Utilizzo di un SBC per l'implementazione rapida dell'Edge IA in applicazioni nuove o riqualificate

Gli sviluppatori di applicazioni di Internet delle cose (IoT), robotica, visione artificiale e industriali devono affrontare una crescente pressione a incorporare l'intelligenza nei loro progetti edge altamente connessi. Per i team che lavorano con scadenze molto strette, questa pressione si estende oltre lo sviluppo del software applicativo. La selezione di hardware in grado di eseguire sistemi operativi di alto livello come Linux insieme a funzioni deterministiche in tempo reale è già abbastanza impegnativa, ma quando l'intelligenza viene riqualificata in un'infrastruttura esistente, come nel caso dell'automazione industriale e delle applicazioni per edifici intelligenti, emergono ulteriori requisiti di idoneità della piattaforma.

Gli sviluppatori hanno bisogno di una piattaforma familiare, collaudata, flessibile e capace che consenta la prototipazione e lo sviluppo rapidi di progetti pronti per la produzione.

Questo articolo illustra le sfide che gli sviluppatori devono affrontare con i progetti di trasformazione e riqualificazione all'edge. Viene quindi mostrato come per affrontare queste sfide possa essere utilizzato un computer monoscheda (SBC) di Arduino.

Costruire l'edge intelligence in presenza di risorse limitate

L'edge intelligence comprende l'inferenza dell'intelligenza artificiale (IA) e il processo decisionale, in esecuzione su una piattaforma locale. I vantaggi principali dell'intelligenza basata sull'edge sono una minore dipendenza dalla connettività sempre attiva, maggiori privacy e sicurezza e una bassissima latenza, di cui beneficiano i progettisti di sistemi robotici e di sicurezza industriale.

Per i dispositivi robotici, l'edge intelligence consente il controllo del movimento in tempo reale, l'evitamento degli ostacoli e il comportamento adattivo, garantendo i tempi di risposta deterministici fondamentali per il funzionamento autonomo. Per i sistemi di sicurezza industriale, l'edge intelligence consente il rilevamento immediato dei pericoli, la manutenzione predittiva e lo spegnimento rapido, riducendo al minimo i danni alle apparecchiature e i rischi per i lavoratori. Nel complesso, l'edge intelligence fornisce la reattività, la resilienza e l'affidabilità necessarie per le applicazioni IA in tempo reale.

Ma le risorse hardware limitate impongono vincoli significativi. I sistemi basati sul cloud possono essere ridimensionati in base alle esigenze, mentre l'intelligenza basata sull'edge deve bilanciare l'elaborazione integrata con gli inviluppi di potenza e i vincoli termici. I carichi di lavoro dell'IA in tempo reale, come la visione artificiale, la fusione di sensori e il controllo robotico, possono saturare le risorse di elaborazione, aumentando il consumo energetico e la generazione di calore. Il carico termico eccessivo su un processore può portare a una riduzione delle prestazioni di inferenza, all'instabilità del sistema o al throttling termico, con il rallentamento automatico del processore per raffreddarsi quando si surriscalda.

I limiti dell'inviluppo di potenza sono altrettanto critici quando i sistemi edge funzionano a batteria, con sistemi di alimentazione mobili o altri tipi di alimentazione limitata, dove l'efficienza energetica influisce direttamente sul tempo di funzionamento e sull'affidabilità. La riqualificazione introduce spesso delle sfide. Le piattaforme esistenti hanno in genere spazio limitato, che rende difficile aggiungere acceleratori IA, sistemi di raffreddamento o memoria supplementare. I sistemi legacy potrebbero avere interfacce obsolete o proprietarie che richiedono adattatori o integrazioni personalizzate per il collegamento di hardware moderno alla tecnologia esistente.

Il vantaggio degli SBC per lo sviluppo rapido e per il successo della riqualificazione

L'edge intelligence può essere implementata utilizzando un SBC. Queste piattaforme informatiche embedded compatte integrano un processore, memoria, interfacce di storage, connettività di rete e connettività delle periferiche su un'unica scheda a circuiti stampati (PCB), pertanto sono ideali per le applicazioni edge.

Le piattaforme SBC possono fornire funzionalità pronte all'uso, come un sistema operativo, stack di rete, interfacce per telecamere, storage e accelerazione hardware, senza richiedere la progettazione di una scheda personalizzata. Gli SBC includono in genere interfacce I/O verificate e preconvalidate che sono supportate dagli ecosistemi software esistenti. In generale, offrono capacità più ampie rispetto ai controller embedded autonomi e spesso eseguono Linux open-source.

Per le applicazioni riqualificate, un SBC abbinato a risorse di elaborazione in tempo reale può interagire in modo affidabile con i sensori, gli attuatori e le interfacce legacy, supportando al contempo una temporizzazione prevedibile per la programmazione, l'elaborazione o la risposta ai task. I sistemi riqualificati possono trarre enormi vantaggi anche dalle piattaforme intelligenti, anche se impongono requisiti impegnativi per le applicazioni edge intelligenti, quali dimensioni fisiche compatte, alte prestazioni per watt (PPW) in architetture di elaborazione eterogenee e bassa potenza termica (TDP) di progetto.

L'informatica eterogenea abbina i processori specializzati alle attività che questi sono in grado di svolgere al meglio. In questo modo si eliminano i colli di bottiglia delle architetture tradizionali e si ottiene reattività in tempo reale, risparmio energetico e alte prestazioni in ambienti con vincoli. Una capacità PPW elevata supporta una potenza disponibile limitata, poiché l'inferenza IA può essere eseguita in parallelo con la fusione dei sensori in tempo reale. La bassa TDP è importante perché il calore eccessivo riduce l'affidabilità, aumenta il rischio di danni all'hardware o può innescare il throttling termico.

Gli SBC possono facilitare l'adeguamento a tutti questi requisiti di riqualificazione. Per le applicazioni IoT e industriali, la copertura completa delle opzioni di connettività cablata e wireless può ridurre i requisiti di espansione del sistema e semplificare l'integrazione. Per i sistemi di robotica e di visione artificiale, l'elaborazione ad alta velocità dei segnali di immagine e l'inferenza IA possono consentire la navigazione in tempo reale, il rilevamento di oggetti e il processo decisionale autonomo con caratteristiche di risposta deterministiche.

Un SBC a doppia architettura con un fattore di forma familiare

Le unità microcontroller (MCU) forniscono un eccellente controllo hardware in tempo reale, pertanto molti progettisti di SBC le abbinano a potenti CPU in un'architettura doppia. Ad esempio, UNO Q di Arduino (Figura 1) è un SBC che combina il processore Dragonwing QRB2210 di Qualcomm (che esegue un sistema operativo Debian Linux completo con supporto upstream) con la reattività in tempo reale di un MCU STM32U585 di STMicroelectronics dedicato (per l'esecuzione degli sketch Arduino su Zephyr OS). L'efficiente Dragonwing QRB2210 è dotato di una CPU Arm Cortex-A53 quad core (fino a 2,0 GHz) con un'unità di elaborazione grafica (GPU) Adreno. L'inferenza IA può essere eseguita sulla GPU e sulla CPU.

Figura 1: La scheda UNO Q integra una CPU, una GPU e un MCU in tempo reale in un unico ambiente di sviluppo. (Immagine per gentile concessione di Arduino)

I due processori di segnale d'immagine (ISP) da 13 MP e 30 fps supportano l'elaborazione della pipeline di immagini e sono adatti a funzioni avanzate come la visione artificiale. Un sottosistema processore di segnali digitali (DSP) integrato supporta ulteriormente l'inferenza IA leggera e l'elaborazione multimediale. Il funzionamento senza ventola semplifica la gestione termica passiva.

Due versioni di Arduino UNO Q sono compatibili con i tradizionali shield e accessori Arduino. ABX00162, con 2 GB di RAM e una eMMC da 16 GB, è particolarmente adatto per applicazioni leggere ed economiche dedicate. ABX00173, con 4 GB di RAM e una eMMC da 32 GB, supporta applicazioni di visione artificiale, grafica ed elaborazione edge. Quest'ultimo modello fornisce un'esperienza desktop standalone reattiva, multitasking con processi di alto livello, supporto di modelli IA complessi o l'espansione dello storage locale.

In un tipico design Arduino, le schede includono LED RGB incorporati controllabili dall'utente e una matrice di 8 × 13 LED blu per una rapida indicazione dello stato. Il Wi-Fi 5 e il Bluetooth 5.1 forniscono la connettività per il controllo remoto o il monitoraggio dei dati. L'ingresso di alimentazione da 7 V_c.c. a 24 V_c.c. (tramite un pin dedicato, anziché la porta USB-C) consente l'interfacciamento diretto con i rail di alimentazione legacy senza richiedere l'impiego di convertitori step-down c.c./c.c..

Arduino App Lab unifica l'architettura doppia basata su SBC e MCU in un unico ambiente di sviluppo integrato (IDE) specializzato. Questo approccio semplificato consente agli ingegneri di sviluppare, gestire e distribuire applicazioni sia SBC che MCU in un flusso di lavoro coerente, riducendo la complessità per gli utenti.

Accelerazione dello sviluppo con UNO Q grazie all'espansione modulare senza saldature

Arduino UNO Q mantiene il familiare fattore di forma e la disposizione delle basette di Arduino UNO, estendendo al contempo la piattaforma per le applicazioni industriali ed edge intelligenti (Figura 2). Le tradizionali basette pin compatibili con UNO espongono la connettività GPIO, rail di alimentazione, SPI, I²C e UART, preservando la compatibilità con i flussi di lavoro embedded e gli shield Arduino esistenti.

Figura 2: L'SBC Arduino UNO Q mantiene il fattore di forma standard di Arduino UNO e le classiche basette, aggiungendo al contempo connettori moderni ad alta velocità. (Immagine per gentile concessione di Arduino)

I connettori inferiori ad alta velocità estendono le funzionalità al di là delle interfacce MCU tradizionali, consentendo una comunicazione periferica più veloce e l'integrazione di sistemi con larghezza di banda superiore in configurazioni compatte. Lo shield PHY Ethernet ASX00073 (Figura 3) dimostra la semplicità di espansione in infrastrutture dismesse utilizzando il cablaggio esistente. Opzioni di shield simili supportano il controllo motori e la comunicazione fieldbus (come bus CAN o RS-485) e consentono di aggiungere ulteriori funzionalità attraverso una rapida espansione dell'hardware.

Figura 3: Lo shield PHY Ethernet ASX00073 semplifica l'espansione in infrastrutture dismesse utilizzando il cablaggio esistente. (Immagine per gentile concessione di Arduino)

Arduino UNO Q incorpora anche un connettore Qwiic integrato che consente il collegamento di sensori, attuatori e moduli Arduino Modulino tramite I²C per l'espansione rapida e senza saldature, accelerando in modo significativo la prototipazione e lo sviluppo dell'interfaccia uomo-macchina. Ad esempio, la scheda pulsanti Modulino ABX00110 (Figura 4, a sinistra) supporta l'input dell'operatore e l'attivazione di eventi per pannelli di controllo industriali e dispositivi IoT; la scheda encoder rotativo ABX00107 (Figura 4, al centro) consente la navigazione intuitiva nei menu, la regolazione dei parametri e le interfacce di controllo della robotica; e la scheda tempo di volo (ToF) ABX00102 (Figura 4, a destra) fornisce il rilevamento di prossimità utile per la robotica, il rilevamento della presenza e i sistemi di sicurezza nell'automazione.

Figura 4: La scheda pulsanti ABX00110 (a sinistra), la scheda encoder rotativo ABX00107 (al centro) e la scheda ToF ABX00102 (a destra). (Immagine per gentile concessione di Arduino)

Conclusione

Con la continua espansione delle applicazioni Edge IA nell'automazione industriale, nella robotica e nell'IoT, le piattaforme SBC flessibili offrono un percorso rapido ed efficace verso sistemi affidabili, reattivi e intelligenti. Integrando l'elaborazione di alto livello, il controllo in tempo reale, la connettività flessibile e l'espansione modulare in un hardware compatto ed efficiente dal punto di vista energetico, Arduino UNO Q esemplifica il modo in cui un SBC può semplificare la prototipazione e modernizzare l'infrastruttura esistente senza richiedere una riprogettazione estesa.