在STM32上实现嵌入式人工智能应用

本教程详细介绍了如何在STM32嵌入式系统中实现嵌入式人工智能应用，从硬件选择、软件实现到系统配置和应用场景都进行了全面的阐述。通过合理的技术选择和系统设计，可以构建一个高效且功能强大的嵌入式人工智能应用。

STM32发烧友

2244人浏览 · 2024-07-23 21:31:42

STM32发烧友 · 2024-07-23 21:31:42 发布

1. 引言

嵌入式人工智能应用通过STM32嵌入式系统结合传感器、执行器、通信模块和人工智能算法，实现对数据的实时监控、自动控制和智能推理。本文将详细介绍如何在STM32系统中实现一个嵌入式人工智能应用，包括环境准备、系统架构、代码实现、应用场景及问题解决方案和优化方法。

2. 环境准备

硬件准备

开发板：STM32F7系列或STM32H7系列开发板
调试器：ST-LINK V2或板载调试器
传感器：如温湿度传感器、光照传感器、摄像头模块等
执行器：如电机驱动器、继电器模块等
通信模块：如Wi-Fi模块、蓝牙模块
显示屏：如OLED显示屏
按键或旋钮：用于用户输入和设置
电源：电源适配器

软件准备

集成开发环境（IDE）：STM32CubeIDE或Keil MDK
调试工具：STM32 ST-LINK Utility或GDB
库和中间件：STM32 HAL库和FreeRTOS
AI框架：TensorFlow Lite for Microcontrollers

安装步骤

下载并安装STM32CubeMX
下载并安装STM32CubeIDE
下载并安装TensorFlow Lite for Microcontrollers
配置STM32CubeMX项目并生成STM32CubeIDE项目
安装必要的库和驱动程序

3. 嵌入式人工智能应用基础

控制系统架构

嵌入式人工智能应用由以下部分组成：

数据采集模块：用于采集环境数据和图像数据
数据处理与推理模块：对采集的数据进行预处理，并使用AI模型进行推理
通信与网络系统：实现数据与服务器或其他设备的通信
显示系统：用于显示推理结果和系统状态
用户输入系统：通过按键或旋钮进行设置和调整

功能描述

通过传感器和摄像头采集环境数据和图像数据，并使用AI模型进行实时推理，显示结果在OLED显示屏上。系统通过数据处理和通信模块，实现对数据的智能分析和推理。用户可以通过按键或旋钮进行设置，并通过显示屏查看当前状态。

4. 代码实现：实现嵌入式人工智能应用

4.1 数据采集模块

配置摄像头模块

使用STM32CubeMX配置I2C和DVP接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的I2C和DVP引脚，设置为相应模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "camera.h"

I2C_HandleTypeDef hi2c1;
DCMI_HandleTypeDef hdcmi;

void I2C1_Init(void) {
    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
    hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
    hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
    hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
    HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

void DCMI_Init(void) {
    hdcmi.Instance = DCMI;
    hdcmi.Init.SynchroMode = DCMI_SYNCHRO_HARDWARE;
    hdcmi.Init.PCKPolarity = DCMI_PCKPOLARITY_RISING;
    hdcmi.Init.VSPolarity = DCMI_VSPOLARITY_LOW;
    hdcmi.Init.HSPolarity = DCMI_HSPOLARITY_LOW;
    hdcmi.Init.CaptureRate = DCMI_CR_ALL_FRAME;
    hdcmi.Init.ExtendedDataMode = DCMI_EXTEND_DATA_8B;
    HAL_DCMI_Init(&hdcmi);
}

void Camera_Init(void) {
    I2C1_Init();
    DCMI_Init();
    CAMERA_Init();
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    Camera_Init();

    while (1) {
        CAMERA_Snapshot();
        HAL_Delay(1000);
    }
}

4.2 数据处理与推理模块

配置TensorFlow Lite for Microcontrollers

下载并安装TensorFlow Lite for Microcontrollers库：

下载TensorFlow Lite for Microcontrollers库并添加到项目中。
配置项目以使用TensorFlow Lite for Microcontrollers库。

代码实现：

#include "tensorflow/lite/micro/all_ops_resolver.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_error_reporter.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_interpreter.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_mutable_op_resolver.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_time.h"
#include "tensorflow/lite/micro/simple_tensor_allocator.h"
#include "tensorflow/lite/schema/schema_generated.h"
#include "tensorflow/lite/version.h"

// 创建TensorFlow Lite micro的相关对象
namespace {
  tflite::MicroErrorReporter micro_error_reporter;
  tflite::ErrorReporter* error_reporter = &micro_error_reporter;
  const tflite::Model* model = nullptr;
  tflite::MicroInterpreter* interpreter = nullptr;
  TfLiteTensor* input = nullptr;
  TfLiteTensor* output = nullptr;

  // 模型缓冲区
  constexpr int kModelArenaSize = 10240;
  uint8_t model_arena[kModelArenaSize];
  constexpr int kTensorArenaSize = 81920;
  uint8_t tensor_arena[kTensorArenaSize];
}

void AI_Init(const unsigned char* model_data) {
  model = tflite::GetModel(model_data);
  if (model->version() != TFLITE_SCHEMA_VERSION) {
    error_reporter->Report("Model provided is schema version %d not equal "
                           "to supported version %d.",
                           model->version(), TFLITE_SCHEMA_VERSION);
    return;
  }

  static tflite::MicroMutableOpResolver<10> micro_op_resolver(error_reporter);
  tflite::ops::micro::RegisterAllOps(&micro_op_resolver);

  static tflite::MicroInterpreter static_interpreter(
      model, micro_op_resolver, tensor_arena, kTensorArenaSize, error_reporter);
  interpreter = &static_interpreter;

  interpreter->AllocateTensors();

  input = interpreter->input(0);
  output = interpreter->output(0);
}

void AI_RunInference(const uint8_t* image_data) {
  // 将图像数据加载到模型输入
  for (int i = 0; i < input->bytes; i++) {
    input->data.uint8[i] = image_data[i];
  }

  // 运行推理
  TfLiteStatus invoke_status = interpreter->Invoke();
  if (invoke_status != kTfLiteOk) {
    error_reporter->Report("Invoke failed on image data\n");
    return;
  }

  // 处理推理结果
  int8_t* results = output->data.int8;
  // 根据推理结果进行操作，例如控制继电器等
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    Camera_Init();
    AI_Init(g_model_data);  // 假设模型数据已被包含在项目中

    while (1) {
        CAMERA_Snapshot();
        AI_RunInference(CAMERA_GetImage());
        HAL_Delay(1000);
    }
}

4.3 通信与网络系统实现

配置Wi-Fi模块

使用STM32CubeMX配置UART接口：

打打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的UART引脚，设置为UART模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "usart.h"
#include "wifi_module.h"

UART_HandleTypeDef huart2;

void UART2_Init(void) {
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 115200;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

void Send_AI_Data_To_Server(const uint8_t* results) {
    char buffer[128];
    sprintf(buffer, "Results: %d, %d, %d", results[0], results[1], results[2]);
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    UART2_Init();
    Camera_Init();
    AI_Init(g_model_data);

    while (1) {
        CAMERA_Snapshot();
        AI_RunInference(CAMERA_GetImage());
        Send_AI_Data_To_Server(output->data.uint8);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

4.4 用户界面与数据可视化

配置OLED显示屏

使用STM32CubeMX配置I2C接口：

打打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的I2C引脚，设置为I2C模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

首先，初始化OLED显示屏：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include "oled.h"

void Display_Init(void) {
    OLED_Init();
}

然后实现数据展示函数，将AI推理结果展示在OLED屏幕上：

void Display_AI_Data(const uint8_t* results) {
    char buffer[32];
    sprintf(buffer, "Result 1: %d", results[0]);
    OLED_ShowString(0, 0, buffer);
    sprintf(buffer, "Result 2: %d", results[1]);
    OLED_ShowString(0, 1, buffer);
    sprintf(buffer, "Result 3: %d", results[2]);
    OLED_ShowString(0, 2, buffer);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    I2C1_Init();
    Display_Init();
    Camera_Init();
    AI_Init(g_model_data);

    while (1) {
        CAMERA_Snapshot();
        AI_RunInference(CAMERA_GetImage());
        Display_AI_Data(output->data.uint8);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

5. 应用场景：人工智能与优化

智能家居监控

嵌入式人工智能应用可以用于智能家居监控，通过摄像头实时监测家庭环境，并根据AI模型分析结果进行报警或控制家电设备。

机器视觉

嵌入式人工智能应用可以用于机器视觉，通过摄像头采集图像数据，并使用AI模型进行目标识别和跟踪。

智能机器人

嵌入式人工智能应用可以用于智能机器人，通过摄像头和传感器采集环境数据，并使用AI模型进行路径规划和决策。

物联网设备

嵌入式人工智能应用可以用于物联网设备，通过实时采集数据并进行智能分析，实现自动化控制和优化。

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6. 问题解决方案与优化

常见问题及解决方案

模型加载失败

确保模型文件格式正确，路径正确，并且内存分配充足。

解决方案：检查模型文件的路径和格式，确保其与代码中的配置匹配。增加内存分配空间，确保能够加载模型。

推理速度慢

优化AI模型，减少模型参数和计算复杂度，提高推理速度。

解决方案：使用模型剪枝和量化技术，减少模型参数和计算复杂度。选择适合嵌入式设备的轻量级模型，提高推理速度。

数据传输失败

确保Wi-Fi模块与STM32的连接稳定，优化通信协议，提高数据传输的可靠性。

解决方案：检查Wi-Fi模块与STM32之间的连接是否牢固，必要时重新焊接或更换连接线。优化通信协议，减少数据传输的延迟和丢包率。选择更稳定的通信模块，提升数据传输的可靠性。

显示屏显示异常

检查I2C通信线路，确保显示屏与MCU之间的通信正常，避免由于线路问题导致的显示异常。

解决方案：检查I2C引脚的连接是否正确，确保电源供电稳定。使用示波器检测I2C总线信号，确认通信是否正常。如有必要，更换显示屏或MCU。

优化建议

数据集成与分析

集成更多类型的传感器数据，使用数据分析技术进行环境状态的预测和优化。

建议：增加更多传感器，如空气质量传感器、温湿度传感器等。使用云端平台进行数据分析和存储，提供更全面的环境监测和管理服务。

用户交互优化

改进用户界面设计，提供更直观的数据展示和更简洁的操作界面，增强用户体验。

建议：使用高分辨率彩色显示屏，提供更丰富的视觉体验。设计简洁易懂的用户界面，让用户更容易操作。提供图形化的数据展示，如实时环境参数图表、历史记录等。

智能化控制提升

增加智能决策支持系统，根据历史数据和实时数据自动调整控制策略，实现更高效的管理和控制。

建议：使用数据分析技术分析数据，提供个性化的控制建议。结合历史数据，预测可能的问题和需求，提前优化控制策略。

7. 收尾与总结

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