小型单板计算机加速物联网应用落地

杨波 刘梅 张亚宁

摘 要：物联网中将实际传感和驱动信号与网络数据相互转换的网关至关重要。以树莓派为代表的小型单板计算机由于兼顾了底层接口、连接性和处理性能，极大地促进了物联网的研究和落地。文中通过对小型单板计算机技术特点的研究，分析其在物联网应用中的独特地位，并就其优势和不足进行讨论，给出其后续发展的研判。

关键词：物联网;树莓派;工控机;小型单板计算机;数据交换;网络连接

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-0-03

0 引 言

新基建背景下，万物互联的趋势已成为各行业的共识。一方面，物联网中，无论是“物与物”之间还是“人与物”之间，各项通信技术百花齐放，承载着数据的沟通和联络;另一方面，数据交换影响物理世界，需要一个可落地的“网关”才能够实现物联网应用的各项功能。通常来说，完整物联网应用链路中，信息的原始来源是各项物理世界信息输入设备，如传感器（Sensor）;信息最终的归宿是能够影响物理世界的执行机构（Actuator），如屏幕、音箱、电机、阀门等。传感器的原始输出是符合一定接口标准的模拟或数字信号，而执行机构的输入是符合其工作方式的驱动信号，这些信号并不能直接在网络上传输，如果需要在有线或无线网络中交换数据，必须经过“接口”（网关）的转换。

显然，物联网“网关”需要三项能力：通过有线或无线网络进行数据交换;传感器/执行机构的数据信号接口;实现应用所需要的信号处理能力。

遗憾的是，传统上几乎没有设备同时具备这三种能力。PC/便携终端等设备具备在线数据交换和信号处理能力，但缺乏与外部设备直接相连的数字/模拟I/O接口;具备传感器数据采集/执行结构驱动的设备多为专用采集/驱动板卡，很少有直接通过IP网络交换数据的功能。传统上此类需求，通常需要将以上二者结合，使用PC加上专用采集/驱动板卡，合成为传统意义上的“工控机”，或开发一体化板卡实现。

然而，“工控机”本身体积大，功耗和成本都较高，并不完全适合泛在的物联网应用;专门开发板卡成本高且实现复杂。在这样的“缺位”中，以树莓派为代表的单板计算机异军突起，成为物联网应用落地的一种快速和便捷的方式。

1 小型单板计算机

单板计算机指在一块电路板上集成计算机核心部件，实现存储和计算功能的计算机。二十世纪七八十年代，单板计算机的概念已经存在。在那个时候，将CPU、内存、接口芯片、存储器等集成到一块电路板上是个宏大的工程，成本高昂，即使仅仅是使用这一设备也有较高的技术门槛。二十世纪八十年代之后，随着单片机、DSP等集成度高，功耗低且成本低廉的计算/控制器件高速发展，逐渐普及并渗透到各行业中，传统单板计算机逐渐淡出了历史的舞台。

单板计算机重新回到人们视线中的标志性事件是2012年2月，树莓派基金会（Raspberry Pi Foundation）发布了由Eben Upton团队开发的单板计算机“树莓派”。树莓派是一块基于ARM芯片的微型电脑主板，大小与一张信用卡相当，如图1所示。树莓派上集成了CPU、内存、USB、音频、视频输出接口、以太网卡、WLAN网卡、蓝牙模块，并将处理器的数字I/O接口部分引出，可以与外部设备相连。

树莓派通常运行基于Debian的定制系统Raspbian，其“硬盘”是一块可以插拔的Micro SD卡。也就是说，接上鼠标/键盘和显示器，树莓派几乎可以实现通用计算机的所有基本功能。尽管树莓派的开发初衷是为买不起计算机的学生，以及为计算机专业学生提供一个学习编程和探索操作系统的平台，但其一经推出，便受到了全球“极客”的追捧。截至2019年2月树莓派7周年时，全球销量已经突破了3 000万件，成为了继Windows和Mac之后的第三大计算机平台。至今，树莓派硬件已经迭代到了第4代。表1列举了树莓派4的主要指标，可见其性能已达到了媲美早期桌面计算机的水平。

除表1中罗列的接口和功能外，树莓派上的40针数字I/O引脚承担了与外部传感器和执行结构的连接和通信任务。这部分GPIO引脚部分可复用为I2C，UART和SPI等芯片间用的通信接口，或复用为PWM输出引脚，用以连接传感器、模拟转换芯片（ADC / DAC等）、电机驱动器等外部设备。针对不同的应用，许多第三方厂商开发了被称之为“HAT”的扩展板，集成所需要的传感/交互/执行模块，并直接插到树莓派的40针数字I/O接口上使用。除此之外，树莓派板载的MIPI DSI接口可以直接与DSI触控屏连接，使其具备脱离固定屏幕，成为一个独立移动设备的潜力;板载的CSI接口则可以直接连接摄像头，为图像/视频捕捉和分析类的应用提供便利。

2 小型單板计算机的物联网应用

由此可见，树莓派及以其为代表的单板计算机，具备丰富的网络连接和数据交换能力，能够直接通过数字I/O与物理世界的传感器和执行机构交互，并且具备足够的计算和处理能力，甚至可以在其上使用OpenCV等进行简单的图像和视频处理。这一系列的功能完美符合前述物联网网关的所有需求。与传统的“工控机”和“单板机”相比，其几十美元的价格、直接用USB供电即可运行的功耗、信用卡相当大的尺寸，在物联网应用方面具备难以撼动的优势。基于这样的优势，近年来，有关物联网功能的各个门类[1]，例如智能家居[2-4]、安防监控[5-7]、数据采集[8-10]、医疗[11-13]、机器人控制[14-16]等，都有基于此类单板计算机的研究成果。

除了学术界表现的兴趣外，此类单板计算机也已经向物联网/工业互联网相关方向渗透。已有国内外厂家发布了基于树莓系列单板计算机成熟的工控模块和板卡，提供针对专业工业控制场景、通信总线等的支持。代表产品包括了英国Embedded Micro Technology出品的MyPi，以及德国KUNBUS出品的Revolution Pi等，如图2所示。工业互联网巨头通用电器（GE）也注意到并顺应了这一趋势，其工业互联网平台Predix也提供了对树莓派作为工业互联网终端Predix Machine的官方支持。

3 小型单板计算机的优势和不足

对当前通用小型单板计算机技术特点的分析，将有助于研判这一类型设备和技术未来的发展趋势。除同时满足“连接性”“I/O接口丰富”和“具备一定处理能力”外，以树莓派为代表的单板计算机在技术上及运营上也很好地符合了当前物联网技术的发展趋势。

（1）低成本

即使是最近发布的树莓派4，其基本版的定价依然维持了第一代的35美元。成本优势有利于吸引更多的开发者进行研发，并且有助于成熟产品的大规模部署。针对部分带有一定分布式计算属性的应用，或类似室内定位这样需要多点部署的应用来说，成本是需要考量的因素。

（2）开源生态 / 软件定义

大部分单板计算机建立了自己的开源生态圈。开源生态使得更多开发者能够参与到这一项目中，并使得软、硬件的扩展方案能够以指数级增加。在开源生态的助力下，树莓派目前已经能够支持C/C++，Python，Java，Perl等编程语言，并拥有大量可以直接引用，实现各项功能的库。这些库实际上实现了对硬件板卡功能的“软件定义”化，把硬件功能的开发过程转变成了成本更低的、更容易上手的软件开发过程，从而更进一步地加速了应用的落地。

（3）多态性/可扩展性

针对部分应用对网关/板卡的特殊要求，部分单板计算机还具有小型化 / 专业化的版本。例如除了常规面向爱好者，容易上手，接口齐全的树莓派（3/3b/4）版本外，树莓派基金会还发布过面向小体积、轻量化应用的树莓派Zero（轻量，小型化版本）和面向专业人士，必须配合定制化开发板卡才能使用的树莓派计算模块（工业级版本）等版本，如图3所示。这样的布局能让开发者将在标准版本上开发的应用无缝转移到产品上，进一步加速应用的落地。

（4）不足：性能问题

相较于工控机/服务器，单板计算机最大的劣势在于性能不足。受限于体积和能耗，到目前为止，单板计算机尚无法提供与PC并驾齐驱的计算能力和图形处理能力。然而在物联网应用中，一方面对计算性能要求并不高，另一方面从长远来看，高速网络和在云/边缘部署的运算能力能够分担终端设备的计算压力，从而降低对终端设备计算能力的要求。在保证了终端设备网络数据交换能力的前提下，其计算性能的相对劣势并不会构成对此类设备在物联网场景中应用的阻碍。

3 结 语

综上所述，以树莓派为代表的小型单板计算机同时具备连接性、计算能力和与物理设备直接连接的接口，适合作为物联网应用中的“网关”，促进物联网应用的落地。低成本和开源生态的特点更进一步加强了其行业实用性，降低了从研发的门槛;丰富的设备形态和优秀的扩展性加速了其从研发到产品的转化。未来，网络数据交换能力的提高所带来的算力需求的降低，一定程度上规避了此类设备的最大短板，将进一步促进此类设备的发展及在物联网行业中的应用。

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