Utilice un SBC para implementar rápidamente la IA Edge en aplicaciones nuevas o modernizadas

Los desarrolladores del Internet de las cosas (IoT), la robótica, la visión por computadora y las aplicaciones industriales se enfrentan a una presión cada vez mayor para incorporar inteligencia a sus diseños de bordes altamente conectados. Para los equipos que trabajan con plazos ajustados, esta presión va más allá del desarrollo de software de aplicación. La selección de hardware capaz de ejecutar sistemas operativos de alto nivel como Linux junto con funciones deterministas en tiempo real ya es un reto de por sí, pero cuando la inteligencia se adapta a la infraestructura existente, como en las aplicaciones de automatización industrial y edificios inteligentes, surgen requisitos adicionales de idoneidad de la plataforma.

Lo que los desarrolladores necesitan es una plataforma conocida, probada, flexible y capaz de crear rápidamente prototipos y desarrollar diseños listos para la producción.

En este artículo se analizan los retos a los que se enfrentan los promotores de proyectos de transformación y modernización en el borde de la red. A continuación, muestra cómo se puede utilizar un ordenador de placa única (SBC) Arduino para hacer frente a estos retos.

Construir inteligencia de borde bajo estrictas limitaciones de recursos

La inteligencia de borde engloba la inferencia y la toma de decisiones de la inteligencia artificial (IA), que se ejecuta en una plataforma local. Entre las principales ventajas de la inteligencia basada en los bordes se incluyen una menor dependencia de la conectividad permanente, una mayor privacidad y seguridad, y una latencia ultrabaja, todo lo cual beneficia a los diseñadores de sistemas robóticos y de seguridad industrial.

Para los dispositivos robóticos, la inteligencia de borde permite el control del movimiento en tiempo real, la evitación de obstáculos y el comportamiento adaptativo, proporcionando los tiempos de respuesta deterministas críticos para el funcionamiento autónomo. Para los sistemas de seguridad industrial, la inteligencia de borde permite la detección inmediata de peligros, el mantenimiento predictivo y las paradas rápidas, minimizando los daños a los equipos y los riesgos para los trabajadores. En general, la inteligencia de borde proporciona la capacidad de respuesta, la resistencia y la fiabilidad necesarias para las aplicaciones de IA en tiempo real.

Sin embargo, los limitados recursos de hardware imponen importantes restricciones. Los sistemas basados en la nube pueden escalar según sea necesario, mientras que la inteligencia basada en el borde debe equilibrar el procesamiento a bordo con las envolventes de energía y las limitaciones térmicas. Las cargas de trabajo de IA en tiempo real, como la visión por computadora, la fusión de sensores y el control robótico, pueden saturar los recursos de procesamiento, aumentando el consumo de energía y la generación de calor. Una carga térmica excesiva en un procesador puede provocar una reducción del rendimiento de inferencia, inestabilidad del sistema o estrangulamiento térmico, en el que el procesador se ralentiza automáticamente para enfriarse cuando se calienta demasiado.

Las limitaciones de la envolvente energética son igualmente críticas cuando los sistemas de borde funcionan con baterías, sistemas de alimentación móviles o fuentes de alimentación restringidas de otro modo, donde la eficiencia energética afecta directamente al tiempo de funcionamiento y a la fiabilidad. La retroadaptación suele plantear retos. Las plataformas existentes suelen tener un espacio limitado, lo que dificulta la adición de aceleradores de IA, sistemas de refrigeración o memoria adicional. Los sistemas heredados pueden tener interfaces obsoletas o patentadas que requieran adaptadores o una integración personalizada para conectar el hardware moderno a la tecnología existente.

La ventaja de los SBC para un desarrollo rápido y el éxito de la adaptación

La inteligencia de borde puede implementarse utilizando un SBC. Estas plataformas informáticas empotradas y compactas integran un procesador, memoria, interfaces de almacenamiento, redes y conectividad periférica en una única placa de circuito impreso (placa CI), lo que las hace ideales para aplicaciones periféricas.

Las plataformas SBC pueden proporcionar funcionalidad lista para usar, incluido un sistema operativo (SO), pilas de red, interfaces de cámara, almacenamiento y aceleración de hardware, sin necesidad de un diseño de placa personalizado. Los SBC suelen incluir E/S verificadas e interfaces validadas previamente que son compatibles con los ecosistemas de software existentes. En general, ofrecen capacidades más amplias que los controladores integrados autónomos y suelen ejecutar Linux de código abierto.

Para las reconversiones, un SBC emparejado con recursos de procesamiento en tiempo real puede interactuar de forma fiable con los sensores, actuadores e interfaces heredados, al tiempo que admite tiempos predecibles para la programación, el procesamiento o la respuesta a las tareas. Las plataformas inteligentes también pueden beneficiarse enormemente de las retrocompatibilidades, aunque imponen requisitos exigentes para las aplicaciones de borde inteligente, como unas dimensiones físicas compactas, un alto rendimiento por vatio (PPW) en arquitecturas informáticas heterogéneas y una baja potencia de diseño térmico (TDP).

La informática heterogénea empareja procesadores especializados con las tareas que mejor realizan. Esto alivia los cuellos de botella de las arquitecturas tradicionales y permite una capacidad de respuesta en tiempo real, ahorro de energía y alto rendimiento en entornos con restricciones. Un PPW elevado admite un presupuesto de energía limitado, ya que la inferencia de la IA puede ejecutarse en paralelo con la fusión de sensores en tiempo real. Un TDP bajo es importante porque un calor excesivo reduce la fiabilidad, aumenta el riesgo de daños en el hardware o puede provocar un estrangulamiento térmico.

Los SBC pueden facilitar la adaptación a todos estos requisitos. Para las aplicaciones IoT e industriales, la cobertura integral de las opciones de conectividad por cable e inalámbrica puede reducir los requisitos de ampliación del sistema y simplificar la integración. Para la robótica y los sistemas de visión por ordenador, el procesamiento de señales de imagen de alta velocidad y la inferencia de IA pueden permitir la navegación en tiempo real, la detección de objetos y la toma de decisiones autónoma con características de respuesta deterministas.

Un SBC de doble arquitectura con un factor de forma familiar

Las unidades de microcontrolador (MCU) proporcionan un excelente control de hardware en tiempo real, por lo que muchos diseñadores de SBC las emparejan con potentes CPU en una arquitectura dual. Por ejemplo, el UNO Q de Arduino (figura 1) es un SBC que combina el procesador Dragonwing QRB2210 de Qualcomm (que ejecuta un sistema operativo Debian Linux completo con compatibilidad con versiones anteriores) con la capacidad de respuesta en tiempo real de una MCU STM32U585 de STMicroelectronics dedicada (que ejecuta bocetos de Arduino en el sistema operativo Zephyr). El Dragonwing QRB2210, de bajo consumo, incorpora una CPU Arm Cortex-A53 de cuatro núcleos (hasta 2.0 gigahercios (GHz)) con una unidad de procesamiento gráfico (GPU) Adreno. La inferencia de IA puede ejecutarse en la GPU y en la CPU.

Figura 1: La placa UNO Q integra una CPU, una GPU y una MCU de tiempo real en un único entorno de desarrollo. (Fuente de la imagen: Arduino)

Los procesadores de señal de imagen (ISP) duales, de 13 megapíxeles (MP) y 30 fotogramas por segundo (fps), admiten el procesamiento por canalización de imágenes y son adecuados para funciones avanzadas como la visión artificial. Un subsistema integrado de procesador digital de señales (DSP) soporta además la inferencia ligera de IA y el procesamiento multimedia. El funcionamiento sin ventilador simplifica la gestión térmica pasiva.

Dos versiones del Arduino UNO Q son compatibles con los escudos y accesorios Arduino tradicionales. El ABX00162, con 2 gigabytes (Gbytes) de RAM y una tarjeta MultiMediaCard integrada (eMMC) de 16 Gbytes, es el más adecuado para aplicaciones rentables, dedicadas y ligeras. La ABX00173, con 4 Gbytes de RAM y una eMMC de 32 Gbytes, admite aplicaciones de visión por computadora, gráficos y procesamiento de bordes. Este último puede proporcionar una experiencia de escritorio independiente con gran capacidad de respuesta, multitarea con procesos de alto nivel, compatibilidad con modelos complejos de IA o almacenamiento local ampliado.

Con un diseño típico de Arduino, las placas incluyen LED RGB integrados controlables por el usuario y una matriz de LED azules de 8 × 13 para una rápida indicación del estado. Wi-Fi 5 y Bluetooth 5.1 proporcionan conectividad para el control remoto o la supervisión de datos. Una entrada de alimentación de 7 V_CC a 24 V_CC (a través de una patilla dedicada, en lugar del puerto USB-C) permite la interconexión directa con raíles de alimentación heredados sin convertidores reductores CC-CC.

El Arduino App Lab unifica la "arquitectura de doble cerebro" del SBC y la MCU en un único entorno de desarrollo integrado (IDE) especializado. Este enfoque racionalizado permite a los ingenieros desarrollar, gestionar e implementar aplicaciones SBC y MCU en un flujo de trabajo coherente, reduciendo la complejidad para los usuarios.

Aceleración del desarrollo de UNO Q mediante la expansión modular sin soldadura

Arduino UNO Q conserva el conocido factor de forma y la disposición de los cabezales de Arduino UNO, al tiempo que amplía la plataforma para aplicaciones industriales y de bordes inteligentes (figura 2). Los cabezales de patillas tradicionales compatibles con UNO exponen la conectividad GPIO, los raíles de alimentación, SPI, I²C y UART, preservando la compatibilidad con los escudos Arduino existentes y los flujos de trabajo integrados.

Figura 2: El SBC Arduino UNO Q conserva el factor de forma estándar de Arduino UNO y los cabezales clásicos al tiempo que añade conectores modernos de alta velocidad. (Fuente de la imagen: Arduino)

Los conectores inferiores de alta velocidad amplían las capacidades más allá de las interfaces MCU heredadas al permitir una comunicación periférica más rápida y una integración del sistema con mayor ancho de banda en configuraciones compactas. El apantallamiento Ethernet PHY ASX00073 (figura 3) demuestra la facilidad de expansión en infraestructuras ya existentes utilizando el cableado existente. Opciones de blindaje similares admiten el control de motores y la comunicación por bus de campo (como bus CAN o RS-485) y permiten capacidades adicionales mediante una rápida ampliación del hardware.

Figura 3: El escudo Ethernet PHY ASX00073 simplifica la expansión en la infraestructura existente utilizando el cableado existente. (Fuente de la imagen: Arduino)

El Arduino UNO Q también incorpora un conector Qwiic integrado que permite la conexión de sensores, actuadores y módulos Arduino Modulino a través de I²C para una ampliación rápida y sin soldaduras, lo que acelera significativamente la creación de prototipos y el desarrollo de interfaces hombre-máquina. Por ejemplo, la placa de botones ABX00110 Modulino (figura 4, izquierda) admite la entrada del operador y la activación de eventos para paneles de control industrial y dispositivos IoT; la placa de codificador giratorio ABX00107 (figura 4, centro) permite una navegación intuitiva por los menús, el ajuste de parámetros y las interfaces de control robótico; y la placa de tiempo de vuelo (ToF) ABX00102 (figura 4, derecha) proporciona una detección de proximidad útil para la robótica, la detección de ocupación y los sistemas de seguridad en la automatización.

Figura 4: Se muestran la placa de botones ABX00110 (izquierda), la placa de codificador rotatorio ABX00107 (centro) y la placa ToF ABX00102 (derecha). (Fuente de la imagen: Arduino)

Conclusión

A medida que las aplicaciones de IA en el borde continúan expandiéndose a través de la automatización industrial, la robótica y el IoT, las plataformas SBC flexibles ofrecen un camino rápido y eficaz hacia sistemas fiables, sensibles e inteligentes. Al integrar procesamiento de alto nivel, control en tiempo real, conectividad flexible y expansión modular en un hardware compacto y de bajo consumo, el Arduino UNO Q ejemplifica cómo un SBC puede simplificar la creación de prototipos y modernizar la infraestructura existente sin necesidad de un rediseño exhaustivo.