如何在低功耗MCU上实现人工智能和机器学习

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人工智能（AI）和机器学习（ML）技术不仅正在快速发展，还逐渐被创新性地应用于低功耗的微控制器（MCU）中，从而实现边缘AI/ML解决方案。这些MCU是许多嵌入式系统不可或缺的一部分，凭借其成本效益、高能效以及可靠的性能，现在能够支持AI/ML应用。这种集成化在可穿戴电子产品、智能家居设备和工业自动化等应用领域中，从AI/ML功能中获得的效益尤为显著。具备AI优化功能的MCU和TinyML的兴起（专注于在小型、低功耗设备上运行ML模型），体现了这一领域的进步。TinyML对于直接在设备上实现智能决策、促进实时处理和减少延迟至关重要，特别是在连接有限或无连接的环境中。

TinyML是指在小型、低功耗设备上应用机器学习模型，尤其是在微控制器（MCU）平台上，这些MCU经过优化，可以在设备有限的资源体系内运行。这使得边缘设备能够实现智能决策，支持实时处理并减少延迟。量化（Quantization）和剪枝（Pruning）等技术用于减小模型大小并提高推理速度。量化通过降低模型权重的精度，显著减少内存使用而几乎不影响准确性；剪枝则通过去除不太重要的神经元，进一步减小模型规模并提升延迟性能。这些方法对于在资源有限的设备上部署ML模型至关重要。

PyTorch和TensorFlow Lite都是实现机器学习模型的主流框架。PyTorch是一个开源机器学习库，被广泛用于人工智能应用的开发，包括可以部署在微控制器上的应用程序。PyTorch提供了用于机器学习的工具和库，包括计算机视觉和自然语言处理，可用于低功耗和小尺寸设备。

TensorFlow Lite for Microcontroller（TFLM）能够在非常受限的MCU类设备上运行具有Flatbuffer转换功能的TF Lite模型。这减少了模型的大小，并优化了它在MCU上的推理。

另一个重要的工具是来自ARM的CMSIS-NN库，它为Cortex-M处理器提供了优化的神经网络内核来运行TFLM模型。CMSIS-NN库提高了性能并减少了内存占用，使其更容易在基于ARM的MCU上运行ML模型。

此外，一些MCU还配备了专用的AI/ML硬件加速器，如Silicon Labs（芯科科技）的EFM32无线SoC和MCU，可以显著提高ML模型的性能，使更复杂的应用程序能够在这些设备上更快、更高效地运行。人工智能加速器擅长并行化任务，如矩阵乘法、卷积和图形处理。通过利用多样化的并行性，它们可以一次执行大量的计算。这使得人工智能工作负载的速度大大提高，同时保持低功耗。这些加速器还增强了内存访问模式，减少了数据传输开销，主CPU—CortexM可以进入低功耗睡眠模式，以节省更多的能量或管理额外的任务。通过使数据更接近计算单元，它们减少了等待时间。其结果是增强了性能、降低了功耗和延迟。

实际应用

TinyML的实际应用是多种多样且有影响力的。一个值得注意的示例是音频和视觉唤醒词，当说出特定的关键字或在图像中检测到某人时，设备会触发动作。这项技术被用于智能扬声器和安全摄像头，支持它们在识别到唤醒词或检测运动时激活。另一种应用是工业环境中的预测性维护。工厂设备上的传感器持续监测振动和温度等参数，可使用TinyML模型检测来异常并在故障发生之前预测维护需求，这有助于减少停机时间和维护成本。

手势和活动识别是TinyML的另一种令人兴奋的应用。配备加速度计和陀螺仪的可穿戴设备可以监测身体活动，如走路、跑步或特定手势。这些设备使用TinyML模型实时分析传感器数据，为健身追踪或医疗诊断提供有价值的见解。在农业领域，TinyML被用于环境监测。智能农业系统分析土壤湿度和天气条件，以优化灌溉，提高作物产量和资源效率。

TinyML还增强了健康监测功能。诸如连续血糖监测仪（CGM）这样需要长时间电池寿命和实时数据处理的设备，都能够极大地受益于这项技术。此外，智能床传感器可以在没有直接接触的情况下评估病人的呼吸模式，为远程观察提供不间断的健康数据。这一创新在管理老年人护理和慢性疾病方面特别有价值，因为持续监测有助于及早发现潜在的健康问题。

启动开发

要开始构建自己的TinyML应用，您需要了解TinyML的基础知识并选择合适的硬件。根据您的应用，您可能需要传感器来收集数据，例如加速度计、麦克风或摄像头。设置开发环境包括安装Simplicity Studio集成开发环境（IDE）、SDK和TinyML所需的资源库。

下一步是收集和准备与应用相关的数据。例如，如果您正在构建一个手势识别系统，您需要收集不同手势的加速度计数据。收集数据后，您需要对其进行预处理，使其适合训练您的模型。训练模型需要在功能强大的机器上使用高级框架，如TensorFlow或PyTorch。一旦训练完毕，模型需要使用量化和剪枝等技术进行优化。

在完成优化后，即可将模型转换为适合MCU的格式，如TensorFlow Lite格式。最后一步是将优化后的模型部署到MCU，将其与应用程序代码集成，并对其进行全面测试，以确保其满足性能和精度要求。基于实际性能的不断迭代和改进对于完善TinyML应用至关重要。

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