Обзор Arduino Uno Q: плата с парой «мозгов»

Arduino Uno Q — это новейшая плата форм-фактора Arduino Uno от известной и уважаемой компании, которая первой демократизировала доступ к микроконтроллерам. До Arduino, конечно, у нас были микроконтроллеры, но они были дорогими и громоздкими. Arduino нарушила эту норму, и возникло современное сообщество разработчиков микроконтроллеров.

Так что, Arduino Uno Q за $47,58 (≈3,8 тыс. руб.) — это просто обновленная версия Arduino Uno R4? Нет, это нечто гораздо большее. Буква Q означает Qualcomm, которая недавно приобрела Arduino и теперь использует свой SoC Dragonwing на базе Arm в Arduino Uno Q. Однако процессор Arm не единственный, поскольку Arduino Uno Q также оснащен микроконтроллером STM32U585. По сути, это Arm Cortex M33 (такой же, как RP2350 в Raspberry Pi Pico 2), который запускает скетчи Arduino (ваши проекты) параллельно с основным процессором.

Для кого предназначен Arduino Uno Q? Что можно с его помощью собрать? Он работает лучше, чем Raspberry Pi 3 и Pico 2? Давайте разберемся.

Технические характеристики Arduino Uno Q

• Основной МПУ: Qualcomm Dragonwing QRB2210 — система на кристалле (SoC) (SOC1): 4 × Arm Cortex-A53 @ 2,0 ГГц, 64-бит. Графический процессор Adreno 702 @ 845 МГц (3D графика).
• ОЗУ: 2 ГБ или 4 ГБ LPDDR4X.
• Хранилище: Для моделей с 2 ГБ оперативной памяти доступна eMMC-память на 16 ГБ, для моделей с 4 ГБ — на 32 ГБ.
• Беспроводная связь: WCBN3536A (Qualcomm WCN3980) (U2901). Wi-Fi 5 802.11a/b/g/n/ac (двухдиапазонный) + Bluetooth 5.1.
• Микроконтроллер реального времени: ST STM32U585 (MCU) (MCU1), Arm Cortex-M33 до 160 МГц. Ядро Arduino в операционной системе Zephyr. 2 МБ флэш-памяти, 786 КБ SRAM.
• Операционная система: Debian (поддержка от разработчиков).
• USB: USB 3.1 с возможностью переключения ролей, DisplayPort Alt-Mode, USB C PD только для 5 В 3 А.
• Распиновка Arduino: 22 цифровых входа/выхода, 6 аналоговых, 2 x I2C, 2 x SPI.
• Заголовки расширения: JMISC1 (смешанные выводы GPIO и SDIO для микроконтроллера, аудиотерминалы), JMEDIA1 (высокоскоростная камера/дисплей MIPI DSI, CSI).
• Размеры: 68,58 x 53,34 x 13,5 мм.
• Цена: $47,58 (≈3,8 тыс. руб.) за модель с 2 ГБ памяти, информация о модели с 4 ГБ будет объявлена позже.

Внешний вид и функциональность Arduino Uno Q

1 из 5

На первый взгляд, Arduino Uno Q и Arduino Uno R4 кажутся одинаковыми, но на самом деле они существенно отличаются. Первое заметное отличие — отсутствие разъема питания постоянного тока. На более старых платах Arduino Uno был цилиндрический разъем питания, и за все годы работы с Arduino я, наверное, использовал его меньше десятка раз. Если вам нужно подавать питание с напряжением выше 5 В, можно использовать вывод VIN с источником питания 7-24 В.

Порт USB-C обеспечивает питание (5 В, 3 А макс.) и передачу данных, позволяя напрямую подключать Arduino Uno Q к компьютеру. Он также обеспечивает, через концентратор, доступ к DisplayPort/HDMI, USB и питанию. Использование Arduino Uno Q с док-станцией USB-C, HDMI-дисплеем, клавиатурой и мышью требует некоторого привыкания. Под этим я подразумеваю, что нужно сесть и писать код непосредственно на плате Arduino. Раньше я просто подключал её к компьютеру, писал код для Arduino в IDE, компилировал и прошивал код на Arduino, и всё работало. Но сидеть здесь, в лаборатории приложений Arduino, писать код и загружать его на STM32 — это что-то совершенно непривычное.

Интересно, что Arduino рекомендует использовать модель с 4 ГБ оперативной памяти в качестве одноплатного компьютера, однако первая выпущенная модель — это модель с 2 ГБ, что приводит к неудовлетворительному опыту работы с одноплатным компьютером.

Если вы предпочитаете более традиционный рабочий процесс Arduino, вы можете подключиться через USB или Wi-Fi к ПК, на котором запущена Arduino App Lab. Весь ваш код будет работать на Arduino Uno Q, но разработка и создание будут происходить на вашем гораздо более мощном ПК. Это мой предпочтительный способ использования Arduino Uno Q.

1 из 3

При включении Arduino Uno Q великолепная светодиодная матрица 8 x 13 загорается, отображая анимированный логотип Arduino — приятная деталь, которая отвлекает от довольно медленного процесса загрузки, занимающего ровно 34,6 секунды. Не так уж и плохо; Raspberry Pi 5 загружается примерно за 20-25 секунд, в зависимости от того, используете ли вы microSD или SSD. Но для тех, кто привык включать Arduino и видеть, как код запускается сразу, это кажется долгим временем.

Qualcomm Dragonwing

Arduino Uno Q загружается напрямую в версию Debian Linux, и она довольно стандартная. Интерфейс GNOME приятен и выполняет свою задачу. Arduino Uno Q можно использовать как маломощный рабочий стол Linux; он, безусловно, станет поводом для разговора. Но в конечном итоге, настольная ОС больше предназначена для запуска Arduino App Lab, чем для полноценной работы. Возможно, ситуация немного изменится, когда выйдет модель с 4 ГБ оперативной памяти. Небольших 2 ГБ оперативной памяти вполне достаточно для работы.

Новейшее дополнение к Arduino появилось благодаря недавнему приобретению компанией Qualcomm платформы Arduino. Qualcomm Dragonwing QRB2210 — это четырехъядерный SoC на базе архитектуры Arm Cortex A53.

Arduino Uno Q — это не мощный ПК на базе Linux, но это и не обязательно. Обладая вычислительной мощностью на уровне Raspberry Pi 3 / Raspberry Pi Zero 2 Вт, SoC Qualcomm Dragonwing имеет достаточно ресурсов для запуска Linux, а его два 13-мегапиксельных процессора обработки изображений (ISP) поддерживают две камеры, а модели вывода ИИ могут работать на ЦП и ГП. Это делает его мощным решением для проектов начального уровня в области ИИ и Интернета вещей.

Но это не настольный ПК на базе Arm. Если вам нужен такой, выбирайте Raspberry Pi 5. Преимущество процессора с низким энергопотреблением заключается в том, что при использовании Arduino Uno Q в качестве настольного ПК он потребляет около 3,3 Вт в режиме ожидания и достигает пика в 4,5 Вт при полной нагрузке на все четыре ядра процессора.

В течение 90% времени под нагрузкой Arduino Uno Q потреблял 4,4 Вт. Следует помнить, что нет способа просто запитать микроконтроллер STM32. Нам необходимо запитать SoC Qualcomm, чтобы получить доступ к микроконтроллеру. Это означает, что сверхнизкое энергопотребление, обеспечиваемое проектом на базе микроконтроллера, теряется. Если это вас беспокоит, то лучше использовать плату на базе микроконтроллера.

Как Dragonwing взаимодействует с микроконтроллером STM32, работающим в режиме реального времени, и наоборот? Ответ — «мост», а именно библиотека RPC (Remote Procedure Call) от Arduino, которая позволяет скетчам, написанным для STM32, получать доступ к службам Linux и наоборот. Библиотеки написаны на Python для Dragonwing и на C для Arduino, используемом с STM32. Обе они достаточно абстрагированы, чтобы их было легко использовать.

GPIO

Плата Arduino Uno Q имеет ту же проверенную временем распиновку GPIO, что и более старые платы Arduino Uno. Схема распиновки напечатана на боковой стороне разъемов, и приятно видеть, что символ \~ по-прежнему напечатан, напоминая мне, какие контакты совместимы с ШИМ для моих проектов с роботом и Neopixel.

Плата Arduino Uno Q также имеет два разъема повышенной плотности, предназначенных для подключения высокоскоростных камер/дисплеев, аудиоустройств, SDMMC и в качестве расширения с дополнительными контактами GPIO. К сожалению, я не могу протестировать эту функцию платы, поскольку в настоящее время нет плат расширения или дополнительных модулей, поддерживающих этот интерфейс. Но я вижу возможность использования этих интерфейсов для подключения Arduino Uno R к другой плате, что позволит реализовать дополнительные функции, такие как робототехника, в более простом форм-факторе.

Наиболее интересен интерфейс QWIIC. Это тот же интерфейс, что и у StemmaQT, MakerPort и QWIIC, что действительно значительно ускоряет подключение проекта. QWIIC по сути является аналогом интерфейса I2C, но его использование не является обязательным для компонентов I2C, хотя многие дополнения его используют. Вам потребуется приобрести совместимые дополнения QWIIC, например, те, что входят в комплект Arduino Plug and Make.

Подключите датчики, в моем случае — акселерометр, а затем загрузите свой код. Я выбрал пример с акселерометром и быстро увидел, как STM32 считывает необработанные данные с датчика, которые затем обрабатываются процессором Qualcomm Dragonwing для определения характера движения. Наконец, результат отображается в веб-интерфейсе в режиме реального времени. Огромный потенциал для обучения!

Совместимость с платами расширения Arduino

Использование форм-фактора Arduino Uno — разумное решение для Arduino Uno Q, главным образом потому, что это обеспечивает доступ к обширной экосистеме Arduino Shield. Подобно платам расширения Raspberry Pi (HAT), платы расширения Arduino подключаются к GPIO форм-фактора Uno и предоставляют дополнительные возможности для проектов. И, как и в случае с Raspberry Pi, совместимость плат расширения/HAT с Arduino Uno Q находится в стадии разработки, несмотря на одинаковый форм-фактор.

У меня есть платы расширения (Shields) для Ethernet, IoT, NFC, подключения GSM-телефонов, RGB-светодиодных матриц и т.д. Проблема с этими платами заключается в том, что для их работы требуется либо совместимая библиотека, либо совместимая распиновка. Похоже, моя RGB-матрица Adafruit не работает с Arduino Uno Q, и мои платы расширения Arduino от Maplin (ныне не существующего британского магазина электроники) также столкнулись с этой проблемой. Если вы используете плату расширения в своем проекте, лучше придерживаться более старой, хорошо поддерживаемой и заведомо совместимой платы Arduino.

Лаборатория приложений Arduino

Независимо от того, как вы решите использовать Arduino Uno Q, вы так или иначе будете использовать новую лабораторию приложений Arduino App Lab. Изначально я использовал её напрямую на плате, подключая экран, клавиатуру, мышь и т. д. через USB-концентратор Type-C. Это работало, и я смог написать простой скрипт для «мигания светодиода», но работа была медленной, и я постоянно сомневался, происходит ли что-нибудь, пока ждал, что произойдёт. Как я уже говорил, лучший способ использовать Arduino Uno Q — это использовать лабораторию приложений Arduino App Lab на вашем более мощном компьютере.

Arduino App Lab — это стильный и красивый инструмент. Но мне было сложно разобраться в концепциях и рабочих процессах, необходимых для создания проекта. Я не (настолько) глуп, и я легко могу писать и загружать код на другие свои Arduino и их клоны. Но дополнительные шаги для Arduino Uno Q заставили меня действительно внимательно изучить документацию. К счастью, у Arduino отличная документация, но были моменты, когда я терялся. Например, использование Serial.println() не поддерживается на Arduino Uno Q, его заменяют на Monitor.println(), но мне не удалось заставить это работать, несмотря на следование инструкциям.

В лаборатории приложений Arduino также представлены «блоки» — пакеты кода на Python, которые обеспечивают функциональность с помощью простого в использовании рабочего процесса. Некоторые блоки предоставляют функции, актуальные для ИИ, такие как распознавание ключевых слов (используется в примере Hey Arduino!), в то время как другие ссылаются на внешние API для отображения погоды и веб-интерфейсов пользователя. Некоторые блоки работают как есть; для других требуется контейнер; все они обрабатываются лабораторией приложений Arduino.

Добавить модуль в свой проект очень просто. Просто нажмите на «Модули», выберите нужный, и модуль станет частью вашего проекта. Следуйте документации API, чтобы интегрировать его в свой код Python, и вскоре у вас появится светодиод, управляемый ключевыми словами, и т.д. Мне нравится эта функция, главным образом потому, что она делает использование внешних ресурсов тривиальным процессом для новичков.

Рабочий процесс Arduino Uno Q в значительной степени ориентирован на использование SoC Qualcomm и STM32 через RPC-«мост». Вы можете просто писать код Arduino непосредственно в Arduino App Lab, нет реальной причины использовать мост, если только вам не нужна мощность SoC Dragonwing. Но, поступая таким образом, вы фактически растрачиваете потенциал этой платы. Вы могли бы просто использовать любую плату Arduino или её клон и сэкономить дополнительные средства.

Если Arduino App Lab вам не подходит, то Arduino IDE 2.3.6 работает с платой Arduino Uno Q на базе STM32. После обновления и установки платы мне удалось прошить скетч Blink на Arduino Uno Q. Я также попытался загрузить скетч Adafruit NeoPixel strandtest на Arduino Uno Q, но это не сработало. Я проверил проводку, контакты и конфигурацию, но ничего не помогло. Я перенёс проект на Arduino Uno и прошил скетч. И всё заработало.

Я немного углубился в проблему, и оказалось, что библиотека NeoPixel от Adafruit не поддерживает STM32, поэтому мне пришлось искать что-то совместимое. Я не смог найти ничего совместимого с STM32 в библиотеках Arduino, поэтому мне пришлось отказаться от этого элемента тестирования.

В целом, Arduino App Lab — это отличное начало, и по мере того, как Arduino Uno Q будет набирать популярность в сообществе, в него будут добавляться новые функции и доработки. К рабочему процессу нужно немного привыкнуть, но он упрощает связь между кодом на Python и кодом Arduino, что поможет новичкам освоиться.

Проверка включенных примеров

Arduino Uno Q включает в себя набор примеров, охватывающих широкий спектр проектов, которые вы можете с её помощью создать. От простого «мигания светодиода» до распознавания изображений на основе ИИ, через светодиоды, управляемые через веб-интерфейс, и светодиодную матрицу с голосовым управлением.

Некоторые из этих проектов основаны только на плате, но те, которые используют какую-либо форму ИИ, часто требуют дополнительных компонентов, подключенных к порту USB Type-C. Поэтому вам понадобится совместимый концентратор. Вот тут-то и начинается самое интересное, ведь теперь у нас есть концентратор, Arduino Uno Q, микрофон и питание от USB-C для создания проекта с голосовым управлением.

Я протестировал проект «Hey Arduino» и могу подтвердить, что он работает, но запуск контейнера для примера занял целую вечность. Речь идёт о 55 секундах от нажатия кнопки «Запустить» до того, как проект стал доступен. Ладно, минута — это не слишком долгое ожидание, но если бы я интегрировал это в проект, мне пришлось бы учесть и это время, и время загрузки Arduino Uno Q, которое составляет 34,6 секунды.

Сами проекты великолепны; они демонстрируют, как использовать Arduino Uno Q, и, что более важно, показывают, как создать проект, в котором одновременно используются Dragonwing и STM32.

Почему это важно? Arduino Uno Q — это гибридное устройство; это не специализированная одноплатная система на базе Linux и не микроконтроллер, это и то, и другое одновременно. Это не первый случай, когда Arduino создает гибридную плату. Galileo был совместным проектом с Intel, и он представил процессор Intel Quark X1000 в новом форм-факторе. Он работал под управлением дистрибутива Linux на базе Yocto и был совместим с платами расширения Arduino. Честно говоря, Galileo была интересной идеей, и когда-то я делал обзор одного экземпляра, но это было совсем другое устройство по сравнению с типичной Arduino с чипом Atmel.

Также существовала плата Arduino Yún на базе микроконтроллера с легендарным ATmega32u4 и процессором Atheros AR9331, поддерживающим Linux. Совсем недавно появилась Radxa X4, оснащенная процессором Intel N100, работающим под управлением любой операционной системы, и встроенным Raspberry Pi RP2040, как в Raspberry Pi Pico. Конечно, в Radxa X4 не было моста между двумя процессорами, но есть последовательное соединение, и с помощью нескольких библиотек Python можно создать собственный мост между процессорами Intel и Arm.

Производительность ИИ

В основе Arduino Uno Q лежит SoC Dragonwing, работающий под управлением Linux, поддерживающий мост Python и обрабатывающий задачи искусственного интеллекта. Однако из-за ограничений по памяти и вычислительной мощности мы можем запустить LLM, но он очень маленький, и его производительность ниже, чем у других одноплатных компьютеров.

Чтобы доказать свою точку зрения, я установил tinyllama:1.1b через ollama и в командной строке спросил: «Что такое Arduino?» Ответ последовал, хотя и немного медленно. На формирование ответа потребовалось 28 секунд, и это побудило меня проверить, как поведут себя несколько Raspberry Pi. Raspberry Pi 500+, версия Raspberry Pi 5 с клавиатурой, начала отвечать на вопрос за 2 секунды! Даже более старая Raspberry Pi 4 справилась за 4 секунды. К сожалению, Raspberry Pi 3B+, плата с аналогичными характеристиками, что и Arduino Uno Q, не имела достаточно оперативной памяти для запуска LLM.

Время вычисления ответа

Если у вас завалялся старый Raspberry Pi 4, потратьте 10 долларов на Raspberry Pi Pico 2 и научитесь соединять их с помощью собственного последовательного моста. Вы только что собрали свой собственный клон Arduino Uno Q.

Кому нужна плата Arduino Uno Q и какие проекты можно реализовать?

Тем, кто уже знаком с экосистемой Arduino, понравится Arduino Uno Q, и я вижу множество проектов на основе ИИ/LLM, которые можно создать с его помощью. Робототехника, мониторинг датчиков, умные дома и многое другое — всё это можно реализовать с помощью Arduino Uno Q. Объединение ориентированного на ИИ SoC Qualcomm с STM32 для GPIO — это разумный шаг. Электроника вашего проекта работает на микроконтроллере реального времени, а процессор Arm обрабатывает все аспекты ИИ, Linux и Python.

Итог

Я обожаю Arduino. Именно на этой плате я начинал свою карьеру в электронике и микроконтроллерах. Arduino Uno Q — интересная плата, но в конечном итоге её характеристики немного устарели и требуют использования оборудования, которое уже есть у многих любителей электроники.

Тем не менее, если вы являетесь поклонником Arduino и его форм-фактора, вам понравится Arduino Uno Q и экосистема, которую он предоставляет. Аппаратная часть хороша, а Arduino App Lab — отличное место для начала изучения того, как объединить две стороны Arduino Uno Q в одном проекте.

Меня беспокоит то, что Arduino Uno Q может стать таким же популярным, как Intel Edison, Galileo и Arduino Yun. Проекты Intel родились в результате сотрудничества, тогда как Arduino Uno Q — это результат покупки Arduino компанией Qualcomm. Может ли это обеспечить Arduino Uno Q большую поддержку, чем предыдущие попытки? В конечном итоге, это будет зависеть от времени и популярности.

Обзор ПК Starforge Systems Frieren: его красота зачаровывает, а производительность покоряет миры