人工智慧應(yīng)用的市佔(zhàn)率穩(wěn)步成長(zhǎng)。為此，意法半導(dǎo)體提供廣泛的產(chǎn)品組合，輕鬆實(shí)現(xiàn)多級(jí)別的人工智慧應(yīng)用。
在本文中，將主要關(guān)注新型感測(cè)器中內(nèi)嵌的MLC（機(jī)器學(xué)習(xí)核心），並闡述如何利用此AI核心開(kāi)發(fā)極低功耗的「邊緣到邊緣」AI應(yīng)用。
先從以下問(wèn)題開(kāi)始：什麼是邊緣人工智慧？在過(guò)去，AI應(yīng)用需要許多計(jì)算資源，因此，來(lái)自感測(cè)器的資料必須傳輸?shù)诫?yún)端處理，然後再將結(jié)果傳送回本地。整個(gè)過(guò)程既耗時(shí)又耗電，並且不適用於缺乏網(wǎng)路連線的情境。因此，邊緣人工智慧應(yīng)運(yùn)而生。有了微控制器（MCU）上的專用硬體，AI處理能力越來(lái)越強(qiáng)，將AI核心自雲(yún)端移到了本地MCU，使延遲和功耗方面的表現(xiàn)更加出色。
意法半導(dǎo)體近期推出之全新感測(cè)器系列（以字母X為結(jié)尾的命名）使感測(cè)器能夠完全在感測(cè)器核心中運(yùn)行AI演算法（決策樹(shù)分類器），而無(wú)需本地MCU承擔(dān)任何運(yùn)算。進(jìn)一步推動(dòng)了「邊緣人工智慧」技術(shù)的發(fā)展。為此，我們稱之為「邊緣到邊緣」人工智慧。
假設(shè)設(shè)計(jì)人員有興趣開(kāi)發(fā)一款應(yīng)用，該應(yīng)用使用感測(cè)器資料（來(lái)自加速度計(jì)、陀螺儀等）並利用AI偵測(cè)人類活動(dòng)（如步行、跑步、靜止等）或進(jìn)行手勢(shì)辨識(shí)。在基於雲(yún)端的AI解決方案中，需要將資料發(fā)送到雲(yún)端進(jìn)行推理，等待一段時(shí)間後獲得回應(yīng)。這意味著不得不在資料傳輸方面耗費(fèi)大量能量（如果網(wǎng)路連接可用，最高50mA），而且在接收輸出結(jié)果時(shí)會(huì)經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的延遲。一種創(chuàng)新型解決方案可以利用MCU來(lái)處理資料（“邊緣人工智慧”），但利用感測(cè)器資料傳輸仍是必須的。如果您的目標(biāo)是最低功耗型解決方案，在感測(cè)器內(nèi)部嵌入MLC是最佳選擇。從感測(cè)器到MCU的資料傳輸沒(méi)有功率消耗，優(yōu)化後的ASIC使MLC核心的電流消耗限制在~10uA左右，而延遲更可以忽略不計(jì)。
回到應(yīng)用本身，這意味著感測(cè)器可以自己運(yùn)行行為辨識(shí)或手勢(shì)辨識(shí)應(yīng)用：您只需對(duì)MLC感測(cè)器進(jìn)行程式設(shè)計(jì)，打開(kāi)感測(cè)元件，將基於AI的場(chǎng)景分類結(jié)果作為簡(jiǎn)單的register value輸出，以供應(yīng)用MCU進(jìn)行決策（例如，改變應(yīng)用的行為，開(kāi)啟或關(guān)閉低功耗模式，等等）。
| 圖二 : ST新一代動(dòng)作感測(cè)器 |
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如前所述，感測(cè)器的AI基於決策樹(shù)分類器。不同的裝置具有類似的MLC可用資源，每個(gè)感測(cè)器都能並行運(yùn)行最多8個(gè)不同的決策樹(shù)（共256或512個(gè)節(jié)點(diǎn)）。
| 圖三 : UNICO-GUI上的五個(gè)開(kāi)發(fā)步驟 |
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決策樹(shù)基於訓(xùn)練過(guò)的AI模型（監(jiān)督學(xué)習(xí)），需要資料集來(lái)訓(xùn)練模型。最後再將決策樹(shù)程式部署到感測(cè)器MLC中。針對(duì)這5個(gè)關(guān)鍵步驟，意法半導(dǎo)體提供UNICO-GUI工具，引導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行資料蒐集、程式產(chǎn)生，並在感測(cè)器中上傳程式實(shí)現(xiàn)MLC。
第一步是數(shù)據(jù)蒐集。設(shè)計(jì)人員可以選擇意法半導(dǎo)體的開(kāi)發(fā)板蒐集數(shù)據(jù)，我們建議使用FP-SNS-DATALOG1硬體蒐集資料，確保所蒐集資料的格式與一致性。一旦資料準(zhǔn)備完成，就可以啟動(dòng)UNICO-GUI。
| 圖四 : 利用UNICO-GUI蒐集數(shù)據(jù) |
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在UNICO-GUI中執(zhí)行的第二步是標(biāo)註數(shù)據(jù)和特徵配置，為所蒐集的資料集分配一個(gè)名稱或標(biāo)籤。決策樹(shù)模型會(huì)基於設(shè)計(jì)人員資料集和所選之特徵進(jìn)行訓(xùn)練，以區(qū)分所選的類別。UNICO-GUI工具可以導(dǎo)入許多類型的資料集。此外，使用者還可以在數(shù)據(jù)蒐集階段定義感測(cè)器的工作模式，其中最重要的是選擇為決策樹(shù)分類所用的特徵值。特徵值基本上是對(duì)感測(cè)器資料進(jìn)行的一種「分析」，決策樹(shù)將使用特徵來(lái)選擇類別。舉如，使用XL訊號(hào)的「標(biāo)準(zhǔn)差」或「峰對(duì)峰值」特徵來(lái)判斷使用者是靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。顯然，有許多特徵可以組合在一起，以實(shí)現(xiàn)符合應(yīng)用的最佳決策樹(shù)。如需更多關(guān)於特徵選擇和理解決策樹(shù)創(chuàng)建過(guò)程的詳細(xì)資訊，請(qǐng)參見(jiàn)ST Design Tip 0139。
| 圖五 : 利用UNICO-GUI建立決策樹(shù) |
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在UNICO-GUI中執(zhí)行的第三步是構(gòu)立決策樹(shù)，該步驟生成初始設(shè)定並分析訓(xùn)練集的限制，以構(gòu)建一個(gè)能夠辨識(shí)動(dòng)作行為的決策樹(shù)。
在UNICO-GUI中執(zhí)行的第四步是感測(cè)器程式生成。一旦建立了決策樹(shù)，需要用感測(cè)器MLC語(yǔ)言「翻譯」決策樹(shù)。使用者將得到一個(gè)檔案，其中包含在內(nèi)建MLC的ST MEMS感測(cè)器執(zhí)行應(yīng)用的所有內(nèi)容。
最後（第五步），當(dāng)裝置完成程式設(shè)計(jì)後，可以在應(yīng)用中利用經(jīng)訓(xùn)練的決策樹(shù)來(lái)執(zhí)行MLC的結(jié)果。
更多關(guān)於MLC在MEMS感測(cè)器中的應(yīng)用，可以參考ST MLC網(wǎng)頁(yè)或ST MLC GitHub，這些網(wǎng)頁(yè)提供大量應(yīng)用和配置範(fàn)例，可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員一步一步地完成從資料蒐集到MLC即時(shí)功能檢查的整個(gè)過(guò)程。
