Industrial IoT Edge-KI-Anwendungen mittels Embedded Kit rasch realisiert

Von Margit Kuther

Einsatzmärkte der sofort lauffähigen Plattform Edge KI Kit sind IoT- und Machine-Learning-Anwendungen, leistungsfähige Medizingeräte, intelligente Bildverarbeitungssysteme und Retail-Lösungen.

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MSC SM2S-IMX8PLUS: Die Module integrieren Dual- und Quad-Core-CPUs Arm-Cortex-A53 mit bis zu 1,8 GHz, einen Real-Time-Prozessor Arm-Cortex-M7 mit 800 MHz und die effiziente Multimedia-2D/3D-GPU GC7000UL.
MSC SM2S-IMX8PLUS: Die Module integrieren Dual- und Quad-Core-CPUs Arm-Cortex-A53 mit bis zu 1,8 GHz, einen Real-Time-Prozessor Arm-Cortex-M7 mit 800 MHz und die effiziente Multimedia-2D/3D-GPU GC7000UL.
(Bild: Avnet Embedded)

Im Zuge der raschen Digitalisierung industrieller Prozesse kommen immer mehr Lösungen zum Einsatz, die auf Künstlicher Intelligenz (KI) basieren. Die KI-Funktionalität erlaubt neben der schnellen Verarbeitung hoher Datenmengen und der Erkennung von wiederkehrenden Aufgaben eine selbst lernende Analyse und Bewertung der ablaufenden Prozesse. Machine Learning umfasst zahlreiche Algorithmen mit den Fähigkeiten zu lernen, ohne explizit programmiert zu sein. Ein Teilbereich des Machine Learnings ist Deep Learning, bei dem sich mittels zahlreicher Ebenen aus neuronalen Netzwerken die Datenanalyse ohne Eingriff des Menschen weiter verbessern lässt.

Einen bedeutenden Anteil am weltweiten Markt für zukunftsträchtige KI-Anwendungen sind Computer-Vision-Lösungen, die smarte Kameras, Edge- oder Cloud-basierende Computertechnologien, Software und Künstliche Intelligenz zur Erkennung von Personen und Objekten kombinieren. Eine typische Anwendung ist eine Sicherheitsüberwachung großflächiger Bereiche, etwa Produktionsanlagen oder kritische Infrastrukturen. Ebenfalls ist das Zählen von Mitarbeitern in einem vorgegebenen Arbeitsbereich möglich, um Fertigungskapazitäten zu erfassen und Produktionsabläufe zu optimieren. Ein weiteres Beispiel ist die automatisierte Überwachung der Aktionsumgebung von Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen. Bildverarbeitungssysteme lassen sich auch zur automatischen Gesichts- oder Stimmerkennung einsetzen, um sicher zu stellen, dass nur autorisierte Personen die Maschine bedienen können.

Mit neuen Anwendungen steigt der Anspruch an die Leistungsfähigkeit moderner KI-Systeme, die vielschichtige Anforderungen erfüllen. Da das Senden der Daten zur Cloud und wieder zurück lange dauern und zu langsam sein kann, werden große Datenmengen bereits in der Edge schnell und mit hoher Zuverlässigkeit verarbeitet. Die wichtigsten Kenngrößen der Edge sind die Bandbreite und die Latenz- bzw. Verzögerungszeit.

Edge KI Kit, für Entwicklungen der nächsten Generation

Um die Entwicklung der nächsten Generation an KI-basierenden Produkten zu unterstützen, hat Avnet Embedded das flexible Edge KI Kit vorgestellt. Mit der sofort lauffähigen Systemplattform können die Machbarkeit und Fähigkeiten einer KI-Anwendung schon in einer sehr frühen Phase der Systementwicklung verifiziert werden (Proof of Concept). Das KI-basierende System lässt sich dann schnell an die gewünschten Anforderungen anpassen. Ziel ist, das Design und die Time-to-Market zukünftiger intelligenter Embedded-Endprodukte zu optimieren.

Das ready-to-use Edge KI Kit umfasst leistungsfähige Hardware- und Softwarekomponenten mit optimierter Künstlicher Intelligenz. Auf der Basis bereits vorkonfigurierter funktionaler Building Blocks lässt sich die Plattform durch minimale Änderungen individuell an die jeweilige Kundenanwendung anpassen.

Herzstück des flexiblen Edge KI Kits ist das kompakte SMARC-2.1.1-Standardmodul MSC SM2S-IMX8PLUS von Avnet Embedded, das einen leistungsfähigen i.MX-8M-Plus-Applikationsprozessor von NXP integriert. Die skalierbare Baugruppe stellt dank des integrierten NPU Cores mit 2,25 TOPS eine hohe Rechenleistung zur Verfügung, die für intelligente KI-Lösungen benötigt wird. Dennoch liegt der Energieverbrauch je nach Variante bei niedrigen 2 W bis 6 W.

SMARC-2.1.1-Standardmodul MSC SM2S-IMX8PLUS

Die MSC-SM2S-IMX8PLUS-Module integrieren Dual- und Quad-Core-Arm-Cortex-A53-Prozessoren mit bis zu 1,8 GHz, einen Realtime-Prozessor Arm Cortex-M7 mit 800 MHz und die effiziente Multimedia-2D/3D-Graphics-Processing-Unit (GPU) GC7000UL mit OpenCl und Vulkan-Support. Es sind Varianten mit und ohne Video-Processing-Einheit (VPU) und ein Image-Signal-Prozessor (ISP) verfügbar.

Zur Programm- und Datenspeicherung sind schnelle LPDDR4 SDRAMs mit bis zu 8 GB und inline ECC Support sowie bis zu 256 GB eMMC Flash (optional) vorhanden. Das breite Angebot an Embedded-Schnittstellen umfasst zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüsse mit IEEE1588, einer davon mit TSN Support, USB 3.0, USB 2.0 und zwei CAN-FD-Interfaces. An Grafikschnittstellen sind Dual-Channel LVDS, MIPI DSI und HDMI 2.0 verfügbar. Über zwei MIPI CSI-2 Ports lassen sich hochwertige Kameramodule anschließen. Optional sind die MSC SM2S-IMX8PLUS Boards mit einem Wireless-Modul (WLAN/BT) ausgestattet. Die kompakte SMARC-2.1.1-Modulfamilie MSC SM2S-IMX8PLUS ist für einen Betrieb im vollen industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C ausgelegt.

Anschlussvielfalt dank Carrier Board

Das leistungsfähige Modul MSC SM2S-IMX8PLUS sitzt auf dem standardisierten SimpleFlex SMARC Carrier Board MSC SM2S-MB-EP5 von Avnet Embedded, das sich ohne Entwicklungsaufwand einfach konfigurieren lässt. Als flexible Anschlüsse stehen über dreißig vorab validierte Schnittstellenkombinationen zur Verfügung. Das SimpleFlex Carrier Board bietet in der Industrie gängige Interfaces, etwa 2 x Gigabit Ethernet, USB 3.0, USB 2.0, 4 x UART (als TTL, RS-232 oder RS-485), Audio mit 2,5 W Stereoverstärker, 2 x MIPI-CSI, 12 x GPIO, 2 x SPI, I²C, zwei CAN Ports und HDMI. Über Mini PCI Express, M.2 Key M und Micro-SD-Stecker lassen sich die Schnittstellenvielfalt und die Bestückung mit schnellen Speichermedien erweitern. Ein WLAN/Bluetooth/NFC- Modul mit optionaler Antenne stellt die Konnektivität der Embedded-Plattform sicher.

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Standardisierte Kühllösungen wie Heatspreader für die Adaptierung an einen applikationsspezifischen Kühlkörper, zum Beispiel die Rückwand eines Gehäuses, und passive Kühlkörper erleichtern die Systemintegration.

Zum Lieferumfang des Edge KI Kits zählt ein langzeitverfügbares 10,1 Zoll Touch Display und eine Dual-Kameraadapterkarte, die Single- oder Dual-IAS-Kameramodule basierend auf dem OV5640-5MP-Sensor unterstützt. Alternativ lässt sich über USB oder MIPI-CSI-Schnittstellen eine Kamera anschließen.

Die Software-Architektur des Edge KI Kits von Avnet Embedded basiert auf Yocto. KI-Anwendungen in der Edge wie die Objekterkennung in Echtzeit mit dem Deep Learning Framework TensorFlow Lite (TFlite) und der Spracherkennung können schnell und komfortabel getestet werden. Das flexible Edge KI Kit lässt sich in zahlreichen industriellen IoT- und Machine-Learning-Anwendungen, in der intelligenten Bildverarbeitung, der Medizintechnik und professionellen Retail-Technik einsetzen.

Avnet Embedded investiert viel in die Entwicklung von ready-to-use-Plattformen, die spezielle Anforderungen in unterschiedlichen Märkten erfüllen können. Alle SMARC-Module werden von Avnet Embedded in den unternehmenseigenen Technology Campussen entwickelt und in hochautomatisierten Fertigungsstätten in Deutschland in großen Stückzahlen hergestellt. Die anwendungsspezifischen SimpleFlex-Plattformen werden ebenfalls im eigenen Hause assembliert.

Durch die Gründung eines Software Technology Labs ist Avnet Embedded bestens gerüstet, um eigene Software-Lösungen zu entwickeln und komplette Lösungen anzubieten.

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