Syntiant TinyML 开发板 + Edge Impulse 机器学习实现语音识别

项目说明

本次项目用 Syntiant TinyML 开发板自带的麦克风，通过 Edge Impulse 搭建机器学习模型，使板卡上的 LED 灯根据中文语音指令呈现出不同效果。一共训练了四个标签的声音数据，具体说明如下。

标签	关键词	动作
turn_on_blue	打开蓝灯	使板卡上的 RGB LED 灯显示蓝色
turn_on_green	打开绿灯	使板卡上的 RGB LED 灯显示绿色
turn_on_red	打开红灯	使板卡上的 RGB LED 灯显示红色
turn_off	关灯	关闭板卡上的 RGB LED 灯

硬件平台

Syntiant TinyML Board 是美国 AI 芯片研发商 Syntiant 推出的一款 TinyML 开发板，它配备了超低功耗 Syntiant NDP101 神经决策处理器，可以使语音和传感器应用程序分别在 140 和 100 微瓦以下运行。与基于 MCU 的传统 MCU 相比，Syntiant TinyML 板的吞吐量提高 20 倍，系统效率提高 200 倍。

Syntiant TinyML 板的尺寸非常小，仅为 24 毫米 x 28 毫米，是一个小型的独立系统。开发者可以直接通过 Micro USB 连接硬件，通过 Edge Impulse 轻松下载经过训练的模型，而无需任何专用调试硬件。

硬件组成：

神经决策处理器使用 NDP101，连接了两个传感器
- BMI160 6 轴运动传感器
- SPH0641LM4H 麦克风
主机处理器：SAMD21 Cortex-M0+ 32 位低功耗 48MHz ARM MCU
- 内置 256KB FLASH 和 32KB SRAM
- 5 个数字 I/O（与 Arduino MKR 系列板兼容）
- 其中包含 1 路 UART 接口和 1 路 I2C 接口（包括在数字 I/O 引脚中）
- 2MB 板载串行闪存
- 一个用户定义的 RGB LED
- uSD 卡插槽
电路板可使用 5V Micro-USB 或 3.7V LiPo 电池供电

语音训练

打开 studio.edgeimpulse.com 网页，创建一个新的项目，例如 Syntiant_TinyML_Voice，作为本次语音训练的项目。

创建完成后进入项目主页面，在这里可以看到训练的大致流程：选择设备、选择语音输入源、采集语音数据、创建 Impulse 模型、训练数据、生成固件、部署到硬件。

语音数据采集方面，由于我们需要采集类似“打开红灯”这样的语音，为了方便采集和训练，我们将采集时长定为 2 秒。分别为四个标签采集 20 组数据，按照 8:2 的比例分为训练集和测试集。

采集数据后记得检查一下数据的质量，在 Data acquisition 页面选中任意一条采集的语音数据，可以看到声音的波形，回放该条录音。在训练之前需要确保所有训练和测试的数据完好，否则会影响训练效果。

如果数据没问题，接下来就可以创建机器学习模型，一共分为四个模块。首先是时间窗口的设置，对于 Syntiant TinyML 语音模块，Window size 大小固定为 968 ms，Window increase 设置为 30 ms（窗口增加设置比较小有利于机器学习匹配出语音）。第二个模块选择 Syntiant audio，第三个模块选择最近邻分类器（Nearest Neighbor Classifier），最后确认输出 turn_off、turn_on_blue、turn_on_green 和 turn_on_red 四个标签。点击 Save Impulse 保存模型。

然后设置 Mel 滤波器特征参数，这里采用默认参数。

开始训练模式，训练结果准确率为 90.2%，不是特别高，但也可以测试看看。

点击左侧边栏的 Deployment，选择 Syntiant NDP101 library 下载训练好的库，将其替换到你的工程中（参考 Syntiant TinyML Board 固件下载）。

Arduino 工程

参考 Syntiant_TinyML_Board_Demo 中的 VoiceResponding 项目，修改标签名称及其触发的动作，代码如下。

void on_classification_changed(const char *event, float confidence, float anomaly_score) {// here you can write application code, e.g. to toggle LEDs based on keywordsif (strcmp(event, "turn_on_red") == 0) {// Toggle LEDdigitalWrite(LED_RED, HIGH);digitalWrite(LED_BLUE, LOW);digitalWrite(LED_GREEN, LOW);}if (strcmp(event, "turn_on_green") == 0) {// Toggle LEDdigitalWrite(LED_GREEN, HIGH);digitalWrite(LED_BLUE, LOW);digitalWrite(LED_RED, LOW);}if (strcmp(event, "turn_on_blue") == 0) {// Toggle LEDdigitalWrite(LED_BLUE, HIGH);digitalWrite(LED_GREEN, LOW);digitalWrite(LED_RED, LOW);}if (strcmp(event, "turn_off") == 0) {// Toggle LEDdigitalWrite(LED_BLUE, LOW);digitalWrite(LED_GREEN, LOW);digitalWrite(LED_RED, LOW);}
}

通过 Arduino IDE 重新编译、上传到 Syntiant TinyML Board，就可以看到效果啦！

演示视频

https://www.bilibili.com/video/BV1ZN4y1u7kX

Syntiant TinyML Board 简介
Syntiant TinyML Board 固件下载
Syntiant TinyML Board 识别声音