楊波 劉梅 張亞寧

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)中將實際傳感和驅(qū)動信號與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要。以樹莓派為代表的小型單板計算機由于兼顧了底層接口、連接性和處理性能，極大地促進了物聯(lián)網(wǎng)的研究和落地。文中通過對小型單板計算機技術(shù)特點的研究，分析其在物聯(lián)網(wǎng)應用中的獨特地位，并就其優(yōu)勢和不足進行討論，給出其后續(xù)發(fā)展的研判。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);樹莓派;工控機;小型單板計算機;數(shù)據(jù)交換;網(wǎng)絡連接

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-0-03

0 引 言

新基建背景下，萬物互聯(lián)的趨勢已成為各行業(yè)的共識。一方面，物聯(lián)網(wǎng)中，無論是“物與物”之間還是“人與物”之間，各項通信技術(shù)百花齊放，承載著數(shù)據(jù)的溝通和聯(lián)絡;另一方面，數(shù)據(jù)交換影響物理世界，需要一個可落地的“網(wǎng)關(guān)”才能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的各項功能。通常來說，完整物聯(lián)網(wǎng)應用鏈路中，信息的原始來源是各項物理世界信息輸入設備，如傳感器（Sensor）;信息最終的歸宿是能夠影響物理世界的執(zhí)行機構(gòu)（Actuator），如屏幕、音箱、電機、閥門等。傳感器的原始輸出是符合一定接口標準的模擬或數(shù)字信號，而執(zhí)行機構(gòu)的輸入是符合其工作方式的驅(qū)動信號，這些信號并不能直接在網(wǎng)絡上傳輸，如果需要在有線或無線網(wǎng)絡中交換數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過“接口”（網(wǎng)關(guān)）的轉(zhuǎn)換。

顯然，物聯(lián)網(wǎng)“網(wǎng)關(guān)”需要三項能力：通過有線或無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換;傳感器/執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)信號接口;實現(xiàn)應用所需要的信號處理能力。

遺憾的是，傳統(tǒng)上幾乎沒有設備同時具備這三種能力。PC/便攜終端等設備具備在線數(shù)據(jù)交換和信號處理能力，但缺乏與外部設備直接相連的數(shù)字/模擬I/O接口;具備傳感器數(shù)據(jù)采集/執(zhí)行結(jié)構(gòu)驅(qū)動的設備多為專用采集/驅(qū)動板卡，很少有直接通過IP網(wǎng)絡交換數(shù)據(jù)的功能。傳統(tǒng)上此類需求，通常需要將以上二者結(jié)合，使用PC加上專用采集/驅(qū)動板卡，合成為傳統(tǒng)意義上的“工控機”，或開發(fā)一體化板卡實現(xiàn)。

然而，“工控機”本身體積大，功耗和成本都較高，并不完全適合泛在的物聯(lián)網(wǎng)應用;專門開發(fā)板卡成本高且實現(xiàn)復雜。在這樣的“缺位”中，以樹莓派為代表的單板計算機異軍突起，成為物聯(lián)網(wǎng)應用落地的一種快速和便捷的方式。

1 小型單板計算機

單板計算機指在一塊電路板上集成計算機核心部件，實現(xiàn)存儲和計算功能的計算機。二十世紀七八十年代，單板計算機的概念已經(jīng)存在。在那個時候，將CPU、內(nèi)存、接口芯片、存儲器等集成到一塊電路板上是個宏大的工程，成本高昂，即使僅僅是使用這一設備也有較高的技術(shù)門檻。二十世紀八十年代之后，隨著單片機、DSP等集成度高，功耗低且成本低廉的計算/控制器件高速發(fā)展，逐漸普及并滲透到各行業(yè)中，傳統(tǒng)單板計算機逐漸淡出了歷史的舞臺。

單板計算機重新回到人們視線中的標志性事件是2012年2月，樹莓派基金會（Raspberry Pi Foundation）發(fā)布了由Eben Upton團隊開發(fā)的單板計算機“樹莓派”。樹莓派是一塊基于ARM芯片的微型電腦主板，大小與一張信用卡相當，如圖1所示。樹莓派上集成了CPU、內(nèi)存、USB、音頻、視頻輸出接口、以太網(wǎng)卡、WLAN網(wǎng)卡、藍牙模塊，并將處理器的數(shù)字I/O接口部分引出，可以與外部設備相連。

樹莓派通常運行基于Debian的定制系統(tǒng)Raspbian，其“硬盤”是一塊可以插拔的Micro SD卡。也就是說，接上鼠標/鍵盤和顯示器，樹莓派幾乎可以實現(xiàn)通用計算機的所有基本功能。盡管樹莓派的開發(fā)初衷是為買不起計算機的學生，以及為計算機專業(yè)學生提供一個學習編程和探索操作系統(tǒng)的平臺，但其一經(jīng)推出，便受到了全球“極客”的追捧。截至2019年2月樹莓派7周年時，全球銷量已經(jīng)突破了3 000萬件，成為了繼Windows和Mac之后的第三大計算機平臺。至今，樹莓派硬件已經(jīng)迭代到了第4代。表1列舉了樹莓派4的主要指標，可見其性能已達到了媲美早期桌面計算機的水平。

除表1中羅列的接口和功能外，樹莓派上的40針數(shù)字I/O引腳承擔了與外部傳感器和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的連接和通信任務。這部分GPIO引腳部分可復用為I2C，UART和SPI等芯片間用的通信接口，或復用為PWM輸出引腳，用以連接傳感器、模擬轉(zhuǎn)換芯片（ADC / DAC等）、電機驅(qū)動器等外部設備。針對不同的應用，許多第三方廠商開發(fā)了被稱之為“HAT”的擴展板，集成所需要的傳感/交互/執(zhí)行模塊，并直接插到樹莓派的40針數(shù)字I/O接口上使用。除此之外，樹莓派板載的MIPI DSI接口可以直接與DSI觸控屏連接，使其具備脫離固定屏幕，成為一個獨立移動設備的潛力;板載的CSI接口則可以直接連接攝像頭，為圖像/視頻捕捉和分析類的應用提供便利。

2 小型單板計算機的物聯(lián)網(wǎng)應用

由此可見，樹莓派及以其為代表的單板計算機，具備豐富的網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)交換能力，能夠直接通過數(shù)字I/O與物理世界的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)交互，并且具備足夠的計算和處理能力，甚至可以在其上使用OpenCV等進行簡單的圖像和視頻處理。這一系列的功能完美符合前述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的所有需求。與傳統(tǒng)的“工控機”和“單板機”相比，其幾十美元的價格、直接用USB供電即可運行的功耗、信用卡相當大的尺寸，在物聯(lián)網(wǎng)應用方面具備難以撼動的優(yōu)勢。基于這樣的優(yōu)勢，近年來，有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)功能的各個門類[1]，例如智能家居[2-4]、安防監(jiān)控[5-7]、數(shù)據(jù)采集[8-10]、醫(yī)療[11-13]、機器人控制[14-16]等，都有基于此類單板計算機的研究成果。

除了學術(shù)界表現(xiàn)的興趣外，此類單板計算機也已經(jīng)向物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)方向滲透。已有國內(nèi)外廠家發(fā)布了基于樹莓系列單板計算機成熟的工控模塊和板卡，提供針對專業(yè)工業(yè)控制場景、通信總線等的支持。代表產(chǎn)品包括了英國Embedded Micro Technology出品的MyPi，以及德國KUNBUS出品的Revolution Pi等，如圖2所示。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)巨頭通用電器（GE）也注意到并順應了這一趨勢，其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix也提供了對樹莓派作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)終端Predix Machine的官方支持。

3 小型單板計算機的優(yōu)勢和不足

對當前通用小型單板計算機技術(shù)特點的分析，將有助于研判這一類型設備和技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。除同時滿足“連接性”“I/O接口豐富”和“具備一定處理能力”外，以樹莓派為代表的單板計算機在技術(shù)上及運營上也很好地符合了當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（1）低成本

即使是最近發(fā)布的樹莓派4，其基本版的定價依然維持了第一代的35美元。成本優(yōu)勢有利于吸引更多的開發(fā)者進行研發(fā)，并且有助于成熟產(chǎn)品的大規(guī)模部署。針對部分帶有一定分布式計算屬性的應用，或類似室內(nèi)定位這樣需要多點部署的應用來說，成本是需要考量的因素。

（2）開源生態(tài) / 軟件定義

大部分單板計算機建立了自己的開源生態(tài)圈。開源生態(tài)使得更多開發(fā)者能夠參與到這一項目中，并使得軟、硬件的擴展方案能夠以指數(shù)級增加。在開源生態(tài)的助力下，樹莓派目前已經(jīng)能夠支持C/C++，Python，Java，Perl等編程語言，并擁有大量可以直接引用，實現(xiàn)各項功能的庫。這些庫實際上實現(xiàn)了對硬件板卡功能的“軟件定義”化，把硬件功能的開發(fā)過程轉(zhuǎn)變成了成本更低的、更容易上手的軟件開發(fā)過程，從而更進一步地加速了應用的落地。

（3）多態(tài)性/可擴展性

針對部分應用對網(wǎng)關(guān)/板卡的特殊要求，部分單板計算機還具有小型化 / 專業(yè)化的版本。例如除了常規(guī)面向愛好者，容易上手，接口齊全的樹莓派（3/3b/4）版本外，樹莓派基金會還發(fā)布過面向小體積、輕量化應用的樹莓派Zero（輕量，小型化版本）和面向?qū)I(yè)人士，必須配合定制化開發(fā)板卡才能使用的樹莓派計算模塊（工業(yè)級版本）等版本，如圖3所示。這樣的布局能讓開發(fā)者將在標準版本上開發(fā)的應用無縫轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品上，進一步加速應用的落地。

（4）不足：性能問題

相較于工控機/服務器，單板計算機最大的劣勢在于性能不足。受限于體積和能耗，到目前為止，單板計算機尚無法提供與PC并駕齊驅(qū)的計算能力和圖形處理能力。然而在物聯(lián)網(wǎng)應用中，一方面對計算性能要求并不高，另一方面從長遠來看，高速網(wǎng)絡和在云/邊緣部署的運算能力能夠分擔終端設備的計算壓力，從而降低對終端設備計算能力的要求。在保證了終端設備網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換能力的前提下，其計算性能的相對劣勢并不會構(gòu)成對此類設備在物聯(lián)網(wǎng)場景中應用的阻礙。

3 結(jié) 語

綜上所述，以樹莓派為代表的小型單板計算機同時具備連接性、計算能力和與物理設備直接連接的接口，適合作為物聯(lián)網(wǎng)應用中的“網(wǎng)關(guān)”，促進物聯(lián)網(wǎng)應用的落地。低成本和開源生態(tài)的特點更進一步加強了其行業(yè)實用性，降低了從研發(fā)的門檻;豐富的設備形態(tài)和優(yōu)秀的擴展性加速了其從研發(fā)到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。未來，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換能力的提高所帶來的算力需求的降低，一定程度上規(guī)避了此類設備的最大短板，將進一步促進此類設備的發(fā)展及在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的應用。

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