國產開源硬件：誰能挑戰樹莓派、Arduino？

行業新聞|Industry News|

2024-11-21 13:54:57 902

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近日，筆者參加了一年一度的大灣區國際創客峰會暨Maker Faire Shenzhen 2024，這個峰會由由柴火創客空間主辦，展示*新的開源硬件、人工智能、物聯網等前沿技術，吸引了來自*各地的技術專家、企業家和創客，致力于推動全球創新生態的發展。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，越來越多的出現在教育、物聯網等多個領域。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、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、開發板布局等硬件設計信息，使人們能夠獲取、改進并再開發這些硬件。

開源硬件通常依賴開放工具和標準化流程，并遵循開放協議以促進共享與協作。根據開源硬件協會（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，便于修改和再發布。

開源硬件的優勢包括：

自由分享與創新：通過公開設計，開發者可以共享知識，并借助社區力量不斷優化。

透明度：設計細節完全公開，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，支持基于現有設計開發新產品。

降低成本：依靠社區協作模式，減少研發費用，提高創新效率。

開源硬件的發展歷程

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發展。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利益，逐漸取代了早期的開放傳統。

1997年，Linux系統程序員布魯斯·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，降低了開發門檻并推動創客文化興起。同一時期，OpenCores和RepRap等項目涌現，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支持推廣了計算機科學教育，并廣泛應用于教育和商業項目。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、農業、醫療和環境監測等領域。無人機、機器人和物聯網設備的開發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。

開源硬件協會（OSHWA）制定了明確的定義并推動協議普及，例如CERN開源硬件許可證，確保設計的共享性和可持續發展。同時，大型企業的加入壯大了開源生態。例如，IBM開放Power指令集架構，提供系統固件代碼和技術文檔，支持AI和物聯網開發。

樹莓派關鍵財務數據，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，尤其在工業和嵌入式領域表現突出。2023年，其工業和嵌入式市場收入占比達72%，遠超教育和發燒友市場的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%。這一表現源于成本優化、產品附加值提升以及對工業和嵌入式市場的成功拓展。

樹莓派的成功得益于其戰略轉型，將重心從教育和發燒友市場轉向工業和嵌入式應用。2023年工業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，通過供應鏈優化和制造效率提升，樹莓派實現了高盈利能力。

近年來，中國廠商也在開源硬件領域表現*，如虛谷號和飛騰派在人工智能教學和嵌入式開發中的應用，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，為信息產業發展注入動力。

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、物聯網、人工智能、智慧農業和工業自動化等領域，推動了技術普及、產業創新與社會進步。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。它們提供了低門檻的學習平臺，支持機器人、物聯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低成本教學實驗設備的*，用于數據采集、傳感器聯接和實時監控。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。

在物聯網和智慧農業領域，開源硬件提供了靈活且經濟高效的解決方案。例如，掌控板通過物聯網協議實現數據上傳與自動控制，被應用于智能家居和校園環境監測等場景。而基于海思Hi3861芯片的開發板，通過集成溫濕度、光照和土壤濕度傳感器，實現了智能灌溉與環境數據采集，有效提升農業自動化水平。這些硬件的高集成性和靈活性，為推動物聯網技術在智慧農業中的應用提供了基礎。

在人工智能與機器人開發方面，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，少林派開發板的高效推理能力適用于無人機和機器人開發，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提供了支持。BeagleBone AI憑借其嵌入式視覺引擎和數字信號處理器，被用于復雜數據處理任務，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，探索機器人與物聯網的融合。此外，開源硬件在無人機和自動駕駛系統中表現*，例如通過少林派開發板實現自主導航與任務規劃。

在工業自動化和商業應用中，開源硬件通過嵌入式控制系統和物聯網基礎設施實現了高度靈活的應用。BeagleBone開發板因其高性能處理能力和豐富接口，被廣泛用于工業生產線的監控和數據處理。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化，提升了工業效率。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，實現了教育與商業場景的無縫對接。

醫療與科學研究也成為開源硬件的重要應用領域。基于邊緣算力開發板的便攜醫療設備，能夠實現實時數據分析和推理，被廣泛用于診斷和健康監測。通過樹莓派與Arduino等硬件搭建的醫療傳感系統，則實現了高精度監測與快速響應，為醫療行業提供了低成本的創新解決方案。在科學實驗與環境監測中，虛谷號和掌控板作為輔助工具，支持科學實驗數據采集和動態建模，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中發揮了重要作用，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。

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主流開源硬件平臺盤點

開源硬件平臺優劣對比（部分），來源：與非研究院

Arduino

Arduino是全球*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支持。典型應用包括電子原型設計、物聯網設備和教育項目。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的理想選擇。

優勢：小巧、成本低、便于電子原型設計，適合教育及物聯網設備。

應用場景：機器人控制、環境監測、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，具備*的PC功能。它支持廣泛的操作系統和編程工具，廣泛應用于STEAM教育、物聯網開發和嵌入式系統設計。樹莓派憑借強大的處理能力和多功能接口，是教育、科研和商業項目中極為*的選擇。

優勢：基于Linux系統，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，適用于對計算能力要求較高的應用場景，如工業控制和人工智能開發。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*開發者和極客群體。

優勢：性能強大，支持多語言編程及工業控制。

應用場景：嵌入式開發、工業自動化。

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，幫助學生培養邏輯思維和編程能力。

優勢：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、環境監控和教育領域。通過支持物聯網協議（如MQTT），掌控板實現遠程監控和數據采集，促進物聯網項目快速落地。

虛谷號

虛谷號是一款中國原創開源硬件平臺，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系統和Arduino生態，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、物聯網開發和人工智能實踐，可作為便攜式編程服務器。

優勢：性能強勁，軟硬件開放性高，支持多種開發工具（如Jupyter Notebook和Scratch）。

劣勢：硬件生態系統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。

優勢：性能優越，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，提供WiFi、藍牙和多種接口（如千兆以太網）。

應用場景：國產軟硬件生態開發、學生實踐和嵌入式應用。

優勢：軟硬件全國產化，*的操作系統兼容性。

劣勢：生態系統尚不完善，與全球主流平臺相比知名度較低。

Banana Pi

Banana Pi系列開發板是一款性能優異的開源硬件，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。

應用場景：物聯網應用、網絡存儲、教育實驗。

優勢：性能強大且價格合理，支持多種操作系統。

劣勢：社區活躍度和生態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（如Android、Linux）。

應用場景：教育、物聯網、AI開發。

優勢：價格低廉，硬件資源豐富，適合高校和開發者的基礎研究。

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和小型服務器開發。它具有*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生態系統，同時支持Linux和Android操作系統。它在物聯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支持，已成為教育、嵌入式開發、物聯網和人工智能等領域的重要工具，并呈現出多樣化和快速發展的生態趨勢。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成為教育和創客小型原型設計的*工具，廣泛應用于傳感器和控制系統開發。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、物聯網和多媒體開發中表現突出。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，能夠滿足工業應用和Linux開發環境的需求，廣泛應用于工業和商業項目。

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的發展。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客教育，能夠滿足復雜AI算法和機器學習模型開發的需求。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的理想選擇。樂鑫的開源社區生態在全球物聯網開發者社群中擁有極高的知名度。非常多的工程師、創客及技術愛好者，基于公司硬件產品和基礎軟件開發工具包，積極開發新的軟件應用，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，開發者圍繞樂鑫產品的開源項目數量已超過10萬個，排名行業*。用戶自發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開發提供高性能支持；全志科技（Amlogic）的S905X3和A311D芯片以低功耗和高效數據處理性能，在物聯網、智能家居和嵌入式系統中表現突出；而聯發科（MediaTek）的MT7986A芯片則因其*的網絡處理能力，在路由器和物聯網設備開發中備受青睞。

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展，持續推動技術創新，為教育、工業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、生態成熟的優勢，已成為教育、科研和工業應用的主流選擇。這些平臺通過多年積累，不僅在技術成熟度和應用廣度上*，還構建了完善的生態系統，例如Arduino的簡單易用性和強大的社區支持，Raspberry Pi的高計算能力與聯網功能，以及BeagleBone在嵌入式和人工智能開發中的*表現。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上展現潛力，但整體仍面臨技術成熟度不足、生態系統薄弱、國際標準兼容性不足及市場影響力有限等挑戰。

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應用，而國產平臺目前在高性能嵌入式系統的設計、多樣化接口的支持以及軟件優化方面仍需提升。此外，國際平臺通過豐富的教程、模塊化硬件和活躍的社區建立了強大的生態系統，而國產平臺的文檔資源、第三方支持和社區活躍度仍顯不足，難以吸引更多開發者參與。國際標準和兼容性方面，國際平臺普遍采用標準化協議和通用開發語言（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、企業及創客的關注，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、教育市場需求增長以及國際開源社區合作等方面具備發展機遇。

筆者認為，盡管在技術、生態和市場影響力上仍存在一定差距，但憑借政策支持、市場需求和技術創新等多重機遇，國產平臺有望在教育、工業、物聯網等領域實現彎道超車。未來，通過深化技術研發、完善生態建設和拓展國際市場，國產開源硬件將為全球科技創新注入更多活力，為構建自主可控的信息產業體系提供重要支撐。

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