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近日，筆者參加了一年一度的大灣區(qū)國際創(chuàng)客峰會暨Maker Faire Shenzhen 2024，這個峰會由由柴火創(chuàng)客空間主辦，展示最新的開源硬件、人工智能、物聯(lián)網等前沿技術，吸引了來自世界各地的技術專家、企業(yè)家和創(chuàng)客，致力于推動全球創(chuàng)新生態(tài)的發(fā)展。在本次峰會上，筆者看到國產的開源硬件平臺正打破Arduino、樹莓派、micro:bit的壟斷，越來越多的出現(xiàn)在教育、物聯(lián)網等多個領域。特別是ESP32，幾乎已經隨處可見。今天我們就來盤點一下目前主流的開源硬件平臺，及其芯片供應商。
基于樂鑫科技的ESP32開發(fā)的智能眼鏡方案
什么是開源硬件？
開源硬件（Open Source Hardware, OSHW）是指其設計信息向公眾開放，任何人都可以研究、修改、分發(fā)、制造和銷售基于這些設計的硬件產品。核心理念是通過公開電路圖、物料清單、開發(fā)板布局等硬件設計信息，使人們能夠獲取、改進并再開發(fā)這些硬件。
開源硬件通常依賴開放工具和標準化流程，并遵循開放協(xié)議以促進共享與協(xié)作。根據(jù)開源硬件協(xié)會（OSHWA）的定義，開源硬件是“向公眾開放設計的有形物品”，旨在鼓勵學習、修改、制造和分銷。在此框架下，硬件設計源文件以公開且可編輯的格式提供，便于修改和再發(fā)布。
開源硬件的優(yōu)勢包括：
自由分享與創(chuàng)新：通過公開設計，開發(fā)者可以共享知識，并借助社區(qū)力量不斷優(yōu)化。
透明度：設計細節(jié)完全公開，讓用戶深入了解硬件原理。
復用性和擴展性：設計可重復利用，支持基于現(xiàn)有設計開發(fā)新產品。
降低成本：依靠社區(qū)協(xié)作模式，減少研發(fā)費用，提高創(chuàng)新效率。
開源硬件的發(fā)展歷程
20世紀60至70年代，打印機、計算機等硬件的設計原理圖是公開的，這種開放模式推動了行業(yè)發(fā)展。然而，隨著全球競爭加劇和知識產權保護的興起，許多公司選擇封閉模式，例如三星和蘋果通過技術壁壘保護商業(yè)利益，逐漸取代了早期的開放傳統(tǒng)。
1997年，Linux系統(tǒng)程序員布魯斯·佩倫斯（Bruce Perens）提出“開放硬件”概念并注冊了OpenHardware.org。這為開發(fā)者提供了一個認證平臺，標志著開源硬件的理念初步確立。1998年，開源硬件規(guī)范（OHSpec）和開源設計基金會（Open Design Foundation）等的推出，為開源硬件從概念到實踐奠定了基礎。
21世紀互聯(lián)網的普及為開源硬件注入活力。2005年，Arduino的推出成為重要里程碑。這一開源電子平臺集硬件與軟件于一體，降低了開發(fā)門檻并推動創(chuàng)客文化興起。同一時期，OpenCores和RepRap等項目涌現(xiàn)，為開源硬件提供了豐富的資源。
樹莓派（Raspberry Pi）是另一典型代表。作為低成本單板計算機，樹莓派通過開放設計和社區(qū)支持推廣了計算機科學教育，并廣泛應用于教育和商業(yè)項目。其靈活性和擴展性進一步推動了開源硬件的普及。
隨著開源硬件理念深入，其應用逐漸擴展至工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等領域。無人機、機器人和物聯(lián)網設備的開發(fā)廣泛受益于開源硬件。人工智能的興起則賦予了開源硬件新的價值，如AI芯片和框架的集成提供了一站式解決方案。
開源硬件協(xié)會（OSHWA）制定了明確的定義并推動協(xié)議普及，例如CERN開源硬件許可證，確保設計的共享性和可持續(xù)發(fā)展。同時，大型企業(yè)的加入壯大了開源生態(tài)。例如，IBM開放Power指令集架構，提供系統(tǒng)固件代碼和技術文檔，支持AI和物聯(lián)網開發(fā)。
樹莓派關鍵財務數(shù)據(jù)，來源：與非研究院整理
2024年6月11日，樹莓派公司成功登陸倫敦證券交易所，上市首日股價上漲32%，市值達9.11億美元。樹莓派自2012年成立以來，累計銷量超6000萬臺，尤其在工業(yè)和嵌入式領域表現(xiàn)突出。2023年，其工業(yè)和嵌入式市場收入占比達72%，遠超教育和發(fā)燒友市場的28%。
2023年，樹莓派收入同比增長41%，達2.658億美元，全年銷量740萬臺，同比增長48%。毛利潤增至6595.5萬美元，稅前利潤翻倍至3820萬美元，凈利潤3157.2萬美元，凈利潤率達11.9%。這一表現(xiàn)源于成本優(yōu)化、產品附加值提升以及對工業(yè)和嵌入式市場的成功拓展。
樹莓派的成功得益于其戰(zhàn)略轉型，將重心從教育和發(fā)燒友市場轉向工業(yè)和嵌入式應用。2023年工業(yè)市場收入占比的大幅提高增強了公司抗風險能力，避免了對單一市場的依賴。同時，通過供應鏈優(yōu)化和制造效率提升，樹莓派實現(xiàn)了高盈利能力。
近年來，中國廠商也在開源硬件領域表現(xiàn)出色，如虛谷號和飛騰派在人工智能教學和嵌入式開發(fā)中的應用，展示了國產開源硬件的潛力。這些平臺結合開源硬件與國產芯片，為信息產業(yè)發(fā)展注入動力。
開源硬件的應用領域
開源硬件的主要應用場景，來源：與非研究院整理
開源硬件以其靈活性、開放性和低成本的特性，廣泛應用于教育、科研、物聯(lián)網、人工智能、智慧農業(yè)和工業(yè)自動化等領域，推動了技術普及、產業(yè)創(chuàng)新與社會進步。在教育領域，Arduino、樹莓派和micro:bit等開源硬件被廣泛用于編程教育和STEAM課程開發(fā)。它們提供了低門檻的學習平臺，支持機器人、物聯(lián)網以及電子設計等實踐項目。例如，香港學校利用樹莓派開展STEAM課程，激發(fā)學生的學習興趣，而上海交通大學則通過基于樹莓派的課程，將人工智能與機械加工的技能結合在一起。樹莓派的開放性也使其成為開發(fā)低成本教學實驗設備的首選，用于數(shù)據(jù)采集、傳感器聯(lián)接和實時監(jiān)控。類似地，商湯教育在其AI實驗套件中集成樹莓派，幫助學生探索圖像處理和AI技術。
在物聯(lián)網和智慧農業(yè)領域，開源硬件提供了靈活且經濟高效的解決方案。例如，掌控板通過物聯(lián)網協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與自動控制，被應用于智能家居和校園環(huán)境監(jiān)測等場景。而基于海思Hi3861芯片的開發(fā)板，通過集成溫濕度、光照和土壤濕度傳感器，實現(xiàn)了智能灌溉與環(huán)境數(shù)據(jù)采集，有效提升農業(yè)自動化水平。這些硬件的高集成性和靈活性，為推動物聯(lián)網技術在智慧農業(yè)中的應用提供了基礎。
在人工智能與機器人開發(fā)方面，邊緣AI算力的加入進一步增強了開源硬件的應用廣度。例如，少林派開發(fā)板的高效推理能力適用于無人機和機器人開發(fā)，而飛騰派則通過嵌入式CPU和豐富接口，為語音識別和視覺算法開發(fā)提供了支持。BeagleBone AI憑借其嵌入式視覺引擎和數(shù)字信號處理器，被用于復雜數(shù)據(jù)處理任務，如智能制造和機器人互動。樹莓派與Arduino也廣泛用于教育機器人項目中，學生可以通過這些平臺搭建自動小車、機械臂等模型，探索機器人與物聯(lián)網的融合。此外，開源硬件在無人機和自動駕駛系統(tǒng)中表現(xiàn)出色，例如通過少林派開發(fā)板實現(xiàn)自主導航與任務規(guī)劃。
在工業(yè)自動化和商業(yè)應用中，開源硬件通過嵌入式控制系統(tǒng)和物聯(lián)網基礎設施實現(xiàn)了高度靈活的應用。BeagleBone開發(fā)板因其高性能處理能力和豐富接口，被廣泛用于工業(yè)生產線的監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。樹莓派和Arduino通過擴展模塊，支持遠程能耗管理與生產設備優(yōu)化，提升了工業(yè)效率。在多媒體處理領域，ROCKPI硬件憑借強大的視頻解碼能力，為家庭影音娛樂和廣告展示提供了支持，同時也應用于在線課程錄制系統(tǒng)，實現(xiàn)了教育與商業(yè)場景的無縫對接。
醫(yī)療與科學研究也成為開源硬件的重要應用領域。基于邊緣算力開發(fā)板的便攜醫(yī)療設備，能夠實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)分析和推理，被廣泛用于診斷和健康監(jiān)測。通過樹莓派與Arduino等硬件搭建的醫(yī)療傳感系統(tǒng)，則實現(xiàn)了高精度監(jiān)測與快速響應，為醫(yī)療行業(yè)提供了低成本的創(chuàng)新解決方案。在科學實驗與環(huán)境監(jiān)測中，虛谷號和掌控板作為輔助工具，支持科學實驗數(shù)據(jù)采集和動態(tài)建模，用于氣候和地質領域的研究。開源硬件還在實驗室設備開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，為學生和研究人員提供了設計新型測量與實驗裝置的平臺。
主流開源硬件平臺盤點
開源硬件平臺優(yōu)劣對比（部分），來源：與非研究院
- Arduino
Arduino是全球最具影響力的開源硬件平臺之一，以易用性和靈活性著稱。其核心是Atmel微控制器，支持C/C++編程語言，提供豐富的開源資源和強大的社區(qū)支持。典型應用包括電子原型設計、物聯(lián)網設備和教育項目。通過標準接口，Arduino可以輕松連接傳感器、控制器件和顯示模塊，成為入門學習編程和硬件開發(fā)的理想選擇。
優(yōu)勢：小巧、成本低、便于電子原型設計，適合教育及物聯(lián)網設備。
應用場景：機器人控制、環(huán)境監(jiān)測、實時信號處理。
- 樹莓派（Raspberry Pi）
樹莓派是一款基于ARM架構處理器的小型計算機，運行Linux系統(tǒng)，具備全面的PC功能。它支持廣泛的操作系統(tǒng)和編程工具，廣泛應用于STEAM教育、物聯(lián)網開發(fā)和嵌入式系統(tǒng)設計。樹莓派憑借強大的處理能力和多功能接口，是教育、科研和商業(yè)項目中極為流行的選擇。
優(yōu)勢：基于Linux系統(tǒng)，提供完整的計算機功能和豐富的外設支持。
應用場景：編程教學、物聯(lián)網、家庭自動化。
- BeagleBone
BeagleBone基于德州儀器（TI）AM335x處理器，支持多語言編程和Linux系統(tǒng)，適用于對計算能力要求較高的應用場景，如工業(yè)控制和人工智能開發(fā)。它的強項在于高達65個GPIO接口和強大的可擴展性，但價格相對較高，適合高級開發(fā)者和極客群體。
優(yōu)勢：性能強大，支持多語言編程及工業(yè)控制。
應用場景：嵌入式開發(fā)、工業(yè)自動化。
- micro:bit
Micro:bit由BBC推出，是專為青少年設計的開源硬件平臺，集成了溫度傳感器、加速度計和LED矩陣顯示屏，支持圖形化編程（MakeCode）、Scratch和Python等語言。它適用于編程教學和STEAM項目，幫助學生培養(yǎng)邏輯思維和編程能力。
優(yōu)勢：硬件簡單直觀，集成多種傳感器，支持圖形化編程。
應用場景：編程教學、STEAM教育。
- 掌控板
掌控板以樂鑫ESP32為核心，專注于物聯(lián)網和人工智能應用。它提供多種編程模式，內置Wi-Fi、藍牙和多種傳感器模塊，廣泛應用于智能家居、環(huán)境監(jiān)控和教育領域。通過支持物聯(lián)網協(xié)議（如MQTT），掌控板實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，促進物聯(lián)網項目快速落地。
- 虛谷號
虛谷號是一款中國原創(chuàng)開源硬件平臺，專注于人工智能教學和Python編程學習。
技術特點：采用國產四核處理器（1.5GHz主頻）、Mali-450MP2 GPU，支持Linux系統(tǒng)和Arduino生態(tài)，擴展接口包括I2C、SPI等，兼容Arduino擴展板。
應用場景：適用于中小學編程教育、物聯(lián)網開發(fā)和人工智能實踐，可作為便攜式編程服務器。
優(yōu)勢：性能強勁，軟硬件開放性高，支持多種開發(fā)工具（如Jupyter Notebook和Scratch）。
劣勢：硬件生態(tài)系統(tǒng)較主流平臺仍有不足。
- 少林派
少林派是基于國產人工智能芯片BM1684的邊緣算力開發(fā)板，專為邊緣AI應用設計,供應商為比特大陸。
技術特點：提供高達17.6TOPS的INT8算力，支持TensorFlow、PyTorch等主流框架，并整合視頻編解碼功能。
應用場景：無人機、機器人等需要高算力的場景。
優(yōu)勢：性能優(yōu)越，硬件接口豐富（如GPIO、USB等），對深度學習框架的支持完善。
劣勢：售價較高，對初學者的入門門檻較高。
- 飛騰派
飛騰派是飛騰公司與螢火工場合作推出的國產開源硬件開發(fā)板。
技術特點：搭載飛騰定制四核處理器，兼容ARM V8指令集，支持Ubuntu和OpenKylin等系統(tǒng)，提供WiFi、藍牙和多種接口（如千兆以太網）。
應用場景：國產軟硬件生態(tài)開發(fā)、學生實踐和嵌入式應用。
優(yōu)勢：軟硬件全國產化，良好的操作系統(tǒng)兼容性。
劣勢：生態(tài)系統(tǒng)尚不完善，與全球主流平臺相比知名度較低。
- Banana Pi
Banana Pi系列開發(fā)板是一款性能優(yōu)異的開源硬件，較多使用國產芯片。
技術特點：支持ARM Cortex-A7多核處理器，可運行Android、Debian和Ubuntu等多種操作系統(tǒng)。
應用場景：物聯(lián)網應用、網絡存儲、教育實驗。
優(yōu)勢：性能強大且價格合理，支持多種操作系統(tǒng)。
劣勢：社區(qū)活躍度和生態(tài)體系不及樹莓派等主流平臺。
- Orange Pi
Orange Pi以其高性價比和靈活的開發(fā)特性受到廣泛關注。
技術特點：采用Allwinner或Rockchip芯片，提供豐富的外設接口，支持多種系統(tǒng)（如Android、Linux）。
應用場景：教育、物聯(lián)網、AI開發(fā)。
優(yōu)勢：價格低廉，硬件資源豐富，適合高校和開發(fā)者的基礎研究。
劣勢：官方支持較弱，需依賴第三方資源。
- Cubieboard
Cubieboard是一款國產開源硬件平臺，主要用于嵌入式系統(tǒng)和小型服務器開發(fā)。它具有良好的擴展性和性價比，在國內外市場均有一定影響力。
- pcDuino
pcDuino是一款高性價比的迷你PC平臺，兼容Arduino生態(tài)系統(tǒng)，同時支持Linux和Android操作系統(tǒng)。它在物聯(lián)網和教育領域有廣泛應用，特別適合需要強大處理能力和硬件兼容性的項目。
開源硬件芯片盤點
開源硬件芯片盤點，來源：與非研究院整理
開源硬件平臺憑借開放的設計和強大的社區(qū)支持，已成為教育、嵌入式開發(fā)、物聯(lián)網和人工智能等領域的重要工具，并呈現(xiàn)出多樣化和快速發(fā)展的生態(tài)趨勢。在這些平臺中，核心芯片的選擇決定了其功能和應用場景的差異。以ATmega系列為例，作為Arduino的核心芯片，其簡單、高效、低功耗的特點，使Arduino成為教育和創(chuàng)客小型原型設計的首選工具，廣泛應用于傳感器和控制系統(tǒng)開發(fā)。而樹莓派（Raspberry Pi）采用的BCM系列芯片，如BCM2835和BCM2711，則因提供完整計算機功能和豐富接口，適合處理復雜計算任務，在教學、家庭自動化、物聯(lián)網和多媒體開發(fā)中表現(xiàn)突出。此外，BeagleBone基于AM335x Cortex-A8芯片，具有更強的計算能力和豐富的GPIO擴展，能夠滿足工業(yè)應用和Linux開發(fā)環(huán)境的需求，廣泛應用于工業(yè)和商業(yè)項目。
近年來，國產開源硬件平臺的崛起進一步推動了國內軟硬件生態(tài)的發(fā)展。飛騰派采用由飛騰公司自主設計的FTC系列四核處理器，兼容ARM V8指令集，適合嵌入式開發(fā)和教育，是國產芯片技術突破的重要成果。而基于Cortex-A53處理器的虛谷號不僅支持AI框架和Python編程，還具有較高的計算能力，特別適合人工智能教學和創(chuàng)客教育，能夠滿足復雜AI算法和機器學習模型開發(fā)的需求。同樣聚焦AI加速的少林派，采用BM1684 TPU芯片，具備強大的邊緣計算和視頻處理能力，是機器人、無人機等智能設備開發(fā)的理想選擇。樂鑫的開源社區(qū)生態(tài)在全球物聯(lián)網開發(fā)者社群中擁有極高的知名度。非常多的工程師、創(chuàng)客及技術愛好者，基于公司硬件產品和基礎軟件開發(fā)工具包，積極開發(fā)新的軟件應用，自由交流并分享公司產品及技術使用心得。截至2023年末，在國際知名的開源代碼托管平臺GitHub上，開發(fā)者圍繞樂鑫產品的開源項目數(shù)量已超過10萬個，排名行業(yè)領先。用戶自發(fā)編寫的關于樂鑫產品的書籍逾200本，涵蓋中文、英語、德語、法語、日語等10余種語言。
瑞芯微（Rockchip）的RK3588芯片，以其強大的4K視頻解碼和AI推理能力，在Banana Pi等平臺中應用廣泛，為智能硬件和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供高性能支持；全志科技（Amlogic）的S905X3和A311D芯片以低功耗和高效數(shù)據(jù)處理性能，在物聯(lián)網、智能家居和嵌入式系統(tǒng)中表現(xiàn)突出；而聯(lián)發(fā)科（MediaTek）的MT7986A芯片則因其出色的網絡處理能力，在路由器和物聯(lián)網設備開發(fā)中備受青睞。
此外，RISC-V架構的開放性和靈活性使其在開源硬件領域的應用不斷擴大。例如，進迭時空（SpacemiT）的K1 RISC-V芯片在Banana Pi BPI-F3平臺的應用，為教育、AI和嵌入式開發(fā)提供了更多選擇。RISC-V架構不僅推動了硬件設計的自由化，還進一步豐富了開源硬件生態(tài)的多樣性。通過分析這些平臺及其芯片的特點，可以看出開源硬件在性能、擴展性和適配性上的多元化發(fā)展，持續(xù)推動技術創(chuàng)新，為教育、工業(yè)和科研領域提供了廣泛的應用可能性。
國產開源硬件與國外平臺的差距有多大？
國內外開源硬件平臺對比，來源：與非研究院
開源硬件領域目前以國際平臺為主導，如Arduino、Raspberry Pi（樹莓派）等，憑借起步早、生態(tài)成熟的優(yōu)勢，已成為教育、科研和工業(yè)應用的主流選擇。這些平臺通過多年積累，不僅在技術成熟度和應用廣度上領先，還構建了完善的生態(tài)系統(tǒng)，例如Arduino的簡單易用性和強大的社區(qū)支持，Raspberry Pi的高計算能力與聯(lián)網功能，以及BeagleBone在嵌入式和人工智能開發(fā)中的卓越表現(xiàn)。相比之下，國產開源硬件雖在近年來取得了一定突破，如飛騰派、Banana Pi和掌控板等在基礎硬件設計和自主芯片研發(fā)上展現(xiàn)潛力，但整體仍面臨技術成熟度不足、生態(tài)系統(tǒng)薄弱、國際標準兼容性不足及市場影響力有限等挑戰(zhàn)。
國產平臺在技術成熟度方面與國際平臺存在顯著差距。國外平臺經過多年積累，支持從簡單的教育用途到復雜的工業(yè)應用，而國產平臺目前在高性能嵌入式系統(tǒng)的設計、多樣化接口的支持以及軟件優(yōu)化方面仍需提升。此外，國際平臺通過豐富的教程、模塊化硬件和活躍的社區(qū)建立了強大的生態(tài)系統(tǒng)，而國產平臺的文檔資源、第三方支持和社區(qū)活躍度仍顯不足，難以吸引更多開發(fā)者參與。國際標準和兼容性方面，國際平臺普遍采用標準化協(xié)議和通用開發(fā)語言（如C++），而國產平臺在跨平臺適配和主流軟件框架（如TensorFlow Lite、ONNX等）的兼容性上仍存在較大改進空間。
市場和品牌影響力的差距進一步放大了國產硬件的劣勢。國際平臺通過長期積累，已在全球范圍內建立了顯著的市場認知度和用戶群體，廣泛吸引教育機構、企業(yè)及創(chuàng)客的關注，而國產平臺在國際市場的接受度較低，仍需通過技術創(chuàng)新和市場推廣來提升全球競爭力。盡管如此，國產開源硬件仍在政策支持、自主芯片研發(fā)、教育市場需求增長以及國際開源社區(qū)合作等方面具備發(fā)展機遇。
筆者認為，盡管在技術、生態(tài)和市場影響力上仍存在一定差距，但憑借政策支持、市場需求和技術創(chuàng)新等多重機遇，國產平臺有望在教育、工業(yè)、物聯(lián)網等領域實現(xiàn)彎道超車。未來，通過深化技術研發(fā)、完善生態(tài)建設和拓展國際市場，國產開源硬件將為全球科技創(chuàng)新注入更多活力，為構建自主可控的信息產業(yè)體系提供重要支撐。
