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Alexa Built-in基於MCU的解决方案降低制造商入门槛
 

【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的语音解决方案可加快上市时间


2019年1月Amazon装置与服务事业部资深??总裁Dave Limp在媒体采访时提到[1],已经有超过1亿个装有Alexa Voice Service(AVS)的装置销售到全球市场。


虽然这个数字与预装Siri或Google语音助理(Google Voice Assistant;GVA)的智慧手机数量相比显得微不足道,但智慧手机使用者可能永远不会使用其预先安装的助理,但购买Alexa相容设备的使用者通常会主动选择使用 Alexa。将语音助理内置到手机中是一个不错的功能,但它没有为使用者提供像使用Amazon Echo智慧扬声器等设备体验到的免提操作功能和便利性。


根据Amazon说明,除了Amazon Echo扬声器外,这1亿个Alexa设备还包括由4500多家不同制造商制造的设备,包括150多种内建Alexa的产品,以及28,000多种与Alexa合作的产品。


透过降低成本和拉平学习曲线,恩智浦半导体的解决方案旨在推动Alexa内建产品数量的快速增长,该解决方案首次使低成本微控制器(MCU)可用於将 Alexa构建到更广泛的设备中,无需使用昂贵的应用处理器或微处理器 (MPU),让许多制造商更容易将Alexa添加到其设计中。它利用Amazon 11 月25日推出的基於AWS IoT Core 物联网平台的AVS整合服务实现了这一点,使Alexa能够内置到MCU供电的IoT设备中。


在本文中,我们将回顾与Alexa配合使用的产品(Work with Alexa)与内建 Alexa的产品(Alexa bulit-in)之间的差异。我们还将探讨MCU和MPU之间的差异,以理解为什麽使用基於AWS IoT Core的AVS整合服务来提供Alexa 内建功能,将使Alexa扩散到智慧家居和智慧家电产品中。


与Alexa配合使用vs.内建Alexa的产品之差异

目前市场上可见的与Alexa配合使用的产品与内建Alexa的产品种类大概相差有200倍。这是因为对制造商而言,将Alexa相容性加入到使用app控制的智慧设备相对直接容易。此外,「与Alexa 配合使用」的这项功能可在智慧设备在销售和安装後很久後,再添加到智慧设备中。


「与Alexa配合使用」是指该设备已通过Amazon认证,以验证其是否可以透过Alexa Voice Service使用语音命令控制像Amazon EchoEcho扬声器等设备。原始设备制造商(OEM)通过创建自己的Alexa功能,或利用现有的Alexa功能(如智慧家庭功能API)来实现这一点,使使用者能够使用Alexa控制其设备。


Alexa内建(Alexa bulit-in)产品具有麦克风来收听Alexa唤醒词,然後将命令中继到云,然後透过扬声器来播放Alexa的後续回应。对於真正的免提操作而言,大多数Alexa内建设备都需要具有远场功能(far-field capability),这意味着它们可以理解来自整个房间的语音命令,通常距离可达5米(约20英尺)。为了从嘈杂的背景中提取可理解的语音命令,良好的远场语音实现功能通常具有音讯前端(audio front end;AFE)处理功能,可抑制背景杂音、消除回声、允许其他音讯介入(可在音讯播放期间识别命令)以及从多麦克风阵列执行波束成形,提高目标用户的解调信噪比。


MPU与MCU的差异

应用程式处理器也称为微处理器(MPUs), 用於运行复杂的作业系统 (OS),如Windows、MacOS、iOS、Android或Linux,需要十亿位元组 (GB)的NAND快闪记忆体储存和SDRAM记忆体组成的大量记忆体。


所有作业系统都管理由记忆体管理单元(memory management unit;MMU) 映射到处理器实体记忆体的虚拟记忆体空间。


当今的MPU通常具有两个、四个、八个或更多处理器内核,并且存在於功能强大的设备中,包括笔记本电脑、智慧手机、平板电脑和智慧萤幕、电竞游戏主控台、路由器和闸道。MPU通常使用基於Arm Cortex-A中央处理单元(CPU),在强大的运算设备中运作,如为现有iPhone 机型供电的Apple A13 仿生设备,或最新树莓派板中的Broadcom BCM2837B0 SoC。


微控制器(MCUs)用於嵌入式设计,主要使用即时作业系统(RTOS),如Amazon FreeRTOS。这些RTOS实现通常需要很少的记忆体,通常是百万位元组(MB)或更少的快闪记忆体和RAM,这两种实现通常都已整合於晶片上。MCU几??都是单一CPU,用於嵌入式控制产品,如电器、电动工具、玩具、发动机、制动器、转向和悬吊等汽车子系统,以及许多智慧家居产品,包括灯开关、智慧??头、??温器和烟雾探测器。现在的MCU通常基於Arm Cortex-M CPU,如被Nest烟雾探测器采用的恩智浦Kinetis MCU。


制造商面对的难题:难以添加Alexa built-in到产品中

在恩智浦推出基於i.MX RT106A的Alexa Voice Service解决方案之前,Alexa bulit-in要求制造商使用功能强大的MPU运行Linux作业系统,并能够提供至少750个DMIPS以及超过50MB的记忆体。这代表需要额外的CPU资源和记忆体来实现远场语音所需的AFE处理,通常得透过另一个独立专用DSP处理器来实现。


但制造商希??添加Alexa功能的产品中,很多是采用MCU而不使用MPU。因此添加额外的MPU,甚至用MPU替换MCU,都会明显地提升成本。此外,制造商端的设计工程师都使用 RTOS 为 MCU编写嵌入式代码,对 MPU和Linux 等作业系统相当陌生。


基於MCU的解决方案使Alexa built-in变得简单!

2019年2月,在德国纽伦堡举行的嵌入式展会上,恩智浦宣布新解决方案i.MX RT106A,让制造商能够使用低成本、低功耗MCU将Alexa内建到任何联网智慧家居产品中。因此,制造商首次能以极低的增量成本向其产品添加语音指令功能,此成本不会高过麦克风和扬声器。


恩智浦基於MCU的语音控制解决方案AVS新解决方案,在Amazon FreeRTOS环境运行,利用AWS的AWS IoT Core物联网AVS整合功能,最大限度地减少将Alexa内建到产品中所需的运算资源。


为了使Alexa能够内置於基於MCU的产品中,而不是在设备上运行完整的 AVS Device SDK,Amazon采用AWS IoT Core物联网平台上的容器化服务运行虚拟Alexa用户端。


透过这种运作方式,所有HTTP/2通信流量都是云到云,因此,可以使用低成本MCU实现Alexa用户端功能,使用MQTT讯息对云端服务进行更新。除了降低设备硬体成本外,在云端运行AVS设备用户端还可以减少设备OTA软体更新的频率和大小,以此显着降低制造商的产品生命周期管理成本。


制造商无需频繁地将AVS用户端SDK更新(超过50 MB)推送到现场运行的每个设备,而是Amazon透过更新AWS IoT Core物联网平台运行的所有AVS 虚拟装置服务实例以更新设备,对於制造商而言成本为零。同样的,由於基於 MCU的设备的软体映射比MPU上的软体映射小两个数量级,制造商在物理设备上更新自家软体的成本也大大降低。


与运行Linux的传统MPU相比,恩智浦的MCU解决方案大大降低了Alexa内置的成本和大小设计。虽然MCU的定价通常低於MPU,但正是记忆体需求的大幅降低,使物料清单(bill of material;BOM)成本得以通过此基於MCU解决方案而大幅降低。


位於恩智浦AVS解决方案核心的是i.MX RT106A MCU,由600 MHz Arm Cortex-M7处理器搭配1MB SRAM,以及各种通信和其他周边设备。附加可使用已通过AVS认证的恩智浦一站式软体的许可,包括符合Amazon远场语音要求所需的AFE机器学习(ML)环境。该软体在可量产的硬体平台上运行,使制造商能够快速轻松地将 Alexa 添加到其产品设计中。



图一 : SLN-ALEXA-IOT - 开发套件
图一 : SLN-ALEXA-IOT - 开发套件

恩智浦i.MX RT106A基於MCU的AVS解决方案(SLN-ALEXA-IOT)可作为评估、开发和原型设计的完整套件。



图二 : 基於 i.MX RT MCU的AVS语音解决方案硬体框图
图二 : 基於 i.MX RT MCU的AVS语音解决方案硬体框图

由两块30毫米x 40毫米(1.2英寸x 1.6英寸)的小板组成。MCU模组(SoM)包含i.MX RT106A处理器、超快闪记忆体和Wi-Fi/蓝牙模组。音讯板使用两个或三个低成本、高性能MEMS麦克风,并连接到由智慧音讯放大器驱动的扬声器。



图三 : i.MX RT Alexa Voice Service 软体框图
图三 : i.MX RT Alexa Voice Service 软体框图

该套件附带的套装软体,包括开发人员连接到Alexa语音服务後开箱即用,并立即开始原型设计所需的一切。此一站式套装软体包括远场语音AFE处理(杂讯抑制、波束成形、回声消除和??入)、Amazon唤醒字引擎(WWE)和模型、AVS用户端应用程式、API和所有必要的驱动程式。除AFE和WWE外,所有内容均以原始程式码提供,这让开发人员可以轻松地将其设备软体从现有MCU移植到i.MX RT 106A上。


为此,恩智浦的AVS解决方案具有300 Kb的RAM和至少120兆赫的CPU,可供开发人员运行其软体,这足以满足大多数嵌入式应用所需。透过利用Amazon FreeRTOS和AWS IoT Core的强大功能,恩智浦独特的基於MCU的Alexa语音服务解决方案,在嵌入式开发人员熟悉的微控制器平台上,提供更短的上市时间、更低的BOM和生命周期成本的优势。


(本文作者Rick Bye为恩智浦半导体资深产品行销经理)


叁考文献


[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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