如何将AI模型部署到嵌入式系统中

本期我们分享主题是如何将 AI 模型部署到嵌入式系统中，下一期将介绍如何在 RT-Thread 操作系统上运行 Mnist Demo（手写数字识别）。

嵌入式关联 AI

AI落地一直是一个很红火的前景和朝阳行业。我的好奇心也比较旺盛，所以关于任何嵌入式和 AI 相关的都是想尝一尝。本系列文章将带你一步一步把 AI 模型部署在嵌入式平台，移植到 RT-Thread 操作系统上，实现你从菜鸟到起飞的第一步甚至第 n 步！

开发环境：

后续开发过程将基于 STM32H743ZI-Nucleo 开发板，并且使用 STM32CubeMX.AI 工具。它可以基于训练好的 AI Model (仅限 Keras/TF-Lite)，自动生成嵌入式项目工程(包括但是不局限于 MDK、STM32CubeIDE 等)。该工具易于上手，适合嵌入式 AI 入门开发。

STM32CubeMX 是 ST 公司推出的一种自动创建单片机工程及初始化代码的工具，适用于旗下所有 STM32 系列产品，现在其 AI 组件可以提供 AI 模型到嵌入式 C 代码的转换功能。

1. 准备工作

1.1 安装开发环境

我是用的操作系统是 Ubuntu 18.04。本次实验要用到如下开发工具，软件的安装过程很简单，网上都有很成熟的教程，在此不再赘述。该篇教程同样适用于 Windows 环境，实验步骤完全相同。

STM32CubeMx

STM32CubeIDE

STM32CubeProgrammer

STM32CubeProgrammer 在 ubuntu 环境下使用可能会出现如下错误：

安装好之后，在终端执行安装包路径下的bin文件夹下的执行文件，会报错误：找不到或无法加载主类 “com.st.app.Main”，这时候只要将 Ubuntu 默认的 Open-JDK 换成 Oracle JDK 就好了，下面是切换成 Oracle JDK 成功的截图：

1# Oracle 官网中下载 JavaSE JDK 压缩包 2$ sudo tar zxvf jdk-8u172-linux-x64.tar.gz -C /usr/lib/jvm 3# 将下载的JDK注册到系统中 4$ sudo update-alternatives --install /usr/bin/java java /usr/lib/jvm/jdk1.8.0_172/bin/java 300 5# 切换JDK 6$ sudo update-alternatives --config java 7# 查看JDK 版本 8$ java -version

1.2 在 PC 端搭建极简神经网络

首先将如下开源仓库克隆到本地：

Github: https://github.com/Lebhoryi/Edge_AI/tree/master/Project1

在本次实验中我选择了最简单的一个线性回归( Linear Regression) Tensor Flow2 Demo 作为示例，模型相关源文件说明如下：

tf2_linear_regression.ipynb 内含三种不同方式搭建网络结构

tf2_线性回归_扩展.ipynb 内含不同方式训练模型

其中，在模型搭建的时候，重新温习了一下，有三种方式（各个方式的优缺点已经放在参考文章当中，感兴趣的同学自行查阅）：

Sequence

函数式 API

子类

后面将 AI 模型导入到 CubeMx 的过程中，如果使用后两种方式生成的网络模型，将会遇到如下报错：

1INVALID MODEL: Couldn't load Keras model /home/lebhoryi/RT-Thread/Edge_AI/Project1/keras_model.h5,  2error: Unknown layer: Functional暂时的解决方式是采用Sequence 方式搭建神经网络，训练好的 AI Model 会被保存为 Keras 格式，后缀为 .h5，例如 keras_model.h5。 示例模型我已经保存好了，大家可以直接下载该模型进行实验，下载地址如下： https://github.com/Lebhoryi/Edge_AI/tree/master/Project1/model 本次示例所训练的神经网络模型结构如下：

2. 使用 CubeMX AI 生成工程

在 CubeMX 中选择 STM32H743ZI Nucleo 开发板，这里其实不限制开发板型号，常见的 

2.1 打开 CubeMX

2.2 安装 CUBE-AI 软件包

打开菜单栏中的 Help，选择 Embedded Software Packages Manager，然后在 STMicroelectronics 一栏中选择 X-CUBE-AI 插件的最新版本，安装好之后点击右下角的 Close。

在工程中导入 X-CUBE-AI 插件：

会出现如下界面：

接下来选择用于通信的串口，这里选择串口 3，因为该串口被用于 STlink 的虚拟串口。

2.3 导入 AI 模型到工程中

将 AI 模型烧录到开发板前，需要先分析 Model，检查其是否可以被正常转换为嵌入式工程，本次实验使用的模型比较简单，分析起来也也比较快，结果如下所示：

接下来我们要在开发板上验证转换后的嵌入式工程，在这个过程中 CubeMX AI 工具会根据你导入的 AI 模型，自动生成嵌入式工程，并且将编译后的可执行文件烧录到开发板中，并通过 STlink 的虚拟串口验证运行的结果。我的系统是 Ubuntu，不支持 MDK，所以在这里选择自动生成 STM32CubeIDE 工程。

验证成功界面如下所示：

2.4 生成项目工程

上一步我们只是进行了项目结果的验证，但是并没有生成项目源代码，接下来我们将生成项目工程，如下图所示：

生成后的 Project 文件夹树如下所示：

1(base) #( 07/03/20@10:51上午 )( lebhoryi@RT-AI ):~/RT-Thread/Edge_AI@master✗✗✗ 2   tree -L 2 ./Project1  3./Project1 4├── DNN  # CubeMX 生成工程路径 5│   ├── DNN.ioc  # CubeMX 类型文件 6│   ├── Drivers 7│   ├── Inc 8│   ├── Middlewares 9│   ├── network_generate_report.txt 10│   ├── Src 11│   ├── Startup 12│   ├── STM32CubeIDE 13│   ├── STM32H743ZITX_FLASH.ld 14│   └── STM32H743ZITX_RAM.ld 15├── image  # 相关图片保存文件夹 16│   ├── mymodel1.png   # model 17│   └── STM32H743.jpg  # H743 18├── model  # model 保存路径 19│   └── keras_model.h5 20├── Readme.md 21├── tf2_linear_regression.ipynb 22└── tf2_线性回归_扩展.ipynb至此，神功练成了一大半，剩下的就是代码调试的工作了。

3. 代码调试

关于 STM32CubeIDE 的初步认识：基础说明与开发流程：https://blog.csdn.net/Naisu_kun/article/details/95935283

3.1 导入工程

选择 File 选项 --> import：

选择先前导出工程的路径：

导入成功的界面如下所示：

接下来就可以使用 STM32Cube IDE 来调试生成的工程了。

3.2 生成 bin 文件

在编译的过程中还会自动生成相应的 bin 文件，后续可以通过 stm32cubeProgramer 工具将 bin 文件烧录到开发板中。

3.3 烧录 .bin 文件

打开STM32CubeProgramming，点击右上角connect，然后选择Open file，选择要打开的.bin 文件。

烧录成功的界面：

3.4 Other

在 ubuntu 系统中我们可以使用串口工具cutecom 来查看最终程序的运行结果，程序运行结果如下：  

在使用 cutecom 连接串口前，记得断开 STM32Programer 和开发板的连接，否则会出现串口打开错误的情况。

可以看到我们的 AI 模型已经在开发板上欢快地跑了起来 ，奥里给！！！