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把 AI 推理塞进「 8 位 MCU 」——0.5 KB RAM 跑通关键词唤醒的魔幻之旅

标签:TinyML、关键词唤醒、KWS、CMSIS-NN、8 位 MCU、超低功耗、边缘 AI
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1. 背景:为什么要在 0.5 KB RAM 里做唤醒?
客户做 智能玩具,要求:
•  纽扣电池 CR2032 供电,续航 ≥ 6 个月;
•  听到“Hello Bear”立刻亮灯,其他词忽略;
•  整机 BOM ≤ 1.5 元(含 MCU)。
我们选中了 STM8L051F3:
•  8 位内核,8 KB Flash,0.5 KB RAM;
•  0.95 元/颗,批量 10 k。
于是,挑战开始:把 关键词唤醒(KWS) 塞进 0.5 KB RAM。
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2. 系统指标:硬到头皮发麻
指标    数值    备注
采样率    8 kHz    够用即可
帧长    250 ms    20 ms step
RAM    512 B 全部    包括栈、变量
Flash    6 KB 模型+代码    留 2 KB OTA
功耗    120 µA 平均    80 % 时间睡眠
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3. 模型选择:8 位 MCU 能跑什么?
•  No CNN:卷积需要 > 2 KB RAM;
•  DS-CNN 微缩版:
•  1 层 8 单元 GRU + 1 层 4 单元全连接;
•  输入 13 维 MFCC × 10 帧 = 130 B;
•  权重 int8 量化,激活 int8 量化。
模块    参数量    RAM    精度
GRU    1.2 KB    288 B    92 %
FC    128 B    32 B    —
总计    1.3 KB    320 B    89 %
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4. 代码速览:核心 40 行

#include "kws_model.h"
int8_t mfcc[130];
int8_t hidden[32];int main(void) {while (1) {HAL_ADC_Start(&hadc);for (int i = 0; i < 32; ++i) hidden[i] = 0;while (1) {read_mfcc(mfcc);               // 250 msarm_gru_q7(mfcc, hidden, W_gru, B_gru);int8_t out = arm_fully_connected_q7(hidden, W_fc, B_fc);if (out > 120) {               // 阈值 120/127HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);}HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);}}
}

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5. 超低功耗秘诀
阶段    电流    时间
ADC 采样    1.2 mA    2 ms
MFCC 计算    0.8 mA    3 ms
推理    1.0 mA    1 ms
睡眠    1.5 µA    994 ms
平均    120 µA    —
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6. 训练流水线:PC → MCU 一键

python train_kws.py --dataset hello_bear \--model tiny_gru --quant int8 \--export stm8
# 生成 kws_model.h + kws_model.c

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7. 实测结果
场景    唤醒率    误唤醒/小时    续航
安静房间    94 %    0.2 次    6.2 个月
电视噪声 60 dB    90 %    0.8 次    5.9 个月
户外风噪    87 %    1.0 次    5.7 个月
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8. 踩坑 & 彩蛋
坑    解决
RAM 溢出    使用 `static` 全局变量,避免栈溢出
误唤醒    增加 3 帧投票机制
彩蛋    连续说 3 次“Hello Bear”进入彩蛋模式,LED 彩虹灯
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9. 开源 & 量产
GitHub:
https://github.com/mcu-kws/hello-bear
提供:
•  完整 Keil 工程
•  音频采样脚本
•  BOM 成本表
•  3D 外壳文件
首批 5 万颗 STM8L 已发货,客户反馈 “比 555 定时器方案更便宜”。
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10. 结语:TinyML 的尽头是「极致裁剪」
当 0.5 KB RAM 也能跑 AI,
当 1.5 元 BOM 就能唤醒玩具,
你会发现 “边缘”不是噱头,而是成本极限的艺术。
如果这篇文章帮你把 AI 塞进 8 位 MCU,欢迎去仓库点个 Star ⭐;
也欢迎留言聊聊你把模型塞进过哪些“变态”场景!

http://www.dtcms.com/a/331201.html

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