国产开源硬件：谁能挑战树莓派、Arduino？

近日，笔者参加了一年一度的大湾区国际创客峰会暨Maker Faire Shenzhen 2024，这个峰会由由柴火创客空间主办，展示最新的开源硬件、人工智能、物联网等前沿技术，吸引了来自世界各地的技术专家、企业家和创客，致力于推动全球创新生态的发展。在本次峰会上，笔者看到国产的开源硬件平台正打破Arduino、树莓派、micro:bit的垄断，越来越多的出现在教育、物联网等多个领域。特别是ESP32，几乎已经随处可见。今天我们就来盘点一下目前主流的开源硬件平台，及其芯片供应商。

开源硬件（Open Source Hardware, OSHW）是指其设计信息向公众开放，任何人都可以研究、修改、分发、制造和销售基于这些设计的硬件产品。核心理念是通过公开电路图、物料清单、开发板布局等硬件设计信息，使人们能够获取、改进并再开发这些硬件。

开源硬件通常依赖开放工具和标准化流程，并遵循开放协议以促进共享与协作。根据开源硬件协会（OSHWA）的定义，开源硬件是“向公众开放设计的有形物品”，旨在鼓励学习、修改、制造和分销。在此框架下，硬件设计源文件以公开且可编辑的格式提供，便于修改和再发布。

自由分享与创新：通过公开设计，开发者可以共享知识，并借助社区力量不断优化。

透明度：设计细节完全公开，让用户深入了解硬件原理。

复用性和扩展性：设计可重复利用，支持基于现有设计开发新产品。

降低成本：依靠社区协作模式，减少研发费用，提高创新效率。

20世纪60至70年代，打印机、计算机等硬件的设计原理图是公开的，这种开放模式推动了行业发展。然而，随着全球竞争加剧和知识产权保护的兴起，许多公司选择封闭模式，例如三星和苹果通过技术壁垒保护商业利益，逐渐取代了早期的开放传统。

1997年，Linux系统程序员布鲁斯·佩伦斯（Bruce Perens）提出“开放硬件”概念并注册了OpenHardware.org。这为开发者提供了一个认证平台，标志着开源硬件的理念初步确立。1998年，开源硬件规范（OHSpec）和开源设计基金会（Open Design Foundation）等的推出，为开源硬件从概念到实践奠定了基础。

21世纪互联网的普及为开源硬件注入活力。2005年，Arduino的推出成为重要里程碑。这一开源电子平台集硬件与软件于一体，降低了开发门槛并推动创客文化兴起。同一时期，OpenCores和RepRap等项目涌现，为开源硬件提供了丰富的资源。

树莓派（Raspberry Pi）是另一典型代表。作为低成本单板计算机，树莓派通过开放设计和社区支持推广了计算机科学教育，并广泛应用于教育和商业项目。其灵活性和扩展性进一步推动了开源硬件的普及。

随着开源硬件理念深入，其应用逐渐扩展至工业、农业、医疗和环境监测等领域。无人机、机器人和物联网设备的开发广泛受益于开源硬件。人工智能的兴起则赋予了开源硬件新的价值，如AI芯片和框架的集成提供了一站式解决方案。

开源硬件协会（OSHWA）制定了明确的定义并推动协议普及，例如CERN开源硬件许可证，确保设计的共享性和可持续发展。同时，大型企业的加入壮大了开源生态。例如，IBM开放Power指令集架构，提供系统固件代码和技术文档，支持AI和物联网开发。

2024年6月11日，树莓派公司成功登陆伦敦证券交易所，上市首日股价上涨32%，市值达9.11亿美元。树莓派自2012年成立以来，累计销量超6000万台，尤其在工业和嵌入式领域表现突出。2023年，其工业和嵌入式市场收入占比达72%，远超教育和发烧友市场的28%。

2023年，树莓派收入同比增长41%，达2.658亿美元，全年销量740万台，同比增长48%。毛利润增至6595.5万美元，税前利润翻倍至3820万美元，净利润3157.2万美元，净利润率达11.9%。这一表现源于成本优化、产品附加值提升以及对工业和嵌入式市场的成功拓展。

树莓派的成功得益于其战略转型，将重心从教育和发烧友市场转向工业和嵌入式应用。2023年工业市场收入占比的大幅提高增强了公司抗风险能力，避免了对单一市场的依赖。同时，通过供应链优化和制造效率提升，树莓派实现了高盈利能力。

近年来，中国厂商也在开源硬件领域表现出色，如虚谷号和飞腾派在人工智能教学和嵌入式开发中的应用，展示了国产开源硬件的潜力。这些平台结合开源硬件与国产芯片，为信息产业发展注入动力。

开源硬件以其灵活性、开放性和低成本的特性，广泛应用于教育、科研、物联网、人工智能、智慧农业和工业自动化等领域，推动了技术普及、产业创新与社会进步。在教育领域，Arduino、树莓派和micro:bit等开源硬件被广泛用于编程教育和STEAM课程开发。它们提供了低门槛的学习平台，支持机器人、物联网以及电子设计等实践项目。例如，香港学校利用树莓派开展STEAM课程，激发学生的学习兴趣，而上海交通大学则通过基于树莓派的课程，将人工智能与机械加工的技能结合在一起。树莓派的开放性也使其成为开发低成本教学实验设备的首选，用于数据采集、传感器联接和实时监控。类似地，商汤教育在其AI实验套件中集成树莓派，帮助学生探索图像处理和AI技术。

在物联网和智慧农业领域，开源硬件提供了灵活且经济高效的解决方案。例如，掌控板通过物联网协议实现数据上传与自动控制，被应用于智能家居和校园环境监测等场景。而基于海思Hi3861芯片的开发板，通过集成温湿度、光照和土壤湿度传感器，实现了智能灌溉与环境数据采集，有效提升农业自动化水平。这些硬件的高集成性和灵活性，为推动物联网技术在智慧农业中的应用提供了基础。

在人工智能与机器人开发方面，边缘AI算力的加入进一步增强了开源硬件的应用广度。例如，少林派开发板的高效推理能力适用于无人机和机器人开发，而飞腾派则通过嵌入式CPU和丰富接口，为语音识别和视觉算法开发提供了支持。BeagleBone AI凭借其嵌入式视觉引擎和数字信号处理器，被用于复杂数据处理任务，如智能制造和机器人互动。树莓派与Arduino也广泛用于教育机器人项目中，学生可以通过这些平台搭建自动小车、机械臂等模型，探索机器人与物联网的融合。此外，开源硬件在无人机和自动驾驶系统中表现出色，例如通过少林派开发板实现自主导航与任务规划。

在工业自动化和商业应用中，开源硬件通过嵌入式控制系统和物联网基础设施实现了高度灵活的应用。BeagleBone开发板因其高性能处理能力和丰富接口，被广泛用于工业生产线的监控和数据处理。树莓派和Arduino通过扩展模块，支持远程能耗管理与生产设备优化，提升了工业效率。在多媒体处理领域，ROCKPI硬件凭借强大的视频解码能力，为家庭影音娱乐和广告展示提供了支持，同时也应用于在线课程录制系统，实现了教育与商业场景的无缝对接。

医疗与科学研究也成为开源硬件的重要应用领域。基于边缘算力开发板的便携医疗设备，能够实现实时数据分析和推理，被广泛用于诊断和健康监测。通过树莓派与Arduino等硬件搭建的医疗传感系统，则实现了高精度监测与快速响应，为医疗行业提供了低成本的创新解决方案。在科学实验与环境监测中，虚谷号和掌控板作为辅助工具，支持科学实验数据采集和动态建模，用于气候和地质领域的研究。开源硬件还在实验室设备开发中发挥了重要作用，为学生和研究人员提供了设计新型测量与实验装置的平台。

Arduino是全球最具影响力的开源硬件平台之一，以易用性和灵活性著称。其核心是Atmel微控制器，支持C/C++编程语言，提供丰富的开源资源和强大的社区支持。典型应用包括电子原型设计、物联网设备和教育项目。通过标准接口，Arduino可以轻松连接传感器、控制器件和显示模块，成为入门学习编程和硬件开发的理想选择。

优势：小巧、成本低、便于电子原型设计，适合教育及物联网设备。

应用场景：机器人控制、环境监测、实时信号处理。

树莓派是一款基于ARM架构处理器的小型计算机，运行Linux系统，具备全面的PC功能。它支持广泛的操作系统和编程工具，广泛应用于STEAM教育、物联网开发和嵌入式系统设计。树莓派凭借强大的处理能力和多功能接口，是教育、科研和商业项目中极为流行的选择。

优势：基于Linux系统，提供完整的计算机功能和丰富的外设支持。

应用场景：编程教学、物联网、家庭自动化。

BeagleBone基于德州仪器（TI）AM335x处理器，支持多语言编程和Linux系统，适用于对计算能力要求较高的应用场景，如工业控制和人工智能开发。它的强项在于高达65个GPIO接口和强大的可扩展性，但价格相对较高，适合高级开发者和极客群体。

优势：性能强大，支持多语言编程及工业控制。

应用场景：嵌入式开发、工业自动化。

Micro:bit由BBC推出，是专为青少年设计的开源硬件平台，集成了温度传感器、加速度计和LED矩阵显示屏，支持图形化编程（MakeCode）、Scratch和Python等语言。它适用于编程教学和STEAM项目，帮助学生培养逻辑思维和编程能力。

优势：硬件简单直观，集成多种传感器，支持图形化编程。

应用场景：编程教学、STEAM教育。

掌控板以乐鑫ESP32为核心，专注于物联网和人工智能应用。它提供多种编程模式，内置Wi-Fi、蓝牙和多种传感器模块，广泛应用于智能家居、环境监控和教育领域。通过支持物联网协议（如MQTT），掌控板实现远程监控和数据采集，促进物联网项目快速落地。

虚谷号是一款中国原创开源硬件平台，专注于人工智能教学和Python编程学习。

技术特点：采用国产四核处理器（1.5GHz主频）、Mali-450MP2 GPU，支持Linux系统和Arduino生态，扩展接口包括I2C、SPI等，兼容Arduino扩展板。

应用场景：适用于中小学编程教育、物联网开发和人工智能实践，可作为便携式编程服务器。

优势：性能强劲，软硬件开放性高，支持多种开发工具（如Jupyter Notebook和Scratch）。

劣势：硬件生态系统较主流平台仍有不足。

少林派是基于国产人工智能芯片BM1684的边缘算力开发板，专为边缘AI应用设计,供应商为比特大陆。

技术特点：提供高达17.6TOPS的INT8算力，支持TensorFlow、PyTorch等主流框架，并整合视频编解码功能。

应用场景：无人机、机器人等需要高算力的场景。

优势：性能优越，硬件接口丰富（如GPIO、USB等），对深度学习框架的支持完善。

劣势：售价较高，对初学者的入门门槛较高。

飞腾派是飞腾公司与萤火工场合作推出的国产开源硬件开发板。

技术特点：搭载飞腾定制四核处理器，兼容ARM V8指令集，支持Ubuntu和OpenKylin等系统，提供WiFi、蓝牙和多种接口（如千兆以太网）。

应用场景：国产软硬件生态开发、学生实践和嵌入式应用。

优势：软硬件全国产化，良好的操作系统兼容性。

劣势：生态系统尚不完善，与全球主流平台相比知名度较低。

Banana Pi系列开发板是一款性能优异的开源硬件，较多使用国产芯片。

技术特点：支持ARM Cortex-A7多核处理器，可运行Android、Debian和Ubuntu等多种操作系统。

应用场景：物联网应用、网络存储、教育实验。

优势：性能强大且价格合理，支持多种操作系统。

劣势：社区活跃度和生态体系不及树莓派等主流平台。

Orange Pi以其高性价比和灵活的开发特性受到广泛关注。

技术特点：采用Allwinner或Rockchip芯片，提供丰富的外设接口，支持多种系统（如Android、Linux）。

应用场景：教育、物联网、AI开发。

优势：价格低廉，硬件资源丰富，适合高校和开发者的基础研究。

劣势：官方支持较弱，需依赖第三方资源。

Cubieboard是一款国产开源硬件平台，主要用于嵌入式系统和小型服务器开发。它具有良好的扩展性和性价比，在国内外市场均有一定影响力。

pcDuino是一款高性价比的迷你PC平台，兼容Arduino生态系统，同时支持Linux和Android操作系统。它在物联网和教育领域有广泛应用，特别适合需要强大处理能力和硬件兼容性的项目。

开源硬件平台凭借开放的设计和强大的社区支持，已成为教育、嵌入式开发、物联网和人工智能等领域的重要工具，并呈现出多样化和快速发展的生态趋势。在这些平台中，核心芯片的选择决定了其功能和应用场景的差异。以ATmega系列为例，作为Arduino的核心芯片，其简单、高效、低功耗的特点，使Arduino成为教育和创客小型原型设计的首选工具，广泛应用于传感器和控制系统开发。而树莓派（Raspberry Pi）采用的BCM系列芯片，如BCM2835和BCM2711，则因提供完整计算机功能和丰富接口，适合处理复杂计算任务，在教学、家庭自动化、物联网和多媒体开发中表现突出。此外，BeagleBone基于AM335x Cortex-A8芯片，具有更强的计算能力和丰富的GPIO扩展，能够满足工业应用和Linux开发环境的需求，广泛应用于工业和商业项目。

近年来，国产开源硬件平台的崛起进一步推动了国内软硬件生态的发展。飞腾派采用由飞腾公司自主设计的FTC系列四核处理器，兼容ARM V8指令集，适合嵌入式开发和教育，是国产芯片技术突破的重要成果。而基于Cortex-A53处理器的虚谷号不仅支持AI框架和Python编程，还具有较高的计算能力，特别适合人工智能教学和创客教育，能够满足复杂AI算法和机器学习模型开发的需求。同样聚焦AI加速的少林派，采用BM1684 TPU芯片，具备强大的边缘计算和视频处理能力，是机器人、无人机等智能设备开发的理想选择。乐鑫的开源社区生态在全球物联网开发者社群中拥有极高的知名度。非常多的工程师、创客及技术爱好者，基于公司硬件产品和基础软件开发工具包，积极开发新的软件应用，自由交流并分享公司产品及技术使用心得。截至2023年末，在国际知名的开源代码托管平台GitHub上，开发者围绕乐鑫产品的开源项目数量已超过10万个，排名行业领先。用户自发编写的关于乐鑫产品的书籍逾200本，涵盖中文、英语、德语、法语、日语等10余种语言。

瑞芯微（Rockchip）的RK3588芯片，以其强大的4K视频解码和AI推理能力，在Banana Pi等平台中应用广泛，为智能硬件和嵌入式系统开发提供高性能支持；全志科技（Amlogic）的S905X3和A311D芯片以低功耗和高效数据处理性能，在物联网、智能家居和嵌入式系统中表现突出；而联发科（MediaTek）的MT7986A芯片则因其出色的网络处理能力，在路由器和物联网设备开发中备受青睐。

此外，RISC-V架构的开放性和灵活性使其在开源硬件领域的应用不断扩大。例如，进迭时空（SpacemiT）的K1 RISC-V芯片在Banana Pi BPI-F3平台的应用，为教育、AI和嵌入式开发提供了更多选择。RISC-V架构不仅推动了硬件设计的自由化，还进一步丰富了开源硬件生态的多样性。通过分析这些平台及其芯片的特点，可以看出开源硬件在性能、扩展性和适配性上的多元化发展，持续推动技术创新，为教育、工业和科研领域提供了广泛的应用可能性。

开源硬件领域目前以国际平台为主导，如Arduino、Raspberry Pi（树莓派）等，凭借起步早、生态成熟的优势，已成为教育、科研和工业应用的主流选择。这些平台通过多年积累，不仅在技术成熟度和应用广度上领先，还构建了完善的生态系统，例如Arduino的简单易用性和强大的社区支持，Raspberry Pi的高计算能力与联网功能，以及BeagleBone在嵌入式和人工智能开发中的卓越表现。相比之下，国产开源硬件虽在近年来取得了一定突破，如飞腾派、Banana Pi和掌控板等在基础硬件设计和自主芯片研发上展现潜力，但整体仍面临技术成熟度不足、生态系统薄弱、国际标准兼容性不足及市场影响力有限等挑战。

国产平台在技术成熟度方面与国际平台存在显著差距。国外平台经过多年积累，支持从简单的教育用途到复杂的工业应用，而国产平台目前在高性能嵌入式系统的设计、多样化接口的支持以及软件优化方面仍需提升。此外，国际平台通过丰富的教程、模块化硬件和活跃的社区建立了强大的生态系统，而国产平台的文档资源、第三方支持和社区活跃度仍显不足，难以吸引更多开发者参与。国际标准和兼容性方面，国际平台普遍采用标准化协议和通用开发语言（如C++），而国产平台在跨平台适配和主流软件框架（如TensorFlow Lite、ONNX等）的兼容性上仍存在较大改进空间。

市场和品牌影响力的差距进一步放大了国产硬件的劣势。国际平台通过长期积累，已在全球范围内建立了显著的市场认知度和用户群体，广泛吸引教育机构、企业及创客的关注，而国产平台在国际市场的接受度较低，仍需通过技术创新和市场推广来提升全球竞争力。尽管如此，国产开源硬件仍在政策支持、自主芯片研发、教育市场需求增长以及国际开源社区合作等方面具备发展机遇。

笔者认为，尽管在技术、生态和市场影响力上仍存在一定差距，但凭借政策支持、市场需求和技术创新等多重机遇，国产平台有望在教育、工业、物联网等领域实现弯道超车。未来，通过深化技术研发、完善生态建设和拓展国际市场，国产开源硬件将为全球科技创新注入更多活力，为构建自主可控的信息产业体系提供重要支撑。