هوش مصنوعی در Embedded System - ESP32 S3

Описание: هوش مصنوعی در Embedded Sestem
ESP32-S3 یک سیستم روی تراشه (SoC) است که به طور خاص برای کاربردهای )AIoTهوش مصنوعی اینترنت اشیا ( طراحی شده است. این تراشه در اوایل سال ۲۰۲۱، همراه با ESP32-C3، به عنوان بخشی از سری جدید میکروکنترلرهای Wi-Fi و بلوتوث توسط Espressif Systems معرفی شد که اتصال‌پذیری، قدرت محاسبات هوش مصنوعی، ویژگی‌های امنیتی و قابلیت‌های ورودی/خروجی (I/O) را تقویت می‌کند.
معماری و عملکرد اصلی
ESP32-S3 یک میکروکنترلر دو هسته‌ای XTensa LX7 است.
• سرعت کلاک: قادر است با فرکانس 240 مگاهرتز کار کند.
• حافظه داخلی: دارای 512 کیلوبایت SRAM داخلی است.
• حافظه خارجی: از فلش SPI هشت‌تایی (octal SPI) با سرعت بالا و PSRAM پشتیبانی می‌کند که مجهز به حافظه نهان (cache) داده و دستورالعمل قابل تنظیم است.
اتصال‌پذیری Wi-Fi و بلوتوث
ESP32-S3 دارای اتصال داخلی Wi-Fi 2.4 گیگاهرتز (802.11 b/g/n) و بلوتوث 5 (LE) است.
• Wi-Fi: از پهنای باند 40 مگاهرتز پشتیبانی می‌کند.
• بلوتوث کم‌مصرف: (BLE 5) از قابلیت برد طولانی (long range) از طریق Coded PHY و گسترش تبلیغات (advertisement extension) پشتیبانی می‌کند. همچنین با 2 Mbps PHY از سرعت انتقال بالاتر و توان عملیاتی داده بیشتر حمایت می‌کند.
• عملکرد: RF هم Wi-Fi و هم بلوتوث LE عملکرد فرکانس رادیویی (RF) فوق‌العاده‌ای دارند که حتی در دماهای بالا نیز حفظ می‌شود.
• پشتیبانی مش: این میکروکنترلرها از Wi-Fi Mesh و Bluetooth SIG Mesh توسعه داده شده توسط Espressif پشتیبانی می‌کنند.
شتاب‌دهی هوش مصنوعی (AI Acceleration)
ESP32-S3 به طور خاص برای رسیدگی به نیازهای بازار AIoT با قدرت محاسباتی قوی AI طراحی شده است.
• دستورالعمل‌های برداری (Vector Instructions): این تراشه از دستورالعمل‌های برداری اضافی در MCU پشتیبانی می‌کند که شتاب‌دهی برای محاسبات شبکه‌های عصبی و پردازش حجم کاری سیگنال را فراهم می‌کند.
• ابزارهای توسعه :AI توسعه‌دهندگان می‌توانند از این دستورالعمل‌های برداری از طریق کتابخانه‌های ESP-DSP و ESP-NN برای بهینه‌سازی برنامه‌های خود استفاده کنند. همچنین SDKهای ESP-WHO و ESP-Skainet نیز از این شتاب‌دهی پشتیبانی خواهند کرد.
• تشخیص گفتار: دستگاه‌هایی که توسط ESP32-S3 قدرت می‌گیرند، عملکرد بیدار شدن و تشخیص گفتار بسیار خوبی را به دست می‌آورند.
• قابلیت‌های صوتی: از تشخیص گفتار آنلاین و آفلاین تک‌تراشه‌ای پشتیبانی می‌کند و دارای موتور "کلمه بیدارباش" (wake word engine) و الگوریتم‌های صوتی مانند جداسازی منبع کور (blind source separation) و حذف اکوی آکوستیک (acoustic echo cancellation) است.
• فرمان‌های آفلاین: موتور فرمان آفلاین می‌تواند تا 200 فرمان آفلاین را بدون نیاز به آموزش بیشتر پشتیبانی کند.
ورودی/خروجی و تجهیزات جانبی (I/O Peripherals)
ESP32-S3 دارای مجموعه غنی از تجهیزات جانبی و 45 ورودی/خروجی قابل برنامه‌ریزی (GPIO) است.
• محیط‌های جانبی: از SPI, I2S, I2C, PWM, RMT, ADC و UART، میزبان SD/MMC و TWAITM پشتیبانی می‌کند.
• رابط انسان و ماشین (HMI): مجموعاً 14 GPIO می‌توانند برای کاربردهای HMI به عنوان ورودی لمسی خازنی پیکربندی شوند.
• پشتیبانی از :HMIدر سطح برنامه، ESP32-S3 از یک رابط انسان و ماشین چندبعدی پشتیبانی می‌کند. این ویژگی آن را برای سناریوهای مختلف کنترل هوشمند شامل ساعت‌های زنگ‌دار، آشکارسازهای کیفیت هوا، کنترل صوتی و پنل‌های تعاملی خانه هوشمند مناسب می‌سازد.
• هسته فوق کم‌مصرف (ULP): ESP32-S3 مجهز به یک هسته ULP است که از حالت‌های کم‌مصرف متعدد برای موارد استفاده گوناگون پشتیبانی می‌کند.
ویژگی‌های امنیتی
ESP32-S3 تمام الزامات امنیتی لازم برای ساخت دستگاه‌های متصل ایمن را بدون نیاز به قطعات خارجی فراهم می‌کند. این راهکارها محافظت قوی در برابر حملات فیزیکی و از راه دور بر روی دستگاه‌های متصل فراهم می‌کنند.
• رمزگذاری فلش: از رمزگذاری فلش مبتنی بر AES-XTS پشتیبانی می‌کند.
• بوت امن: از بوت امن مبتنی بر RSA پشتیبانی می‌کند.
• امضای دیجیتال و HMAC نیز پشتیبانی می‌شوند.
• World Controller: این تراشه همچنین دارای یک محیط جانبی به نام "World Controller" است که دو محیط اجرای کاملاً ایزوله‌شده فراهم می‌کند؛ این قابلیت، امکان پیاده‌سازی یک محیط اجرای قابل اعتماد (trusted-execution environment) یا یک طرح جداسازی امتیازات (privilege-separation scheme) را فراهم می‌آورد.
اکوسیستم نرم‌افزاری و محصولات
• پشتیبانی نرم‌افزاری: ESP32-S3 از طریق پلتفرم محبوب Espressif به نام ESP-IDF پشتیبانی می‌شود که در حال حاضر میلیون‌ها دستگاه در بازار را تغذیه می‌کند. ESP-IDF دارای آزمایش‌های دقیق، به‌روزرسانی‌های منظم و سیاست پشتیبانی بی‌نظیر است. معماری نرم‌افزاری بالغ ESP-IDF به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهد تا به راحتی برنامه‌های جدید بسازند یا برنامه‌های خود را به این پلتفرم منتقل کنند.
• ماژول‌ها و کیت‌ها: بر اساس ESP32-S3، ماژول‌های سری Mini و WROOM طراحی شده‌اند که با ماژول‌های سری ESP32 و ESP32-S2 سازگار هستند.
• نمونه محصولات: محصولات ESP32-S3 شامل SoCs، ماژول‌ها و DevKits هستند. ماژول‌های خاص شامل ESP32-S3-WROOM-1/1U و ESP32-S3-MINI-1/1U هستند. کیت‌های توسعه نیز شامل ESP32-S3-DevKitC-1، ESP32-S3-BOX-3، و ESP32-S3-EYE می‌شوند