嵌賽歸來 | 跟著STM32走花路

【導(dǎo)讀】在2023 嵌入式大賽STM32賽題方向上，來自河南大學(xué)的“一飛沖天”隊(duì)，憑借“基于NanoEdge AI的無人機(jī)智慧故障檢測(cè)系統(tǒng)”，取得了國(guó)賽一等獎(jiǎng)的好成績(jī)，還獲得了本屆STM32杯的殊榮。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目是一套高效、可靠的無人機(jī)智能故障檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自主檢測(cè)故障，并采取相應(yīng)干預(yù)措施，避免無人機(jī)應(yīng)用中可能產(chǎn)生的事故。可用于巡邏、搜索、救援等領(lǐng)域。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

• 本系統(tǒng)采用 NanoEdge AI Studio 進(jìn)行開發(fā)，利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的自主故障檢測(cè)功能。通過機(jī)載傳感器和算法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)航空器的異常情況。
• 本系統(tǒng)集成了 STM32WBA52 和 STM32WLE5 系列無線通信模組，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)與遙控器、無人機(jī)與遙控器之間的可靠信息傳輸。
• 遙控器的人機(jī)交互界面采用 TouchGFX 與 STM32F7 開發(fā)設(shè)計(jì)，GUI界面交互豐富、動(dòng)畫流暢，操作員能夠直觀地了解無人機(jī)的飛行狀態(tài)和各種參數(shù)。
• 地面站控制部分基于 STM32MP1 開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

• 在無人機(jī)飛控系統(tǒng)中采用了 ST 的 LPS22HH 氣壓計(jì)和 VL53L3X TOF 傳感器，提供準(zhǔn)確的環(huán)境感知數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)了無人機(jī)的感知能力，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

評(píng)委評(píng)價(jià)

該系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)基于STM32新品，如STM32H5、STM32WBA等，較為全面采用了STM32的技術(shù)，如TouchGFX。同時(shí)，非常用心地準(zhǔn)備了項(xiàng)目介紹資料。在系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)初期融入了信息安全的理念，并且使用了最新的 STM32H5、STM32MBA或TrustZone技術(shù)，保護(hù)開發(fā)程序代碼，關(guān)鍵數(shù)據(jù)、信息傳遞中的安全加密等。

出發(fā)，萌“芯”人類

第一次遇到劉非凡是在今年5月的STM32峰會(huì)上。這位來自河南大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的大一下學(xué)生，跟著同學(xué)組團(tuán)從鄭州飛到深圳參觀STM32峰會(huì)，開眼界、漲知識(shí)，不僅因?yàn)閮?nèi)心有成為稚暉君那樣的野生技術(shù)咖的夢(mèng)想，還為參與嵌入式大賽做準(zhǔn)備。

河南大學(xué)的“一飛沖天”賽隊(duì)由來自自動(dòng)化專業(yè)的劉非凡和張文碩，以及來自電子信息專業(yè)的曹杰三位同學(xué)組成。三位同學(xué)在備賽及項(xiàng)目開發(fā)過程中，分工明確，劉同學(xué)負(fù)責(zé)系統(tǒng)中多款STM32微控制器的編程，張同學(xué)負(fù)責(zé)AI模型的訓(xùn)練以及部署，曹同學(xué)負(fù)責(zé)開發(fā)各款STM32微控制器通訊。

三位同學(xué)都是無人機(jī)愛好者，盡管現(xiàn)在無人機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，國(guó)家針對(duì)無人機(jī)安全方面問題也出臺(tái)了眾多法律法規(guī)，但是關(guān)于無人機(jī)的故障、檢測(cè)、識(shí)別等問題還沒有很好的解決方案。而如今我們處在AI驅(qū)動(dòng)的時(shí)代，用AI對(duì)無人機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)，是解決這個(gè)問題的新思路。

另外，三位同學(xué)都還處在大學(xué)本科基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)階段，是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的萌新，在參賽作品的開發(fā)中，遇到很多困難。比如，通常嵌入式設(shè)備的資源都有限，要求低功耗和高性能，這對(duì)AI算法的部署很有挑戰(zhàn)。他們希望通過這個(gè)參賽項(xiàng)目進(jìn)行一次前沿科技的嘗試，也提高自身“問題式學(xué)習(xí)”的能力。

以賽促學(xué)，從素人到STM32忠粉

參加競(jìng)賽，對(duì)初學(xué)者的學(xué)習(xí)有非常大的促進(jìn)作用。劉非凡和張文碩來自自動(dòng)化專業(yè)，接觸過基于STM32的電機(jī)控制內(nèi)容，但對(duì)于嵌入式AI的部署應(yīng)用、GUI的設(shè)計(jì)開發(fā)，還有信息安全等方面，可謂全“素人”。參加比賽，就是對(duì)自己的小團(tuán)隊(duì)設(shè)了一個(gè)目標(biāo)，所有的學(xué)習(xí)、開發(fā)、調(diào)試都要限時(shí)完成，這非常有利于學(xué)習(xí)效率的提高。

克服語言障礙，工程英語能力大幅提升 STM32有非常完善的產(chǎn)品軟硬件開發(fā)生態(tài)，有大量的相關(guān)課程，對(duì)初學(xué)者非常友好，因而STM32的學(xué)習(xí)過程還算順利。劉非凡同學(xué)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要開發(fā)遙控器的人機(jī)界面，這就要用到TouchGFX這款STM32獨(dú)有的GUI開發(fā)軟件。這款軟件全英文界面，盡管國(guó)內(nèi)有相關(guān)資料，但有深度，不太適用初學(xué)者。開發(fā)過程中，劉同學(xué)匯集了各種學(xué)習(xí)通道，比如CSDN網(wǎng)站、各個(gè)技術(shù)論壇、博客網(wǎng)站，還訪問外網(wǎng)的技術(shù)資料，在死磕這些資料的同時(shí)，自身的英語詞匯量得到大幅提升。

學(xué)習(xí)新工具NanoEdge，邊緣AI應(yīng)用更接地氣 張文碩同學(xué)一直以來對(duì)AI開發(fā)非常有興趣，在大一、大二期間自學(xué)過很多AI開發(fā)的相關(guān)知識(shí)，所以在本次參賽作品的開發(fā)中，負(fù)責(zé)AI模型的訓(xùn)練以及部署。在項(xiàng)目開發(fā)過程中，張同學(xué)不僅花費(fèi)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間和精力，從PC端的開發(fā)轉(zhuǎn)向邊緣AI開發(fā)；還需要選擇基于STM32的快速開發(fā)工具。最初，賽隊(duì)希望采用STM32.CubeAI進(jìn)行開發(fā)，后來劉隊(duì)長(zhǎng)去參加了5月在深圳舉辦的STM32峰會(huì)，了解到NanoEdge AI具有眾多好處，只需幾個(gè)步驟，開發(fā)者就可以根據(jù)最少的數(shù)據(jù)量為項(xiàng)目創(chuàng)建一個(gè)適配的ML庫(kù)；同時(shí)不需要開發(fā)者具備資深的數(shù)理能力，極大地降低了邊緣AI應(yīng)用的開發(fā)門檻。NanoEdge AI Studio可以生成四種類型的庫(kù)：異常檢測(cè)、異常值檢測(cè)、分類和回歸庫(kù)，非常適合賽隊(duì)的參賽項(xiàng)目。ST官網(wǎng)上還有相關(guān)的參考示例，為AI模型的訓(xùn)練和部署帶來很大的幫助。

破解通訊調(diào)試難點(diǎn) 曹杰同學(xué)在本次比賽中主要面向通訊部分，在開發(fā)調(diào)試過程中時(shí)常遇到接收不到數(shù)據(jù)、或者接收到奇怪?jǐn)?shù)據(jù)的情況，有時(shí)甚至?xí)杏X到這就是玄學(xué)問題。為了解決接收數(shù)據(jù)的異常情況，通過瀏覽技術(shù)博客、論壇提問、咨詢老師，甚至向ChatGPT提問，嘗試了很多方法，比如用不同的數(shù)字定義不同的異常情況，還要解決數(shù)據(jù)傳輸慢的問題，保證測(cè)距模塊正常工作。

收獲與心得，跟著STM32走花路

“一飛沖天”賽隊(duì)的三位同學(xué)在參賽之初，就奔著國(guó)賽目標(biāo)準(zhǔn)備，比賽結(jié)果不僅達(dá)到了預(yù)期，還非常驚喜地獲得了ST企業(yè)杯大獎(jiǎng)，隊(duì)員們感概“有點(diǎn)夢(mèng)幻”！以賽促學(xué)是一個(gè)快速的學(xué)習(xí)路徑，不僅收獲了很多數(shù)理知識(shí)，還收到了STM32開發(fā)板大禮包，這更激勵(lì)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情；比賽期間那些難忘的瞬間，被隊(duì)長(zhǎng)催進(jìn)度想撞墻的時(shí)候，問題解決、調(diào)試成功時(shí)的激動(dòng)與興奮都是大學(xué)生活最難忘的記憶點(diǎn)；在總決賽的舞臺(tái)上，與其他賽隊(duì)的選手相互溝通，也頗受啟發(fā)，例如在代碼的某些架構(gòu)、AI模型的訓(xùn)練方法等。

嵌入式AI將是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，STM32在邊緣AI開發(fā)方面是一個(gè)非常好的載體。三位同學(xué)都希望去了解更多的STM32及邊緣人工智能的知識(shí)，未來還計(jì)劃參與更多高質(zhì)量的嵌入式競(jìng)賽，為未來的工作以及研究生階段打下更好的基礎(chǔ)。

在此，三位獲獎(jiǎng)選手向?qū)W弟學(xué)妹們分享以下幾點(diǎn)心得：

• 嵌入式大賽的ST賽道非常值得嘗試，不僅可以深入學(xué)習(xí)STM32的軟硬件知識(shí)，積極嘗試新事物對(duì)嵌入式學(xué)習(xí)大有裨益，比如ST的一些新生態(tài)，新的開發(fā)軟件，新的硬件平臺(tái)、新的芯片等。STM32對(duì)初學(xué)者非常友好。

• 對(duì)電子產(chǎn)品應(yīng)用、AI感興趣的同學(xué)，要努力擴(kuò)大自己的知識(shí)面，結(jié)合軟硬件知識(shí)備賽，了解基本的微機(jī)原理，儲(chǔ)備一些基本的外設(shè)知識(shí)，DIY一些小作品，提高自身的動(dòng)手實(shí)踐能力。

• 賽隊(duì)中需要明確的分工，但也離不開團(tuán)隊(duì)之間的溝通與合作。

• 學(xué)習(xí)路徑可以直接跳過51單片機(jī)，直接上手STM32。STM32CubeMX、STM32Cube IDE、TouchGFX和NanoEdge AI這些開發(fā)工具可以幫助初學(xué)者快速入門，極大地降低了開發(fā)門檻。

• 開始STM32的學(xué)習(xí)，建議大家學(xué)習(xí)HAL庫(kù)，而不是基礎(chǔ)庫(kù)，學(xué)習(xí)HAL庫(kù)不僅應(yīng)用非常廣泛，并且應(yīng)用性也非常強(qiáng)。非常推薦大家把HAL庫(kù)和STM32CubeMX軟件結(jié)合起來學(xué)習(xí)，配置外設(shè)和快速生成代碼的功能可以讓初學(xué)者避免彎路，節(jié)省學(xué)習(xí)時(shí)間，簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)過程。STM32 CubeIDE也是一款非常易用的開發(fā)環(huán)境，集代碼編寫、調(diào)試、下載功能為一體，編譯速度非?？?。

總而言之，STM32產(chǎn)品系列非常豐富，軟硬件生態(tài)大而全，還有很多技術(shù)資源和參考資料，可以讓學(xué)習(xí)與開發(fā)之路事半功倍！

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