UDOO KEY è la piattaforma AI più flessibile al mondo, progettata per dare potere alle applicazioni ed espandere le possibilità di un utilizzo esteso degli algoritmi di Intelligenza Artificiale. La scheda è progettata appositamente per realizzare progetti del settore Edge AI ed è costruita sul chip in silicio Raspberry Pi RP2040, il microcontrollore ESP32 e Clea, una piattaforma software di IoT ed AI analytics. UDOO KEY è la quinta campagna di crowdfunding di UDOO, che ha già raccolto più di 2 milioni di dollari nelle precedenti campagne su Kickstarter. Analizziamo ora le interessantissime funzionalità di UDOO KEY, una novità assoluta nel mercato AI-Embedded, che promette di trasformare radicalmente la vision dei progettisti elettronici e il modo stesso di intendere l'Intelligenza Artificiale. 

Introduzione

La digitalizzazione e l'affermarsi delle tecnologie emergenti dell'IoT (Internet of Things) e dell'AI (Artificial Intelligence) sono un fattore determinante nella diffusione di progetti e applicazioni che fanno largo uso di dispositivi interconnessi dotati di flessibilità, in funzione dell'applicazione che si intende sviluppare, funzionalità espandibili e potenzialità per la connettività wireless (Wi-Fi, Bluetooth, BLE) e in grado di scambiare dati e informazioni. Parallelamente, la ricerca nel campo dell'elettronica embedded è incentrata sull'ottimizzazione dei consumi energetici senza dover per questo sacrificare necessariamente la potenza computazionale e le prestazioni elevate dei dispositivi, nonché il costo complessivo del sistema. Le Community dei progettisti e dei Makers di tutto il mondo fanno largo uso di schede a microcontrollore che integrano al loro interno diversi moduli, numerose periferiche di comunicazione high-speed e chip dal package estremamente compatto con bassi consumi energetici. Oggigiorno l'Intelligenza Artificiale è diventata una tecnologia abilitante per molti contesti applicativi. Gli algoritmi di Intelligenza Artificiale in esecuzione su server remoti sono ormai una realtà tangibile. Ma tutto ciò a volte non basta. L'Intelligenza Artificiale può essere molto più di questo e diventare parte integrante dei nostri oggetti di uso quotidiano cambiando radicalmente le nostre vite e il modo in cui interagiamo tra noi e con l'ambiente circostante.

È proprio qui che entra in gioco la flessibile piattaforma UDOO KEY della quale ho il piacere di parlarvi in questo articolo

UDOO KEY è la nuovissima soluzione basata sui microcontrollori RP2040 ed ESP32 in grado di abilitare applicazioni di Machine Learning nei più diffusi linguaggi di programmazione e librerie, quali TinyML, TensorFlow Lite, Python, MicroPython, C, C++, e molto altro, spalancando le porte all'Edge AI. Insomma, non ci sono limiti, se non nella propria mente. Si tratta, infatti, di una piattaforma molto potente e versatile, che combina in un unico e potente hardware i due chip Raspberry Pi RP2040 ed ESP32, ed è completamente programmabile.

La scheda UDOO KEY è compatibile con Raspberry Pi Pico, sia dal punto di vista hardware che software, ciò implica che qualsiasi hardware di espansione così come qualsiasi software costruito per Raspberry Pi Pico, funzionerà out of the box su UDOO KEY. Allo stesso tempo, è  compatibile anche con la MCU ESP32. Come abbiamo precedentemente specificato, infatti, la UDOO KEY ha un ESP32 a bordo, per tale ragione è compatibile con ogni hardware progettato per ESP32. Parallelamente, ogni software scritto per ESP32 funzionerà in tempo reale anche su UDOO KEY. La lista non è però ancora terminata. UDOO KEY è compatibile anche con l'ambiente di sviluppo Arduino IDE! Dal momento che le Community di Makers e progettisti di tutto il mondo amano la scheda blu torinese, SECO ha reso UDOO KEY completamente compatibile con il software di Arduino.

Questo significa che sulla scheda UDOO KEY gira l'IDE di Arduino in modo nativo

Non solo, ogni progetto che gira su Arduino Nano Connect BLE può essere eseguito anche su UDOO KEY.

Figura 1: La MCU ESP32 a bordo della scheda UDOO KEY

Figura 2: Il chip RP2040 a bordo della scheda UDOO KEY

UDOO è un brand SECO di Mini PC Open Source progettati per Makers e sviluppatori professionisti. UDOO vanta un team multidisciplinare composto da ricercatori, con competenze trasversali in settori diversi (interaction design, elettronica embedded, reti di sensori e scienze cognitive) i quali nel corso del tempo hanno condiviso esperienze e progetti lavorando in sinergia per promuovere tecnologie innovative al servizio della società. SECO è un'affermata realtà aziendale con oltre 40 anni di esperienza nella progettazione e produzione di soluzioni elettroniche embedded ed è tra i principali players internazionali nel mercato B2B embedded. E' specializzata nello sviluppo e realizzazione di soluzioni tecnologiche all’avanguardia.

Uno sguardo alle specifiche tecniche - Parole d'ordine: connettività e portabilità

Analizziamo ora in dettaglio le caratteristiche tecniche di UDOO KEY. La scheda è pienamente compatibile, sia a livello hardware sia a livello software, con Raspberry Pi Pico e la MCU ESP32 di Espressif. UDOO KEY offre anche un anno di accesso alla piattaforma AI premium Clea con modelli AI pre-addestrati per costruire e distribuire la propria app AI in soli pochi minuti. Tornando all'hardware, la parte di UDOO KEY compatibile con Raspberry Pi Pico è costruita su un Raspberry Pi RP2040 dual Arm Cortex-M0, con una memoria flash QSPI 8MB, 133 MHZ di clock e 264KB di SRAM on-chip. L'ESP32 invece è basato su un dual-core Xtensa 32-bit LX6, con 16 MB di memoria flash, 8MB di PSRAM, Wi-Fi, Bluetooth e Bluetooth Low Energy. Il software è pronto all'uso. UDOO KEY è la soluzione ideale anche per realizzare progetti e applicazioni connesse, infatti, grazie all'MCU ESP32 a bordo, la scheda è dotata di tutte le funzionalità di connettività Wi-Fi 802.11b/g/n, Bluetooth e BLE v4.2. L'ESP32 integrato a bordo non è semplicemente un modulo per la connessione Wi-Fi e Bluetooth, tutt'altro, fornisce pieno accesso al firmware dell'ESP32 e si può programmarlo come si vuole. I due moduli a microcontrollore possono parlare tra loro tramite porta seriale e interfaccia SWD. La comunicazione avviene tramite un connettore USB-C. Entrambi i microcontrollori possono essere programmati utilizzando diversi ambienti di sviluppo quali TinyML, TensorFlow Lite, MicroPython, C/C++, fornendo un ampio ventaglio di opzioni per ottimizzare l'applicazione AI.

L'utente può programmare i due microcontrollori in maniera semplice tramite un connettore USB-C e decidere se interfacciarsi con l'RP2040 o con la MCU ESP32 tramite jumper. Sia L'RP2040 sia l'ESP32 sono entrambe MCU di altissima qualità. L'aspetto più accattivante di questa piattaforma è proprio la libertà di scelta dell'utente finale che può scegliere se utilizzare il chip RP2040, l'ESP32, o entrambi, costruendo qualsiasi progetto di AI alle proprie condizioni. L'USB è commutabile tramite jumper o pulsante e può essere accessibile sia dal chip RP2040 sia dall'ESP32, inoltre, dal momento che l'ESP32 non monta di default una porta USB, è stato implementato un ponte UART-to-USB.

UDOO KEY è quindi molto più di un semplice componente hardware. Se fino a poco tempo fa i microcontrollori erano considerati come dispositivi monouso ed estremamente specializzati in poche e semplici operazioni alle quali l'utente deve adattarsi nei propri progetti, con UDOO KEY invece non è più così. La programmazione fisica unita all'elettronica fai-da-te creano un hardware davvero molto flessibile e in grado di svolgere una infinità di applicazioni diversificate, dove l'unico limite è rappresentato solo dalla propria immaginazione.

Figura 3: UDOO KEY è una soluzione altamente integrata e completa sia a livello hardware sia a livello software

UDOO KEY è progettata per rendere lo sviluppo e l'implementazione di applicazioni AI il più semplice possibile. Il microcontrollore viene fornito con un firmware sviluppato in-house basato su Free RTOS e librerie open-source per lanciare facilmente le applicazioni di Intelligenza Artificiale. La scheda UDOO KEY è caratterizzata da un consumo energetico estremamente basso, necessita di 5V di alimentazione e può essere alimentata tramite qualsiasi caricatore USB. Un aspetto davvero interessante è che la scheda può andare in modalità deep sleep (deep sleep mode) riducendo così il consumo di energia al minimo; in questo stato UDOO KEY si risveglia solo se attivata da un evento specifico, consentendo scenari in cui è necessario che la scheda funzioni per lungo tempo, anche per diversi anni. Tutto questo potenziale è disponibile al prezzo di partenza, unico nella vita, di soli 4 dollari.

Figura 4

Clea, la piattaforma AI premium

UDOO KEY apre le porte ad una vera e propria nuova era di microcomputing. La scheda UDOO KEY garantisce anche l'accesso a Clea, la piattaforma di AI As a Service di SECO Mind. Clea è una piattaforma AI & IoT estensibile per sviluppatori professionisti, startup, dipartimenti di ricerca e sviluppo e hobbisti. Consente agli utenti di costruire, monitorare e distribuire rapidamente modelli di Intelligenza Artificiale e applicazioni su una flotta di dispositivi controllati a distanza. Viene fornita con una serie di modelli AI pre-costruiti e applicazioni chiamate Clea Apps. La scheda UDOO KEY è progettata per supportare nativamente Clea, la piattaforma AI premium per distribuire modelli e applicazioni di Intelligenza Artificiale su una flotta di dispositivi IoT attraverso aggiornamenti over-the-air. Clea è sostanzialmente una piattaforma software di IoT ed AI analytics, end-to-end e sviluppata internamente, che in tempo reale restituisce agli utilizzatori informazioni ad alto valore aggiunto sulla base dei dati generati dai dispositivi on-field. Secondo la filosofia di SECO, infatti, la chiave per sbloccare la potenza di Edge AI è il modello di app, esattamente come uno smartphone  risulta così semplice da maneggiare e utilizzare grazie all'interfaccia utente multi-touch ed alla possibilità di scaricare un'app per ogni compito e attività da eseguire. Lo stesso modello logico può essere replicato nel contesto AI. Se, ad esempio, consideriamo un'applicazione di riconoscimento facciale, sappiamo tutti che quella stessa applicazione è stata molto probabilmente scritta diverse volte prima da migliaia di sviluppatori in tutto il mondo. Immaginiamo ora di poter scaricare questa stessa applicazione sulla scheda UDOO KEY nello stesso modo in cui scarichiamo Spotify dal nostro smartphone. E' proprio questa la direzione verso la quale si orienta lo sforzo di SECO. Non è necessario ricreare il meccanismo ogni volta.

L'AI finalmente diventa una piattaforma

Due configurazioni di scheda

La scheda UDOO KEY è disponibile in due versioni, a seconda delle preferenze personali; si può infatti prediligere la configurazione standard senza sensori oppure la configurazione alimentata da sensori, tutto dipende dalle esigenze di sviluppo e dal livello al quale si intende lavorare al proprio progetto.

• UDOO KEY: questa versione è la soluzione ideale per gli sviluppatori embedded che desiderano il pieno controllo e un set minimo di sensori, non monta sensori, in modo da lasciarla espandere con i propri moduli preferiti.
• UDOO KEY PRO: la scheda in questa configurazione monta due potenti sensori, un IMU a 9 assi e un microfono digitale, ai quali si aggiunge un connettore UEXT standard per aggiungere ed espandere facilmente sensori e altre interfacce. È pronta per iniziare subito con i propri progetti AI. Il sensore IMU a 9 assi combina un accelerometro, un magnetometro e un giroscopio in un unico modulo per semplificare una vasta gamma di progetti, dalla robotica alle auto radiocomandate fino alle biciclette intelligenti ed a tutto ciò che concerne la sfera dell'automazione. Il microfono digitale è progettato per il riconoscimento del suono e della voce AI-powered così come il controllo audio e Alexa. Tutti i sensori sono collegati all'ESP32 via I2C.

Entrambe le configurazioni della scheda dispongono di opzioni di connettività Wi-Fi, Bluetooth e BLE.

Figura 5

L'Early Bird UDOO KEY è disponibile a 4 dollari, mentre l'Early Bird UDOO KEY PRO è disponibile a 9 dollari; entrambe le configurazioni sono limitate a 1.000 unità. UDOO ha anche reso disponibili due kit speciali, costruiti in collaborazione con due aziende altrettanto importanti: Arducam e Seeed Studio. Il primo kit, in collaborazione con Arducam, si chiama "Early Bird UDOO KEY PRO Cam Kit + Clea" e comprende una scheda UDOO KEY PRO, una fotocamera SPI 2MB e l'accesso a Clea. Il secondo kit, invece, realizzato in collaborazione con SeeedStudio, si chiama "Early Bird UDOO KEY PRO Grove Kit + Clea" e comprende 1 UDOO KEY PRO, accesso a Clea e 14 moduli Grove selezionati a mano, tra cui 5 sensori, 5 attuatori, 2 LED, 1 display LCD, 1 shield Grove.

Uno sguardo alle funzionalità delle interfacce

Dal punto di vista delle interfacce, la scheda UDOO KEY offre tantissime opzioni e funzionalità. In primis, monta due pulsanti di reset, uno per l'ESP32 gestito dal pin #3 e uno per l'RP2040 gestito dal pin RUN del microcontrollore. Inoltre, monta tre LED:

• LED blu: segnala una connessione riuscita a Clea Cloud
• LED giallo: è per le attività Wi-Fi/Bluetooth, ed è gestito dall'IO33 dell'ESP32 (pin #9)
• LED verde: è collegato al GPIO25 del chip RP2040

Tutti i LED sono completamente programmabili.

La UDOO KEY dispone di un Jumper per l'avvio e il debug, il Jumper è collegato al GPIO0 dell'ESP32 (pin #25). Come la scheda a microcontrollore Raspberry Pi Pico, ha anche un pulsante per scegliere tra la modalità normale e la modalità di programmazione, collegato al pin QSPI_SS come è visibile dallo schema di Raspberry Pi Pico. La scheda monta ben 40 pin, tantissimi se paragonata a schede di dimensioni simili. A livello di pinout, la scheda UDOO KEY è compatibile al 100% con Raspberry Pi Pico sia a livello hardware che software, con l'unica eccezione di due pin GPIO utilizzati per la mappatura UART, necessari per consentire la comunicazione tra la MCU ESP32 e il chip RP2040. Tutte le interfacce hanno protezione ESD e sono progettate per essere utilizzate non solo in ambito hobbistico, ma anche in ambienti industriali. Infine, il connettore UEXT è accessibile dall'ESP32, che espone le interfacce I2C, UART e SPI.

Figura 6

Quali e quanti progetti possiamo realizzare con UDOO KEY?

La scheda UDOO KEY si presta alla realizzazione di una infinità di progetti e applicazioni. Grazie a UDOO KEY si può facilmente costruire e addestrare, ad esempio, il proprio modello AI di riconoscimento dei gesti e utilizzarlo per una vasta gamma di scenari. UDOO KEY può essere inserito praticamente in qualsiasi tipo di oggetto, fino ad arrivare al retrofit di vecchie macchine, offrendo un sacco di opzioni. Vediamo ora alcune tra le più diffuse applicazioni.

• Manutenzione predittiva (predictive maintenance) 

Attraverso l'analisi dei dati dei dispositivi connessi, utilizzando algoritmi di apprendimento automatico, la manutenzione predittiva è in grado di misurare la durata di un oggetto e rilevare un eventuale malfunzionamento prima che questo accada. Un esempio di modello AI di manutenzione predittiva può essere utilizzato per misurare se viene applicata troppa forza alla forcella di una bicicletta intelligente, mediante l'utilizzo di componenti quali il sensore IMU a 9 assi dell'ESP32 e il microfono digitale, per analizzare i dati di suono e movimento con un modello AI di manutenzione predittiva.

• Riconoscimento del suono (sound recognition) 

UDOO KEY permette di riconoscere il suono identificando un suono specifico. Per questa tipologia di progetto possono essere utilizzati il microfono digitale a bordo e Clea, per analizzare i dati del suono con un modello AI di riconoscimento del suono.

• Riconoscimento delle parole chiave (keyword recognition)

Un classico esempio di questo tipo di applicazione è la macchina da caffè ad attivazione vocale, che potremmo considerare un upgrade della UDOO Coffee Machine, un vecchio progetto UDOO, ma che prende ispirazione anche da diverse macchine da caffè Arduino, come quelle  che si possono trovare online. Con questa macchina da caffè dall'aspetto "magico" è possibile ottenere un caffè solo con la forza della nostra voce. Il funzionamento della macchina è abbastanza semplice e intuitivo: si attiva la macchina del caffè pronunciando una parola di comando (che può essere ad esempio "Hey UDOO") dopo di che, la macchina del caffè fa una domanda scriptata per confermare se vogliamo davvero un caffè. A questo punto possiamo dare la conferma alla macchina. Questo esempio di progetto utilizza i seguenti componenti UDOO KEY: microfono digitale, la MCU ESP32 compatibile con Arduino per hackerare facilmente la macchina del caffè e Clea, per rilevare la parola chiave.

• Rilevamento e classificazione degli oggetti (object detection and classification) 

Con UDOO KEY possiamo anche realizzare applicazioni di rilevamento e classificazione di oggetti. Potremmo, ad esempio, applicarlo ai bidoni della spazzatura che possono quindi verificare se il cestino è pieno o meno, oppure identificare il materiale del pezzo di spazzatura che si ha in mano e aprire il contenitore giusto. In sostanza, questa applicazione specifica è frutto di una combinazione di diversi progetti open-source, in particolare, Arduino Trash Classificazione basata su TinyML e Arduino Smart Trash Bin per controllare se il cestino della spazzatura è pieno o vuoto. In questo progetto vengono impiegati i seguenti componenti UDOO KEY: microfono digitale, ESP32 compatibile con Arduino per hackerare facilmente il cestino della spazzatura e Clea, per il rilevamento e la classificazione degli oggetti.

• Riconoscimento dei gesti (gesture recognition)

Con UDOO KEY possiamo effettuare il riconoscimento dei gesti, ovvero la capacità di rilevare un gesto specifico. Ad esempio, inserendo una UDOO KEY all'interno di un peluche, possiamo trasformarlo in una bacchetta magica, dandogli nuove capacità, come cambiare i modelli di luce delle strisce LED abilitate al bluetooth o attivare gli altoparlanti bluetooth. Tutte queste abilità sono attivate dai gesti grazie all'IMU a 9 assi di UDOO KEY. Questo progetto si basa sui seguenti componenti UDOO KEY: l'IMU a 9 assi, per rilevare facilmente i gesti e Clea, per identificare il gesto.

• Riconoscimento del volto (face recognition) 

Con UDOO KEY è possibile realizzare anche progetti di riconoscimento dei volti, con i quali è possibile rilevare e identificare un volto in un flusso di telecamere. Ciò è possibile perché, pur non avendo una telecamera integrata a bordo, monta un connettore per telecamera ed è compatibile con Arducam. Esistono centinaia di progetti di riconoscimento facciale che si possono realizzare con l'hardware UDOO KEY, sia in scenari industriali che non industriali.

Figura 7

La campagna Kickstarter

La campagna Kickstarter è disponibile al seguente link key.udoo.org. In questa campagna, UDOO KEY ha superato l'obiettivo di 10.000 $ in soli 90 minuti. Questa, però, per UDOO non è la prima campagna, in precedenza ci sono state altre 4 campagne Kickstarter che hanno riscosso un grande successo (UDOO, UDOO NEO, UDOO X86, UDOO BOLT) raccogliendo oltre 2 milioni di dollari da migliaia di sostenitori sparsi in tutto il mondo. A partire dalla prima scheda UDOO sono stati spediti oltre 100.000 computer a scheda singola. Le spedizioni della scheda UDOO KEY inizieranno a gennaio 2022.

Maurizio Caporali, CEO & Product Manager, ha affermato: "Oggi l'AI è molto fraintesa. Molti casi d'uso dell'AI non richiedono una potente unità di elaborazione, ed è qui che entra in gioco UDOO KEY. Per la prima volta nel mondo dell'Edge AI l'utente ha la possibilità di costruire un progetto AI alle proprie condizioni, utilizzando Raspberry Pi RP2040, ESP32 o entrambi. Diverse aziende con cui siamo in contatto hanno difficoltà a trarre vantaggio dalla rivoluzione dell'Intelligenza Artificiale. UDOO KEY e Clea rendono tutto ciò più facile che mai."

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