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主题

嵌入式系统与硬件开发 ​

1. NVIDIA Jetson 平台 ​

1.1 Jetson Nano 开发者套件 ​

NVIDIA Jetson Nano 是一款面向 AI 开发者、学习者和创客的入门级边缘计算平台。

主要特性：

  • GPU：128-core NVIDIA Maxwell
  • CPU：Quad-core ARM Cortex-A57
  • 内存：4GB 64-bit LPDDR4
  • 视频编码：4K @ 30fps (H.264/H.265)
  • 功耗：5W / 10W 模式

入门指南：

参考：Jetson Nano 开发者套件入门

1.2 ONNX Runtime + CUDA ​

在 Jetson 平台上使用 ONNX Runtime 加速推理：

python
import onnxruntime as ort
import numpy as np

# 使用 CUDA 执行提供器
providers = ['CUDAExecutionProvider', 'CPUExecutionProvider']
session = ort.InferenceSession('model.onnx', providers=providers)

# 准备输入数据
input_name = session.get_inputs()[0].name
input_data = np.random.randn(1, 3, 224, 224).astype(np.float32)

# 推理
outputs = session.run(None, {input_name: input_data})

参考：NVIDIA - CUDA | onnxruntime

2. ESP 系列 ​

2.1 ESP32 ​

ESP32 是乐鑫推出的低成本、低功耗的系统级芯片（SoC），集成 Wi-Fi 和蓝牙功能。

主要特性：

  • CPU：双核 Xtensa LX6（最高 240MHz）
  • 内存：520KB SRAM
  • 无线：Wi-Fi 802.11 b/g/n，蓝牙 4.2/BLE
  • GPIO：34 个可编程 I/O 引脚

开发环境：

  • Arduino IDE
  • ESP-IDF（官方框架）
  • PlatformIO
  • MicroPython

2.2 ESP8266 ​

更早期的 Wi-Fi SoC，成本更低。

3. Raspberry Pi Pico ​

3.1 RP2040 芯片 ​

Raspberry Pi 基金会自研的微控制器芯片。

主要特性：

  • CPU：双核 ARM Cortex-M0+（最高 133MHz）
  • 内存：264KB SRAM
  • 存储：2MB 板载 Flash
  • GPIO：26 个多功能 GPIO 引脚
  • 接口：I2C、SPI、UART、PWM

开发语言：

  • C/C++
  • MicroPython
  • CircuitPython

4. Rockchip 平台 ​

4.1 RK3588 ​

高性能 AI 计算平台，适用于边缘 AI、智能 NVR 等应用。

主要特性：

  • CPU：八核（4×Cortex-A76 + 4×Cortex-A55）
  • GPU：Mali-G610 MP4
  • NPU：6 TOPS 算力
  • 视频：支持 8K@60fps 解码

5. 硬件接口 ​

5.1 GPIO ​

通用输入输出引脚，可以读取传感器数据或控制外设。

Python 示例（树莓派）：

python
import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 配置引脚
LED_PIN = 18
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

# 闪烁 LED
try:
    while True:
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
        time.sleep(1)
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
        time.sleep(1)
finally:
    GPIO.cleanup()

5.2 I2C ​

I2C 是一种串行通信协议，用于连接低速外设。

Python 示例：

python
import smbus
import time

# 创建 I2C 总线
bus = smbus.SMBus(1)

# 设备地址
address = 0x48

# 读取数据
def read_sensor():
    data = bus.read_byte(address)
    return data

# 写入数据
def write_sensor(value):
    bus.write_byte(address, value)

5.3 SPI ​

SPI 是一种全双工同步串行通信接口。

5.4 UART ​

通用异步收发传输器，用于串口通信。

6. 传感器与执行器 ​

6.1 常用传感器 ​

  • 温湿度传感器：DHT11、DHT22
  • 光照传感器：BH1750
  • 距离传感器：HC-SR04（超声波）
  • 气压传感器：BMP280
  • 陀螺仪/加速度计：MPU6050

6.2 执行器 ​

  • 舵机：SG90、MG996R
  • 步进电机：28BYJ-48
  • 直流电机：配合 L298N 驱动
  • 继电器：控制高压设备

7. 物联网开发 ​

7.1 MQTT 协议 ​

轻量级的消息传输协议，适用于物联网设备。

Python 示例：

python
import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"连接成功，返回码：{rc}")
    client.subscribe("sensors/temperature")

def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"收到消息：{msg.topic} {msg.payload}")

client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message

client.connect("mqtt.example.com", 1883, 60)
client.loop_forever()

7.2 CoAP 协议 ​

受限应用协议，专为资源受限的设备设计。

7.3 HTTP/HTTPS ​

RESTful API 方式与云端通信。

8. 边缘 AI 应用 ​

8.1 模型部署 ​

将训练好的模型部署到边缘设备：

  1. 模型转换：TensorFlow → TensorFlow Lite / ONNX
  2. 模型优化：量化、剪枝
  3. 推理加速：使用 GPU/NPU

8.2 应用场景 ​

  • 人脸识别门禁
  • 智能监控
  • 语音助手
  • 工业质检
  • 自动驾驶

9. 开发工具 ​

9.1 调试工具 ​

  • 串口调试：PuTTY、minicom
  • 网络调试：Wireshark
  • 逻辑分析仪：分析数字信号

9.2 开发板 ​

  • Arduino：入门首选
  • Raspberry Pi：完整的 Linux 系统
  • ESP32：低成本 Wi-Fi/蓝牙
  • Jetson Nano：AI 边缘计算

10. 相关资源 ​