描述

水是地球上最重要的物質(zhì)之一。所有植物和動(dòng)物都必須有水才能生存。如果沒(méi)有水，地球上就沒(méi)有生命。除了為了生存而飲用，人們對(duì)水還有許多其他用途。隨著人口的增長(zhǎng)和地球上適合消耗的所有水的比例如此之小，我們必須保護(hù)和保護(hù)這一寶貴資源才有意義。

節(jié)約用水意味著明智地使用我們有限的水源并妥善呵護(hù)它。由于我們每個(gè)人都依賴水來(lái)維持生命，因此我們有責(zé)任更多地了解節(jié)約用水。節(jié)約用水是我們每個(gè)人的責(zé)任。

目的/目標(biāo)

我打算建立一個(gè)人工智能用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)分析實(shí)時(shí)音頻來(lái)檢測(cè)水是被使用還是浪費(fèi)。這與現(xiàn)有解決方案不同，因?yàn)槲覀兪褂萌斯ぶ悄軄?lái)預(yù)測(cè)用水量。這很有用，因?yàn)槭褂眠@個(gè)系統(tǒng)，我們將節(jié)約用水。這是一種有趣的節(jié)水方式。

硬件設(shè)置

QuickLogic QuickFeather 開發(fā)套件

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QuickFeather開發(fā)套件是一個(gè)小型系統(tǒng)，非常適合支持下一代低功耗機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。與基于專有硬件和軟件工具的其他開發(fā)套件不同，QuickFeather 基于開源硬件，與 Adafruit Feather 外形規(guī)格兼容，并圍繞 100% 開源軟件（包括 Symbiflow FPGA 工具）構(gòu)建。

QuickFeather 由 QuickLogic 的 EOS? S3 提供支持，這是第一款完全支持 Zephyr RTOS 的支持 FPGA 的 Arm Cortex?-M4F MCU

6V 3.5W 太陽(yáng)能板

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我將使用 6V 3.5W 太陽(yáng)能電池板為 QuickLogic QuickFeather 開發(fā)套件供電。

配置您的 QuickFeather 開發(fā)工具包

在開始任何操作之前，您應(yīng)該使用最新的數(shù)據(jù)收集固件刷新您的 QuickFeather 開發(fā)套件，以便與 SensiML 數(shù)據(jù)捕獲實(shí)驗(yàn)室一起使用。您可以從此處下載二進(jìn)制文件。

在此項(xiàng)目中，我們將使用簡(jiǎn)單流 - 通過(guò) USB 串行二進(jìn)制文件收集音頻數(shù)據(jù)。

您可以從位于https://github.com/QuickLogic-Corp/qorc-sdk的 qorc github 存儲(chǔ)庫(kù)中的數(shù)據(jù)收集源構(gòu)建您自己的二進(jìn)制文件。

需要數(shù)據(jù)收集固件才能使用 Data Capture Lab 記錄數(shù)據(jù)。運(yùn)行知識(shí)包時(shí)禁用數(shù)據(jù)收集。

確保你的系統(tǒng)上安裝了 Python；建議安裝 Python 3.6 或更新版本。

您將需要 QuickLogic 的 TinyFPGA Programmer 來(lái)閃存您的設(shè)備。當(dāng)您下載 TinyFPGA Programmer 時(shí)，您需要使用 git 從 github 克隆 repo。下載存儲(chǔ)庫(kù)的 zip 版本可能會(huì)導(dǎo)致意外結(jié)果。

用于git clone下載 TinyFPGA Programmer，git clone --recursive https://github.com/QuickLogic-Corp/TinyFPGA-Programmer-Application.git然后pip3 install tinyfpgab安裝 Python 庫(kù)。

將固件文件放在 TinyFPGA 編程器目錄中，該目錄還包含tinyfpga-programmer-gui.py. 通過(guò) USB 插入設(shè)備并按下 QuickFeather 上的“重置”按鈕。LED 將閃爍藍(lán)色五秒鐘。當(dāng) LED 仍在快速閃爍時(shí)按下“用戶”按鈕。按下“用戶”按鈕后，LED 將開始閃爍綠色，閃爍速度非常慢，就像“呼吸”一樣。這意味著設(shè)備處于上傳模式。如果 LED 沒(méi)有閃爍綠色，則重復(fù)此步驟。

當(dāng) LED 呈綠色閃爍時(shí)，通過(guò)運(yùn)行以下命令將數(shù)據(jù)收集二進(jìn)制文件編程到 QuickFeather 中：

python /Your-directory-path-to-TinyFPGA-Programmer/tinyfpga-programmer-gui.py --port COMX --m4app /Your-directory-path-to-binary/quickfeather-audio-data-collection-usb-serial.bin --mode m4

如果固件文件和tinyfpga-programmer-gui.py它們?cè)谕荒夸浿?，那么您可以通過(guò)運(yùn)行以下命令來(lái)刷新您的 QuickFeather：

python tinyfpga-programmer-gui.py --port COMX --m4app quickfeather-audio-data-collection-usb-serial.bin --mode m4

在運(yùn)行此命令之前，請(qǐng)確保在命令提示符中將目錄更改為 TinyFPGA 程序員的目錄。

COMX 是 QuickFeather 的 COM 端口。您可以通過(guò)轉(zhuǎn)到控制面板中設(shè)備管理器中的端口來(lái)檢查端口號(hào)（如果您使用的是 Windows 操作系統(tǒng)）。

刷新固件后，按“重置”按鈕加載新應(yīng)用程序。LED 應(yīng)閃爍藍(lán)色五秒鐘，完成后熄滅。

SensiML 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)室

Data Capture Lab 是一個(gè)成熟的時(shí)間序列傳感器數(shù)據(jù)收集和標(biāo)記工具，它帶來(lái)了一定程度的自動(dòng)化數(shù)據(jù)集管理，開發(fā)人員已經(jīng)習(xí)慣了編程工具，但直到現(xiàn)在，邊緣 ML 軟件仍然嚴(yán)重缺失。SensiML 的方法側(cè)重于允許開發(fā)人員將數(shù)據(jù)集構(gòu)建為持久的知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP)，可以根據(jù)需要輕松維護(hù)、修改、探索、擴(kuò)展和導(dǎo)出。為建模過(guò)程提供良好數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)化為良好的 ML 推理代碼作為輸出。[來(lái)源]

設(shè)置數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)室

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首先，創(chuàng)建一個(gè)新帳戶并下載合適的 DCL 軟件。下載軟件后，登錄您的帳戶。

創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目并將其保存在 SensiML 項(xiàng)目目錄中。

打開項(xiàng)目后，單擊切換模式并打開捕獲模式。

設(shè)備插件是描述 DCL 如何從您的設(shè)備收集數(shù)據(jù)的屬性列表。例如，設(shè)備插件可能包含您的設(shè)備支持的采樣率列表。這允許 DCL 從任何已構(gòu)建為接受以下支持參數(shù)的設(shè)備收集數(shù)據(jù)。

您可以從此處下載簡(jiǎn)單流協(xié)議的 example.SSF 文件。Data Capture Lab 允許您通過(guò)菜單項(xiàng)Edit → Import Device Plugin導(dǎo)入 Device Plugins via.SSF 文件……接下來(lái)，您將能夠選擇您的插件協(xié)議。

配置您的傳感器并設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸勇省?/font>我們將在這個(gè)項(xiàng)目中使用麥克風(fēng)。

QuickLogic QuickFeather開發(fā)套件中的麥克風(fēng)為英飛凌IM69D130 MEMS麥克風(fēng)，靈敏度為-36.0 dBFS，信噪比為69 dB(A)。

捕獲數(shù)據(jù)

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在 DCL 軟件右側(cè)的硬件設(shè)置中，將捕獲方法設(shè)置為實(shí)時(shí)流捕獲，并將連接方法設(shè)置為串行端口。

插入 QuickFeather 開發(fā)套件后，選擇“查找設(shè)備”選項(xiàng)并單擊“掃描設(shè)備”。選擇適當(dāng)?shù)?COM 端口并連接您的設(shè)備。

在標(biāo)簽設(shè)置中，為您正在錄制的事件創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)簽。在本例中，標(biāo)簽為Used、Wasted和Idle。在此之后，為當(dāng)前錄制選擇元數(shù)據(jù)。我為元數(shù)據(jù)創(chuàng)建了一個(gè)類并添加了兩個(gè)值Train和Test。

準(zhǔn)備就緒后，按下記錄按鈕以捕獲您的數(shù)據(jù)。

完成該過(guò)程后，切換到 Label Explorer 模式并選擇 Project explorer。在其中，選擇文件并確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地代表標(biāo)簽。為此，請(qǐng)將您的數(shù)據(jù)分成幾部分。對(duì)項(xiàng)目資源管理器中的所有相關(guān)文件重復(fù)該過(guò)程。

轉(zhuǎn)到“文件”菜單并選擇“關(guān)閉文件”選項(xiàng)后，您現(xiàn)在可以使用 Analytics Studio 從捕獲的數(shù)據(jù)生成模型。

保存在 DCL 中的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)上傳并存儲(chǔ)在云端。

分析工作室

SensiML Analytics Studio 是 SensiML 軟件套件的核心，它使用您標(biāo)記的數(shù)據(jù)集使用 AutoML 和廣泛的邊緣優(yōu)化功能和分類器庫(kù)快速生成高效的推理模型。使用基于云的模型搜索，Analytics Studio 可以在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)將您標(biāo)記的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高性能邊緣算法，而不是像手動(dòng)編碼那樣需要數(shù)周或數(shù)月。Analytics Studio 使用 AutoML 來(lái)解決機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)處理、選擇和調(diào)整的復(fù)雜性，而無(wú)需依賴專家手動(dòng)定義和配置這些無(wú)數(shù)選項(xiàng)。

無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)豐富的 ML 專家還是剛剛學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，Analytics Studio 提供的工具都可以顯著提高您的嵌入式算法開發(fā)效率。[來(lái)源]

訓(xùn)練模型

轉(zhuǎn)到Analytics Studio并登錄到您的帳戶。選擇您現(xiàn)在在 Data Capture Lab 中創(chuàng)建的項(xiàng)目。

要訓(xùn)??練模型，我們必須首先以查詢的形式告訴 Analytics Studio 我們要使用哪些數(shù)據(jù)。這可以通過(guò)單擊Prepare Data選項(xiàng)卡并輸入名稱、會(huì)話、標(biāo)簽、相關(guān)元數(shù)據(jù)、傳感器以及繪制方式來(lái)完成。保存后數(shù)據(jù)集應(yīng)該出現(xiàn)在右側(cè)，我們可以看到每個(gè)標(biāo)簽中有多少段。

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可以通過(guò)轉(zhuǎn)到Build Model選項(xiàng)卡并輸入名稱、剛剛創(chuàng)建的查詢、窗口大?。ㄊ蛊渑c傳感器的捕獲率大小相同）、優(yōu)化指標(biāo)（f1-score 是最平衡的）來(lái)構(gòu)建管道，和分類器大小，它限制了模型的大小，非常適合加載到 ROM 受限的芯片上。單擊Optimize將完成并構(gòu)建模型，根據(jù)數(shù)據(jù)集的大小，可能需要一段時(shí)間才能完成。

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生成知識(shí)包

該項(xiàng)目的最后一步是將機(jī)器學(xué)習(xí)模型部署到您的 QuickLogic QuickFeather 開發(fā)工具包。這可以通過(guò)獲取知識(shí)包來(lái)完成。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們將以二進(jìn)制形式下載模型。在“下載模型”選項(xiàng)卡中，選擇您剛剛使用以下設(shè)置優(yōu)化的管道，如下圖所示。

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下載 zip 文件并將二進(jìn)制文件解壓縮到包含tinyfpga-programmer-gui.py. 按照用于刷新簡(jiǎn)單流固件的相同步驟進(jìn)行操作。我已在論壇中尋求幫助。

未來(lái)更新

• 由于斯里蘭卡目前處于封鎖狀態(tài)，我無(wú)法購(gòu)買 Adafruit Huzzah32 - ESP32 Feather 板。

未來(lái)，我想：

• 將 Adafruit Huzzah32 - ESP32 Feather 板與 QuickFeather 開發(fā)套件結(jié)合使用，并將此 POC 轉(zhuǎn)變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng) POC。
• 在各種情況下測(cè)試機(jī)器學(xué)習(xí)模型，并將可變數(shù)據(jù)提供給機(jī)器學(xué)習(xí)模型以提高其準(zhǔn)確性。
• 使用更高的采樣頻率試驗(yàn)我的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。
• 使用顯示用水情況的顯示器改進(jìn)我的項(xiàng)目。
• 添加一個(gè)電磁水閥來(lái)控制水龍頭，不用時(shí)關(guān)閉。
• 想辦法自動(dòng)為為 QuickFeather 開發(fā)板供電的鋰離子電池充電。