【开箱测评】搭载NVIDIA Jetson系列的工业级边缘AI网关：研华EPC-R7200

用过NVIDIA Jetson的开发者都知道，Jetson本身是一片系统模块（System on Module, SOM），但会搭配连接一片载板（Carrier Board），使其成为完整的电路系统，而后能用于学习、开发验证，一旦开发验证完，依据不同应用的需要，Jetson模块可弹性搭配不同的载板，例如换成可连接多个摄像头的载板，以便于视频监控、或换成有CAN Bus界面的载板，以便用于车载系统。
 
选定载板后，接下来就是镶嵌到实际应用环境或应用系统中，环境可能是开阔的农场或桥梁下方，系统可能是无人机或无人搬运车，这时电路系统必须选择一个机构外设，或镶嵌到飞行器、搬运车原有的机箱外壳内，或为此变更机箱外设设计等。
 
满足边缘AI应用的开发弹性

针对上述需求，研华科技（Advantech）推出一款EPC-R7200网关系统，也是本次要开箱介绍的主题。这款EPC-R7200已具有一片Jetson的载板及外壳机箱，且为工控等级的机箱，只要将Jetson模块放入，而后将整体放置到设定的位置或系统内，就实现了完整的系统。
 

EPC-R7200内部电路板与载板，将Jetson模块放入即完整了
 

也由于Jetson采用「模块＋载板」的弹性搭组设计，EPC-R7200的网关系统设计，除了在载板的硬件设计考量了三款Jetson模块 (Jetson TX2 NX、Jetson Xavier NX、Jetson Nano) 的适配性，同时落实软件整合以及测试验证，确保使用者可以依照不同应用情境选择不同的Jetson模块来安装到网关系统中。同时因为三款Jetson模块的功耗不尽相同，EPC-R7200也对应提供三种散热片作为配件，使用者可以轻松替换不同的Jetson模块，使人工智能运算效能提升，或使用较经济实惠的模块。
 

EPC-R7200內可选择配置Jetson Nano (上)、Jetson Xavier NX (中) 或Jetson TX2 NX (下)，并有对应的散热片，最左为散热膏

 
对NVIDIA而言，自身只要专注于生产销售Jetson即可，对于载板与机箱则是广邀生态伙伴参与。截止2022年4月，NVIDIA官方已公布有107款载板、19套开放系统，以及278套完整系統。在众多搭配组合中EPC-7200网关系统（载板＋外壳机箱）有何出色特点？本文以下将对此逐一拆解观察。
 
EPC-R7200外壳机箱、前I/O面板

先自外部观察，EPC-R7200外观紧凑小巧（Compact），尺寸仅15.2 x 13.7 x4.2公分，能如此轻薄小巧要归功于另行设计搭配的散热片，一般开发阶段用的Jetson模块有着高大的散热片，但EPC-R7200改用低矮散热片，散热片顶再贴到机壳顶盖，即将热传导到整个机壳来实现散热，也因为高度减容（减少容积）使EPC-R7200有更大的场景适用性，在极小的环境空间也能安装，或直接装入小系统内，且几乎不用改变系统的设计，另也能固定在工厂常见的DIN滑轨上使用。
 

研华科技EPC-R7200系统具有多样的连接口及外壳设计

 
从上图可看出，EPC-R7200的前I/O面板有电源接入孔、2个USB口（USB 3.2标准）、2个GbE LAN口、1个HDMI 2.0輸出，以及2个LED，在电力方面EPC-R7200可以使用9～24V的直流电，即拿一般汽车电瓶都可以驱动，2个USB口可能会被认为太少，毕竟开发套件都有3、4个，但这点另有解决方法，后面将详细介绍；2个LAN口也有些特別，因为开发套件多只有1个，此也將在后面阐述。
HDMI方面则能输出4K清晰度（3840 x 2160），频率60Hz；在LED上，一个电源标示，即EPC-R7200在运行时便会亮起，另一个可供开发者自行定义。
 
EPC-R7200外部、底盖
 

外部有RESET孔、天线孔（ANT），盖内则有USB-OTG端口、Micro SD卡卡槽以及Nano SIM卡卡槽

 
EPC-R7200右侧面板上有个重置（RESET）孔，用细尖物刺入即可重启；然后有一处螺丝拴住的盖，拆开盖后有三项，分别是1个USB 2.0 OTG端口（只能让Jetson扮演装置型的受控角色，不是主控角色）、1个MicroSD记忆卡槽，以及1个Nano SIM卡卡槽，另外侧边还可以看到2个较高位的孔，另一个侧边也有，总共4个孔位，可用于装设无线收发天线。
 

底盖内有除错端口（右下）、恢复键（最下）、M.2 2230 Key E槽（右上），以及M.2 3042 Key B槽（左）

 
EPC-R7200底部也有一个如边门般用螺丝拴住的盖，拆开后有四项，分别是除错端口（Debug Port/Console Port）、恢复键（Recovery Key/Button）、M.2 2230 Key E槽，以及M.2 3042 Key B槽。其中除错端口供开发人员使用，恢复键是在重启也无效下可以使用的系统恢复手法，Key E槽用来接Wi-Fi、蓝牙的通信模块子卡，Key B槽则用来接WWAN无线网域网络的通信模块子卡，前述的Nano SIM卡也与此模块相关。
 
EPC-R7200 后I/O弹性扩充
 

EPC-R7200内部载板的连接器可弹性连接不同的UIO40-Express I/O扩展板，并有对应搭配的EPC-R7200后I/O面板。（资料来源：研华科技）

 
前面提到仅有2个USB端口似乎不够，后I/O面板就成了发挥的地方，EPC-R7200在载板上另设有一组排针，可搭配研华UIO40-Express系列的I/O扩展板配置更多的I/O端口。例如，可以放置更多的LAN端口、更多USB端口，或工控领域常用的RS-232端口、RS-485端口，车用电子常见的CAN端口，或透过M.2 Key M槽连接NVMe协定的固态硬盘（SSD），乃至I2C界面或一般的GPIO等。
 

EPC-R7200逻辑方块图，蓝色部分为I/O介面，橘色部分为载板用及的晶片以及与Jetson模块连接的界面。（资料来源：研华科技）

 
整体而言，EPC-R7200的载板已先为Jetson模块进行多种扩充，例如使用Intel I210将Jetson的PCIe界面转换为实际的LAN端口，或用USB 2.0 Hub晶片、USB 3.2 Gen2 Hub晶片扩充Jetson原有的USB界面，或运用收发器晶片将Jetson模块的UART界面转换成实际运用的RS-232界面。另外针对影像感应、显示而设计的MIPI-CSI介面也依然可用。
 
要补充说明的是，事实上Jetson模块本身就具有1組RGMII界面可实现1组LAN端口，另一组LAN端口如前所言是透过Jetson模块的PCIe界面再行转接来实现，然Jetson Nano模块上的PCIe数量不足，因此只能使用1组LAN口。
 
实际应用：晶圆代工产业也买单

了解EPC-R7200规格与设计后，更重要的是实际应用如何？目前EPC-R7200已经有多种应用，例如用于交通监控，对于违规车辆可以用影像记录与辨识车牌；或可用于人脸识别，识别是否有配戴口罩以协助防疫，或用于无人旅馆的自助退房，或用于宠物的人工智能内窥镜影像。或如德国机具大厂用于智慧农业，透过人工智能识别实地精准实施精准喷洒，只针对杂草喷洒除草剂而避开作物；日本也同样运用于农业工作的智慧机器人上。

最后再以台湾晶圆制造代工相关业务为例细部说明，在晶圆制造过程中需要搬运晶圆，且必须极小心的搬运，避免精密的晶圆坏损，因而需要晶圆搬运车，或称晶圆搬运机器人（Wafer Transfer Robot）。事实上，这类自动搬运车在各式工厂的角色都很重要，过去常见的是AGV自动导向车，现在更智能化的搬运车则称AMR自主移动机器人。
 
在此案例中，AMR上配置了EPC-R7200，而后用UART/RS-232介面操控移动轮，用2组USB口连接摄像头以监测外部环境和物体移动，再用1组USB连接Wi-Fi/蓝牙通讯，以便可以接收指派的搬运任务，另外用PCIe界面与CAN界面来操控搬运手臂。为了引取与实现CAN界面、UART/RS-232界面，也用上研华UIO40-Express I/O系列的UIO-4034扩展卡。
 

EPC-R7200已运用于晶圆片自动搬运车上，以AI技术感测环境与路线，从而精准平稳移动。

 
除硬件外，搬运车也用及研华预先整合的软件，包含Ubuntu Linux嵌入式系统、ROS/ROS2中介软件，NVIDIA的ISAAC GEM，驱动程序及软件开发套件（SDK）等，使开发者可以更专注于人工智能应用的开发，省去软件执行环境的多项初始工作。
 
小结
总结而言，在实际应用环境中，高预先整合的软件、弹性配置的I/O、工控等级的坚固耐久机箱等都是不可或缺的，以此为基础方能真正实现满足需求的Edge AI应用，以此为论EPC-R7200确为理想的选择。