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Alexa Built-in基於MCU的解決方案降低製造商入門檻
 

【作者: Rick Bye】   2020年01月13日 星期一

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低成本、一站式基於i.MX RT的語音解決方案可加快上市時間


2019年1月Amazon裝置與服務事業部資深副總裁Dave Limp在媒體採訪時提到[1],已經有超過1億個裝有Alexa Voice Service(AVS)的裝置銷售到全球市場。


雖然這個數字與預裝Siri或Google語音助理(Google Voice Assistant;GVA)的智慧手機數量相比顯得微不足道,但智慧手機使用者可能永遠不會使用其預先安裝的助理,但購買Alexa相容設備的使用者通常會主動選擇使用 Alexa。將語音助理內置到手機中是一個不錯的功能,但它沒有為使用者提供像使用Amazon Echo智慧揚聲器等設備體驗到的免提操作功能和便利性。


根據Amazon說明,除了Amazon Echo揚聲器外,這1億個Alexa設備還包括由4500多家不同製造商製造的設備,包括150多種內建Alexa的產品,以及28,000多種與Alexa合作的產品。


透過降低成本和拉平學習曲線,恩智浦半導體的解決方案旨在推動Alexa內建產品數量的快速增長,該解決方案首次使低成本微控制器(MCU)可用於將 Alexa構建到更廣泛的設備中,無需使用昂貴的應用處理器或微處理器 (MPU),讓許多製造商更容易將Alexa添加到其設計中。它利用Amazon 11 月25日推出的基於AWS IoT Core 物聯網平台的AVS整合服務實現了這一點,使Alexa能夠內置到MCU供電的IoT設備中。


在本文中,我們將回顧與Alexa配合使用的產品(Work with Alexa)與內建 Alexa的產品(Alexa bulit-in)之間的差異。我們還將探討MCU和MPU之間的差異,以理解為什麼使用基於AWS IoT Core的AVS整合服務來提供Alexa 內建功能,將使Alexa擴散到智慧家居和智慧家電產品中。


與Alexa配合使用vs.內建Alexa的產品之差異

目前市場上可見的與Alexa配合使用的產品與內建Alexa的產品種類大概相差有200倍。這是因為對製造商而言,將Alexa相容性加入到使用app控制的智慧設備相對直接容易。此外,「與Alexa 配合使用」的這項功能可在智慧設備在銷售和安裝後很久後,再添加到智慧設備中。


「與Alexa配合使用」是指該設備已通過Amazon認證,以驗證其是否可以透過Alexa Voice Service使用語音命令控制像Amazon EchoEcho揚聲器等設備。原始設備製造商(OEM)通過創建自己的Alexa功能,或利用現有的Alexa功能(如智慧家庭功能API)來實現這一點,使使用者能夠使用Alexa控制其設備。


Alexa內建(Alexa bulit-in)產品具有麥克風來收聽Alexa喚醒詞,然後將命令中繼到雲,然後透過揚聲器來播放Alexa的後續回應。對於真正的免提操作而言,大多數Alexa內建設備都需要具有遠場功能(far-field capability),這意味著它們可以理解來自整個房間的語音命令,通常距離可達5米(約20英尺)。為了從嘈雜的背景中提取可理解的語音命令,良好的遠場語音實現功能通常具有音訊前端(audio front end;AFE)處理功能,可抑制背景雜音、消除回聲、允許其他音訊介入(可在音訊播放期間識別命令)以及從多麥克風陣列執行波束成形,提高目標用戶的解調信噪比。


MPU與MCU的差異

應用程式處理器也稱為微處理器(MPUs), 用於運行複雜的作業系統 (OS),如Windows、MacOS、iOS、Android或Linux,需要十億位元組 (GB)的NAND快閃記憶體儲存和SDRAM記憶體組成的大量記憶體。


所有作業系統都管理由記憶體管理單元(memory management unit;MMU) 映射到處理器實體記憶體的虛擬記憶體空間。


當今的MPU通常具有兩個、四個、八個或更多處理器內核,並且存在於功能強大的設備中,包括筆記本電腦、智慧手機、平板電腦和智慧螢幕、電競遊戲主控台、路由器和閘道。MPU通常使用基於Arm Cortex-A中央處理單元(CPU),在強大的運算設備中運作,如為現有iPhone 機型供電的Apple A13 仿生設備,或最新樹莓派板中的Broadcom BCM2837B0 SoC。


微控制器(MCUs)用於嵌入式設計,主要使用即時作業系統(RTOS),如Amazon FreeRTOS。這些RTOS實現通常需要很少的記憶體,通常是百萬位元組(MB)或更少的快閃記憶體和RAM,這兩種實現通常都已整合於晶片上。MCU幾乎都是單一CPU,用於嵌入式控制產品,如電器、電動工具、玩具、發動機、制動器、轉向和懸吊等汽車子系統,以及許多智慧家居產品,包括燈開關、智慧插頭、恒溫器和煙霧探測器。現在的MCU通常基於Arm Cortex-M CPU,如被Nest煙霧探測器採用的恩智浦Kinetis MCU。


製造商面對的難題:難以添加Alexa built-in到產品中

在恩智浦推出基於i.MX RT106A的Alexa Voice Service解決方案之前,Alexa bulit-in要求製造商使用功能強大的MPU運行Linux作業系統,並能夠提供至少750個DMIPS以及超過50MB的記憶體。這代表需要額外的CPU資源和記憶體來實現遠場語音所需的AFE處理,通常得透過另一個獨立專用DSP處理器來實現。


但製造商希望添加Alexa功能的產品中,很多是採用MCU而不使用MPU。因此添加額外的MPU,甚至用MPU替換MCU,都會明顯地提升成本。此外,製造商端的設計工程師都使用 RTOS 為 MCU編寫嵌入式代碼,對 MPU和Linux 等作業系統相當陌生。


基於MCU的解決方案使Alexa built-in變得簡單!

2019年2月,在德國紐倫堡舉行的嵌入式展會上,恩智浦宣佈新解決方案i.MX RT106A,讓製造商能夠使用低成本、低功耗MCU將Alexa內建到任何聯網智慧家居產品中。因此,製造商首次能以極低的增量成本向其產品添加語音指令功能,此成本不會高過麥克風和揚聲器。


恩智浦基於MCU的語音控制解決方案AVS新解決方案,在Amazon FreeRTOS環境運行,利用AWS的AWS IoT Core物聯網AVS整合功能,最大限度地減少將Alexa內建到產品中所需的運算資源。


為了使Alexa能夠內置於基於MCU的產品中,而不是在設備上運行完整的 AVS Device SDK,Amazon採用AWS IoT Core物聯網平台上的容器化服務運行虛擬Alexa用戶端。


透過這種運作方式,所有HTTP/2通信流量都是雲到雲,因此,可以使用低成本MCU實現Alexa用戶端功能,使用MQTT訊息對雲端服務進行更新。除了降低設備硬體成本外,在雲端運行AVS設備用戶端還可以減少設備OTA軟體更新的頻率和大小,以此顯著降低製造商的產品生命週期管理成本。


製造商無需頻繁地將AVS用戶端SDK更新(超過50 MB)推送到現場運行的每個設備,而是Amazon透過更新AWS IoT Core物聯網平台運行的所有AVS 虛擬裝置服務實例以更新設備,對於製造商而言成本為零。同樣的,由於基於 MCU的設備的軟體映射比MPU上的軟體映射小兩個數量級,製造商在物理設備上更新自家軟體的成本也大大降低。


與運行Linux的傳統MPU相比,恩智浦的MCU解決方案大大降低了Alexa內置的成本和大小設計。雖然MCU的定價通常低於MPU,但正是記憶體需求的大幅降低,使物料清單(bill of material;BOM)成本得以通過此基於MCU解決方案而大幅降低。


位於恩智浦AVS解決方案核心的是i.MX RT106A MCU,由600 MHz Arm Cortex-M7處理器搭配1MB SRAM,以及各種通信和其他週邊設備。附加可使用已通過AVS認證的恩智浦一站式軟體的許可,包括符合Amazon遠場語音要求所需的AFE機器學習(ML)環境。該軟體在可量產的硬體平台上運行,使製造商能夠快速輕鬆地將 Alexa 添加到其產品設計中。



圖一 : SLN-ALEXA-IOT – 開發套件
圖一 : SLN-ALEXA-IOT – 開發套件

恩智浦i.MX RT106A基於MCU的AVS解決方案(SLN-ALEXA-IOT)可作為評估、開發和原型設計的完整套件。



圖二 : 基於 i.MX RT MCU的AVS語音解決方案硬體框圖
圖二 : 基於 i.MX RT MCU的AVS語音解決方案硬體框圖

由兩塊30毫米x 40毫米(1.2英寸x 1.6英寸)的小板組成。MCU模組(SoM)包含i.MX RT106A處理器、超快閃記憶體和Wi-Fi/藍牙模組。音訊板使用兩個或三個低成本、高性能MEMS麥克風,並連接到由智慧音訊放大器驅動的揚聲器。



圖三 : i.MX RT Alexa Voice Service 軟體框圖
圖三 : i.MX RT Alexa Voice Service 軟體框圖

該套件附帶的套裝軟體,包括開發人員連接到Alexa語音服務後開箱即用,並立即開始原型設計所需的一切。此一站式套裝軟體包括遠場語音AFE處理(雜訊抑制、波束成形、回聲消除和插入)、Amazon喚醒字引擎(WWE)和模型、AVS用戶端應用程式、API和所有必要的驅動程式。除AFE和WWE外,所有內容均以原始程式碼提供,這讓開發人員可以輕鬆地將其設備軟體從現有MCU移植到i.MX RT 106A上。


為此,恩智浦的AVS解決方案具有300 Kb的RAM和至少120兆赫的CPU,可供開發人員運行其軟體,這足以滿足大多數嵌入式應用所需。透過利用Amazon FreeRTOS和AWS IoT Core的強大功能,恩智浦獨特的基於MCU的Alexa語音服務解決方案,在嵌入式開發人員熟悉的微控制器平台上,提供更短的上市時間、更低的BOM和生命週期成本的優勢。


(本文作者Rick Bye為恩智浦半導體資深產品行銷經理)


參考文獻


[1] interview with The Verge;https://www.theverge.com/2019/1/4/18168565/amazon-alexa-devices-how-many-sold-number-100-million-dave-limp


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