ESP32 上的机器学习

人工智能之父,艾伦·图灵很早就曾预测“有一天,人们会带着电脑在公园散步,并告诉对方,今天早上我的计算机讲了个很有趣的事”。

人类一直试图让机器具有智能,也就是人工智能(Artificial Intelligence)。从上世纪50年代,人工智能的发展经历了“推理期”,通过赋予机器逻辑推理能力使机器获得智能,当时的AI程序能够证明一些著名的数学定理,但由于机器缺乏知识,远不能实现真正的智能。因此,70年代,人工智能的发展进入“知识期”,即将人类的知识总结出来教给机器,使机器获得智能。在这一时期,大量的专家系统问世,在很多领域取得大量成果,但由于人类知识量巨大,故出现“知识工程瓶颈”。

无论是“推理期”还是“知识期”,机器都是按照人类设定的规则和总结的知识运作,永远无法超越其创造者,其次人力成本太高。于是,一些学者就想到,如果机器能够自我学习问题不就迎刃而解了吗!机器学习(Machine Learning)方法应运而生,人工智能进入“机器学习时期”。

机器学习的核心是“使用算法解析数据,从中学习,然后对世界上的某件事情做出决定或预测”。这意味着,与其显式地编写程序来执行某些任务,不如教计算机如何开发一个算法来完成任务。

随着机器学习领域不断的发展,在移动、嵌入式和 IoT 设备上部署/运行机器学习模型也成为了可能。这篇文章仅介绍在 ESP32 上如何部署/运行 TensorFlow 模型。在create_sine_model.ipynb文章中将介绍 “Hello World!” 正弦模型相关代码。

TensorFlow Lite

TensorFlow 是一个端到端开源机器学习平台。它拥有一个包含各种工具、库和社区资源的全面灵活生态系统,可以让研究人员推动机器学习领域的先进技术的发展,并让开发者轻松地构建和部署由机器学习提供支持的应用。

TensorFlow Lite 是一组工具,可帮助开发人员在移动、嵌入式和 IoT 设备上部署/运行 TensorFlow 模型。 TensorFlow Lite 使设备上的机器学习推理具有低延迟的特性,并使可执行文件更小。

TensorFlow Lite 由两个主要组件组成: TensorFlow Lite 解释器 可在许多不同的硬件类型(包括手机,嵌入式 Linux 设备和微控制器)上运行经过优化的模型。 TensorFlow Lite 转换器 将 TensorFlow 模型转换为供解释器使用的有效形式,并且可以优化模型以改善可执行文件大小和性能。

接下来,将介绍如何将 TensorFlow Lite 运行在 ESP32 上,有两种方式:

  1. 使用 ESP-IDF
  2. 使用 PlatformIO 平台

使用 ESP-IDF

1. 搭建 ESP-IDF 开发环境

根据 ESP-IDF Programming Guide 安装 工具链 和 ESP-IDF

检查 ESP-IDF 环境是否已经正确安装:

2. 克隆 TensorFlow

通过下面的命令,将 TensorFlow 克隆到本地:

3. 生成 hello_world 示例项目

在 tensorflow 目录下通过下面的命令,可以生成 hello_world 示例项目:

4. 部署到 ESP32

在 hello_world 项目目录下,编译、烧录可执行文件到 ESP32:

运行结果:

使用 PlatformIO 平台

1. 安装 TensorFlow Lite 环境(PlatformIO)

首先,需要安装 PlatformIO ,打开终端输入:

2. 新建 PlatformIO 项目

接下来可以开始搭建软件框架了,详细步骤:

  1. 创建项目目录,包含 src,lib,include 文件夹
  2. 新建 platformio.ini 文件,文件内容:
  1. 新建 custom.csv 文件,文件内容:

3. 生成 hello_world 示例项目

  1. 在项目目录所在目录下,克隆 TensorFlow 仓库

    git clone https://github.com/tensorflow/tensorflow.git

  2. 生成 ESP32 示例项目,获取生成的 tfmicro 库和示例模型,在 Tensorflow 目录下,运行: make -f tensorflow/lite/micro/tools/make/Makefile TARGET=esp generate_hello_world_esp_project 生成的示例项目位于: tensorflow/tensorflow/lite/micro/tools/make/gen/esp_xtensa-esp32/prj/hello_world/

4. 修改 PlatformIO 项目

  1. 在 hello_world/esp-idf 目录中拷贝 tfmicro 文件夹到 项目目录下的 lib 文件夹
  2. 在 main 目录中拷贝 sin_model_data.cc 到 项目目录下的 src 文件夹,拷贝 sine_model_data.h 到 项目目录下的 include 文件夹
  3. 在 third_party/flatbuffers/include 目录中拷贝 flatbuffers 目录到 tfmicro 文件夹.
  4. 在 third_party/gemmlowp 目录中拷贝 fixedpoint 和 internal 目录到 tfmicro 文件夹.
  5. 在 third_party 目录中拷贝 kissfft 目录到 tfmicro 文件夹.
  6. 在 third_party/flatbuffers/include 目录中拷贝 flatbuffers 到 tfmicro 文件夹
  7. 在 lib/tfmicro/flatbuffers 目录下打开 base.h, 将以下代码段

修改为:

  1. 接下来修改 “Hello World!” sin 模型来测试 TensorFlow Lite 是否正常工作,完整的源代码请在 GitHub 仓库中查看

代码仓库链接:ESP32-TensorFlow-Lite-Sample

代码结构:

5. 部署到 ESP32

在终端中输入以下命令将可执行文件烧录到 ESP32:

在终端中输入以下命令将打开串口交互终端,输入一个浮点数,程序将给出 sin 模型预测的值:

运行结果:

开发工作流程

这是将 TensorFlow 模型部署到微控制器的过程:

  1. 创建或获取 TensorFlow 模型 该模型必须非常小,以便在转换后适合您的目标设备。它只能使用支持的操作。如果要使用当前不被支持的操作,可以提供自己的实现。
  2. 将模型转换为 TensorFlow Lite FlatBuffer 您将使用 TensorFlow Lite 转换器来将模型转换为标准 TensorFlow Lite 格式。您可能希望输出量化模型,因为它们的尺寸更小、执行效率更高。
  3. 将 FlatBuffer 转换为 C byte 数组 模型保存在只读程序存储器中,并以简单的 C 文件的形式提供。标准工具可用于将 FlatBuffer 转换为 C 数组。
  4. 集成 TensorFlow Lite for Microcontrollers 的 C++ 库 编写微控制器代码以使用 C++ 库执行推断。
  5. 部署到您的设备 构建程序并将其部署到您的设备。

参考链接