UDOO KEY: l’AI a Portata di Mano!

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A cura della Redazione.

Oggi l’Artificial Intelligence si realizza prevalentemente attraverso algoritmi in esecuzione su server remoti. Ma può essere molto più vicina a noi e incorporata nei nostri oggetti quotidiani, per cambiare realmente la nostra vita!

Dalla loro prima apparizione, i microcontrollori hanno cambiato radicalmente il panorama dell’elettronica, sia in campo industriale che in quello accademico o della sperimentazione. Hanno permesso di realizzare dispositivi dalle potenzialità che fino ad allora erano considerate inimmaginabili con i soli componenti discreti, ma soprattutto improponibili per applicazioni in spazi ristretti. L’introduzione dei modelli programmabili, della connettività e, più di recente, lo sviluppo degli algoritmi di AI su vasta scala, ne hanno fatto letteralmente esplodere il mercato. Oggi sono chip d’impiego universale, diffusi in miliardi di esemplari nel mondo, per i quali non esistono praticamente limiti se non quelli posti dalla creatività e dai requisiti di chi progetta!

Il Team UDOO

UDOO è il risultato dello sforzo congiunto di SECO Edge e SECO Mind, entrambe società figlie di SECO S.p.a., una società pubblica che si colloca tra i principali attori internazionali nel mercato embedded B2B e che da oltre 40 anni è all’avanguardia nella progettazione e produzione di microcomputer embedded, sistemi integrati e soluzioni per l’IoT. Dalla propria fondazione, il Team UDOO ha lanciato prodotti quali UDOO, UDOO DUAL/QUAD, UDOO NEO, UDOO X86 e UDOO BOLT, in 4 campagne di Kickstarter assolutamente riuscite, che hanno raccolto oltre 2 milioni di dollari da migliaia di sostenitori nel mondo. La campagna di lancio di UDOO Key è in pieno svolgimento e sta riscuotendo un successo senza precedenti!

La Scheda

La UDOO KEY è una scheda a microcontrollori completamente programmabile. Consiste di due componenti principali, entrambe equipaggiate con MCU di altissimo livello qualitativo, viene proposta in due versioni:

UDOO KEY, dotata di:

UDOO KEY PRO, che include:

 

Figura 1: Vista completa dell’UDOO Key

 

La UDOO KEY è compatibile con Raspberry Pi Pico, sia dal punto di vista hardware che software. Questo significa che qualsiasi hardware di espansione, così come qualunque software costruito per Raspberry Pi Pico funzioneranno immediatamente; solo il tempo di aprire la confezione e caricare i programmi!
Anche il modulo ESP32 a bordo è compatibile con tutti i componenti hardware progettati per il medesimo e, allo stesso modo, i software sviluppati per ESP32 funzioneranno sulla UDOO KEY senza alcun problema.
La parte compatibile con Pico è costruita su un Raspberry Pi RP2040 dual ARM Cortex-M0, con una Flash QSPI da 8 MB, un clock a 133 MHz e 264 KB di SRAM on-chip.
L’ESP32 di UDOO KEY, invece, è basato su un dual-core Xtensa 32-bit LX6, con una memoria flash da 16 MB, una PSRAM da 8 MB, Wi-Fi, Bluetooth e BLE.
La UDOO KEY consente di utilizzare indipendentemente RP2040, ESP32 o entrambi, permettendo di realizzare qualsiasi progetto di AI alle condizioni di chi lo sviluppa.
L’ESP32 a bordo non è semplicemente un modulo Wi-Fi & BT, anzi, permette l’accesso completo al proprio firmware ed è programmabile a totale discrezione del progettista. I due microcontrollori possono comunicare tra loro tramite la porta seriale ma non solo: i due moduli possono anche comunicare tramite interfaccia SWD.
La comunicazione avviene tramite un connettore USB-C. L’USB è commutabile tramite jumper o pulsante e può essere accessibile sia dall’RP2040 che dall’ESP32. Poiché il progetto originale dell’ESP32 non prevede una porta USB, è stato implementato un bridge UART-USB sulla scheda.

 

 

Figura 2: La UDOO Key combina i mondi Rasberry Pi e ESP32 in un’unica, potente soluzione, resa ancor più flessibile dall’integrazione di sensori avanzati e versatili e dalle infinite possibilità applicative rese possibili dall’AI di Clea.

 

Con o senza sensori?

Per gli sviluppatori embedded che desiderano il pieno controllo del progetto e un set di sensori minimo, la UDOO KEY rappresenta la scelta ideale: non montando sensori, consente l’espansione mediante i moduli scelti da chi progetta. Altrimenti, la scelta può ricadere sulla UDOO KEY PRO, che monta due potenti sensori: un IMU a 9 assi e un microfono digitale, permettendo di iniziare subito con la progettazione AI.
Il sensore IMU a 9 assi combina un accelerometro, un magnetometro e un giroscopio in un unico modulo per semplificare una vasta gamma di progetti, dalla robotica alle auto RC fino alle biciclette intelligenti e all’automazione. Il microfono digitale, d’altra parte, è progettato per il riconoscimento del suono e della voce AI-powered, così come il controllo audio “alla Alexa”. Tutti i sensori sono collegati all’ESP32 via I2C.

Ricca di Interfacce

La UDOO KEY offre una ricca dotazione di interfacce. Hanno tutte la protezione contro i fenomeni da ESD e sono progettate per essere utilizzate non solo da hobbisti, ma anche in ambienti industriali.

 

Figura 3: Pinout della UDOO Key

In termini di pinout, la UDOO KEY è compatibile al 100% con Raspberry Pi Pico, con l’unica eccezione di due pin GPIO utilizzati per la mappatura UART, necessari per consentire la comunicazione tra ESP32 e RP2040. In Figura 3 è visibile il pinout completo. La scheda monta due pulsanti di reset, uno per l’ESP32 gestito dal pin #3 e uno per RP2040 gestito dal pin RUN del microcontrollore. Inoltre dispone di tre LED: uno blu, uno giallo e uno verde.

Figura 4: Pinout dell’interfaccia UEXT.

Quello blu segnala una connessione riuscita a Clea, il secondo è destinato alle attività Wi-Fi, Bluetooth e BLE ed è gestito dall’IO33 dell’ESP32 (pin #9). Quello verde è collegato al GPIO25 di RP2040. Tutti i LED sono completamente programmabili. Inoltre, la UDOO KEY ha un Jumper per l’avvio e il debug. Il Jumper è collegato al GPIO0 dell’ESP32 (pin #25). Come Raspberry Pi Pico, ha in dotazione anche un pulsante, collegato al pin QSPI_SS, per scegliere tra la modalità normale e la modalità di programmazione. Infine, come illustrato in Figura 4, nella sezione ESP32 è presente un connettore UEXT (Universal EXTension), per offrire la possibilità di collegarsi attraverso le interfacce I2C, UART e SPI.

Consumo energetico estremamente basso

La UDOO KEY richiede un’alimentazione a 5V DC e può essere collegata a qualunque caricatore USB, oppure a un qualsiasi connettore di PC, tablet o altro.
L’aspetto più utile e interessante è che la scheda può andare in deep sleep, riducendo il consumo di energia al minimo.
Da questo stato si risveglia solo se viene attivata da un evento specifico, consentendo anche scenari applicativi in cui è necessario che la scheda funzioni a batteria per diversi anni.

Software

Entrambi i microcontrollori possono essere programmati utilizzando diversi ambienti, come TinyML, TensorFlow Lite, MicroPython C/C++, e molti altri, offrendo molteplici opzioni per ottimizzare le vostre applicazioni AI. E Arduino?
Tutti lo amano, e proprio per questo UDOO KEY è stata progettata in modo tale da risultare software-compatibile al 100% per eseguire in modo nativo la relativa IDE.
In termini pratici, ciò significa che qualsiasi sketch Arduino in grado di girare su RP2040 o su ESP32 può essere eseguito anche sulla UDOO KEY.
Da cima a fondo, la UDOO KEY è stata progettata in modo tale da agevolare al massimo lo sviluppo e l’implementazione di applicazioni AI. Il microcontrollore viene fornito con un firmware dedicato, completamente open source, basato su Free RTOS e kit di sviluppo pronti all’uso, per lanciare facilmente le vostre applicazioni AI.

Figura 5: Con la sua grande flessibilità, UDOO KEY apre le porte verso l’Edge AI !

Open source e Open Hardware

Per il Team di UDOO, “Open Source” e “Open Hardware” non sono concetti astratti, ma rappresentano un impegno concreto.
Tutti i prodotti UDOO sono corredati da schema elettrico ed elenco componenti; quelli di UDOO KEY verranno pubblicati non appena inizieranno le prime spedizioni.

Progettata per supportare Clea in modo nativo

UDOO KEY è stata progettata per supportare in modo nativo Clea, una piattaforma estensibile per AI e IoT che permette di raccogliere e gestire dati da dispositivi connessi e creare flussi su misura per le esigenze dell’utente. Fornisce inoltre strumenti di visualizzazione per trasformare i dati IoT in informazioni fruibili. La piattaforma si basa su app e SDK che consentono agli sviluppatori di incorporare rapidamente modelli precostruiti da SECO Mind. Ogni modello è ottimizzato per i dispositivi UDOO KEY e Edge, sia Arm che x86, con un motore di interfaccia regolato a seconda dell’hardware. Clea si basa su due progetti open-source di SECO:
Astarte e Edgehog.
Astarte consente agli sviluppatori di gestire ed elaborare i dati IoT: dalla raccolta all’elaborazione, fino all’orchestrazione dei dati. È dotato di un SDK completo per ESP32 basato su Espressif IoT Development Framework (ESP-IDF), che attraverso UDOO KEY e Clea permette di essere produttivi in pochi minuti e con poche righe di codice. Edgehog consente la gestione dei dispositivi della flotta e gli aggiornamenti OTA, migliorando il firmware di ESP32 con una soluzione completa per la gestione del ciclo di vita del dispositivo. Edgehog sarà presto reso interamente Open Source, fai riferimento a questa pagina per gli aggiornamenti!

Le App Clea

L’essenza di UDOO Key va ben oltre quella del semplice “hardware”: offre anche un anno di accesso a Clea, la piattaforma AI premium di SECO, con modelli AI pre-addestrati per costruire e distribuire le vostre app AI in pochi minuti. Nel Team UDOO si considera il modello di gestione mediante app come il “fattore chiave” per sbloccare la potenza dell’Edge AI.
Lo smartphone risulta facilmente utilizzabile grazie all’interfaccia utente multi-touch, ma ciò che lo ha reso uno strumento così potente è stata la possibilità di scaricare un’app per ciascuna funzione.
Per l’AI è possibile replicare esattamente lo stesso modello. Immaginiamo di aver bisogno di un’applicazione per il riconoscimento facciale. Con ogni probabilità, in precedenza quella stessa applicazione sarà già stata scritta più volte, da migliaia di sviluppatori in tutto il mondo. Immaginiamo ora di poter scaricare questa applicazione su UDOO KEY, esattamente come lo facciamo con Spotify dai nostri cellulari.
Questo è soltanto un esempio di ciò che il Team sta costruendo. Non serve reinventare la ruota ogni volta: finalmente l’AI diventa una piattaforma!

 

 

Figura 6: Il modulo ESP32 in evidenza.

Connettività Wi-Fi, BT e BT-LE

Grazie all’ESP32 a bordo (Figura 6), si ottiene la piena connettività Wi-Fi 802.11b/g/n, Bluetooth® e Bluetooth Low-Energy v4.2.

Campagna di lancio su Kickstarter

Proprio in questi giorni, UDOO KEY è oggetto di una campagna di lancio su Kickstarter. A poco più di un’ora dall’inizio, i fondi raccolti avevano già abbondantemente superato il target previsto.
Al momento della pubblicazione di questo post (27 Ottobre, ore 9:15) , sono già stati raccolti 92.361 € attraverso 2.663 sostenitori, e mancano ancora  22 giorni al termine della campagna!
Su questo spazio Web, chi desidera acquistare e/o sostenere il progetto ha la possibilità di scegliere tra combinazioni diverse per configurazione, hardware e quantità desiderate.
Di certo, con un sistema così ricco e flessibile, potenziato dall’AI di Clea, l’unico limite a quanto si può realizzare è dettato soltanto dalla propria immaginazione: questo spiega le reazioni entusiastiche dei moltissimi sostenitori che stanno decretando, per questo progetto, un successo superiore alle più rosee aspettative!

In questo breve video vengono descritte soltanto alcune delle illimitate possibilità di utilizzo di questa scheda.
Vediamone insieme alcune.

Manutenzione predittiva

La manutenzione predittiva è la capacità di misurare la durata di un oggetto e rilevare un malfunzionamento prima che accada. La si ottiene analizzando i dati raccolti dai sensori dei dispositivi connessi, che vengono poi elaborati attraverso algoritmi di apprendimento automatico. Ad esempio, nel video citato in precedenza viene utilizzato un modello AI di manutenzione predittiva per prevedere i guasti potenziali alla forcella, dovuti all’applicazione di carichi eccessivi durante l’utilizzo (Figura 7).

 

Figura 7: Rilevamento vibrazioni e suoni emessi dalla forcella della mountain-bike.

 

Questo progetto impiega diversi componenti UDOO KEY:

  • Il sensore IMU a 9 assi dell’ESP32 di UDOO KEY
  • Il microfono digitale a bordo
  • Clea, per analizzare i dati di suono e movimento con un modello AI di manutenzione predittiva

Un modello AI di manutenzione predittiva può essere utilizzato in innumerevoli scenari, industriali e non, per il Life Cycle Assessment (LCA) e per ridurre i tempi di fermo macchina.

Riconoscimento del suono

Il riconoscimento del suono è la capacità di identificare un suono specifico. Nell’esempio illustrato (Figura 8), il riconoscimento del suono è usato per identificare un uccello attraverso i suoni che emette.

 

Figura 8: Riconoscimento dei suoni emessi dalle diverse specie di uccelli.

Questo progetto impiega i seguenti componenti UDOO KEY:

  • Il microfono digitale a bordo
  • Clea, per analizzare i dati del cinguettio con un modello AI di riconoscimento del suono.
Riconoscimento delle parole chiave

Avete mai desiderato di ottenere un caffè solo attraverso la vostra voce? Ora è possibile. Questa ipotetica macchina da caffè ad attivazione vocale (Figura 9) è un’evoluzione di un nostro vecchio progetto, UDOO Coffee Machine, e prende anche ispirazione da diversi progetti per hackerare macchine da caffè con Arduino che è possibile trovare online.

 

Figura 9: Installazione su macchina del caffè per riconoscimento comandi vocali.

Il concetto è semplice: si attiva la macchina del caffè pronunciando una parola di comando (in questo esempio: “Hey UDOO”). Dopodiché la macchina del caffè risponde con una domanda programmata, per verificare se davvero si voglia ottenere un caffè o meno. Se si conferma, il caffè è in arrivo!
Questo progetto utilizza i seguenti componenti UDOO KEY:

  • Il microfono digitale
  • L’ESP32 compatibile con Arduino, per hackerare facilmente la macchina del caffè
  • Clea, per rilevare la parola chiave
Rilevamento e classificazione degli oggetti

Ecco un esempio di rilevamento e classificazione di oggetti costruito con UDOO KEY. In questo scenario ipotetico, UDOO KEY conferisce dei “super-poteri” ai cestini della spazzatura (Figura 10).

 

Figura 10: Gestione automatizzata dei cestini con riconoscimento dei rifiuti.

Quest’ultimi, grazie a UDOO KEY possono:

  • Verificare se il cestino è pieno o no
  • Identificare il materiale del frammento di spazzatura che si tiene in mano
  • Aprire il contenitore corrispondente

Fondamentalmente, questa è una combinazione di diversi progetti open-source.
In particolare:

Questo progetto impiega i seguenti componenti UDOO KEY:

  • Il microfono digitale
  • L’ESP32 compatibile con Arduino, per hackerare facilmente il vostro cestino della spazzatura
  • Clea, per il rilevamento e la classificazione degli oggetti

Riconoscimento dei gesti

Il riconoscimento dei gesti è la capacità di rilevare un gesto specifico. Nel video citato in precedenza, viene inserita una UDOO KEY all’interno di un giocattolo (Figura 11) per trasformarlo in una bacchetta magica, conferendogli nuove capacità, come:

  • Cambiare le sequenze di luce delle strisce LED abilitate dal Bluetooth
  • Attivare gli altoparlanti Bluetooth

 

Figura 11: UDOO KEY incorporata nel giocattolo per riconoscere i gesti.

Tutte queste abilità sono attivate dai gesti grazie all’IMU a 9 assi di UDOO KEY.
Questo progetto ne utilizza i seguenti componenti:

  • L’IMU a 9 assi, per rilevare facilmente i gesti
  • Gli I/O del Raspberry Pi RP2040 per hackerare facilmente la bacchetta
  • La comunicazione wireless (Wi-Fi/BT/BT-LE) abilitata dall’ESP32
  • Il modello AI per il riconoscimento dei gesti di Clea

Questo è solo uno tra i tanti esempi di riconoscimento dei gesti che UDOO KEY rende possibili. Grazie a quest’ultima, si può facilmente costruire e addestrare il proprio modello AI di riconoscimento dei gesti e usarlo per una vasta gamma di scenari.
UDOO KEY può essere inserita in oggetti di qualsiasi tipo. Può arrivare fino al retrofit di vecchie macchine, consentendo innumerevoli opzioni su un’infinità di applicazioni possibili.

Riconoscimento del volto

Il riconoscimento dei volti è la capacità di rilevare e identificare un volto attraverso un segnale video. Anche se UDOO KEY non dispone di una telecamera propria, è sempre possibile collegarne una attraverso il connettore Arducam-compatibile presente sulla scheda. Ci sono centinaia di progetti di riconoscimento facciale che puoi costruire con UDOO KEY, in scenari industriali o meno.

Cosa aspetti?

UDOO KEY potenzia le capacità di ideazione e progettazione di professionisti, maker o appassionati di elettronica, ponendo l’immaginazione come unico limite e permettendo a tutti di accedere a una nuova era di microcomputing.

Programmazione fisica ed elettronica fai-da-te, gestione della flotta, analisi IoT, aggiornamenti over-the-air, telemetria, AI: tutto questo a un prezzo di vendita che, in una campagna di lancio unica e irripetibile, parte da 4$ !

Per ulteriori informazioni:
https://www.udoo.org

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Informazioni sull'autore

"Vivo a Milano da 58 anni. Dopo gli studi di ingegneria ho iniziato l'attività negli anni '80, nel settore dell'informatica sui primi superminicomputer destinati alle aziende (le prime valide alternative ai main-frame, che erano retaggio della grande industria), operando principalmente sulle unità di memoria di massa, a nastro e a disco. In seguito ho lavorato nel campo dell'elaborazione elettronica delle immagini, (niente Photoshop allora, tutto hardware!!), vivendone l'avventurosa storia sin dagli albori, nei tardi anni '80. In seguito, dopo breve ma significativa esperienza in ambito telecomunicazioni e registrazione digitale, ho lavorato in metrologia, nel settore delle prove fisiche su materiali (con DSP). Più recentemente mi sono avvicinato alle attività editoriali, dirigendo Firmware per quasi due anni e supportando aziende Italiane nella scelta di componenti embedded destinati ai loro progetti. Nel tempo libero, oltre al consueto saldatore, mi piace ascoltare musica di (quasi...) ogni genere, prediligendo il classico, leggere pubblicazioni scientifiche e muovermi, all'aperto, a piedi o in moto. L'elettronica per me, in tutti questi anni, oltre ad un lavoro ha sempre rappresentato una grande passione. Penso che la conoscenza, in questo campo, sia fondamentale ed assolutamente indispensabile a chiunque voglia trarne il massimo dei risultati e della soddisfazione."

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