Arduino: искусственный интеллект и машинное обучение

Стивен Ф. Барретт
Arduino:  
искусственный интеллект  
и машинное обучение

Arduino V:  
Machine Learning 
Steven F. Barrett

Arduino:  
искусственный интеллект  
и машинное обучение
Стивен Ф. Барретт
Москва, 2024

УДК	 004.9Arduino, 004.8
ББК	 32.813, 32.85
Б25
Барретт С. Ф.
Б25 	 Arduino: искусственный интеллект и машинное обучение / пер. 
с англ. Ю. В. Ревича. – М.: ДМК Пресс, 2024. – 242 с.: ил. 
ISBN 978-5-93700-276-1
Автор книги концентрируется на приложениях искусственного 
интеллекта и машинного обучения для систем на базе микроконтроллеров в среде Arduino на примере платы Arduino Nano 33 BLE Sense. 
Описаны примеры, пригодные для выполнения в том числе на простейшем 8-разрядном контроллере Arduino Uno.
Издание будет полезно студентам, практикующим инженерам 
и широкому кругу любителей современной электроники.
УДК  004.9Arduino, 004.8
ББК  32.813, 32.85
First published in English under the title Arduino V: Machine Learning by 
Steven F. Barrett. This edition has been translated and published under licence 
from Springer Nature Switzerland AG. Springer Nature Switzerland AG takes no 
responsibility and shall not be made liable for the accuracy of the translation.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами 
без письменного разрешения владельцев авторских прав.
ISBN 978-3-031-21876-7 (англ.) 	
Copyright © Steven F. Barrett, under 
exclusive license to Springer Nature 
Switzerland AG, 2023
ISBN 978-5-93700-276-1 (рус.) 	
©  Перевод, оформление, издание,  
ДМК Пресс, 2024

Содержание
От издательства......................................................................................... 9
Предисловие.............................................................................................11
Благодарности..........................................................................................16
Об авторе...................................................................................................17
Глава 1	 Начало работы..........................................................................18
1.1. Обзор....................................................................................18
1.2. Общая картина...................................................................19
1.3. Быстрый старт Arduino......................................................20
1.3.1. Краткое руководство по быстрому старту.............21
1.3.2. Обзор среды Arduino IDE..........................................24
1.3.3. Концепция альбома для эскизов.............................24
1.3.4. Программное обеспечение Arduino,  
библиотеки и ссылки на языки..........................................24
1.3.5. Написание скетча Arduino........................................26
1.4. Приложение: светодиодная лента...................................28
1.5. Выводы................................................................................33
1.6. Задания................................................................................33
Источники..................................................................................33
Глава 2	 Arduino Nano 33 BLE Sense....................................................34
2.1. Обзор....................................................................................34

6  Содержание
2.2. Плата Arduino Nano 33 BLE Sense.....................................35
2.3. Возможности Arduino Nano 33 BLE Sense.......................37
2.4. Подсистемы модуля NINA B306.......................................37
2.4.1. Память модуля B306..................................................40
2.4.1.1. Программируемая флеш-память....................40
2.4.1.2. Статическая память с произвольным 
доступом (SRAM) в модуле B306..................................40
2.5. Периферийные устройства модуля NINA B306..............41
2.5.1. Каналы широтно-импульсной модуляции  
(PWM).....................................................................................41
2.5.2. Последовательная связь...........................................43
2.5.2.1. USART..................................................................43
2.5.2.2. Последовательный периферийный 
интерфейс (SPI)..............................................................47
2.5.2.3. Интерфейс I2C (TWI).........................................52
2.5.2.4. Аналого-цифровой преобразователь ADC....53
2.5.3. Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE)....56
2.5.3.1. Библиотека ArduinoBLE....................................59
2.6. Периферийные устройства Nano 33 BLE Sense..............65
2.6.1. Девятиосевой IMU LSM9DS1....................................65
2.6.2. Барометр и датчик температуры LPS22HB............67
2.6.3. Датчик относительной влажности  
и температуры HTS221.......................................................69
2.6.4. Цифровой датчик расстояния, окружающего 
освещения, RGB-цвета и распознавания жестов  
APDS-9960.............................................................................71
2.6.4.1. Распознавание жестов......................................71
2.6.4.2. Датчик цвета......................................................74
2.6.4.3. Датчик расстояния............................................76
2.6.5. Цифровой микрофон MP34DT05.............................77
2.7. Приложение: Bluetooth BLE GreenhouseMonitor............80
2.8. Выводы................................................................................87
2.9. Задания................................................................................87
Источники..................................................................................88
Глава 3	 Arduino Nano 33 BLE Sense: питание и сопряжение  
с внешними устройствами .....................................................90
3.1. Обзор....................................................................................90
3.2. Требования к питанию Arduino.......................................91
3.3. Стабилизаторы напряжения............................................91
3.3.1. Питание Nano 33 от батарей....................................93

Содержание  7
3.4. Концепции сопряжения с внешними устройствами....93
3.5. Устройства ввода................................................................94
3.5.1. Переключатели и кнопки.........................................94
3.5.1.1. Устранение дребезга контактов......................96
3.6. Выходные устройства........................................................98
3.6.1. Светоизлучающие диоды (LED)...............................98
3.6.2. Жидкокристаллический дисплей  
(ЖК-дисплей, LCD)..............................................................99
3.7. Принципы управления двигателем.................................99
3.7.1. Двигатель постоянного тока..................................102
3.7.1.1. Характеристики двигателей  
постоянного тока..........................................................102
3.7.1.2. Однонаправленное управление  
двигателем постоянного тока....................................103
3.7.1.3. Управление скоростью двигателя 
постоянного тока – широтно-импульсная  
модуляция (PWM).........................................................106
3.8. Приложение: Dagu Magician робот................................107
3.8.1. Требования...............................................................111
3.8.2. Принципиальная схема..........................................112
3.8.3. Алгоритм управления роботом DaguMagician....113
3.8.4. Тестирование алгоритма управления..................121
3.9. Выводы..............................................................................121
3.10. Задания............................................................................122
Источники................................................................................122
Глава 4	 Искусственный интеллект и машинное обучение...........124
4.1. Обзор..................................................................................125
4.2. Краткая история развития искусственного  
интеллекта и машинного обучения.....................................127
4.3. Метод К ближайших соседей..........................................129
4.4. Дерево решений...............................................................134
4.5. Приложение: классификатор KNN................................150
4.6. Приложение: дерево решений.......................................150
4.7. Выводы...............................................................................152
4.8. Задания..............................................................................152
Источники................................................................................153
Глава 5	 Нечеткая логика.....................................................................155
5.1. Обзор концепций.............................................................155
5.2. Теория................................................................................157

8  Содержание
5.2.1. Установить цель, входы и выходы системы 
нечеткого управления.......................................................159
5.2.2. Размыть четкий сигнал датчика...........................159
5.2.3. Применение правил................................................162
5.2.4. Объединение активных правил  
и восстановление четкости выхода................................162
5.3. Arduino-библиотека eFLL................................................163
5.3.1. Простой пример.......................................................163
5.3.2. Расширенный пример.............................................169
5.4. Применение......................................................................172
5.5. Выводы..............................................................................180
5.6. Задания..............................................................................180
Источники................................................................................181
Глава 6	 Нейронные сети......................................................................183
6.1. Обзор..................................................................................184
6.2. Биологический нейрон....................................................184
6.3. Персептрон........................................................................185
6.3.1. Обучение модели персептрона.............................187
6.3.2. Режим выполнения одиночного персептрона....195
6.3.3. Сортировка помидоров..........................................197
6.4. Модель группы персептронов........................................201
6.4.1. Режим выполнения трех персептронов...............210
6.5. Проблемы персептрона...................................................211
6.6. Искусственная нейронная сеть (ANN)..........................211
6.6.1. Модель одиночного нейрона.................................211
6.6.2. Режим выполнения одиночного нейрона............216
6.6.3. Искусственные нейронные сети ANN...................216
6.6.4. Сходимость ANN......................................................231
6.7. Глубокие нейронные сети и глубокое обучение . 
Введение в программные инструменты.............................232
6.8. Приложение: управление роботом с по-мощью  
ANN...........................................................................................235
6.9. Выводы..............................................................................236
6.10. Задания............................................................................236
Источники................................................................................238
Предметный указатель.........................................................................239

От издательства
Отзывы и пожелания
Мы всегда рады отзывам наших читателей. Расскажите нам, что 
вы ду-маете об этой книге – что понравилось или, может быть, не 
понравилось. Отзывы важны для нас, чтобы выпускать книги, которые будут для вас максимально полезны.
Вы можете написать отзыв на нашем сайте www.dmkpress.com, 
зайдя на страницу книги и оставив комментарий в разделе «Отзывы и рецензии». Также можно послать письмо главному редактору 
по адресу dmkpress@gmail.com; при этом укажите название книги 
в теме письма. 
Если вы являетесь экспертом в какой-либо области и заинтересованы в написании новой книги, заполните форму на нашем сайте 
по адресу http://dmkpress.com/authors/publish_book/ или напишите 
в издательство по адресу dmkpress@gmail.com.
Список опечаток
Хотя мы приняли все возможные меры для того, чтобы обеспечить 
высокое качество наших текстов, ошибки все равно случаются. 
Если вы найдете ошибку в одной из наших книг, мы будем очень 
благодарны, если вы сообщите о ней главному редактору по адресу 
dmkpress@gmail.com. Сделав это, вы избавите других читателей от 
недопонимания и поможете нам улучшить последующие издания 
этой книги. 

10  От издательства
Нарушение авторских прав
Пиратство в интернете по-прежнему остается насущной проблемой. 
Издательства «ДМК Пресс» и Wiley очень серьезно относятся к вопросам защиты авторских прав и лицензирования. Если вы столкнетесь 
в интернете с незаконной публикацией какой-либо из наших книг, 
пожалуйста, пришлите нам ссылку на интернет-ресурс, чтобы мы 
могли применить санкции.
Ссылку на подозрительные материалы можно прислать по адресу элект-ронной почты dmkpress@gmail.com.
Мы высоко ценим любую помощь по защите наших авторов, 
благодаря которой мы можем предоставлять вам качественные 
материалы.