📚 第一阶段：基础知识（3-4个月）
1. 嵌入式基础
C语言进阶（1个月）
// 必须掌握的核心知识
1. 指针和内存管理
- 指针数组、数组指针、函数指针
- 动态内存分配（malloc/free）
- 内存对齐、内存泄漏检测
2. 数据结构（嵌入式常用）
- 链表、队列、栈（纯C实现）
- 循环缓冲区
- 状态机
3. 位操作
- 移位、掩码、位域
- 寄存器操作
4. 嵌入式编程规范
- volatile 关键字
- 中断安全的代码
- 代码优化技巧
// 示例：GPIO 寄存器操作
#define GPIO_BASE 0x40020000
#define SET_BIT(reg, bit) ((reg) |= (1 << (bit)))
#define CLEAR_BIT(reg, bit) ((reg) &= ~(1 << (bit)))
推荐资源：
- 书籍：《C和指针》、《C专家编程》
- 在线：牛客网C语言专项
- 项目：用C实现常用数据结构
单片机基础（1.5个月）
学习路线：
Arduino（入门）→ STM32（主流）→ ESP32（WiFi+BT）
Arduino 阶段（2周）：
├─ 开发板：Arduino Uno
├─ 基础实验
│ ├─ GPIO：LED、按键、中断
│ ├─ 定时器：PWM、延时
│ ├─ 串口通信：UART
│ ├─ I2C/SPI：传感器通信
│ └─ ADC：模拟信号采集
└─ 小项目：温湿度采集系统
STM32 阶段（4周）：
├─ 开发板：STM32F103/STM32F407
├─ 开发环境：STM32CubeMX + Keil/STM32CubeIDE
├─ 核心知识
│ ├─ HAL库/寄存器操作
│ ├─ 时钟配置
│ ├─ 中断优先级
│ ├─ DMA 数据搬运
│ ├─ RTOS（FreeRTOS）
│ └─ 低功耗模式
└─ 项目：多传感器数据采集+串口上报
ESP32 阶段（2周）：
├─ 开发板：ESP32-DevKitC
├─ 特色功能
│ ├─ WiFi/蓝牙通信
│ ├─ ESP-IDF 框架
│ └─ OTA 远程升级
└─ 项目：物联网数据采集节点
推荐资源：
- 视频：B站"正点原子STM32教程"
- 书籍：《STM32库开发实战指南》
- 开发板：淘宝购买套装（200-300元）
Linux嵌入式（1个月）
# 学习路线
基础命令 → Shell脚本 → 交叉编译 → 驱动开发入门
1. Linux基础（1周）
- 文件操作、权限管理
- vi/vim 编辑器
- gcc/make/gdb 工具链
2. Shell脚本（1周）
- 变量、循环、条件判断
- 文本处理（grep/sed/awk）
- 自动化脚本
3. 交叉编译（1周）
- ARM工具链安装
- 交叉编译程序
- 烧录到开发板
4. 驱动开发入门（1周）
- 字符设备驱动
- GPIO驱动
- 中断处理
开发板推荐：
- 树莓派4B（入门）：300-500元
- IMX6ULL开发板（进阶）：500-800元
推荐资源：
- 视频：韦东山Linux驱动开发
- 书籍：《Linux设备驱动开发详解》
2. AI基础
Python编程（2周）
# 嵌入式AI必备Python技能
1. 基础语法
- 数据类型、控制流
- 函数、类、模块
2. 科学计算库
import numpy as np
# 数组操作（AI模型的基础）
arr = np.array([1, 2, 3])
matrix = np.random.randn(3, 3)
import matplotlib.pyplot as plt
# 数据可视化
plt.plot([1, 2, 3], [4, 5, 6])
3. 数据处理
import pandas as pd
# 读取传感器数据
data = pd.read_csv('sensor_data.csv')
机器学习基础（1个月）
# 必须理解的核心概念
1. 监督学习
- 线性回归：温度预测
- 逻辑回归：故障分类
- 决策树：规则推理
- SVM：小样本分类
2. 非监督学习
- K-Means：数据聚类
- 异常检测：故障诊断
3. 深度学习入门
- 神经网络原理
- 前向传播、反向传播
- 损失函数、优化器
# 示例：简单的温度预测模型
from sklearn.linear_model import LinearRegression
# 训练数据：时间 vs 温度
X = [[1], [2], [3], [4], [5]]
y = [20, 22, 24, 26, 28]
model = LinearRegression()
model.fit(X, y)
# 预测第6小时的温度
prediction = model.predict([[6]])
print(f"预测温度: {prediction[0]:.2f}°C")
推荐资源：
- 课程：吴恩达《机器学习》Coursera
- 书籍：《机器学习实战》
- 实践：Kaggle入门竞赛
深度学习框架（1个月）
# TensorFlow/Keras（嵌入式部署用TFLite）
1. Keras构建模型
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
# 简单的图像分类模型
model = keras.Sequential([
layers.Conv2D(32, 3, activation='relu', input_shape=(28, 28, 1)),
layers.MaxPooling2D(),
layers.Flatten(),
layers.Dense(10, activation='softmax')
])
model.compile(optimizer='adam',
loss='sparse_categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy'])
# 训练
model.fit(train_images, train_labels, epochs=5)
2. 模型量化（关键！）
import tensorflow as tf
# 转换为TFLite
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT] # 量化
tflite_model = converter.convert()
# 保存模型
with open('model.tflite', 'wb') as f:
f.write(tflite_model)
3. PyTorch（可选）
import torch
import torch.nn as nn
class SimpleNet(nn.Module):
def __init__(self):
super().__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3)
self.fc = nn.Linear(32*26*26, 10)
def forward(self, x):
x = torch.relu(self.conv1(x))
x = x.view(x.size(0), -1)
x = self.fc(x)
return x
推荐资源：
- 官方教程：TensorFlow官网
- 视频：莫烦Python深度学习
- 实践：MNIST手写数字识别
🚀 第二阶段：边缘AI技术（3-4个月）
1. TinyML核心技术
模型压缩与量化（1个月）
# 四大核心技术
1. 剪枝（Pruning）
import tensorflow_model_optimization as tfmot
# 权重剪枝
prune_low_magnitude = tfmot.sparsity.keras.prune_low_magnitude
pruning_params = {
'pruning_schedule': tfmot.sparsity.keras.PolynomialDecay(
initial_sparsity=0.0,
final_sparsity=0.5, # 剪掉50%的权重
begin_step=0,
end_step=1000
)
}
model_for_pruning = prune_low_magnitude(model, **pruning_params)
2. 量化（Quantization）
# INT8量化（32位 → 8位，速度提升4倍，模型缩小4倍）
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model)
# 全整数量化
def representative_dataset():
for _ in range(100):
yield [np.random.randn(1, 28, 28, 1).astype(np.float32)]
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
converter.representative_dataset = representative_dataset
converter.target_spec.supported_ops = [tf.lite.OpsSet.TFLITE_BUILTINS_INT8]
converter.inference_input_type = tf.int8
converter.inference_output_type = tf.int8
tflite_model = converter.convert()
3. 知识蒸馏（Knowledge Distillation）
# 用大模型（教师）训练小模型（学生）
class Distiller(keras.Model):
def __init__(self, student, teacher):
super().__init__()
self.teacher = teacher
self.student = student
def compile(self, optimizer, student_loss, distillation_loss, alpha=0.1):
super().compile(optimizer=optimizer)
self.student_loss = student_loss
self.distillation_loss = distillation_loss
self.alpha = alpha
def train_step(self, data):
x, y = data
teacher_predictions = self.teacher(x, training=False)
with tf.GradientTape() as tape:
student_predictions = self.student(x, training=True)
student_loss = self.student_loss(y, student_predictions)
distillation_loss = self.distillation_loss(
tf.nn.softmax(teacher_predictions),
tf.nn.softmax(student_predictions)
)
loss = self.alpha * student_loss + (1 - self.alpha) * distillation_loss
trainable_vars = self.student.trainable_variables
gradients = tape.gradient(loss, trainable_vars)
self.optimizer.apply_gradients(zip(gradients, trainable_vars))
return {"loss": loss}
4. MobileNet架构
# 轻量级CNN架构（专为移动端设计）
from tensorflow.keras.applications import MobileNetV2
base_model = MobileNetV2(
input_shape=(224, 224, 3),
alpha=0.35, # 宽度缩放因子（0.35 = 超轻量）
include_top=False,
weights='imagenet'
)
模型大小对比：
原始ResNet50: 98MB
↓ 剪枝50%
49MB
↓ INT8量化
12MB
↓ 知识蒸馏到MobileNetV2
3MB ✅ 适合嵌入式部署
推荐资源：
- 论文：MobileNet、EfficientNet系列
- 课程：TinyML Coursera（哈佛大学）
- 工具：TensorFlow Model Optimization Toolkit
2. 嵌入式AI框架
TensorFlow Lite（重点，1.5个月）
# PC端训练 → 嵌入式推理完整流程
## Part 1: 模型训练（PC端）
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
# 1. 构建模型
model = keras.Sequential([
keras.layers.Conv2D(32, 3, activation='relu', input_shape=(96, 96, 3)),
keras.layers.MaxPooling2D(),
keras.layers.Conv2D(64, 3, activation='relu'),
keras.layers.MaxPooling2D(),
keras.layers.Flatten(),
keras.layers.Dense(128, activation='relu'),
keras.layers.Dropout(0.5),
keras.layers.Dense(10, activation='softmax')
])
# 2. 训练
model.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
model.fit(train_images, train_labels, epochs=10, validation_split=0.2)
# 3. 转换为TFLite
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
# 量化感知训练（精度损失最小）
import tensorflow_model_optimization as tfmot
q_aware_model = tfmot.quantization.keras.quantize_model(model)
q_aware_model.compile(optimizer='adam', loss='sparse_categorical_crossentropy', metrics=['accuracy'])
q_aware_model.fit(train_images, train_labels, epochs=3)
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(q_aware_model)
tflite_model = converter.convert()
# 保存
with open('model_quantized.tflite', 'wb') as f:
f.write(tflite_model)
## Part 2: 微控制器部署（STM32/ESP32）
# C++推理代码框架
// 1. 引入TFLite Micro头文件
#include "tensorflow/lite/micro/all_ops_resolver.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_error_reporter.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_interpreter.h"
#include "tensorflow/lite/schema/schema_generated.h"
#include "model_data.h" // 包含.tflite模型数据
// 2. 初始化
constexpr int kTensorArenaSize = 60 * 1024; // 60KB内存池
uint8_t tensor_arena[kTensorArenaSize];
tflite::MicroErrorReporter micro_error_reporter;
tflite::AllOpsResolver resolver;
const tflite::Model* model = tflite::GetModel(model_data);
tflite::MicroInterpreter interpreter(
model, resolver, tensor_arena, kTensorArenaSize, µ_error_reporter
);
interpreter.AllocateTensors();
// 3. 准备输入
TfLiteTensor* input = interpreter.input(0);
for (int i = 0; i < 96*96*3; i++) {
input->data.int8[i] = image_data[i]; // 量化后的输入
}
// 4. 执行推理
TfLiteStatus invoke_status = interpreter.Invoke();
// 5. 读取输出
TfLiteTensor* output = interpreter.output(0);
int8_t max_score = -128;
int predicted_class = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
if (output->data.int8[i] > max_score) {
max_score = output->data.int8[i];
predicted_class = i;
}
}
printf("预测类别: %d, 置信度: %d\n", predicted_class, max_score);
实战项目：语音唤醒词识别
硬件：ESP32 + I2S麦克风
模型：1D CNN（关键词检测）
流程：
1. 采集音频（16kHz采样）
2. 提取MFCC特征（音频 → 频谱图）
3. TFLite推理
4. 检测到"Hi AI"触发唤醒
推荐资源：
- 官方：TensorFlow Lite for Microcontrollers
- 书籍：《TinyML: Machine Learning with TensorFlow Lite》
- 开源项目：TensorFlow Micro Examples
Edge Impulse（最简单，1个月）
# 无代码/低代码边缘AI平台
学习路线：
1. 注册Edge Impulse账号
2. 创建项目 → 数据采集
3. 设计模型（拖拽式界面）
4. 训练 → 部署到硬件
支持硬件：
- Arduino Nano 33 BLE Sense
- ESP32
- 树莓派
- STM32
典型项目：
1. 手势识别（加速度计）
数据采集 → MFE特征 → 1D CNN → 部署
2. 关键词识别（麦克风）
音频采集 → MFCC → 1D CNN → 检测"开灯"
3. 图像分类（摄像头）
拍照 → MobileNetV2 → 识别物体
优势：
✅ 自动生成嵌入式代码（Arduino/C++）
✅ 内置数据增强
✅ 自动优化模型
✅ 实时性能分析
部署示例：
// Edge Impulse自动生成的Arduino代码
#include <your_project_inferencing.h>
void setup() {
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
// 采集传感器数据
float features[EI_CLASSIFIER_DSP_INPUT_FRAME_SIZE];
get_sensor_data(features);
// 运行推理
signal_t signal;
numpy::signal_from_buffer(features, EI_CLASSIFIER_DSP_INPUT_FRAME_SIZE, &signal);
ei_impulse_result_t result;
run_classifier(&signal, &result, false);
// 输出结果
for (int i = 0; i < EI_CLASSIFIER_LABEL_COUNT; i++) {
Serial.printf("%s: %.2f\n",
result.classification[i].label,
result.classification[i].value
);
}
}
推荐资源：
- 官网：edgeimpulse.com（有免费课程）
- YouTube：Edge Impulse官方教程
- 社区：论坛有大量示例项目
其他框架（了解）
1. NCNN（腾讯）
- 专为移动端优化
- C++实现，速度极快
- 适合Android/iOS
2. MNN（阿里）
- 轻量级推理引擎
- 支持多种硬件加速
3. OpenVINO（Intel）
- 专为Intel硬件优化
- 支持树莓派、NUC
4. CMSIS-NN（ARM）
- ARM Cortex-M优化
- 汇编级加速
3. 硬件加速
神经网络加速器（1个月）
# AI专用芯片/模块
1. Coral Edge TPU
- Google设计的AI加速器
- 4 TOPS算力（USB版本）
- 支持TensorFlow Lite
- 价格：60-100美元
树莓派示例：
from pycoral.utils import edgetpu
from pycoral.adapters import common
# 加载Edge TPU模型
interpreter = edgetpu.make_interpreter('model_edgetpu.tflite')
interpreter.allocate_tensors()
# 推理（比CPU快100倍）
common.set_input(interpreter, input_data)
interpreter.invoke()
output = common.output_tensor(interpreter, 0)
2. Kendryte K210
- 0.23 TOPS算力
- 内置卷积加速器
- RISC-V架构
- 价格：50-80元（国产）
开发板：Sipeed Maix系列
应用：人脸识别、物体检测
3. BL702（博流）
- RISC-V + NPU
- 超低功耗
- 价格：10-20元
4. Jetson Nano（高端）
- NVIDIA GPU
- 472 GFLOPS
- 适合复杂AI任务
- 价格：99美元（2GB版）
FPGA加速（选学）
用Verilog/VHDL实现神经网络加速
优势：
- 可定制化硬件
- 极低延迟
- 并行计算
入门平台：
- Xilinx PYNQ-Z2（500-800元）
- Intel DE10-Nano（1000元）
学习曲线陡峭，建议有硬件基础再学
🔬 第三阶段：实战项目（2-3个月）
项目1：智能门锁人脸识别
硬件清单：
- STM32H7（主控，400MHz）
- OV2640摄像头（QVGA 320x240）
- LCD屏幕（显示）
- 舵机（开锁）
- 总成本：200-300元
技术栈：
1. 人脸检测：MTCNN（轻量版）
2. 人脸识别：MobileFaceNet
3. 模型量化：INT8
4. 推理引擎：TFLite Micro
性能指标：
- 检测速度：200ms/帧
- 识别准确率：95%+
- 内存占用：<512KB
完整代码框架：
// main.c
#include "camera.h"
#include "lcd.h"
#include "face_detection.h"
#include "face_recognition.h"
void main() {
// 初始化硬件
Camera_Init();
LCD_Init();
FaceDetection_Init();
FaceRecognition_Init();
while(1) {
// 1. 采集图像
uint8_t* image = Camera_Capture();
// 2. 人脸检测
BoundingBox bbox;
if (FaceDetection_Detect(image, &bbox)) {
// 3. 裁剪人脸区域
uint8_t face_region[112*112*3];
CropFace(image, &bbox, face_region);
// 4. 人脸识别
int person_id = FaceRecognition_Identify(face_region);
// 5. 判断是否授权
if (IsAuthorized(person_id)) {
UnlockDoor();
LCD_ShowString("Welcome!");
} else {
LCD_ShowString("Access Denied");
}
}
Delay_ms(100);
}
}
// face_detection.c（TFLite推理）
#include "model_face_detection.h"
int FaceDetection_Detect(uint8_t* image, BoundingBox* bbox) {
// 预处理：缩放到128x128
uint8_t input[128*128*3];
ResizeImage(image, 320, 240, input, 128, 128);
// TFLite推理
TfLiteTensor* input_tensor = interpreter->input(0);
memcpy(input_tensor->data.int8, input, 128*128*3);
interpreter->Invoke();
TfLiteTensor* output = interpreter->output(0);
// output[0]: 置信度
// output[1-4]: bbox坐标
if (output->data.f[0] > 0.9) { // 置信度阈值
bbox->x = output->data.f[1] * 320;
bbox->y = output->data.f[2] * 240;
bbox->w = output->data.f[3] * 320;
bbox->h = output->data.f[4] * 240;
return 1;
}
return 0;
}
项目2：工业设备故障预测
应用场景：电机振动异常检测
硬件：
- ESP32（WiFi上传数据）
- MPU6050（加速度计）
- OLED显示屏
AI模型：
# 1. 数据采集
# 采集正常运行时的振动数据（3轴加速度）
# 采集故障时的数据（轴承损坏、不平衡等）
# 2. 特征工程
import numpy as np
from scipy import signal
def extract_features(accel_data):
"""提取时域和频域特征"""
features = []
# 时域特征
features.append(np.mean(accel_data)) # 均值
features.append(np.std(accel_data)) # 标准差
features.append(np.max(accel_data)) # 峰值
features.append(np.sqrt(np.mean(accel_data**2))) # RMS
# 频域特征（FFT）
fft = np.fft.fft(accel_data)
freq_magnitudes = np.abs(fft)[:len(fft)//2]
features.append(np.max(freq_magnitudes)) # 主频幅值
features.append(np.argmax(freq_magnitudes)) # 主频频率
return np.array(features)
# 3. 构建模型（1D CNN + LSTM）
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
model = keras.Sequential([
layers.Conv1D(32, 3, activation='relu', input_shape=(window_size, 3)),
layers.MaxPooling1D(2),
layers.Conv1D(64, 3, activation='relu'),
layers.GlobalMaxPooling1D(),
layers.Dense(64, activation='relu'),
layers.Dropout(0.5),
layers.Dense(3, activation='softmax') # 3分类：正常、预警、故障
])
# 4. 量化部署
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
tflite_model = converter.convert()
ESP32推理代码：
// ESP32 Arduino代码
#include <Wire.h>
#include <MPU6050.h>
#include <WiFi.h>
#include "model.h" // TFLite模型
MPU6050 mpu;
TfLiteTensor* input;
TfLiteTensor* output;
#define WINDOW_SIZE 100
float accel_buffer[WINDOW_SIZE][3];
int buffer_index = 0;
void setup() {
Wire.begin();
mpu.initialize();
WiFi.begin(ssid, password);
// 初始化TFLite
initTFLite();
}
void loop() {
// 读取加速度
int16_t ax, ay, az;
mpu.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
// 归一化并存入缓冲区
accel_buffer[buffer_index][0] = ax / 16384.0;
accel_buffer[buffer_index][1] = ay / 16384.0;
accel_buffer[buffer_index][2] = az / 16384.0;
buffer_index++;
// 缓冲区满时执行推理
if (buffer_index >= WINDOW_SIZE) {
// 复制到输入张量
for (int i = 0; i < WINDOW_SIZE; i++) {
for (int j = 0; j < 3; j++) {
input->data.f[i*3 + j] = accel_buffer[i][j];
}
}
// 推理
interpreter->Invoke();
// 获取结果
float normal_prob = output->data.f[0];
float warning_prob = output->data.f[1];
float fault_prob = output->data.f[2];
// 判断状态
if (fault_prob > 0.8) {
Serial.println("⚠️ 检测到故障!");
sendAlertToCloud();
} else if (warning_prob > 0.6) {
Serial.println("⚡ 预警：设备异常");
} else {
Serial.println("✅ 运行正常");
}
buffer_index = 0;
}
delay(10); // 100Hz采样
}
项目3：智能垃圾分类（视觉识别）
硬件：
- 树莓派4B + Coral USB加速器
- 树莓派摄像头
- 舵机（控制垃圾桶盖）
技术方案：
# 1. 模型训练（垃圾分类数据集）
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.applications import MobileNetV2
# 使用迁移学习
base_model = MobileNetV2(
input_shape=(224, 224, 3),
include_top=False,
weights='imagenet'
)
base_model.trainable = False
model = tf.keras.Sequential([
base_model,
tf.keras.layers.GlobalAveragePooling2D(),
tf.keras.layers.Dense(256, activation='relu'),
tf.keras.layers.Dropout(0.5),
tf.keras.layers.Dense(4, activation='softmax') # 4类垃圾
])
# 2. Edge TPU转换
import tensorflow as tf
converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_keras_model(model)
converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
converter.representative_dataset = representative_dataset_gen
converter.target_spec.supported_ops = [tf.lite.OpsSet.TFLITE_BUILTINS_INT8]
converter.inference_input_type = tf.uint8
converter.inference_output_type = tf.uint8
tflite_model = converter.convert()
# 使用Edge TPU编译器
!edgetpu_compiler model.tflite
# 3. 树莓派部署
from picamera import PiCamera
from pycoral.utils import edgetpu
from pycoral.adapters import common, classify
import RPi.GPIO as GPIO
# 初始化
camera = PiCamera()
interpreter = edgetpu.make_interpreter('model_edgetpu.tflite')
interpreter.allocate_tensors()
SERVO_PIN = 18
GPIO.setup(SERVO_PIN, GPIO.OUT)
pwm = GPIO.PWM(SERVO_PIN, 50)
CLASSES = ['可回收', '有害垃圾', '厨余垃圾', '其他垃圾']
while True:
# 拍照
camera.capture('temp.jpg')
image = Image.open('temp.jpg').resize((224, 224))
# 推理（Edge TPU加速，<10ms）
common.set_input(interpreter, image)
interpreter.invoke()
classes = classify.get_classes(interpreter, top_k=1)
# 控制垃圾桶
category = CLASSES[classes[0].id]
confidence = classes[0].score
if confidence > 0.8:
print(f"识别为: {category}, 置信度: {confidence:.2%}")
open_bin(category) # 打开对应垃圾桶
time.sleep(2)
项目4：可穿戴健康监测
硬件：
- nRF52832（蓝牙低功耗芯片）
- MAX30102（心率血氧传感器）
- MPU6050（姿态传感器）
- 纽扣电池供电
AI功能：
1. 心率异常检测（LSTM时序模型）
2. 跌倒检测（加速度突变识别）
3. 睡眠质量分析（多传感器融合）
核心代码：
// nRF52 SDK开发
#include "nrf_delay.h"
#include "max30102.h"
#include "mpu6050.h"
#include "tflite_micro.h"
// 心率异常检测模型
#define HEART_RATE_WINDOW 60 // 60秒窗口
float hr_buffer[HEART_RATE_WINDOW];
int hr_index = 0;
void main() {
// 初始化传感器
MAX30102_Init();
MPU6050_Init();
BLE_Init();
// 初始化TFLite模型
TFLite_Init("heart_rate_model.tflite");
while(1) {
// 1. 读取心率
uint8_t hr = MAX30102_GetHeartRate();
hr_buffer[hr_index++] = hr;
// 2. 读取加速度（跌倒检测）
int16_t ax, ay, az;
MPU6050_GetAccel(&ax, &ay, &az);
// 检测跌倒（加速度突变）
float accel_magnitude = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);
if (accel_magnitude > FALL_THRESHOLD) {
SendFallAlert();
}
// 3. 心率异常检测
if (hr_index >= HEART_RATE_WINDOW) {
// 运行LSTM模型
float anomaly_score = RunHeartRateModel(hr_buffer);
if (anomaly_score > 0.8) {
SendHeartRateAlert();
}
hr_index = 0;
}
// 4. 通过BLE发送数据
BLE_SendData(hr, ax, ay, az);
// 低功耗延迟
nrf_delay_ms(1000);
}
}
// LSTM推理（简化版）
float RunHeartRateModel(float* data) {
// 数据归一化
float normalized[HEART_RATE_WINDOW];
for (int i = 0; i < HEART_RATE_WINDOW; i++) {
normalized[i] = (data[i] - 60.0) / 40.0; // 假设正常范围60-100
}
// TFLite推理
TfLiteTensor* input = interpreter->input(0);
memcpy(input->data.f, normalized, sizeof(normalized));
interpreter->Invoke();
TfLiteTensor* output = interpreter->output(0);
return output->data.f[0]; // 异常概率
}
📱 第四阶段：高级专题（按需学习）
1. 端云协同
架构：
设备端（轻量模型） + 云端（复杂模型）
场景：
- 初筛在设备，详细分析在云端
- 设备资源不足时上传云端
技术栈：
- MQTT协议（设备 ↔ 云）
- AWS IoT / 阿里云IoT
- 模型热更新（OTA）
示例：
┌─────────────┐
│ ESP32设备 │
│ 初筛模型 │ ──→ 99%准确率本地处理
└──────┬──────┘
│ 不确定时上传
↓
┌─────────────┐
│ 云服务器 │
│ 完整模型 │ ──→ 99.9%准确率
└─────────────┘
2. 联邦学习
# 隐私保护的分布式训练
# 多个设备协作训练，数据不离开设备
import tensorflow_federated as tff
# 定义模型
def create_keras_model():
return tf.keras.Sequential([
tf.keras.layers.Dense(10, activation='relu'),
tf.keras.layers.Dense(10, activation='softmax')
])
# 联邦学习流程
def model_fn():
keras_model = create_keras_model()
return tff.learning.from_keras_model(
keras_model,
input_spec=...,
loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(),
metrics=[tf.keras.metrics.SparseCategoricalAccuracy()]
)
# 多设备训练
iterative_process = tff.learning.build_federated_averaging_process(model_fn)
# 每个设备本地训练，只上传梯度
state = iterative_process.initialize()
for round_num in range(10):
state, metrics = iterative_process.next(state, federated_train_data)
print(f'round {round_num}, metrics={metrics}')
3. 神经架构搜索（NAS）
# 自动设计适合嵌入式的网络结构
from keras_tuner import HyperModel, RandomSearch
class MyHyperModel(HyperModel):
def build(self, hp):
model = keras.Sequential()
# 自动搜索层数
for i in range(hp.Int('num_layers', 1, 5)):
model.add(layers.Conv2D(
filters=hp.Choice(f'filters_{i}', [16, 32, 64]),
kernel_size=3,
activation='relu'
))
model.add(layers.MaxPooling2D())
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(10, activation='softmax'))
model.compile(
optimizer='adam',
loss='sparse_categorical_crossentropy',
metrics=['accuracy']
)
return model
tuner = RandomSearch(
MyHyperModel(),
objective='val_accuracy',
max_trials=50,
executions_per_trial=2
)
tuner.search(train_data, train_labels, epochs=10, validation_split=0.2)
# 获取最优模型
best_model = tuner.get_best_models(num_models=1)[0]
🛠️ 工具链和开发环境
必备软件
# Python环境
conda create -n tinyml python=3.9
conda activate tinyml
pip install tensorflow==2.13
pip install tensorflow-model-optimization
pip install numpy pandas matplotlib scikit-learn
# 嵌入式开发
# STM32: STM32CubeIDE
# ESP32: Arduino IDE / ESP-IDF
# 树莓派: Raspberry Pi OS
# AI工具
pip install edge-impulse-cli
pip install pycoral # Coral Edge TPU
pip install onnx onnxruntime # 模型转换
# 可视化
pip install netron # 模型结构可视化
推荐硬件采购清单
入门套件（500元）：
├─ Arduino Nano 33 BLE Sense（150元）
│ 内置9轴IMU、麦克风、温湿度
├─ ESP32-CAM（30元）
│ 摄像头、WiFi/BT
└─ 各种传感器套装（100元）
进阶套件（1500元）：
├─ STM32H7开发板（300元）
├─ OV2640摄像头（50元）
├─ Coral USB Accelerator（500元）
├─ 树莓派4B 4GB（400元）
└─ 各种模块（250元）
专业套件（5000元）：
├─ Jetson Nano 4GB（700元）
├─ RealSense深度相机（2000元）
├─ Lidar传感器（1500元）
└─ 高精度IMU（800元）
📖 学习资源汇总
在线课程
- TinyML Coursera（哈佛大学，免费旁听）
- Edge AI and Computer Vision（Udacity）
- 嵌入式AI系统（国内：网易云课堂）
书籍
- 《TinyML》- Pete Warden（入门必读）
- 《AI at the Edge》- Daniel Situnayake
- 《嵌入式深度学习》（中文）
开源项目
- TensorFlow Examples：github.com/tensorflow/examples
- Edge Impulse Projects：edgeimpulse.com/projects
- EloquentTinyML：github.com/eloquentarduino/EloquentTinyML
论文
- MobileNets系列
- EfficientNet系列
- YOLO-Nano（轻量目标检测）
🎯 就业方向
岗位类型
1. 嵌入式AI工程师
薪资：15-35K
要求：嵌入式+深度学习
2. 边缘计算工程师
薪资：20-40K
要求：云计算+嵌入式AI
3. AIoT开发工程师
薪资：18-35K
要求：物联网+机器学习
4. 计算机视觉工程师（嵌入式方向）
薪资：25-50K
要求：CV算法+模型优化
5. 自动驾驶感知工程师
薪资：30-60K
要求：深度学习+实时系统
公司类型
- AI芯片：地平线、寒武纪、黑芝麻
- 智能硬件：大疆、小米、华为
- 工业AI：海康威视、旷视、商汤
- 自动驾驶：蔚来、小鹏、理想
- 芯片：ARM、高通、联发科
