人工智能技術(shù)在嵌入式開(kāi)發(fā)中的應用

基金項目：1.基于YOLOv5目標檢測和人臉識別相結合的課堂考勤研究，項目編號KYYB2021014；2.基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的農作物蟲(chóng)害識別方法研究，項目編號2022KQNCX192

0 引言

近年來(lái)，人工智能（AI）技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的出現以及發(fā)展，已經(jīng)從大學(xué)和實(shí)驗室的研究發(fā)展成為影響消費者和社會(huì )的技術(shù)，越來(lái)越多的智能終端設備進(jìn)入到人們的生產(chǎn)生活當中。這些早期的研究主要是基于軟件的并在通用計算機上執行，但隨著(zhù)科技不斷地進(jìn)步，邊緣人工智能、邊緣物聯(lián)網(wǎng)的人工智能和設備上的人工智能慢慢出現在研究人員視線(xiàn)里。與基于軟件的人工智能方法相比，這些方法還需要考慮部署人工智能和嵌入式硬件技術(shù)的硬件平臺。因此，在智能和嵌入式硬件之間存在著(zhù)相互作用和聯(lián)系，嵌入式人工智能技術(shù)隨即出現在大眾生活中^[1]。

隨著(zhù)電子領(lǐng)域的發(fā)展和不斷擴大其局限性，嵌入式系統的概念越來(lái)越多地出現在人們面前。這些系統可以在大量的商業(yè)、工業(yè)或學(xué)術(shù)目的的應用中遇到。例如，它們可以運用在消費電子、工業(yè)設備、汽車(chē) 電子產(chǎn)品、工業(yè)設備、汽車(chē)、飛機、加工工業(yè)、機器、音頻和視頻設備、家用電器、醫療設備、辦公設備（如打印機、掃描儀、傳真機）、監控設備、自動(dòng)售貨機等。智能電子產(chǎn)品的出現離不開(kāi)嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)。嵌入式開(kāi)發(fā)并不是一個(gè)孤立的系統或硬件開(kāi)發(fā)，它需要綜合考慮硬件和軟件的結合并且在嵌入式操作系統框架下能夠運行的應用。嵌入式系統的復雜性和功能性是多年來(lái)廣泛研究的主題，其使用頻率也呈上升趨勢。正是由于嵌入式系統的眾多優(yōu)勢如高質(zhì)量和可靠性，高速度，低功耗，低成本，尺寸小，使得這些系統更容易攜帶。嵌入式技術(shù)是在嵌入式系統的發(fā)展中應運而生的，它是依附于嵌入式系統，并推動(dòng)嵌入式系統不斷向前發(fā)展的核心動(dòng)力。嵌入式技術(shù)近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，特別是在人工智能時(shí)代，人們的需求決定了嵌入式開(kāi)發(fā)會(huì )進(jìn)一步釋放活力。

1 人工智能技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)

人工智能(Artificial Intelligence, AI) 的學(xué)術(shù)概念正式誕生于1956 年在達特茅斯召開(kāi)的人工智能研討會(huì )，約翰·麥卡錫提出：人工智能就是要讓機器的行為像人所表現的智能行為一樣。AI 是人工智能科學(xué)的總稱(chēng)。它使用計算機來(lái)模擬人類(lèi)的智能行為，并訓練計算機學(xué)習人類(lèi)的行為，如學(xué)習、判斷和決策。正如它的名字那樣，人工智能是模仿人的一種技術(shù)；所以人工智能是以知識為主體，主要研究如何獲取、分析和學(xué)習知識并弄清楚怎樣表達知識，然后利用這些方法模仿人類(lèi)處理事務(wù)的效果。人工智能融合了多門(mén)學(xué)科知識如數學(xué)、計算機科學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科，它在語(yǔ)音識別、圖像處理、自然語(yǔ)言處理、智能機器人等應用中取得了令人矚目的成果^[2]。人工智能在社會(huì )發(fā)展中發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用，它在提高勞動(dòng)效率、降低勞動(dòng)力成本、優(yōu)化人員結構配比、創(chuàng )造新的崗位和創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)等方面取得了舉世矚目的成果。

人工智能的發(fā)展是在一個(gè)個(gè)技術(shù)不斷突破中成長(cháng)起來(lái)的；1943 年，人工神經(jīng)元模型被提出，開(kāi)啟了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )研究的時(shí)代。1956 年，達特茅斯會(huì )議的召開(kāi)，提出了人工智能的概念，這標志著(zhù)人工智能的誕生，國際學(xué)術(shù)界的人工智能研究呈上升趨勢，并且學(xué)術(shù)交流頻繁。20 世紀70 年代，計算機的成本和計算能力逐漸提高，這使得對反向傳播算法的研究成為可能。20 世紀80 年代，反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )得到了廣泛認可，基于人工智能的算法研究也得到了發(fā)展。從2006 年到現在是人工智能快速發(fā)展的時(shí)期。這種快速發(fā)展主要是由于GPU 的廣泛普及，并行處理使得數據處理變得可以更快、更強，提高了計算能力；另一個(gè)原因是存儲容量的無(wú)限擴展，它允許大規模數據訪(fǎng)問(wèn)，如地圖、圖片、文本和視頻流。2012 年AlexNet 算法在圖像分類(lèi)比賽中取得冠軍，使得深度學(xué)習技術(shù)取得了重大突破；該算法在語(yǔ)音和視覺(jué)識別方面取得了很好的效果。2016 年由谷歌公司開(kāi)發(fā)的圍棋人工智能程序（AlphaGo）戰勝李世石，徹底將人工智能推向研究的高潮。

近年來(lái)，人工智能發(fā)展迅速，它已經(jīng)改變了人們的生活方式。人工智能的發(fā)展已經(jīng)成為世界各國的一個(gè)重要世界各國的重要發(fā)展戰略，提高國家競爭力和維護安全。許多國家都出臺了優(yōu)惠政策，并加強了對關(guān)鍵技術(shù)和人才的部署，以便在新一輪的國際競爭中占得先機。人工智能已經(jīng)成為各大科技公司關(guān)注和研究的熱門(mén)技術(shù)；谷歌、微軟和IBM 等大公司都致力于人工智能的研究，并將人工智能應用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。

人工智能技術(shù)的發(fā)展所呈現出的一些特點(diǎn)首先表現在智能性，人工智能技術(shù)的出現，最終是為了替代手工勞作完成人類(lèi)正常的生產(chǎn)活動(dòng)。其次廣泛性是另外一個(gè)特點(diǎn)，人工智能由于應用領(lǐng)域的廣泛性決定這項技術(shù)具有廣泛性。在具體應用領(lǐng)域上表現為模型算法的不斷創(chuàng )新；各種新的模型算法不斷涌現，如深度學(xué)習、強化學(xué)習、遷移學(xué)習等。其次人工智能的發(fā)展離不開(kāi)大量的數據支持；隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的普及和各種傳感器的廣泛應用，數據量不斷增加，為人工智能的發(fā)展提供了更多的數據支持。在發(fā)展的過(guò)程中與其他技術(shù)的融合也是人工智能發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)，如人工智能與物聯(lián)網(wǎng)、區塊鏈、云計算等技術(shù)的融合，可以為人工智能的應用提供更多的場(chǎng)景和可能性。人工智能的發(fā)展也逐步實(shí)現了自主學(xué)習的能力，即機器可以通過(guò)不斷的學(xué)習和優(yōu)化來(lái)提高自身的能力，這使得人工智能的應用更加智能化和自適應?？鐚W(xué)科交叉和應用領(lǐng)域的擴展也成為人工智能技術(shù)發(fā)展的一大特點(diǎn)。隨著(zhù)技術(shù)的不斷創(chuàng )新，新的特點(diǎn)也會(huì )慢慢顯現。

2 嵌入式人工智能技術(shù)應用

人工智能（AI）技術(shù)在各個(gè)行業(yè)表現出色，使得將人工智能技術(shù)和嵌入式系統結合成為可能，構建AI 嵌入式系統成為當前技術(shù)熱點(diǎn)之一。目前在嵌入式系統中實(shí)現復雜機器學(xué)習算法有多條途徑，包括基于通用GPU多處理器架構的方案、基于專(zhuān)用運算加速引擎的定制化方案，以及基于現有處理器對算法進(jìn)行深度優(yōu)化的方案等。這些技術(shù)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，并且在不同領(lǐng)域得到了應用^[3]。

嵌入式系統不僅僅是微控制器和產(chǎn)品之間的橋梁，更帶動(dòng)著(zhù)應用，紐帶作用是無(wú)法替代的?？刂剖莻鹘y嵌入式系統的主要工作，而智能嵌入式系統在數據收集處理、人機互動(dòng)操作和事件處理決定上都表現出了智能化水平，分別叫智能感知、智能交互和智能決策^[4]。將人工智能和邊緣計算運用到嵌入式設備中，使得嵌入式正在走向智能計算領(lǐng)域。

嵌入式芯片設計廠(chǎng)家也抓住這一機遇在嵌入式系統開(kāi)發(fā)上取得成績(jì)。ARM 公司推出了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )推理框架ArmNN，該框架支持在A(yíng)RM 嵌入式設備上運行；而且該公司還與Google 公司的TensorFlow Lite 結合，在嵌入式微處理器上進(jìn)行人工智能算法部署^[5]。

在嵌入式人工智能應用的探索道路上，ST 公司一直走在行業(yè)前列。由ST 公司推出的STM32Cube.AI 是一個(gè)可以與深度學(xué)習算法框架相結合的一個(gè)先進(jìn)的工具包，主要目的是在STM32 微控制器上運行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。借助STM32Cube.AI，基于STM32 的邊緣智能網(wǎng)聯(lián)設備可以直接運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，可以在邊緣和即時(shí)響應中進(jìn)行實(shí)時(shí)AI 計算，從而保護隱私減少占用網(wǎng)絡(luò )帶寬和消耗大量計算機功耗。

嵌入式人工智能技術(shù)在無(wú)人售貨機、智能化交通運輸行業(yè)、工業(yè)自動(dòng)控制檢測及智慧現代化農業(yè)等各行業(yè)中也運用廣泛^[6]。隨著(zhù)計算機視覺(jué)、邊緣計算、自然語(yǔ)言處理技術(shù)不斷發(fā)展，嵌入式人工智能機器人、汽車(chē)影音系統控制及嵌入式人工智能的智能手機等領(lǐng)域也相繼表現出色。

3 結束語(yǔ)

隨著(zhù)人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展及應用，嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)結合人工智能技術(shù)搭建人工智能嵌入式系統，可以使更多技術(shù)轉化為產(chǎn)品。而隨著(zhù)面向嵌入式智能系統的高性能、低功耗處理器，面向嵌入式系統的輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等問(wèn)題不斷被解決，嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)將會(huì )迎來(lái)一個(gè)新的突破。

參考文獻：

[1] ZHANG C M, LU Y. Study on artificial intelligence: the state of the art and future prospects[J].Journal of Industrial Information Integration, 2021.

[2] 陶永亮,高金莎.人工智能技術(shù)特點(diǎn)與創(chuàng )新模式研究[J].科技創(chuàng )業(yè)月刊,2022,35(11):1-5.

[3] 應忍冬.AI嵌入式系統:算法優(yōu)化與實(shí)現[M].北京:機械工業(yè)出版社,2021.

[4] 李瑞霞,馬伊棟,潘世生.嵌入式人工智能的應用與展望[J].電子世界,2021(4):8-9.

[5] 張昊.嵌入式人工智能研究[J].通訊世界,2019(11):110-111.

[6] 畢盛.嵌入式人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)及應用[J].電子產(chǎn)品世界,2019(5):14-16+25.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）