浅谈单片机在人工智能上的应用及发展

刘瑶 陈伯亨（通讯作者） 四川大学锦城学院 计算机与软件学院

引言

目前随着电子信息的高速发展，人们对于人工智能的发展越来越关注。也出现大量的科研人员对人工智能进行研究。而单片机作为重要的硬件设备，其发展趋势也是与日俱增的状态。但是将人工智能与单片机相结合的研究较少。单片机在人工智能上的应用也是广泛而又优势明显。例如专家系统在单片机上进行控制，就是单片机在人工智能上的应用的例子。但是无论是人工智能还是单片机都仍处于发展阶段，都有各自的不足。虽然两者相结合可以解决一定的问题，但是仍有局限性，不能将两者的优势完全体现。所以本文就人工智能和单片机的各自发展情况，探讨将单片机应用于人工智能的发展近况及发展前景。

1 人工智能的发展

1.1 人工智能的发展历程

近几年人工智能的发展是迅速的，但是人工智能并非是近几年才出现，早在1956 年的达特茅斯会议上就被提出。在一年的沉淀后，约翰麦卡锡发表了文章《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个完整的人工智能系统。机器学习完整的人工智能的系统概念提出。1966 年在麻省理工学院的人工智能实验室进行了第一次人机对话。在1973 年日本制造了第一个人形机器人。1984 年，人工智能进入一个瓶颈区，出现人工智能的研究经费危机。在1997 年，当时世界上最强大的国际象棋计算机“深蓝”战胜国际象棋冠军。在2006-2009 年，ImageNET 数据库建立，帮助AI 认出了猫。2011 年，IBM 超级计算机在知识问答中战胜人类。2016 年，机器战胜围棋顶级选手。2018 年上海举办世界人工智能大会。此举标志着人工智能成为新一轮产业变革的核心驱动力。从人工智能出现到现在的发展历程是坎坷的，但是前景是光明的。人工智能在近几年的发展是迅速的，在人们的生活中逐渐深入变得越来越常见，对一些工作也是大有裨益。

1.2 人工智能的局限

随着人工智能的发展，人们对人工智能的态度是有积极，也有消极的。其实这两种观点都不够客观，我们需要更冷静客观，需要知道人工智能的突破和局限，带来的技术变革，还有它的局限和不足。人工智能的局限性在于人工智能的核心是表征学习，人工智能这个词实际上是以人类为中心的。人类具有智能，我们希望制造出机器能模仿人类的智能，更好地为人类服务举一个简单的例子，教小狗做算术：就像巴普洛夫的狗一样，基于条件反射。不断重复强化，小狗学习的过程叫做强化学习。通过对正确的行为给予奖励，错误的行为给以惩罚，从而获得正确的行动模式，就是基本的强化学习过程。人工智能的学习过程和小狗十分相似，给计算机一张图片，上面写着基本的算式，并让计算机给出结果，通过训练，机器会比小狗做得更快更好。在小狗和人工智能的学习过程中，有一个概念非常重要，就是“表征”。在学习过程中，小狗会把看到的算式图片转化成一个简化的模式信号，通过强化学习，将这个模式信号映射到结果，简单来讲，就是看到这张图后能识别出其中的关键信息，然后联想到应该叫几声。将图片转化成模式信号的过程叫做“表征”。人工智能神经网络的表征学习可以有效地简化各种复杂的输入信号，从而推动人工智能的不同领域，如图像识别，语音识别的进步。然而神经网络的表征学习需要大量的输入样本，计算量也很大。在表征学习的背后，是大数据和计算能力的支持。人脑的强项在于感知当前的复杂形势，结合自己的知识体系，推理出合理的行为。表征学习，知识体系和自动推理的有机结合，形成了人类智能。与人类智能相比，机器学习算术只能将输入的算式图片映射为结果，缺少知识体系的支持。它不理解算式的含义，当然也不可能会把算式应用在别的场合，不能像人类那样，在学会算术的基础上，进行更深的学习。当需要综合调动表征学习，知识体系和推理时，人类很容易完成的事情，对于机器却不可能。对于现在的人工智能的发展的主要方向便是如何让智能变得更加人工智能，更便捷的为人们服务。人工智能的发展依然任重而道远。

2 单片机的发展

2.1 单片机的历程

单片机的发展大致分为四个阶段：

第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel 公司的MCS-48 为代表。MCS-48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司有Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。

第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS 51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构：完善的外部总线；CPU外围功能单元的集中管理模式；指令系统趋于丰富和完善。

第三阶段（1982-1990）：8 位单片机的巩固发展及16 位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的MCS—96 系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。

第四阶（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8 位/16 位/32 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

2.2 单片机的不足

随着科技的发展蓬勃，单片机作为必备的硬件，其发展也受到关注。虽然近几年单片机发展壮大，但是任然是美中不足，单片机的功能较为简易，并不能解决一些复杂的问题，如果进行功能的拓展，便会增加硬件和软甲的负担。而且对其的电路设计和保护也是一个较为棘手的问题。最重要的一点是，单片机本身是一种微型计算机，但是它的系统只支持将它应用在一些基本的生活用品中，并不能真正的将其的性能充分利用。

3 单片机在人工智能上的应用

单片机在人工智能的应用例子很多，例如单片机在智能仪器仪表上的应用，在工业自动化控制中的应用，在各种基本家用电器中的应用。随着社会发展，重心逐渐偏向于一些工作系统，而不是简单的单一化的工作。例如智能家庭就是智能系统中的一项，智能家居系统通过人工智能以及各种硬件系统实现家居的人工智能。在实现这个功能的过程中，单片机的功能得到了较为充分的应用，在这个过程中涉及到基于单片机的人工智能语音识别的设计，通过对语音的识别并转化为指令控制智能家居各项电器间的相互协作。然后是基于人工智能的单片机仿真系统的设计。通过设计实现各电器的自动化，但也只是简单的通过指令对电器进行自动化控制，不能使电器进行机器学习，在没有指令调控的情况下，进行自主的调控，这方面，仍需努力。单片机和人工智能的关系是密切的，实现人工智能的具体化，需要单片机等硬件的支持，单片机的功能实现需要人工智能的技术。单片机领域和人工智能领域各自的发展都是迅速的，但是各自都有局限性。单片机与人工智能可进行相互合作，将各自的发展相互结合，促进各自的发展，相辅相成。