小型單板計(jì)算機(jī)加速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地

楊波 劉梅 張亞寧

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)中將實(shí)際傳感和驅(qū)動(dòng)信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要。以樹(shù)莓派為代表的小型單板計(jì)算機(jī)由于兼顧了底層接口、連接性和處理性能，極大地促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的研究和落地。文中通過(guò)對(duì)小型單板計(jì)算機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的研究，分析其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的獨(dú)特地位，并就其優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)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(shù)莓派;工控機(jī);小型單板計(jì)算機(jī);數(shù)據(jù)交換;網(wǎng)絡(luò)連接

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）10-0-03

0 引 言

新基建背景下，萬(wàn)物互聯(lián)的趨勢(shì)已成為各行業(yè)的共識(shí)。一方面，物聯(lián)網(wǎng)中，無(wú)論是“物與物”之間還是“人與物”之間，各項(xiàng)通信技術(shù)百花齊放，承載著數(shù)據(jù)的溝通和聯(lián)絡(luò);另一方面，數(shù)據(jù)交換影響物理世界，需要一個(gè)可落地的“網(wǎng)關(guān)”才能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各項(xiàng)功能。通常來(lái)說(shuō)，完整物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用鏈路中，信息的原始來(lái)源是各項(xiàng)物理世界信息輸入設(shè)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(jī)構(gòu)（Actuator），如屏幕、音箱、電機(jī)、閥門(mén)等。傳感器的原始輸出是符合一定接口標(biāo)準(zhǔn)的模擬或數(shù)字信號(hào)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入是符合其工作方式的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)并不能直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，如果需要在有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中交換數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過(guò)“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(xiàng)能力：通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;傳感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)信號(hào)接口;實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需要的信號(hào)處理能力。

遺憾的是，傳統(tǒng)上幾乎沒(méi)有設(shè)備同時(shí)具備這三種能力。PC/便攜終端等設(shè)備具備在線數(shù)據(jù)交換和信號(hào)處理能力，但缺乏與外部設(shè)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(dòng)的設(shè)備多為專(zhuān)用采集/驅(qū)動(dòng)板卡，很少有直接通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)的功能。傳統(tǒng)上此類(lèi)需求，通常需要將以上二者結(jié)合，使用PC加上專(zhuān)用采集/驅(qū)動(dòng)板卡，合成為傳統(tǒng)意義上的“工控機(jī)”，或開(kāi)發(fā)一體化板卡實(shí)現(xiàn)。

然而，“工控機(jī)”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(yīng)用;專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)板卡成本高且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。在這樣的“缺位”中，以樹(shù)莓派為代表的單板計(jì)算機(jī)異軍突起，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地的一種快速和便捷的方式。

1 小型單板計(jì)算機(jī)

單板計(jì)算機(jī)指在一塊電路板上集成計(jì)算機(jī)核心部件，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和計(jì)算功能的計(jì)算機(jī)。二十世紀(jì)七八十年代，單板計(jì)算機(jī)的概念已經(jīng)存在。在那個(gè)時(shí)候，將CPU、內(nèi)存、接口芯片、存儲(chǔ)器等集成到一塊電路板上是個(gè)宏大的工程，成本高昂，即使僅僅是使用這一設(shè)備也有較高的技術(shù)門(mén)檻。二十世紀(jì)八十年代之后，隨著單片機(jī)、DSP等集成度高，功耗低且成本低廉的計(jì)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(jì)算機(jī)逐漸淡出了歷史的舞臺(tái)。

單板計(jì)算機(jī)重新回到人們視線中的標(biāo)志性事件是2012年2月，樹(shù)莓派基金會(huì)（Raspberry Pi Foundation）發(fā)布了由Eben Upton團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的單板計(jì)算機(jī)“樹(shù)莓派”。樹(shù)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(dāng)，如圖1所示。樹(shù)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(lán)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(shè)備相連。

樹(shù)莓派通常運(yùn)行基于Debian的定制系統(tǒng)Raspbian，其“硬盤(pán)”是一塊可以插拔的Micro SD卡。也就是說(shuō)，接上鼠標(biāo)/鍵盤(pán)和顯示器，樹(shù)莓派幾乎可以實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算機(jī)的所有基本功能。盡管樹(shù)莓派的開(kāi)發(fā)初衷是為買(mǎi)不起計(jì)算機(jī)的學(xué)生，以及為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供一個(gè)學(xué)習(xí)編程和探索操作系統(tǒng)的平臺(tái)，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(shù)莓派7周年時(shí)，全球銷(xiāo)量已經(jīng)突破了3 000萬(wàn)件，成為了繼Windows和Mac之后的第三大計(jì)算機(jī)平臺(tái)。至今，樹(shù)莓派硬件已經(jīng)迭代到了第4代。表1列舉了樹(shù)莓派4的主要指標(biāo)，可見(jiàn)其性能已達(dá)到了媲美早期桌面計(jì)算機(jī)的水平。

除表1中羅列的接口和功能外，樹(shù)莓派上的40針數(shù)字I/O引腳承擔(dān)了與外部傳感器和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的連接和通信任務(wù)。這部分GPIO引腳部分可復(fù)用為I2C，UART和SPI等芯片間用的通信接口，或復(fù)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(jī)驅(qū)動(dòng)器等外部設(shè)備。針對(duì)不同的應(yīng)用，許多第三方廠商開(kāi)發(fā)了被稱(chēng)之為“HAT”的擴(kuò)展板，集成所需要的傳感/交互/執(zhí)行模塊，并直接插到樹(shù)莓派的40針數(shù)字I/O接口上使用。除此之外，樹(shù)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(gè)獨(dú)立移動(dòng)設(shè)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(lèi)的應(yīng)用提供便利。

2 小型單板計(jì)算機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

由此可見(jiàn)，樹(shù)莓派及以其為代表的單板計(jì)算機(jī)，具備豐富的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)交換能力，能夠直接通過(guò)數(shù)字I/O與物理世界的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交互，并且具備足夠的計(jì)算和處理能力，甚至可以在其上使用OpenCV等進(jìn)行簡(jiǎn)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(jī)”和“單板機(jī)”相比，其幾十美元的價(jià)格、直接用USB供電即可運(yùn)行的功耗、信用卡相當(dāng)大的尺寸，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面具備難以撼動(dòng)的優(yōu)勢(shì)?；谶@樣的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)功能的各個(gè)門(mén)類(lèi)[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(jī)器人控制[14-16]等，都有基于此類(lèi)單板計(jì)算機(jī)的研究成果。

除了學(xué)術(shù)界表現(xiàn)的興趣外，此類(lèi)單板計(jì)算機(jī)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(guó)內(nèi)外廠家發(fā)布了基于樹(shù)莓系列單板計(jì)算機(jī)成熟的工控模塊和板卡，提供針對(duì)專(zhuān)業(yè)工業(yè)控制場(chǎng)景、通信總線等的支持。代表產(chǎn)品包括了英國(guó)Embedded Micro Technology出品的MyPi，以及德國(guó)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(yīng)了這一趨勢(shì)，其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Predix也提供了對(duì)樹(shù)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(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)和不足

對(duì)當(dāng)前通用小型單板計(jì)算機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的分析，將有助于研判這一類(lèi)型設(shè)備和技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。除同時(shí)滿足“連接性”“I/O接口豐富”和“具備一定處理能力”外，以樹(shù)莓派為代表的單板計(jì)算機(jī)在技術(shù)上及運(yùn)營(yíng)上也很好地符合了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

（1）低成本

即使是最近發(fā)布的樹(shù)莓派4，其基本版的定價(jià)依然維持了第一代的35美元。成本優(yōu)勢(shì)有利于吸引更多的開(kāi)發(fā)者進(jìn)行研發(fā)，并且有助于成熟產(chǎn)品的大規(guī)模部署。針對(duì)部分帶有一定分布式計(jì)算屬性的應(yīng)用，或類(lèi)似室內(nèi)定位這樣需要多點(diǎn)部署的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，成本是需要考量的因素。

（2）開(kāi)源生態(tài) / 軟件定義

大部分單板計(jì)算機(jī)建立了自己的開(kāi)源生態(tài)圈。開(kāi)源生態(tài)使得更多開(kāi)發(fā)者能夠參與到這一項(xiàng)目中，并使得軟、硬件的擴(kuò)展方案能夠以指數(shù)級(jí)增加。在開(kāi)源生態(tài)的助力下，樹(shù)莓派目前已經(jīng)能夠支持C/C++，Python，Java，Perl等編程語(yǔ)言，并擁有大量可以直接引用，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的庫(kù)。這些庫(kù)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬件板卡功能的“軟件定義”化，把硬件功能的開(kāi)發(fā)過(guò)程轉(zhuǎn)變成了成本更低的、更容易上手的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，從而更進(jìn)一步地加速了應(yīng)用的落地。

（3）多態(tài)性/可擴(kuò)展性

針對(duì)部分應(yīng)用對(duì)網(wǎng)關(guān)/板卡的特殊要求，部分單板計(jì)算機(jī)還具有小型化 / 專(zhuān)業(yè)化的版本。例如除了常規(guī)面向愛(ài)好者，容易上手，接口齊全的樹(shù)莓派（3/3b/4）版本外，樹(shù)莓派基金會(huì)還發(fā)布過(guò)面向小體積、輕量化應(yīng)用的樹(shù)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(kāi)發(fā)板卡才能使用的樹(shù)莓派計(jì)算模塊（工業(yè)級(jí)版本）等版本，如圖3所示。這樣的布局能讓開(kāi)發(fā)者將在標(biāo)準(zhǔn)版本上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用無(wú)縫轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品上，進(jìn)一步加速應(yīng)用的落地。

（4）不足：性能問(wèn)題

相較于工控機(jī)/服務(wù)器，單板計(jì)算機(jī)最大的劣勢(shì)在于性能不足。受限于體積和能耗，到目前為止，單板計(jì)算機(jī)尚無(wú)法提供與PC并駕齊驅(qū)的計(jì)算能力和圖形處理能力。然而在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，一方面對(duì)計(jì)算性能要求并不高，另一方面從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，高速網(wǎng)絡(luò)和在云/邊緣部署的運(yùn)算能力能夠分擔(dān)終端設(shè)備的計(jì)算壓力，從而降低對(duì)終端設(shè)備計(jì)算能力的要求。在保證了終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換能力的前提下，其計(jì)算性能的相對(duì)劣勢(shì)并不會(huì)構(gòu)成對(duì)此類(lèi)設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中應(yīng)用的阻礙。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，以樹(shù)莓派為代表的小型單板計(jì)算機(jī)同時(shí)具備連接性、計(jì)算能力和與物理設(shè)備直接連接的接口，適合作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的“網(wǎng)關(guān)”，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的落地。低成本和開(kāi)源生態(tài)的特點(diǎn)更進(jìn)一步加強(qiáng)了其行業(yè)實(shí)用性，降低了從研發(fā)的門(mén)檻;豐富的設(shè)備形態(tài)和優(yōu)秀的擴(kuò)展性加速了其從研發(fā)到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。未來(lái)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換能力的提高所帶來(lái)的算力需求的降低，一定程度上規(guī)避了此類(lèi)設(shè)備的最大短板，將進(jìn)一步促進(jìn)此類(lèi)設(shè)備的發(fā)展及在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的應(yīng)用。

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