低成本、一站式基於i.MX RT的語音解決方案可加快上市時間

2019年1月Amazon裝置與服務事業部資深副總裁Dave Limp在媒體採訪時提到[1],已經有超過1億個裝有Alexa Voice Service（AVS）的裝置銷售到全球市場。

雖然這個數字與預裝Siri或Google語音助理（Google Voice Assistant；GVA）的智慧手機數量相比顯得微不足道，但智慧手機使用者可能永遠不會使用其預先安裝的助理，但購買Alexa相容設備的使用者通常會主動選擇使用 Alexa。將語音助理內置到手機中是一個不錯的功能，但它沒有為使用者提供像使用Amazon Echo智慧揚聲器等設備體驗到的免提操作功能和便利性。

根據Amazon說明，除了Amazon Echo揚聲器外，這1億個Alexa設備還包括由4500多家不同製造商製造的設備，包括150多種內建Alexa的產品，以及28,000多種與Alexa合作的產品。

透過降低成本和拉平學習曲線，恩智浦半導體的解決方案旨在推動Alexa內建產品數量的快速增長，該解決方案首次使低成本微控制器（MCU）可用於將 Alexa構建到更廣泛的設備中，無需使用昂貴的應用處理器或微處理器 （MPU），讓許多製造商更容易將Alexa添加到其設計中。它利用Amazon 11 月25日推出的基於AWS IoT Core 物聯網平台的AVS整合服務實現了這一點，使Alexa能夠內置到MCU供電的IoT設備中。

在本文中，我們將回顧與Alexa配合使用的產品（Work with Alexa）與內建 Alexa的產品（Alexa bulit-in）之間的差異。我們還將探討MCU和MPU之間的差異，以理解為什麼使用基於AWS IoT Core的AVS整合服務來提供Alexa 內建功能，將使Alexa擴散到智慧家居和智慧家電產品中。

與Alexa配合使用vs.內建Alexa的產品之差異

目前市場上可見的與Alexa配合使用的產品與內建Alexa的產品種類大概相差有200倍。這是因為對製造商而言，將Alexa相容性加入到使用app控制的智慧設備相對直接容易。此外，「與Alexa 配合使用」的這項功能可在智慧設備在銷售和安裝後很久後，再添加到智慧設備中。

「與Alexa配合使用」是指該設備已通過Amazon認證，以驗證其是否可以透過Alexa Voice Service使用語音命令控制像Amazon EchoEcho揚聲器等設備。原始設備製造商（OEM）通過創建自己的Alexa功能，或利用現有的Alexa功能（如智慧家庭功能API）來實現這一點，使使用者能夠使用Alexa控制其設備。

Alexa內建（Alexa bulit-in）產品具有麥克風來收聽Alexa喚醒詞，然後將命令中繼到雲，然後透過揚聲器來播放Alexa的後續回應。對於真正的免提操作而言，大多數Alexa內建設備都需要具有遠場功能（far-field capability），這意味著它們可以理解來自整個房間的語音命令，通常距離可達5米（約20英尺）。為了從嘈雜的背景中提取可理解的語音命令，良好的遠場語音實現功能通常具有音訊前端（audio front end；AFE）處理功能，可抑制背景雜音、消除回聲、允許其他音訊介入（可在音訊播放期間識別命令）以及從多麥克風陣列執行波束成形，提高目標用戶的解調信噪比。

MPU與MCU的差異

應用程式處理器也稱為微處理器（MPUs）, 用於運行複雜的作業系統 （OS），如Windows、MacOS、iOS、Android或Linux，需要十億位元組 （GB）的NAND快閃記憶體儲存和SDRAM記憶體組成的大量記憶體。

所有作業系統都管理由記憶體管理單元（memory management unit；MMU） 映射到處理器實體記憶體的虛擬記憶體空間。

當今的MPU通常具有兩個、四個、八個或更多處理器內核，並且存在於功能強大的設備中，包括筆記本電腦、智慧手機、平板電腦和智慧螢幕、電競遊戲主控台、路由器和閘道。MPU通常使用基於Arm Cortex-A中央處理單元（CPU），在強大的運算設備中運作，如為現有iPhone 機型供電的Apple A13 仿生設備，或最新樹莓派板中的Broadcom BCM2837B0 SoC。

微控制器（MCUs）用於嵌入式設計，主要使用即時作業系統（RTOS），如Amazon FreeRTOS。這些RTOS實現通常需要很少的記憶體，通常是百萬位元組（MB）或更少的快閃記憶體和RAM，這兩種實現通常都已整合於晶片上。MCU幾乎都是單一CPU，用於嵌入式控制產品，如電器、電動工具、玩具、發動機、制動器、轉向和懸吊等汽車子系統，以及許多智慧家居產品，包括燈開關、智慧插頭、恒溫器和煙霧探測器。現在的MCU通常基於Arm Cortex-M CPU，如被Nest煙霧探測器採用的恩智浦Kinetis MCU。

製造商面對的難題：難以添加Alexa built-in到產品中

在恩智浦推出基於i.MX RT106A的Alexa Voice Service解決方案之前，Alexa bulit-in要求製造商使用功能強大的MPU運行Linux作業系統，並能夠提供至少750個DMIPS以及超過50MB的記憶體。這代表需要額外的CPU資源和記憶體來實現遠場語音所需的AFE處理，通常得透過另一個獨立專用DSP處理器來實現。

但製造商希望添加Alexa功能的產品中,很多是採用MCU而不使用MPU。因此添加額外的MPU，甚至用MPU替換MCU，都會明顯地提升成本。此外，製造商端的設計工程師都使用 RTOS 為 MCU編寫嵌入式代碼，對 MPU和Linux 等作業系統相當陌生。

基於MCU的解決方案使Alexa built-in變得簡單！

2019年2月，在德國紐倫堡舉行的嵌入式展會上，恩智浦宣佈新解決方案i.MX RT106A，讓製造商能夠使用低成本、低功耗MCU將Alexa內建到任何聯網智慧家居產品中。因此，製造商首次能以極低的增量成本向其產品添加語音指令功能，此成本不會高過麥克風和揚聲器。

恩智浦基於MCU的語音控制解決方案AVS新解決方案，在Amazon FreeRTOS環境運行，利用AWS的AWS IoT Core物聯網AVS整合功能，最大限度地減少將Alexa內建到產品中所需的運算資源。

為了使Alexa能夠內置於基於MCU的產品中，而不是在設備上運行完整的 AVS Device SDK，Amazon採用AWS IoT Core物聯網平台上的容器化服務運行虛擬Alexa用戶端。

透過這種運作方式，所有HTTP/2通信流量都是雲到雲，因此，可以使用低成本MCU實現Alexa用戶端功能，使用MQTT訊息對雲端服務進行更新。除了降低設備硬體成本外，在雲端運行AVS設備用戶端還可以減少設備OTA軟體更新的頻率和大小，以此顯著降低製造商的產品生命週期管理成本。

製造商無需頻繁地將AVS用戶端SDK更新（超過50 MB）推送到現場運行的每個設備，而是Amazon透過更新AWS IoT Core物聯網平台運行的所有AVS 虛擬裝置服務實例以更新設備，對於製造商而言成本為零。同樣的，由於基於 MCU的設備的軟體映射比MPU上的軟體映射小兩個數量級，製造商在物理設備上更新自家軟體的成本也大大降低。

與運行Linux的傳統MPU相比，恩智浦的MCU解決方案大大降低了Alexa內置的成本和大小設計。雖然MCU的定價通常低於MPU，但正是記憶體需求的大幅降低，使物料清單（bill of material；BOM）成本得以通過此基於MCU解決方案而大幅降低。

位於恩智浦AVS解決方案核心的是i.MX RT106A MCU，由600 MHz Arm Cortex-M7處理器搭配1MB SRAM，以及各種通信和其他週邊設備。附加可使用已通過AVS認證的恩智浦一站式軟體的許可，包括符合Amazon遠場語音要求所需的AFE機器學習（ML）環境。該軟體在可量產的硬體平台上運行，使製造商能夠快速輕鬆地將 Alexa 添加到其產品設計中。

圖一 : SLN-ALEXA-IOT – 開發套件

恩智浦i.MX RT106A基於MCU的AVS解決方案（SLN-ALEXA-IOT）可作為評估、開發和原型設計的完整套件。

圖二 : 基於 i.MX RT MCU的AVS語音解決方案硬體框圖

由兩塊30毫米x 40毫米（1.2英寸x 1.6英寸）的小板組成。MCU模組（SoM）包含i.MX RT106A處理器、超快閃記憶體和Wi-Fi/藍牙模組。音訊板使用兩個或三個低成本、高性能MEMS麥克風，並連接到由智慧音訊放大器驅動的揚聲器。

圖三 : i.MX RT Alexa Voice Service 軟體框圖

該套件附帶的套裝軟體，包括開發人員連接到Alexa語音服務後開箱即用，並立即開始原型設計所需的一切。此一站式套裝軟體包括遠場語音AFE處理（雜訊抑制、波束成形、回聲消除和插入）、Amazon喚醒字引擎（WWE）和模型、AVS用戶端應用程式、API和所有必要的驅動程式。除AFE和WWE外，所有內容均以原始程式碼提供，這讓開發人員可以輕鬆地將其設備軟體從現有MCU移植到i.MX RT 106A上。

為此，恩智浦的AVS解決方案具有300 Kb的RAM和至少120兆赫的CPU，可供開發人員運行其軟體，這足以滿足大多數嵌入式應用所需。透過利用Amazon FreeRTOS和AWS IoT Core的強大功能，恩智浦獨特的基於MCU的Alexa語音服務解決方案，在嵌入式開發人員熟悉的微控制器平台上，提供更短的上市時間、更低的BOM和生命週期成本的優勢。

（本文作者Rick Bye為恩智浦半導體資深產品行銷經理）

參考文獻

[1] interview with The Verge；https://www.theverge.com/2019/1/4/18168565/amazon-alexa-devices-how-many-sold-number-100-million-dave-limp