)的设备。

1. 引言与概念

幽灵边缘AI贴纸是一种基于下一代北欧半导体nRF54L15无线SoC的超薄柔性贴片式智能传感器节点。

传统的物联网传感器节点通常体积较大,需要使用刚性PCB板和电池外壳,这限制了其安装位置。为突破这一限制,我们设计了一款采用柔性印刷电路板(FPC)的设备。

这种可弯曲的贴纸式设计使节点能够贴合曲面,非常适合隐蔽式身体活动追踪、结构健康监测以及智能穿戴设备。

这款超薄贴纸配备6轴IMU(LSM6DSO)和数字PDM麦克风,采用双核处理器架构(ARM Cortex-M33 + RISC-V FLPR),可在设备上直接运行实时机器学习模型(Edge AI)。

2. 本项目的主要特点

本项目的主要主题如下:

•FPC设计:超薄、柔韧,可安装在曲面表面。

•双核处理:通过IPC实现ARM M33与RISC-V核心的协同工作。

•边缘AI:使用Edge Impulse进行实时IMU(及麦克风)数据分析。

•OTA 更新:通过 MCUboot 通过 BLE 进行无线固件更新。

这个视频总结了主要成果,全部内容在两分钟左右就讲完了,请大家观看!

3. 硬件设计

自定义的FPC板布局和原理图使用KiCad设计。传感器部分位于一条细长柔性尾部的末端,使其能够远离主电源和调试电路。

• KiCad 设计文件:用于原理图和 PCB/FPC 布局的完全开源项目文件。

• 制造输出:Gerber文件和物料清单(BOM)已准备好用于FPC制造。

• 比例图:用于快速硬件布线的PDF原理图文件。

4. 软件与固件架构

所有固件应用程序均使用 nRF Connect SDK(NCS)/ Zephyr 实时操作系统构建,并存放在 /src 文件夹中。

5. 多核处理器间通信(IPC)

该项目的一大亮点是采用了nRF54L15 SoC的多核处理。通过riscv_uart示例,远程核心(RISC-V FLPR)负责通过I2C从LSM6DSO惯性测量单元获取高频传感器数据。

RISC-V 核心随后通过 IPC(使用 icmsg 共享内存)将格式化后的数据包传输到主机核心(ARM Cortex-M33)。

Host 核心充当 BLE 网关,通过 IPC 接收数据,并使用 Nordic UART 服务(NUS)将数据转发给连接的 BLE 客户端。这使得关键的时序敏感传感器得以分离。

6. 使用 Edge Impulse 进行手势分类

通过部署 peripheral_uart_i2c_edge 应用程序,nRF54L15 在设备上实现了实时机器学习。我们使用加速度传感器数据,在 Edge Impulse Studio 上训练了一个手势分类模型(例如:波浪、摇动、空闲)。

C++部署库直接集成到固件中。分类输出以简洁的单行格式打印:

预测值(DSP:4毫秒,类别:8毫秒):空闲:0.02,波形:0.98

该输出通过蓝牙低功耗(BLE)实时传输,可实现基于身体动作对智能设备的低延迟控制。

7.硬件反馈(经验总结)

在硬件测试阶段,我们发现PCB/FPC设计图中PDM麦克风存在一个焊盘问题:

引脚方向错误:PDM麦克风组件的焊盘在电路板上设计时存在180度旋转误差(朝向反向放置)。由于该焊盘错误,我们无法调试或确认音频功能在实际硬件上的运行情况。

重要设计说明:尽管我们已在上传的原理图PDF和PCB布局图纸中添加了警告提示,但任何尝试制造此电路板的人在开始生产前,都应仔细查阅元件数据表,并核实焊盘尺寸。

8. 结论

本项目的主要主题如下:

•FPC设计:超薄、柔韧,可安装在曲面表面。

•双核处理:通过IPC实现ARM M33与RISC-V核心的协同工作。

•边缘AI:使用Edge Impulse进行实时IMU(及麦克风)数据分析。

•OTA 更新:通过 MCUboot 以 BLE 方式进行无线固件更新。

本文编译自hackster.io

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