【開箱評測】兼容Jetson系列的工控級邊緣AI準系統:研華EPC-R7200

作者:陸向陽

用過NVIDIA Jetson的開發者多知道,Jetson本身是一片系統模組(System on Module, SOM),但會搭配連接一片承載板(Carrier Board),使其成為完整的電路系統,而後能用於學習、開發驗證,一旦開發驗證完,依據不同應用的需要,Jetson模組可彈性搭配不同的承載板,例如換成可連接多個攝影機的承載板,以便用於視訊監控,或換成有CAN Bus介面的承載板,以便用於車體系統。

選定承載板後,接下來就是鑲嵌到實際的應用環境或應用系統中,環境可能是開闊的農場或橋樑下方,系統可能是無人飛行器或無人搬運車,這時電路系統必須選擇一個機構外殼,或鑲嵌到飛行器、搬運車原有的機構外殼內,或為此變更機構外殼設計等。

滿足邊緣AI應用的開發彈性

針對上述需求,研華科技(Advantech)推出一款EPC-R7200準系統,也是本次要開箱介紹的主題。準系統言下之意已是高完成度,高度接近完整系統,這款EPC-R7200已具有一片Jetson的承載板及外殼機構,且為工控等級的機構,只要將Jetson模組放入,而後將整體放置到設定的位置或系統內,就實現了完整的系統。

EPC-R7200內部電路板與承載板,將Jetson模組放入即完整了

也由於Jetson採行「模組+承載板」的彈性搭組設計,EPC-R7200的準系統設計,除了在乘載板的硬體設計考量了三款Jetson模組 (Jetson TX2 NX、Jetson Xavier NX、Jetson Nano) 的適配性,同時落實軟體整合以及測試驗證,確保使用者可以依照不同應用情境選擇不同的Jetson模組來安裝到準系統中。同時因為三款Jetson模組的功耗不盡相同,EPC-R7200也對應提供三種散熱片作為配件,使用者可以輕鬆換替不同的Jetson模組,使人工智慧運算效能提升,或使用較經濟實惠的模組。

EPC-R7200內可選擇配置Jetson Nano (上)、Jetson Xavier NX (中) 或Jetson TX2 NX (下),並有對應的散熱片,最左為散熱膏

對NVIDIA而言,自身只要專注於生產銷售Jetson即可,對於承載板與機構則是廣邀協力業者參與。截至2022年4月,NVIDIA官方已公布有107款承載板、19套開放系統,以及278套完整系統。在眾多搭配組合中EPC-7200準系統(承載板+外殼機構)有何出色特點?本文以下將對此逐一拆解觀察。

EPC-R7200外殼機構、前I/O面板

先自外部觀察,EPC-R7200外觀緊湊、緊緻(Compact),尺寸僅15.2 x 13.7 x4.2公分,能如此輕薄短小要歸功於另行設計搭配的散熱片,一般開發階段用的Jetson模組有著高大的散熱片,但EPC-R7200改用低矮散熱片,散熱片頂再貼至機殼頂蓋,即將熱傳導到整個機殼來實現散熱,也因為高度減容(減少容積)使EPC-R7200有更大的場合適用性,在極小的環境空間也能裝設,或直接埋入小系統內,且系統幾乎不用變更設計,另也能固定在工廠常見的DIN滑軌上使用。

研華科技EPC-R7200準系統具有多樣的連接埠及外殻設計

從上圖可看出,EPC-R7200的前I/O面板有電源接入孔、2個USB埠(USB 3.2標準)、2個GbE LAN埠、1個HDMI 2.0輸出,以及2個LED燈號,在電力方面EPC-R7200可以使用9~24伏特的直流電,亦即拿一般汽機車電瓶都可以驅動,2個USB埠可能會被認為太少,畢竟開發套件都有3、4個,但這點另有解方,將於後述;2個LAN埠也有些特別,因為開發套件多只有1個,此也將在後述。

HDMI方面則能輸出4k解析度(3840 x 2160),畫面更新率60Hz;在LED燈號上,一個是電源燈號,亦即EPC-R7200在運作時便會亮起,另一是可供開發者自行定義的LED燈號。

EPC-R7200邊門、底蓋

邊門外部有RESET孔、天線孔(ANT),蓋內則有USB-OTG埠、Micro SD卡卡槽 以及Nano SIM卡卡槽

EPC-R7200右側面板上有個重置(RESET)孔,用細尖物刺入即可重新開機;然後有一處螺絲拴住的蓋,拆開蓋後有三項,分別是1個USB 2.0 OTG埠(只能讓Jetson扮演裝置型的受控角色,不是主控角色)、1個MicroSD記憶卡槽,以及1個Nano SIM卡卡槽,另外側邊還可以看到2個較高位的孔,另一個側邊也有,總共4個孔位,可用於裝設無線收發天線。

底蓋內有除錯埠(右下)、恢復鍵(最下)、M.2 2230 Key E槽(右上),以及M.2 3042 Key B槽(左)

EPC-R7200底部也有一個如邊門般用螺絲拴住的蓋,拆開後有四項,分別是除錯埠(Debug Port/Console Port)、恢復鍵(Recovery Key/Button)、M.2 2230 Key E槽,以及M.2 3042 Key B槽。其中除錯埠供開發人員使用,恢復鍵是在重新開機也無效下可以使用的系統恢復手法,Key E槽用來接Wi-Fi、藍牙的通訊模組子卡,Key B槽則用來接WWAN無線網域網路的通訊模組子卡,前述的Nano SIM卡也與此模組相關。

EPC-R7200 後I/O彈性擴充

EPC-R7200內部承載板的連接器可彈性連接不同的UIO40-Express I/O擴充板,並有對應搭配的EPC-R7200後I/O面板。(資料來源:研華科技)

前面提到僅有2個USB埠似乎不夠,後I/O面板就成了發揮的地方,EPC-R7200在承載板上另設有一組排針,可搭配研華UIO40-Express系列的I/O擴充板配置更多的I/O埠。例如,可以放置更多的LAN埠、更多USB埠,或工控領域常用的RS-232埠、RS-485埠,車用電子常見的CAN埠,或透過M.2 Key M槽連接NVMe協定的固態硬碟(SSD),乃至I2C介面或一般的GPIO等。

EPC-R7200邏輯方塊圖,藍色部分為I/O介面,橘色部分為承載板用及的晶片以及與Jetson模組連接的介面。(資料來源:研華科技)

整體而言,EPC-R7200的承載板已先行為Jetson模組進行多種週邊擴增,例如使用Intel I210將Jetson的PCIe介面轉換成實際的LAN埠,或用USB 2.0 Hub晶片、USB 3.2 Gen2 Hub晶片擴充Jetson原有的USB介面,或運用收發器晶片將Jetson模組的UART介面轉換成實務運用的RS-232介面。另外針對影像感測、顯示而設計的MIPI-CSI介面也依然可用。

要補充說明的是,事實上Jetson模組本身就具有1組RGMII介面可實現1組LAN埠,另一組LAN埠如前所言是透過Jetson模組的PCIe介面再行轉接來實現,然Jetson Nano模組上的PCIe數量不足,因此只能使用1組LAN埠。

實務應用:晶圓代工產業也買單

了解EPC-R7200規格與設計後,更重要的是實際應用如何?目前EPC-R7200已經有多種應用,例如用於交通監控,對於違規車輛可以用影像記錄與辨識其車牌;或可用於人臉辨識,識別是否有配戴口罩以協助防疫,或用於無人旅館的自助退房,或用於寵物的人工智慧內視鏡影像。或如德國機具大廠用於智慧農業,透過人工智慧識別實施精準噴灑,只針對雜草噴灑除草劑而避開作物;日本也同樣運用於農業工作的智慧機器人上。

最後再以台灣晶圓製造代工相關業務為例細部說明,在晶圓製造過程中需要搬運晶圓,且必須極小心的搬運,避免精密的晶圓壞損,因而需要晶圓搬運車,或稱晶圓搬運機器人(Wafer Transfer Robot)。事實上,這類自動搬運車在各式工廠的角色皆很吃重,過去常見的是AGV自動導向車,現在更智慧化的搬運車則稱AMR自主移動機器人。

在此案例中,AMR上配置了EPC-R7200,而後用UART/RS-232介面操控移動輪,用2組USB埠連接攝影機以偵測外界環境與物體移動,再用1組USB連接Wi-Fi/藍牙通訊,以便可以接收指派的搬運任務,另外用PCIe介面與CAN介面來操控搬運手臂。為了引取與實現CAN介面、UART/RS-232介面,也用上研華UIO40-Express I/O系列的UIO-4034擴充卡。

EPC-R7200已運用於晶圓片自動搬運車上,以AI技術感測環境與路線,從而智慧性的精準、平穩移動。

除硬體外,搬運車也用及研華預先整合的軟體,包含Ubuntu Linux嵌入式作業系統、ROS/ROS2中介軟體,NVIDIA的ISAAC GEM,驅動程式及軟體開發套件(SDK)等,使開發者可以更專注於人工智慧應用的開發,省去軟體執行環境的多項初始工作。

小結

歸結而言,在真實應用環境中,高預先整合的軟體、彈性配置的I/O、工控等級的堅耐機構等都是不可或缺的,以此為基礎方能真正實現滿足需求的Edge AI應用,以此為論EPC-R7200確為理想的選擇。

(責任編輯:唐育琪)

陸向陽
陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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