树莓派：物联网与边缘计算的助推器

电子学

社论树莓派：一项颠覆性技术，以及梦想的助推器

Steven J Johnston * † 和 Simon J Cox * †
计算工程与设计，工程与环境学院，南安普顿大学，英国南安普顿 SO16 7QF
* 通讯作者：sjj698@zepler.org
† 南安普顿博尔德罗创新园区，南安普顿大学 176 号大楼，英国南安普顿 SO16 7QF。

收到日期：2017年7月4日；接受日期：2017年7月6日；发表日期：2017年7月12日
关键词：树莓派；物联网；未来；雾计算；边缘计算；容器

1. 引言

树莓派基金会致力于推广计算机科学的教学，其灵感来源于20世纪80年代的第一代家用计算机，如 ZX81 和光谱[1]，以及由政府支持的校内设备 BBC Acorn[2]。
第一款树莓派设备于2012年2月发布（树莓派1型B款，第一代）。由于其仅35美元的低价，该产品迅速获得成功。只需添加一些未包含在内的外设（如键盘、鼠标、显示器和SD存储），即可快速拥有一台运行 Raspbian（一种基于 Debian 的 Linux 操作系统）的完整可用计算机。
它通常被称为单板计算机（SBC），这意味着它可以运行完整的操作系统，并具备足够的外设（内存、中央处理器、电源管理）来启动执行，而无需额外添加硬件。树莓派可以支持多种操作系统变体，仅需供电即可启动。某些树莓派版本可以直接从网络启动，但通常需要文件系统存储，例如微型 SD 卡。
尽管在树莓派之前已有其他单板计算机（SBC）存在，但历史上它们主要面向工业平台，例如自动售货机，通常被称为开发板。树莓派基金会使得单板计算机几乎人人都能获得，不仅推出了一款低成本计算机，还通过暴露通用输入输出（GPIO）连接引脚，实现了与物理世界的连接。树莓派的引脚排阵可以从操作系统中进行编程控制，并支持多种功能，例如 USB、UART、SPI、I2C 和中断，可用于连接大量不同类型的电子元件。
这使得树莓派不仅在教育领域，而且在工业、爱好者、原型制作者、游戏玩家以及好奇者中广受欢迎。它使人们能够以新的方式开展实验，例如，错误地将传感器连接到 GPIO 引脚可能导致主板损坏，如果损坏的是树莓派，影响较小，但如果是家庭电脑，则可能造成灾难性后果。
信息物理系统（CPS）和物联网（IoT）的日益普及，大规模地重新激发了对嵌入式系统的需求，极大地促进了树莓派的发展。这一需求源于人们希望监测并理解从城市到森林的人类文明结构，以获取洞察并采取行动，例如智慧城市的建设、智能汽车和智能家居的应用。这些目标通过传感器网络及其通信系统实现，其主要驱动力是硬件成本下降以及性能提升。一些预测指出，到 2020[3]年将有 500亿个物联网设备，尽管这可能高估了实际数量，但仍显示出单板计算机应用程序的巨大需求和机遇。

2. 关于树莓派技术的特刊

本期特刊收录了大量出版物，展示了树莓派功能的广度与深度。几乎所有的出版物都引用了硬件成本低、易于获取以及庞大的社区优势，作为其基于树莓派开展工作的理由。我们力求呈现使用树莓派的各种用例和学科领域，但所涵盖内容绝非详尽无遗。
树莓派的主要用途不出所料是用于教育用途，涵盖各类教育和研究机构中的硬件与软件应用[4–6]；本专题中的许多其他出版物探讨了具体的发展趋势。例如，随着低成本计算设备的普及，我们正目睹架构的变化，计算正被推向网络边缘[7,8]。这种雾计算或边缘[9]计算是一项重要的变革，有助于提升物联网系统的效率和可扩展性。只有通过优化计算和智能监控系统高效利用能源，才能实现数十亿设备的规模化部署[10,11]。这将对我们所处的环境产生影响。了解气候变化、污染及其他环境问题，可得益于能够测量和记录参数的物联网设备[12,13]。
随着大量物联网设备的创建，需要替代性的网络模型、策略和机制；该研究领域的一种工具是网络测试平台[14,15]。这些试验平台有助于连接纯仿真与实验设计两个世界。物理测试平台可能成本较高，使得基于树莓派的解决方案更具吸引力。
物联网涵盖了数字世界的各个方面以及与物理系统的交互，例如艺术[16]、工业[17]、医学研究[18]和汽车应用[19]。
随着设备在文明基础设施中的嵌入，地理定位、无线和网状网络技术、原位图像处理以及多智能体系统需要更具创造性的解决方案[20]，原位图像处理[21][8]。
即使在偏远地区，树莓派设备也被用于监测和分析小型海洋无脊椎动物的昼夜节律和超昼夜运动活动[22]。

3. 树莓派：原型机

树莓派是一个强大的原型开发平台，本期特刊中的许多文章都在构建原型[6,11,17–19]。原型的概念意味着仅实现了所有期望功能的一部分，但通常需要构建一个功能完整的原型[12,22]。
构建原型主要有两个原因：
1. 用于测试并验证一个想法或假设。这遵循了快速失败的设计理念，即尽早识别出好的和坏的想法是最佳做法。即使原型体积过大、成本过高、功耗过高且速度较慢，只要它能够提供一种机制来证明或否定想法的可行性，那么在几天内构建一个原型也是可以接受的。
2. 用于验证硬件设计。在启动大规模生产或对设计进行全面优化之前，可以使用原型来验证电子设计和传感器能力在预期运行环境中的表现。
树莓派是实现这一目标的理想平台，因为它是商品化硬件，支持高级编程语言（例如 Python），并可运行流行的类 Unix 操作系统版本。

4. 树莓派作为赋能者

嵌入式设备比以往任何时候都更加普及，物联网及其应用程序是主要推动力，包括智慧城市、智能家居、农业技术、工业4.0及相关社区[23]。单板计算机的成本以及对这类系统的需求已导致超过一千万台设备被售出[24]。
我们认为树莓派是一种使能技术，它代表了从大型机到预计部署数百亿台物联网设备的总体趋势，如图1所示。我们预测，单板计算机是迈向“纳米计算机”的一步，而纳米计算机将成为物联网革命的基础。

5. 云端的树莓派

构建物联网设备的愿望从未如此强烈，创造者的范围也前所未有地广泛，不再局限于少数大型科技公司。本地企业应用程序可以逐步迁移到基于云的服务提供商，基于树莓派的应用程序也是如此。
多家云托管公司已在商业数据中心提供完全托管的树莓派硬件，即平台即服务（PaaS）[25,26]。
在数据中心购买树莓派可能看起来有点奇怪，因为它无法添加额外的硬件（例如传感器），并且作为网络服务器性能也相对较差。然而，这对于数百万为教育目的而购买设备并开发应用程序的用户来说是有意义的。树莓派基于 ARM 架构，最新版本为 ARMv8。由于不同架构之间不支持二进制兼容，因此直接将已编译的文件复制到 x86/x64 云服务器上是无法运行的。而托管的树莓派在操作系统和硬件上与全球大量购买的设备完全相同，因此支持配置文件和二进制文件的复制。从教育角度来看，将自定义应用程序公开发布无需进行端口映射、动态 DNS 设置或理解处理器架构。
随着这些应用程序的发展并需要更强的处理能力，一种升级路径可能是迁移到基于 ARM 的服务器，而不是更换架构[27]。这与数据中心 increasingly 采用基于 ARM 的服务器的趋势保持一致。
一个可公开访问的树莓派需要一个互联网地址，但 IPv4 地址的成本正在上升，可能接近实际硬件的成本。现在是时候采用 IPv6 了，一些托管的树莓派服务目前仅支持 IPv6（以 IPv4 端口转发作为备用方案）。
IPv6 提供了更高效的路由、更简单的配置和更强的安全性；同时它也消除了对网络地址转换的需求，对于网络地址转换、私有 IP 地址及其相关问题。一个将 IPv6 作为默认选项的环境无疑是受欢迎的，并确保了在下一代技术中的技能具备前瞻性。

6. 边缘计算中的树莓派

在许多应用程序中，例如大型传感器网络，集中计算能力存在一些缺点。尽管架构更简单，但数据必须传输、处理，然后再传输。这可能导致自动喂猫器因互联网连接或基于云的服务中断而错过喂食时间[28]，尽管本地有足够的数据和处理能力可以在没有互联网连接的情况下运行，但某些设备仍然会直接失效。
大型传感器网络通常受到网络限制，因此优化数据传输是增强云计算解决方案的自然发展方向。
这通常被称为雾计算或边缘计算，即将计算资源从中心推向更靠近边缘的位置[29]。例如，用于检测或监控车辆的图像传感器可以在边缘设备上处理图像，仅传输车牌信息，从而大幅减少带宽占用。
在物联网世界中，这意味着随着计算资源进一步向边缘移动，它们变得地理上分布更广，更难管理，并且面临损坏或被盗的风险。树莓派设备及其基于这些设备的集群[30–33]引入了一类新型计算：可丢弃式计算。如果由树莓派设备构建的边缘集群丢失、被盗或掉入火山，其低成本使得替换变得可行。这意味着计算能力现在可以部署在以前不可行的地方，从而实现雾计算和边缘计算架构。

7. 树莓派容器

构建试验平台或部署物联网硬件时，都会面临相关的软件管理问题。我们看到在大型数据中心中流行的一种技术是容器化，它将应用程序打包成隔离的执行包，例如 Shifter[34]、Docker[35] 和 Singularity[36]。一些容器平台可以在树莓派上运行，甚至需要访问硬件的应用程序也能在容器内得到支持。我们预计，未来将有更多部署采用容器化作为管理软件应用和更新[9]的机制。

8. 未来的树莓派

2011年，思科估计物联网设备数量将在 2020[37] 年前超过 500 亿；高德纳目前预测为 200 亿台设备[38]。据估计，截至 2017 年，已连接的设备数量仅为 83 亿左右。在 3 年内创造出剩余的 413 亿台设备，需要每秒制造约 300 台新设备。我们可以认识到支持互联网的设备具有巨大潜力，这将造福人类。当前世界人口超过 75 亿人[39,40]，48% 拥有互联网连接，且许多人拥有多个设备[41]，而实现物联网愿景的首要障碍是有限的 43 亿个 IPv4 地址；现在正是采用 IPv6 的时候，大多数操作系统都已良好支持 IPv6。每个桥接 IPv4 网络的网关都会消耗电力并破坏端到端安全。
2015年，联合国大会的 194 个国家通过了《2030 年发展议程》，该议程提出了 17 项可持续发展目标（见图 2），每项目标都有一套明确的具体目标[42]。这些目标旨在推动全球可持续发展，正如联合国秘书长潘基文所说：“⋯⋯我们没有 B 计划，因为我们没有 B 星球⋯⋯”‘… there is no Plan B because we do not have a Planet B…’。这些目标经过深入研究并获得广泛支持；更重要的是，物联网革命是实现这些目标的关键推动力。

‘实现可持续发展目标的物联网宣言’[43]由国际电信联盟（ITU）和其他利益相关方于 2017 年通过，定义了 10 项旨在促进物联网创新领域国际对话与合作的活动：
1. 推动物联网技术的发展与应用，造福人类、环境和可持续发展。
2. 支持在城乡环境中实施物联网，促进信息通信技术在服务提供中的应用，以建设更智能、更可持续的城市和社区。
3. 推动建立广泛、活跃且安全的物联网生态系统，包括支持初创企业和孵化器。
4. 鼓励制定和实施促进物联网技术与解决方案互操作性的标准，为建立开放且可互操作的物联网生态系统铺平道路。
5. 采用新型和创新的物联网应用，应对饥饿、供水和粮食安全相关的挑战。
6. 激发利用物联网进行风险降低和气候变化缓解的兴趣。
7. 识别并支持利用物联网技术开展教育的日益增长趋势。
8. 拥抱物联网在生物多样性保护和生态监测方面的应用。
9. 通过全球性倡议，参与全球物联网研究与讨论，推动智能和可持续城市的发展。
10. 促进围绕物联网实现可持续发展的国际合作与对话。
这十项活动与可持续发展目标的对应关系如图 2 所示，充分证明物联网解决方案将对当今人类文明面临的最重要全球问题产生影响。
我们得出结论：树莓派是一种教育工具，能够推动各种创意的实现，其影响将跨越多个学科和社会经济阶层，具有全球性意义。