一美元的TinyML傳感器開發(fā)板

打從2022年11月ChatGPT開放公眾使用后，隨即掀起一股大型語言模型（Large Language Model, LLM）風(fēng)潮，乃至生成式人工智能（Generative Artificial Intelligence, GenAI）風(fēng)潮，不過AI似乎有極大化與極小化的兩線發(fā)展，小型化發(fā)展即是以AIoT為起點(diǎn)開始衍生出Edge AI、TinyML等，特別是TinyML，必須在有限的運(yùn)算力、電力、成本、體積下實(shí)現(xiàn)AI，極具工程精進(jìn)挑戰(zhàn)。
對(duì)此有一名IoT開發(fā)工程師Jon Nordby發(fā)起一個(gè)案子，期望實(shí)現(xiàn)只需1美元（以料件成本而言）的TinyML傳感器開發(fā)板，以此刷新TinyML的低成本紀(jì)錄，項(xiàng)目名稱姑且就叫1 dollar TinyML。

 
圖一 : 目標(biāo)只要1美元成本就能實(shí)現(xiàn)的TinyML電路板（圖片來源：Jon Nordby）

硬件組成分析
目前這個(gè)項(xiàng)目的第一版（Revision 1）電路設(shè)計(jì)中有一顆PY32F003主控芯片，為上海普冉（Puya）半導(dǎo)體公司出品，其核心為Cortex-M0+；然后有一顆我國(guó)盛群半導(dǎo)體（Holtek）的BC7161芯片，該芯片是一顆藍(lán)牙Beacon發(fā)送器芯片。有趣的是，主控芯片約是15美分，藍(lán)牙發(fā)送器芯片則是20美分，比主控芯片還貴一些。
電路的核心由這兩顆芯片所構(gòu)成，Jon Nordby以此為基礎(chǔ)分別提出兩個(gè)板子的構(gòu)想，一是動(dòng)作傳感器電路板，另一是聲音傳感器電路板，前者在兩顆芯片外再搭配STMicro（意法半導(dǎo)體）的LIS2DH（或LIS3DH）加速度傳感器（accelerator）；后者沒有加速度傳感器，改配置一個(gè)麥克風(fēng)并搭配若干運(yùn)算放大器（opamp）。
同樣有趣的，加速度傳感器與麥克風(fēng)都是運(yùn)用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制做而成，但加速度傳感器用的是數(shù)字技術(shù)，麥克風(fēng)用的則是模擬（analog）技術(shù)。
至于傳感器的成本，加速度傳感器約30美分，比主控芯片、發(fā)送器芯片都貴一些；麥克風(fēng)與運(yùn)算放大器等則為20美分，與發(fā)送器價(jià)格相當(dāng)，但也是比主控芯片略貴。
兩片傳感器板子在感測(cè)上的配置不同外，其他方面大體相同，例如都有R紅、G綠、B藍(lán)、W白顏色的LED燈號(hào)；都有SPI接口的NOR型Flash閃存以便用來儲(chǔ)存主控芯片的控制程序（韌體）；都有都使用鋰電池（例如LIR1220型鈕扣電池）運(yùn)作，或可以用USB Type A供電運(yùn)作，以及用其給鋰電池充電等。
到這里簡(jiǎn)單估算一下成本，加速度傳感器板15+20+30約65美分，聲音傳感器板15+20+20約55美分，其他林林總總考慮進(jìn)去仍可能壓在90美分左右，而發(fā)起人Jon Nordby表示只要產(chǎn)制個(gè)幾百片，就有可能讓每片低于1美元，如果不要電池或傳感器等則可能再低一些。

 
圖二 : 1 dollar TinyML板的構(gòu)成組件（圖片來源：Jon Nordby）

 
圖三 : 1 dollar TinyML板雛型品的打造與測(cè)試（圖片來源：Jon Nordby）
談完硬件后其實(shí)也要談軟件，1 dollar TinyML直接兼容emlearn，這是給微控制器或嵌入式系統(tǒng)使用的一套機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，開發(fā)者可以在一般中大型系統(tǒng)上使用Python程序語言來訓(xùn)練模型，最后將模型放到微控器（Microcontroller）里去進(jìn)行推論，只要該微控器能支持C99標(biāo)準(zhǔn)的編譯程序（Compiler）即可。C99是指1999年的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 9899，屬C語言標(biāo)準(zhǔn)。

小結(jié)
回到約十年前，2014年ESP8266芯片（屬Espressif上海樂鑫科技）開始走紅，走紅的原因主要有二，一是網(wǎng)友貢獻(xiàn)程序，使該芯片能直接用Arduino IDE進(jìn)行開發(fā)，讓多數(shù)只會(huì)使用Arduino的創(chuàng)客也能用ESP8266；二是ESP8266芯片實(shí)現(xiàn)成的系統(tǒng)電路板也只要5美元，當(dāng)時(shí)便宜到讓人不可思議。
也因?yàn)镋SP8266的走紅，之后在2016年才有ESP32芯片接替ESP8266，而后一路開展出各種ESP32系列芯片，甚至被Arduino官方用于新的正式電路板中。
循上述模式，標(biāo)榜只要1美元的TinyML板或許也會(huì)引起一波旋風(fēng)，畢竟平價(jià)是難以抗拒的吸引力，不過也有其他低價(jià)項(xiàng)目正在醞釀中，如BitNetMCU 框架，該框架使用CH32V003芯片，芯片一樣只有15美分，且核心為免授權(quán)成本的RISC-V核心，這類的超平價(jià)TinyML方案是否能引起大眾關(guān)注與響應(yīng)，可能還有待時(shí)間考驗(yàn)。
延伸閱讀
[1] 1 dollar TinyML專案（GitHub）：https://github.com/jonnor/embeddedml/tree/master/projects/dollar_tinyml
[2] 1 dollar TinyML專案（Hackaday）：https://hackaday.io/project/194511-1-dollar-tinyml

emlearn：https://github.com/emlearn/emlearn