采用PYNQ和Vitis AI的智能辦公解決方案

本文投稿作者： zst123 （github.com/zst123）

信息通信和電子愛(ài)好者， 熱衷于鉆研新技術(shù)。

使用 Ultra96-V2 進(jìn)行邊緣 AI 和圖像處理的分布式移動(dòng)辦公辦公室管理可擴(kuò)展解決方案。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

在這個(gè)項(xiàng)目中，我將創(chuàng)建一款用于智能辦公室移動(dòng)辦公布局的應(yīng)用。

現(xiàn)代辦公室正在廣泛采用“移動(dòng)辦公”的概念。通過(guò)“先到先得”的方式能夠更有效地利用共享的空間和辦公桌。然而，其中面臨的問(wèn)題在于，員工可能會(huì)浪費(fèi)更多時(shí)間來(lái)尋找空置的辦公桌。此外，跟蹤占用率并在預(yù)訂就系統(tǒng)中進(jìn)行更新的工作也很單調(diào)乏味。借助基于邊緣的圖像處理功能，我們能夠檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的人員并確定辦公桌是否被占用。

在技術(shù)方面，我將使用 Ultra96-V2 演示 Vitis AI 模型庫(kù)和面向 PYNQ 的 DPU IP 核的編譯流程。我將從零開(kāi)始進(jìn)行編譯，這樣將更方便在以后修改硬件設(shè)計(jì)，我感覺(jué)獲取環(huán)境設(shè)置的過(guò)程有些混亂，所以我會(huì)為大家一步一步地進(jìn)行記錄。

PYNQ & Vitis AI 工作流程說(shuō)明

在開(kāi)始之前，有一點(diǎn)很重要，我們需要知道 Ultra96-V2 使用的是賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC。我們可以把它稱為基于 ARM 的 FPGA，這意味著它既包含處理系統(tǒng) （PS），也包含可編程邏輯 （PL）。

我將會(huì)使用 PYNQ，我們需要制作在 PS 上運(yùn)行的 Python 腳本。使用預(yù)編譯的 PYNQ 疊加（或比特流），我們可以在 PL 中配置深度學(xué)習(xí)處理器單元 （DPU）。在 PS 上運(yùn)行的軟件可以使用 DPU 來(lái)加速圖像識(shí)別任務(wù)。

使用的額外硬件

除了 Ultra96-V2 軟件包以外，您可能還需要以下這些額外的硬件。

1.USB 攝像頭

我使用的是 Logitech C170 USB 攝像頭。

通常，大多數(shù) Logitech 網(wǎng)絡(luò)攝像頭應(yīng)該開(kāi)箱即用。其他帶有 Linux 驅(qū)動(dòng)程序的品牌也應(yīng)該能夠很好地工作。

2.有源 Mini-DisplayPort 適配器

我使用的是 PowerColour Active Mini Displayport to Single-Link DVI 適配器。

Ultra96-V2 只輸出純 DisplayPort 信號(hào)，因此需要配備有源適配器。

為了獲得更好的搜索結(jié)果，您可以嘗試搜索“兼容 ATI Eyefinity”的適配器。眾所周知，Eyefinity 適配器是有源的。

請(qǐng)注意：如果您有預(yù)算限制，可以不用這些。

例如，可以使用 IP 攝像頭作為替代， 有一些應(yīng)用可以將您的智能手機(jī)用作 IP 攝像頭。如果您使用 USB 或遠(yuǎn)程 SSH 進(jìn)行連接，則可能不需要 mini-DP 適配器。

準(zhǔn)備 PYNQ 鏡像

我們首先將 PYNQ 加載到電路板上，并做一些測(cè)試。您可以從從官方網(wǎng)站下載 Avnet Ultra96-V2 v2.5 PYNQ 鏡像。

http://www.pynq.io/board.html

您可以在社區(qū)版塊下面找到它。

根據(jù)這些說(shuō)明將鏡像寫(xiě)入 SD 卡中。

https://pynq.readthedocs.io/en/latest/appendix.html#writing-the-sd-card

插入您的 SD 卡，在 Ubuntu 上，您將能夠在磁盤(pán) 應(yīng)用中看到您安裝的主板。

在這種情況下，器件名稱是 /dev/sdb

卸載分區(qū)：

$ umount /dev/sdb

在處理下一個(gè)命令的器件名稱時(shí)要非常小心，我們將要使用 PYNQ 鏡像覆蓋 SD 卡內(nèi)容。

您可以使用 dd 命令將 PYNQ 鏡像寫(xiě)入 SD 卡中，我決定使用 dcfldd 來(lái)顯示進(jìn)度：

$ sudo dcfldd bs=4M if=ultra96v2_v2.5.img of=/dev/sdb

1536 blocks （6144Mb） written.

1574+1 records in

1574+1 records out

啟動(dòng) PYNQ

插入 SD 卡并按下電源按鈕，以啟動(dòng)電路板。

將 Micro USB 電纜從您的 PC 連接到 Ultra96-V2，您將在您的 PC 上看到一個(gè)新的以太網(wǎng)接口。

您現(xiàn)在可以通過(guò)此鏈接在瀏覽器中訪問(wèn) Jupyter Notebook http://192.168.2.1:9090

如果需要密碼，那就是“xilinx”

連接到 WiFi

我們需要將電路板連接到 Wifi，因?yàn)槲覀儗⑾螺d一些東西。如果您有 USB-to-Ethernet 適配器，您也可以使用它，并跳過(guò)這個(gè)部分。

帶有腳本的 Jupyter Notebook 可以幫助您連接到 Wifi。導(dǎo)航到

notebooks/common/wifi.ipynb，在這里您可以將腳本修改為您自己的 Wifi 憑證。

或者，如果您熟悉 Linux 系統(tǒng)，您也可以發(fā)出以下命令：

# Scan Wifi

$ ifconfig wlan0 up

$ iwlist wlan0 scan

# Connect to WEP access point

$ iwconfig wlan0 essid “YOUR_SSID_NAME” key s:YOUR_PASSWORD

# Connect to WPA access point

$ wpa_passphrase YOUR_SSID_NAME YOUR_PASSWORD 》 /etc/wpa_supplicant.conf

$ sudo wpa_supplicant -c /etc/wpa_supplicant.conf -i wlan0 -B

在這里，我們可以從 Web 界面打開(kāi)一個(gè)新的終端：

使用 Vitis AI 升級(jí)到最新的PYNQ

在后續(xù)步驟中，我們將在終端中發(fā)出一些命令，以便下載和安裝大量軟件包， 這估計(jì)需要 1 個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

我建議安裝 USB 風(fēng)扇或任何散熱裝置，因?yàn)?Ultra96-V2 會(huì)變得非常得燙手。當(dāng)它很熱時(shí)，處理器將開(kāi)始減少熱量并減慢進(jìn)程。

從 Jupyter Notebooks 打開(kāi)終端。

從 Github Repo 下載并編譯 Vitis AI PYNQ DPU。這個(gè)步驟是使用 Vitis-AI 來(lái)升級(jí) PYNQ（可能需要大約一個(gè)小時(shí)才能完成）：

$ git clone --recursive --shallow-submodules https://github.com/Xilinx/DPU-PYNQ.git

$ cd DPU-PYNQ/upgrade

$ make

安裝 pynq-dpu python 包：

pip3 install pynq-dpu

將 pynq-dpu notebooks 下載到您的主文件夾中

cd $PYNQ_JUPYTER_NOTEBOOKS

pynq get-notebooks pynq-dpu -p 。

測(cè)試 USB 網(wǎng)絡(luò)攝像頭功能

連接您的 USB 網(wǎng)絡(luò)攝像頭并測(cè)試功能：

這里我使用的是 Logitech C170，PYNQ 可以自動(dòng)檢測(cè)到它，您可以使用此命令進(jìn)行確認(rèn)。

$ lsusb

Bus 001 Device 004： ID 046d:082b Logitech， Inc. Webcam C170

在 Jupyter 中，通過(guò)。/notebooks/common/usb_webcam.ipynb 打開(kāi) notebook，您可以運(yùn)行它，以查看您的網(wǎng)絡(luò)攝像頭是否正常工作。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)驗(yàn)證了該電路板功能齊全。我們可以從 Vitis AI 庫(kù)編譯 PYNQ DPU 鏡像和模型。

準(zhǔn)備編譯環(huán)境

我們需要安裝賽靈思 Vitis 和賽靈思運(yùn)行時(shí) （XRT） 2020.1 版本。對(duì)于 Vitis 和 XRT 2020.1，受支持的最新操作系統(tǒng)是 Ubuntu 18.04.2 LTS。

Ubuntu 20.04 不受支持，所以我無(wú)法成功安裝。因此，我在虛擬機(jī)中安裝了所有東西。

通過(guò)此鏈接下載賽靈思運(yùn)行時(shí) （XRT） 的 .deb 文件

https://www.xilinx.com/support/download/index.html/content/xilinx/en/downloadNav/embedded-platforms.html

使用此命令來(lái)進(jìn)行安裝：

sudo apt install 。/xrt_202010.2.6.655_18.04-amd64-xrt.deb

接下來(lái)，下載賽靈思統(tǒng)一 Web 安裝程序，它將安裝 Vitis 2020.1。您需要注冊(cè)一個(gè)賽靈思帳戶。請(qǐng)遵循此網(wǎng)站上的說(shuō)明

https://www.xilinx.com/html_docs/xilinx2020_1/vitis_doc/juk1557377661419.html

將 swappiness 設(shè)置為較低的值也很有幫助，因?yàn)闃?gòu)建過(guò)程中會(huì)使用大量的 RAM。它會(huì)告知操作系統(tǒng)在換出到硬盤(pán)之前可以使用更多的 RAM。

https://askubuntu.com/questions/103915/how-do-i-configure-swappiness

如需更改系統(tǒng) swappiness 值，通過(guò) root 權(quán)限打開(kāi) /etc/sysctl.conf

sudo gedit /etc/sysctl.con

然后，通過(guò)添加此行來(lái)更改 swappiness。我選擇將該值設(shè)置為 1。這意味著在將 RAM 交換到硬盤(pán)之前，系統(tǒng)將使用高達(dá) 99% 的 RAM（剩余 1%）。

應(yīng)用更改。

sudo sysctl -p

現(xiàn)在我們準(zhǔn)備開(kāi)始編譯……

為 Ultra96-V2 編譯 DPU-PYNQ

我們將仔細(xì)參考本指南：

https://github.com/Xilinx/DPU-PYNQ/blob/master/boards/README.md

首先，從賽靈思 DPU-PYNQ 庫(kù)中復(fù)制構(gòu)建文件

git clone --recursive --shallow-submodules https://github.com/Xilinx/DPU-PYNQ.git

cd DPU-PYNQ/boards

我們必須對(duì)構(gòu)建文件進(jìn)行一些更改，因?yàn)樗鼈冏畛跏窃?Vitis 2019.2 中設(shè)計(jì)的，但現(xiàn)在我們正在使用新版本進(jìn)行編譯。

在 boards 文件夾中，編輯 check_env.sh

搜索 2019.2，將其改為 2020.1

同樣轉(zhuǎn)至 /vitis-ai-git/DPU-TRD/dpu_ip/dpu_eu_v3_2_0，并編輯 component.xml

搜索 2019.2，將其改為 2020.1

最后，如果您想對(duì) DPU IP 配置進(jìn)行任何更改，請(qǐng)轉(zhuǎn)至 boards/Ultra96/dpu_conf.vh。

在這個(gè)案例中，我將存儲(chǔ)器更改為 RAM_USAGE_HIGH。

我們準(zhǔn)備好開(kāi)始編譯了：

打開(kāi)一個(gè)終端，并獲取賽靈思工具

source /opt/Xilinx/Vitis/2020.1/settings64.sh

source /opt/xilinx/xrt/setup.sh

開(kāi)始編譯（請(qǐng)注意： Ultra96 和 Ultra96-V2 可以使用相同的方法）

$ make BOARD=Ultra96

過(guò)了一段時(shí)間后，構(gòu)建再次失敗了，因?yàn)樗鼨z查到版本是 2019.2，而不是 2020.1。

查看 DPU-PYNQ/boards 目錄。這是因?yàn)橛幸粋€(gè)名為 PYNQ-derivative-overlays 的新文件夾。構(gòu)建腳本復(fù)制了另一個(gè)名為 PYNQ-derivative-overlays 的存儲(chǔ)庫(kù)。它負(fù)責(zé)將 DPU IP 置于 PYNQ 基礎(chǔ)疊加之上。

轉(zhuǎn)至 PYNQ-derivative-overlays/dpu/ 并編輯 dpu.tcl

同樣地，將 2019.2 更改為 2020.1

然后繼續(xù)制作過(guò)程。

$ make BOARD=Ultra96

綜合過(guò)程所花的時(shí)間最長(zhǎng)，可能需要一個(gè)小時(shí)

完成后，您將看到以下文件， 這些文件是面向 PYNQ 的比特流疊加。

我會(huì)將這些文件上傳到 Juypyter 實(shí)例中，放在一個(gè)名為 mymodel 的文件夾中。

在右上角，單擊“新建 》 文件夾”

然后在文件夾中，單擊“上傳”并選擇 3 個(gè)文件。

從 Vitis 模型庫(kù)編譯 YoloV3

請(qǐng)注意：模型是特定于您編譯的 DPU（即一種 DPU 配置的模型與另一種不兼容）。例如，這意味著如果您更改編譯時(shí)使用的內(nèi)核數(shù)量，您還必須重新編譯模型。

準(zhǔn)備 docker 文件

cd DPU-PYNQ/host

mkdir -p docker

cp -rf 。。/vitis-ai-git/docker_run.sh 。

cp -rf 。。/vitis-ai-git/docker/PROMPT.txt docker

chmod u+x docker_run.sh

安裝 docker

sudo apt install docker -y

sudo groupadd docker

newgrp docker

運(yùn)行 docker 實(shí)例

。/docker_run.sh xilinx/vitis-ai-cpu:latest

進(jìn)入實(shí)例后，您可以編譯模型

cp 。。/boards/Ultra96/dpu.hwh 。/

。/compile.sh Ultra96 tf_yolov3_voc_416_416_65.63G_1.1

完成后，您將在目錄中看到模型 dpu_tf_yolov3.elf

也將其上傳到您的 Jupyter 實(shí)例：

Notebook 示例

pynq_dpu/dpu_yolo_v3.ipynb 中有一個(gè)示例，它可以測(cè)試 YoloV3 模型

現(xiàn)在制作副本（文件 》 制作副本），并修改代碼以指向 mymodel 文件夾，其中包含我們自己編譯的比特流和模型

運(yùn)行所有單元（單元 》 運(yùn)行所有）

驗(yàn)證鏡像已經(jīng)分類成功

我們終于準(zhǔn)備好創(chuàng)建我們的應(yīng)用了！

應(yīng)用代碼

最后，在完成了所有的硬件設(shè)置和測(cè)試后，我編寫(xiě)了軟件代碼來(lái)創(chuàng)建我自己的智能辦公室移動(dòng)辦公應(yīng)用。

它由 2 個(gè)并行運(yùn)行的 Jupyter Notebooks 組成。第一個(gè)負(fù)責(zé)設(shè)置 PYNQ 疊加和處理視頻饋送。第二個(gè)將利用數(shù)據(jù)顯示基于座位可用性的控制面板。

結(jié)論

我希望這篇文章對(duì)您來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠全面詳細(xì)了。這是我第一次使用賽靈思硬件來(lái)了解邊緣上的 FPGA 和 AI。因此，在開(kāi)始時(shí)，最難的部分是使用開(kāi)發(fā)工具和適應(yīng)環(huán)境，因此，我盡力詳細(xì)地展示了盡可能多的設(shè)置過(guò)程。感謝您閱讀完全文！

編輯：jq