淺談單片機(jī)在人工智能上的應(yīng)用及發(fā)展

劉瑤 陳伯亨（通訊作者） 四川大學(xué)錦城學(xué)院 計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院

引言

目前隨著電子信息的高速發(fā)展，人們對(duì)于人工智能的發(fā)展越來(lái)越關(guān)注。也出現(xiàn)大量的科研人員對(duì)人工智能進(jìn)行研究。而單片機(jī)作為重要的硬件設(shè)備，其發(fā)展趨勢(shì)也是與日俱增的狀態(tài)。但是將人工智能與單片機(jī)相結(jié)合的研究較少。單片機(jī)在人工智能上的應(yīng)用也是廣泛而又優(yōu)勢(shì)明顯。例如專(zhuān)家系統(tǒng)在單片機(jī)上進(jìn)行控制，就是單片機(jī)在人工智能上的應(yīng)用的例子。但是無(wú)論是人工智能還是單片機(jī)都仍處于發(fā)展階段，都有各自的不足。雖然兩者相結(jié)合可以解決一定的問(wèn)題，但是仍有局限性，不能將兩者的優(yōu)勢(shì)完全體現(xiàn)。所以本文就人工智能和單片機(jī)的各自發(fā)展情況，探討將單片機(jī)應(yīng)用于人工智能的發(fā)展近況及發(fā)展前景。

1 人工智能的發(fā)展

1.1 人工智能的發(fā)展歷程

近幾年人工智能的發(fā)展是迅速的，但是人工智能并非是近幾年才出現(xiàn)，早在1956 年的達(dá)特茅斯會(huì)議上就被提出。在一年的沉淀后，約翰麥卡錫發(fā)表了文章《Programs with Common Sense》，提出了“Adivece Taker”概念，文章描述的假想程序可以被看成是第一個(gè)完整的人工智能系統(tǒng)。機(jī)器學(xué)習(xí)完整的人工智能的系統(tǒng)概念提出。1966 年在麻省理工學(xué)院的人工智能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了第一次人機(jī)對(duì)話。在1973 年日本制造了第一個(gè)人形機(jī)器人。1984 年，人工智能進(jìn)入一個(gè)瓶頸區(qū)，出現(xiàn)人工智能的研究經(jīng)費(fèi)危機(jī)。在1997 年，當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的國(guó)際象棋計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”戰(zhàn)勝?lài)?guó)際象棋冠軍。在2006-2009 年，ImageNET 數(shù)據(jù)庫(kù)建立，幫助AI 認(rèn)出了貓。2011 年，IBM 超級(jí)計(jì)算機(jī)在知識(shí)問(wèn)答中戰(zhàn)勝人類(lèi)。2016 年，機(jī)器戰(zhàn)勝?lài)屙敿?jí)選手。2018 年上海舉辦世界人工智能大會(huì)。此舉標(biāo)志著人工智能成為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)力。從人工智能出現(xiàn)到現(xiàn)在的發(fā)展歷程是坎坷的，但是前景是光明的。人工智能在近幾年的發(fā)展是迅速的，在人們的生活中逐漸深入變得越來(lái)越常見(jiàn)，對(duì)一些工作也是大有裨益。

1.2 人工智能的局限

隨著人工智能的發(fā)展，人們對(duì)人工智能的態(tài)度是有積極，也有消極的。其實(shí)這兩種觀點(diǎn)都不夠客觀，我們需要更冷靜客觀，需要知道人工智能的突破和局限，帶來(lái)的技術(shù)變革，還有它的局限和不足。人工智能的局限性在于人工智能的核心是表征學(xué)習(xí)，人工智能這個(gè)詞實(shí)際上是以人類(lèi)為中心的。人類(lèi)具有智能，我們希望制造出機(jī)器能模仿人類(lèi)的智能，更好地為人類(lèi)服務(wù)舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，教小狗做算術(shù)：就像巴普洛夫的狗一樣，基于條件反射。不斷重復(fù)強(qiáng)化，小狗學(xué)習(xí)的過(guò)程叫做強(qiáng)化學(xué)習(xí)。通過(guò)對(duì)正確的行為給予獎(jiǎng)勵(lì)，錯(cuò)誤的行為給以懲罰，從而獲得正確的行動(dòng)模式，就是基本的強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程。人工智能的學(xué)習(xí)過(guò)程和小狗十分相似，給計(jì)算機(jī)一張圖片，上面寫(xiě)著基本的算式，并讓計(jì)算機(jī)給出結(jié)果，通過(guò)訓(xùn)練，機(jī)器會(huì)比小狗做得更快更好。在小狗和人工智能的學(xué)習(xí)過(guò)程中，有一個(gè)概念非常重要，就是“表征”。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，小狗會(huì)把看到的算式圖片轉(zhuǎn)化成一個(gè)簡(jiǎn)化的模式信號(hào)，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，將這個(gè)模式信號(hào)映射到結(jié)果，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是看到這張圖后能識(shí)別出其中的關(guān)鍵信息，然后聯(lián)想到應(yīng)該叫幾聲。將圖片轉(zhuǎn)化成模式信號(hào)的過(guò)程叫做“表征”。人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表征學(xué)習(xí)可以有效地簡(jiǎn)化各種復(fù)雜的輸入信號(hào)，從而推動(dòng)人工智能的不同領(lǐng)域，如圖像識(shí)別，語(yǔ)音識(shí)別的進(jìn)步。然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表征學(xué)習(xí)需要大量的輸入樣本，計(jì)算量也很大。在表征學(xué)習(xí)的背后，是大數(shù)據(jù)和計(jì)算能力的支持。人腦的強(qiáng)項(xiàng)在于感知當(dāng)前的復(fù)雜形勢(shì)，結(jié)合自己的知識(shí)體系，推理出合理的行為。表征學(xué)習(xí)，知識(shí)體系和自動(dòng)推理的有機(jī)結(jié)合，形成了人類(lèi)智能。與人類(lèi)智能相比，機(jī)器學(xué)習(xí)算術(shù)只能將輸入的算式圖片映射為結(jié)果，缺少知識(shí)體系的支持。它不理解算式的含義，當(dāng)然也不可能會(huì)把算式應(yīng)用在別的場(chǎng)合，不能像人類(lèi)那樣，在學(xué)會(huì)算術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更深的學(xué)習(xí)。當(dāng)需要綜合調(diào)動(dòng)表征學(xué)習(xí)，知識(shí)體系和推理時(shí)，人類(lèi)很容易完成的事情，對(duì)于機(jī)器卻不可能。對(duì)于現(xiàn)在的人工智能的發(fā)展的主要方向便是如何讓智能變得更加人工智能，更便捷的為人們服務(wù)。人工智能的發(fā)展依然任重而道遠(yuǎn)。

2 單片機(jī)的發(fā)展

2.1 單片機(jī)的歷程

單片機(jī)的發(fā)展大致分為四個(gè)階段：

第一階段（1976-1978）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的控索階段。以Intel 公司的MCS-48 為代表。MCS-48 的推出是在工控領(lǐng)域的控索，參與這一控索的公司有Motorola 、Zilog 等，都取得了滿意的效果。

第二階段（1978-1982）單片機(jī)的完善階段。Intel 公司在MCS 48 基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS 51。它在以下幾個(gè)方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)：完善的外部總線；CPU外圍功能單元的集中管理模式；指令系統(tǒng)趨于豐富和完善。

第三階段（1982-1990）：8 位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16 位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel 公司推出的MCS—96 系列單片機(jī)，將一些用于測(cè)控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。增強(qiáng)了外圍電路路功能，強(qiáng)化了智能控制的特征。

第四階（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8 位/16 位/32 位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專(zhuān)用型單片機(jī)。

2.2 單片機(jī)的不足

隨著科技的發(fā)展蓬勃，單片機(jī)作為必備的硬件，其發(fā)展也受到關(guān)注。雖然近幾年單片機(jī)發(fā)展壯大，但是任然是美中不足，單片機(jī)的功能較為簡(jiǎn)易，并不能解決一些復(fù)雜的問(wèn)題，如果進(jìn)行功能的拓展，便會(huì)增加硬件和軟甲的負(fù)擔(dān)。而且對(duì)其的電路設(shè)計(jì)和保護(hù)也是一個(gè)較為棘手的問(wèn)題。最重要的一點(diǎn)是，單片機(jī)本身是一種微型計(jì)算機(jī)，但是它的系統(tǒng)只支持將它應(yīng)用在一些基本的生活用品中，并不能真正的將其的性能充分利用。

3 單片機(jī)在人工智能上的應(yīng)用

單片機(jī)在人工智能的應(yīng)用例子很多，例如單片機(jī)在智能儀器儀表上的應(yīng)用，在工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用，在各種基本家用電器中的應(yīng)用。隨著社會(huì)發(fā)展，重心逐漸偏向于一些工作系統(tǒng)，而不是簡(jiǎn)單的單一化的工作。例如智能家庭就是智能系統(tǒng)中的一項(xiàng)，智能家居系統(tǒng)通過(guò)人工智能以及各種硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)家居的人工智能。在實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的過(guò)程中，單片機(jī)的功能得到了較為充分的應(yīng)用，在這個(gè)過(guò)程中涉及到基于單片機(jī)的人工智能語(yǔ)音識(shí)別的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)語(yǔ)音的識(shí)別并轉(zhuǎn)化為指令控制智能家居各項(xiàng)電器間的相互協(xié)作。然后是基于人工智能的單片機(jī)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各電器的自動(dòng)化，但也只是簡(jiǎn)單的通過(guò)指令對(duì)電器進(jìn)行自動(dòng)化控制，不能使電器進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，在沒(méi)有指令調(diào)控的情況下，進(jìn)行自主的調(diào)控，這方面，仍需努力。單片機(jī)和人工智能的關(guān)系是密切的，實(shí)現(xiàn)人工智能的具體化，需要單片機(jī)等硬件的支持，單片機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)需要人工智能的技術(shù)。單片機(jī)領(lǐng)域和人工智能領(lǐng)域各自的發(fā)展都是迅速的，但是各自都有局限性。單片機(jī)與人工智能可進(jìn)行相互合作，將各自的發(fā)展相互結(jié)合，促進(jìn)各自的發(fā)展，相輔相成。