使用SBC在新建立或改造的應用中快速實作邊緣AI

物聯網（IoT）、機器人、電腦視覺、工業應用的開發人員面臨更高的壓力，需要在高度連線的邊緣設計中嵌入智慧。團隊必須在緊迫的期限內完成工作，而這種壓力不只是針對應用軟體開發。選擇能夠執行Linux等進階作業系統以及確定性即時功能的硬體已經相當有挑戰性，若要把智慧技術用於改造現有基礎設施（如工業自動化和智慧建築應用），則會加入其他平台適用性的要求。

開發人員需要一個熟悉、成熟、靈活、功能強大的平台，以便快速建立原型並開發生產就緒的設計。

本文討論開發人員在網路邊緣進行處理和改造專案時所面臨的挑戰。接著展示如何使用Arduino單板電腦（SBC）因應。

在資源嚴格受限之下建構邊緣智慧

邊緣智慧是指在本機平台上運作的人工智慧（AI）推論和決策。邊緣智慧的主要優勢包括減少對常開連線的依賴、提高隱私和安全性，以及具有超低延遲，均有利於機器人和工業安全系統的設計。

在機器人裝置中，邊緣智慧能夠執行即時動作控制、避障、自適應行為，提供自主運作所需的確定性回應時間。在工業安全系統中，邊緣智慧能夠進行即時危險偵測、預測性維護、快速停機，並且大幅減少設備損壞和人員風險。整體而言，邊緣智慧為即時人工智慧應用提供所需的回應能力、彈性、可靠性。

但是有限的硬體資源造成極大的限制。雲端架構系統可以依據需求擴展，而邊緣架構的智慧則必須在板載處理能力與功率封包和散熱限制之間取得平衡。電腦視覺、感測器融合、機器人控制等即時人工智慧工作負載可能會使處理資源飽和，增加功耗和熱生成。處理器過熱會導致推論效能下降、系統不穩定，或出現熱節流，即處理器過熱時自動減速以進行冷卻。

邊緣系統使用電池、行動電源系統或其他受限電源供應器供電時，功率封包限制同等關鍵，因為能源效率會直接影響運作時間和可靠性。改造往往帶來一些挑戰。既有平台通常空間有限，因此很難添加人工智慧加速器、冷卻系統，或額外的記憶體。傳統系統可能採用過時或專用的介面，需要配接器或客製化整合，才能將現代硬體連接到現有技術。

協助快速開發和成功改造

可以使用單板電腦實作邊緣智慧。單板電腦是緊湊型的嵌入式運算平台，可將處理器、記憶體、儲存介面、網路、周邊裝置連接整合在單一印刷電路板（PCB）上，因此成為邊緣應用的理想選擇。

單板電腦平台提供開箱即用的功能，包括作業系統（OS）、網路堆疊、攝影機介面、儲存、硬體加速，而無需客製化板件設計。單板電腦通常包含經驗證的I/O和預先驗證的介面，這些介面由現有軟體生態系統支援。一般而言，單板電腦的功能比獨立的嵌入式控制器更強大，並且通常執行開源Linux。

針對改造，單板電腦與即時處理資源結合，能夠與傳統感測器、致動器、介面進行可靠互動，同時支援可預測的調度、處理、任務回應時間。智慧平台也可為改造專案提供大量優勢，儘管智慧平台對智慧邊緣應用有高要求，包括緊湊的實體尺寸、異質運算架構中的高每瓦效能（PPW）和低熱設計功耗（TDP）。

異構運算將專用處理器配對其最擅長處理的任務，如此可緩解傳統架構的瓶頸，並且能夠在受限的環境中進行即時回應、節能、高效能。人工智慧推論可能會與感測器融合在同一時間執行，高PPW能夠支援受限的功率預算。低TDP很重要，因為過熱會降低可靠性，增加硬體損壞的風險，或引發熱節流。

單板電腦可以更輕鬆滿足所有這些改造專案的要求。在物聯網和工業應用中，完整覆蓋有線和無線連線選項可以減少系統擴展需求並簡化整合。在機器人和電腦視覺系統中，高速影像訊號處理和人工智慧推論可以進行即時導航、目標偵測、具有確定性回應特徵的自主決策。

採用雙架構單板電腦

微控制器單元（MCU）提供出色的即時硬體控制，因此許多單板電腦設計人員會採用雙架構，將MCU與功能強大的CPU搭配。例如，Arduino的UNO Q（圖一）單板電腦，將Qualcomm的Dragonwing QRB2210處理器 （在完整的Debian Linux作業系統上執行，並取得上游支援）與專用的STMicroelectronics STM32U585 MCU（在Zephyr OS上執行Arduino程式）的即時響應能力結合。節能的Dragonwing QRB2210搭載四核心Arm Cortex-A53 CPU（最高2.0 GHz），以及Adreno圖形處理單元（GPU）。人工智慧推論可以在GPU和CPU上執行。

圖一 : UNO Q開發板在單一開發環境中整合CPU、GPU、即時MCU。（圖片來源：Arduino）

具有雙1,300萬像素（MP）、每秒30幀（fps）影像訊號處理器（ISP），支援影像管線處理，適用於機器視覺等進階功能。整合的數位訊號處理器（DSP）子系統進一步支援輕量級人工智慧推論和多媒體處理。無風扇作業簡化被動散熱管理。

Arduino的UNO Q有兩個版本，皆相容於傳統的Arduino擴充板和配件。ABX00162配備 2 GB RAM和16 GB嵌入式MultiMediaCard（eMMC），最適合符合經濟效益的專用型輕量應用。

ABX00173配備4 GB記憶體和32 GB eMMC，支援電腦視覺、圖形、邊緣處理應用。後者可以提供響應迅速的獨立桌面體驗，支援高階流程的多任務處理、複雜的人工智慧模型支援或擴展的本機儲存。

在典型的Arduino設計中，板件包含內建使用者可控制的RGB LED和8 × 13藍光LED 矩陣，用於快速指示狀態。Wi-Fi 5和藍牙5.1提供遠端控制或資料監控的連線功能。7 VDC 至24 VDC電源輸入（透過專用引腳，而非USB-C連接埠）可直接與傳統電源軌介接，無需DC-DC降壓轉換器。

Arduino App Lab將單板電腦和MCU的「雙腦架構」統一到一個專用的整合開發環境（IDE）中。這種簡化方法能夠讓工程師以一致的工作流程開發、管理、部署單板電腦和 MCU應用，為使用者降低複雜性。

透過免焊式模組化擴展，加速UNO Q的開發

Arduino的UNO Q保留熟悉的Arduino UNO外型尺寸和排針座排列，同時擴展平台，使其適用於智慧邊緣和工業應用（圖二）。傳統的UNO相容引腳排針座提供GPIO、電源軌、SPI、I2C和UART連接，保持與現有Arduino擴充板和嵌入式工作流程相容。

圖二 : Arduino UNO Q單板電腦保留標準的Arduino UNO外型尺寸和經典的排針座，同時增加現代高速連接器。（圖片來源：Arduino）

其高速底部連接器，能夠更快進行周邊裝置通訊並與更高頻寬的系統整合，在緊湊的配置中擴展傳統MCU介面的功能。ASX00073乙太網路PHY擴充板（圖三）展示如何運用既有佈線輕鬆擴展到舊的基礎設施中。類似的擴充板選項支援馬達控制和現場匯流排通訊 （如CAN匯流排或RS-485），並藉由快速硬體擴充達到更多功能。

圖三 : ASX00073乙太網路PHY擴充板簡化運用既有線路對舊基礎設施的擴展。（圖片來源：Arduino）

Arduino的UNO Q還納入一個板載Qwiic連接器，可透過I2C連接感測器、致動器和Arduino的Modulino模組，達到快速、免焊式擴展，大幅加速原型製作和人機介面開發。例如，ABX00110 Modulino 按鈕板（圖四，左）支援工業控制面板和物聯網裝置操作人員的輸入和事件觸發；ABX00107 旋轉編碼器板（圖四，中）可進行直覺的選單導航、參數調整、機器人控制介面；ABX00102 飛時測距（ToF）板（圖四）提供接近感測，非常適合機器人、占位偵測，以及自動化的安全系統。

圖四 : ABX00110 按鈕板（左）、ABX00107 旋轉編碼器板（中） 和 ABX00102 ToF 板（右）。（圖片來源：Arduino）

結論

邊緣人工智慧應用在工業自動化、機器人、物聯網不斷擴展，靈活的單板電腦平台提供一條快速有效的途徑，促成可靠且快速回應的智慧系統。Arduino 的 UNO Q 將高階處理、即時控制、靈活連線、模組化擴展整合到緊湊、節能的硬體中，充分展現單板電腦如何簡化原型設計並達成既有基礎設施的現代化，而無需大規模重新設計。

（本文作者Barley Li為DigiKey亞太區技術應用工程經理）