独家发布 | 树莓派4工业物联网应用研究报告

英国的教育慈善组织Raspberry Pi基金会在今年6月推出了它们的新一代产品：树莓派 4（Raspberry Pi 4），CPU提升3倍，性能堪比主流PC，各技术论坛热议不断，有的认为此次迭代超过了一台笔记本电脑的范畴，创造了单板电脑的新黄金标准，也有的认为依旧属于吃灰派，发出吃灰警告。针对官方首次提出进军工业界，定位工业物联网是Raspberry Pi 4的重点推广市场，我们淘系IoT从技术的角度对Raspberry Pi 4是否能应用到工业类产品做了详细评估，一起来看看吧！

Part 1  硬件布局

布局风格基本保持一致，供电 PMIC 使用 Type-C 方案， USB 和 RJ45 做了镜像（分析是要支持 USB 3.0 和千兆以太网，走线难度增加，为保证硬件信号完整性需要）， USB-HUB 芯片升级支持 USB3.0 。

Part 2  性能对比

分析结论

• CPU 方面：单核 A72 频性能大约是 A53 的 1.9 倍， CPU 性能提升不少；有原厂测量过 die 图， 1 个 A72 核心面积等于 4 个 A53 ，所以使用 A72 的芯片成本较高；功耗方面，考虑芯片制程优化， BCM2711 使用 28nm 工艺生产，功耗理论上可以优化些，但因为 BCM2837（40nm） A53 性能较弱（省电），所以实际功耗需要实测对比。

• 内存方面： LPDDR4-2400（最高带宽 25.6GB/S ）比 LPDDR2-900（最高带宽6.4GB/S ）提升较大，不过考虑 LPDDR4 目前的市场价格，这次树莓派 4 根据内存容量不同，设定了 3 档配置及阶梯价格：1GB（$35）、2GB（$45）、4GB（$55）。

• GPU 部分：硬件规格没有明显提升，支持 OpenGL ES 3.0 。

• Encode ：主要用于 Camera 的编码， 1080P@30 可以满足大部分场景应用，考虑 Encode 核设计难度、面积成本、市场调研的应用场景，所以此版本保持不变。

• Decode ：随着市场对于显示输出分辨率、帧率要求提升，增加了 4K@60 的硬解码 （H265+HEVC） ，也是为了应对市场趋势的要求，HDMI IP核提升到HDMI2.0版本 （4K@60fps） 。

Part 3  接口对比

分析结论

• 输出接口 HDMI 和 DSI 都支持到两路，可用于双屏异显的应用需求。

• Camera CSI 也支持两路，可以用于双摄输入应用。

• 网口支持 1000M ，满足高码率视频网络传输的应用。

• 蓝牙支持到 5.0 ，是否支持Mesh功能需要进一步确认。

• WiFi 还是延续了双模设计（ WiFi 5 标准），对于工业应用已经能满足要求（ WiFi 6 标准在笔记本上已经有样机展示）。

• USB 支持了两路 3.0 标准，可以用于高带宽的外设，比如工业相机。

• 电源接口使用了 Type-C ，说明整体功耗比之前还是增加了，也是 USB 技术演进迭代的需要。

• GPIO 可复用功能：  6 * UART 、 6 * I2C 、 5 * SPI 、 1 *SDIO 、 1 * DPI (Parallel RGB Display) 、 1 * PCM（音频） 、 2 * PWM channels 、 3 * GPCLK outputs ，能满足大部分物联网设备应用，包括工业类应用。

Part 4  实测对比

测试项	Rpi 3B+	Rpi 4	Change
Boot Time	39.9	41.7	-4.50%
Idle Power(Amps)	0.505	0.684	-35.40%
Peak Power（Amps）	1.14	1.12	1.80%
CPU-sysbench primes - thread	317.7	250.4	21.20%
CPU-sysbench primes - 4threads	86.2	62.8	27.10%
RAM Bandwidth - mbw	1420	2983	110.10%
OpenGL - videogl32	30.9	35.8	15.90%
Ethernet - iperf3（Mbps）	332	933	181.00%
WiFi 2.4Ghz - iperf3（Mbps）	38.6	39.6	2.60%
WiFi 5Ghz（ac） - iperf3（Mbps）	98.6	107	8.50%
External USB Drive Write - dd	35	155	342.90%
External USB Drive Read - dd	32	233	628.10%

数据分析

• CPU 性能提升，主要因为使用了 A72 核，空闲功耗和使用 A53 核相比有明显上升（35.4%），但是峰值功耗（ CPU 满载）基本持平，除了芯片制程工艺优化，内部结构有优化处理。

• DDR 带宽提升明显（110%），主要是使用了 LPDDR4 。

• GPU 实际跑 OpenGL 还是有一定优化，部分原因是 GPU 有 256M 专用的内存分配。

• Ethernet 使用千兆 PHY ，网络带宽提升明显。

• WiFi 吞吐率基本一致，延续了Cypress方案。

• USB 读写速率，因为使用了 3.0 ，所以读写速率提升明显。

总结：硬件配置和实测数据基本匹配，说明 4B 版本在整体性能上面还是有明显提升。

Part 5  默认内存分配

以 4G LPDDR4 版本为例，GPU系统自动分配有 256M 专用内存， CPU 系统分配剩下的3840M 。

 

Part 6  操作系统

官方版本： Raspbian ， Raspbian  是一个基于 Debian 的 Linux 发行版，专门用于 Raspberry Pi ，最新的 Raspbian 基于即将发布的 Debian10 Buster 发行版系统，带 PIXEL 图形界面。

其它支持的操作系统举例

• Raspbian Stretch Lite（树莓派官方系统，不带图形界面）

• Ubuntu Core（为物联网应用程序设计的 Ubuntu 版本）

• Ubuntu MATE（针对树莓派的版本）

• Android TV

• Windows 10 ARM

• Windows IoT（微软官方针对物联网 IoT 的 Windows 版本）

• RISC OS（独特的开源操作系统，由原始 ARM 的创建者专门为 ARM 处理器设计）……

Part 7  应用分析

1、总体定位： ARM 主机

2、保持原有的偏教育类定位，且对开发者更加友好

• 双显输出（双屏编程的开发者）

• 4 GB LPDDR4 版本可以支持大多数 IDE

• 4 核 A72 加上 LPDDR4 的高带宽，可以直接作为端侧智能平台，进行推理运算：物体识别/人脸识别

• 4K@60fps 硬解性能可以用于图形图像的开发，支持的 OpenGL ES 3.0 可提升渲染效果

3、Demo 搭建适用产品

• Switch 游戏机原型，搭载 Lakka 系统

• 商显设备，双屏/画中画

• 机器人原型机（实时性要求较低类产品）

• 家庭网络存储中心/NAS （ USB3.0 + 千兆网口）

• 端侧智能设备：人脸识别/人脸检测

• TV Box/ 机顶盒（ 4K 解码）、家庭多媒体中心

• 无线类软路由

• 各类小型服务器： BT 下载服务器、 FTP 文件服务器、 WEB 服务器、 RTMP 流直播服务器等

4、工业类 Demo 搭建适用

• 工业网关（类似 E2D-Station ）、工业采集类设备（需要扩展接口）

• 工控平板 /PC 、带屏 ARM 工控设备（类似 E2D-HMI ）、小型 ARM 边缘服务器

• 远程智能数据采集单元（需要扩展 4G、Lora/NB-IoT 等传输模块）

Part 8  工业物联网应用分析

1、Raspberry Pi 4 优势

• 模块性价比极高，量小时比定制硬件的成本要低。

• 开发灵活，出 Demo 原型速度快。

• ARM 主机定位，和目前 ARM 工控技术方面匹配。

2、Raspberry Pi 4 劣势

• 无板载 Flash/eMMC ，需要 SD 卡启动， SD 卡里面烧录镜像（ bootloader 、 Kernel 、文件系统）， SD 卡属于机械式固定，在工业环境下可靠性太差，容易造成接触不良导致设备无法正常启动。

• 供电需要使用 USB Type-C 线，模块供电需要底板或者其它电源通过USB线连接，在工业场景下这种供电方式不可靠，连接容易出现接触不良，且电源的抗浪涌/群脉冲防护需要进行特殊处理，满足工业场景和相关认证要求。

• 模块支持的温度范围是 0~50℃ ，工业应用场景建议宽温设计，所以整体产品化的硬件散热设计需要重新模拟评估，保证恶劣温度环境下的设备稳定性和可靠性。

• 工业总线类协议支持的生态还没有建立起来， Modbus 、 EtherCAT 、 Profinet 等工业现场总线，需要第三方软件移植的目前无案例支持。

• 对于要求高实时性的工控场景（比如伺服控制/电机控制）， ARM 架构的指令周期太长（ SoC 内部需要经过多级缓存才能到物理外设），右图是 Ti Sitara 的 PRU 设计架构， PRU 有可以直接控制的外设单元（ MII/UART/GPIO ） ，不需要 CPU 干涉，能达到 ns 级实时数据交互。

图片来源：Ti官方网站

Part 9  其它

树莓派一些金手指的核心板，比如 Raspberry Pi Compute Module 模组（ BCM2837 、4 核 A53 ），板载 SSD ，可以用于工业级产品的设计方案，不过接口板设计和整个产品化过程还是要满足具体应用场景的需求。

Part 10  总结

Raspberry Pi 极致的开源硬件价格，让全世界无数的技术爱好者有机会在这个平台上面去实现自己的想法和创意，在教育和创新领域打造了全新的技术社交，融入创客们的理想和态度，形成了一种非常可贵的技术情怀。但是目前从产品设计来看，Raspberry Pi 对于各垂直行业的具体场景应用以及相关产品认证的理解还存在一定距离，如果 Raspberry Pi 继续加深对各产业应用的探索和产品化研发的认识，相信 Raspberry Pi 能创造出更伟大的普世价值。

One More Thing

淘系技术部-IOT 团队目前正重点推进ARM架构在工控领域的技术应用和工业物联网设备端的软硬件综合研发，欢迎嵌入式的小伙伴加入我们，一起用技术创新推进工业物联网发展，简历投递至：[email protected]