你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板

2019-08-11 11:47:18 517点赞 3705收藏 179评论

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前言

开发板是用来进行嵌入式系统开发的电路板,包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件组件。我们日常生活中常见的电子产品,比如手机、便携式游戏机、音乐播放器等,其设计之初很可能都是从一块大大的开发板上进行初期研发的。在开发板上验证方案的可行性,最后再通过集成电路设计将硬件方案便携化,最终成为面向消费者的产品。

你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板开发板本来是面向专业开发人员的开发工具。但是,近些年来随着开源硬件的流行和发展,吸引了一批又一批爱好者的加入,一些开发板渐渐成为极客们手中的玩物。我拥有的第一块开发板是友善之臂的ARM 2440。学生时代,我本来励志投身嵌入式开发行业,可惜后来误入了纯软件开发行业。作为一个软件开发从业人员,我自然对这类开源硬件也很着迷。
虽然我的硬件相关基础知识比较薄弱,但这也并没有阻碍我玩转多种开源硬件。这主要得益于这类开发板有着丰富的资料可供参考,以及活跃的用户群可供交流,使得其入门门槛大幅降低,而且可玩性也不断增强。本文,我将用我有限的知识并结合已有的资料,给大家推介几款比较流行的,可玩性较高的,且价格比较亲民的开发板。这也许可以激发你折腾的欲望,用自己的聪明才智创造出有创意、有意义的DIY作品。

Arduino

Arduino可谓近些年来影响最为深远的一款开发板,它的出现对开源硬件的发展有着里程碑的意义。Arduino诞生于意大利,其设计者将硬件设计图免费公布,并允许任何厂商进行生产。这种开放的政策吸引了大批开发者纷纷基于Arduino这个硬件开发平台实现自己的创意和设计。这就进一步推动了Arduino在全球范围内的流行和发展。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板Arduino其实是一个系列的开发板的统称,具体的型号还有Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino Due、Arduino Leonardo、Arduino Mega 2560等等。而其中最常见的,用的最为广泛的,应该就是Arduino Uno这款产品了。

Arduino UNO是基于ATmega328P的Arduino开发板。它有14个数字输入/输出引脚(其中6个可用于PWM输出)、6个模拟输入引脚,一个16 MHz的晶体振荡器,一个USB接口,一个DC接口,一个ICSP接口,一个复位按钮。它包含了微控制器所需的一切,你只用简单地把它连接到计算机的USB接口,或者使用AC-DC适配器,再或者用电池,就可以驱动它。

你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板Arduino最为核心部件,就是这款ATmega328芯片了。ATmega328的核心处理器是AVR,闪存容量为32KB,其中引导程序使用0.5 KB,并拥有2KB 的SRAM和1KB 的EEPROM,时钟频率为16 MHz。这样的配置以当前的目光看来,简直是弱爆了。而且也没法运行我们通常意义上的操作系统。最多也只能运行实时操作系统。比如,FreeRTOS就可以移植到Arduino上去。但在实际应用中意义不大。但是,Arduino 即使是这样的处理性能,只要将其应用于适合的场合,就可以发挥出最大的作用。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板由于Arduino的性能偏弱,无法应对诸如处理图像、复杂运算等对处理器性能要求比较高的场景。但是对于控制传感器输入输出、驱动电子元器件这种低速场合,Arduino就再合适不过了。而且Arduino丰富的外围接口,正是其最大优势所在。它可以让玩家很轻松地连接各种外围模块、传感器等,实现自己的DIY创意。那么Arduino究竟可以做些什么呢。经过这么多年的发展和全世界玩家的努力,基于Arduino打造的创意项目实在是太多了。比较常见的项目就是智能小车、四足飞行器、环境监测站、机械臂等等。如果动手能力极强的话,你甚至可以以Arduino为核心控制器,打造一台3D打印机。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板Arduino另外一个最大的优势,就是其低廉的价格了。我们知道,Arduino是开源硬件,全世界任何生厂商都可以用公开的设计图进行生产。当然,Arduino也有意大利原装正版的进口开发板。以Arduino Uno R3为例,进口原版的做工会好一些,价格自然也高一些,一般在130元左右。而国产厂商生产的Arduino Uno R3,价格甚至可以低至十几元。虽然十几元的廉价Arduino Uno R3和原版的相比,性能和功能上都基本保持一致。但是毕竟一分价钱一分货,廉价版的Arduino Uno R3的做工和用料都比较差,稳定性也无法得到保证。因此,我更倾向于选购国产里面价格稍贵的那些。价格不同的国产兼容Arduino Uno R3开发板除了在做工上有所差异外,最大的不同还是串口芯片的选型。采用CH340作为串口芯片的开发板往往价格低,而采用 FT232RL作为串口芯片的开发板价格高,稳定性也会更好。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板我选购的国产Arduino Uno R3兼容开发板是这款YWrduino UNO R3,价格为60元。这款板子的配色比较好看,做工也很不错,功能上和原版兼容,而且在电路设计上也有诸多改进。而且,这款开发板还可以搭配同样是YWrduino出品的扩展板,方便用户连接各种外围模块。

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你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板我曾经用这块开发板连接DHT22传感器、攀藤PMS5003S传感器、1602液晶模块,打造了一款家庭室内环境监控系统,可以实时显示温度、湿度、甲醛、PM2.5等数值。也尝试过连接红外接收模块,红外发送模块,蓝牙通讯模块,学习空调、电视的红外码,利用手机通过蓝牙模块和Arduino 通信,实现手机红外遥控的功能。现在想起来,还真是怀念那段折腾的日子啊。
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ESP8266/ESP32

由上海乐鑫信息科技开发设计的这款ESP8266芯片,给广大物联网开发者带来了福音。其低廉的价格和较高的性能,使其广泛应用于各种物联网产品中。我们家中的许多智能家居产品,可能内置的就是ESP8266或者同系列芯片。这款性能优秀、价格亲民的芯片,也在创客和极客群体中广为流行。那么,先看一下这款芯片的简介。

ESP8266EX 由乐鑫公司开发,提供了一套高度集成的 Wi-Fi SoC 解决方案,其低功耗、 紧凑设计和高稳定性可以满足用户的需求。 ESP8266EX 拥有完整的且自成体系的 Wi-Fi 网网功能,既能够独立应用,也可以作为从机 搭载于其他主机 MCU 运行。ESP8266 集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU,带有 16 位精简模式,主频支持 80 MHz 和 160 MHz,支持 RTOS,集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA,板载天线。支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议,完整的 TCP/IP 协议栈。

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ESP8266只是一块芯片,普通人要想用来做开发的话,还是需要一块开发板,将GPIO引出,方便进行外围模块连接。NodeMCU是一个集成了ESP8266的开源开发板,并且封装了ESP8266的硬件操作命令,使用户可以更容易和硬件交互。这应该是最常见的基于ESP8266的开发板了。除此之外,还有一款WeMos D1 WiFi UNO R3开发板,同样是基于ESP8266芯片,Arduino兼容,使用Arduino IDE來編程。
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你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板我们可以看到,相比Arduino,基于ESP8266的开发板最大的优势就是自带WIFI模块,可以很容易地连接网络。而Arduino联网一般需要额外增加W5100之类的以太网模块或者串口WIFI模块。一旦开发板具有联网功能,那么可以实现的创意就更加广阔了。从性能上来讲,ESP8266也是更胜一筹。但是从GPIO的丰富程度上来说,还是Arduino好一些。如果你不需要连接太多外围模块,有需要连接网络,那么基于ESP8266的开发板无疑是最好的选择,而且在价格上也更为低廉。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板在ESP8266芯片大热后,乐鑫又推出了一款性能更为强大的ESP32芯片。ESP32 是集成 2.4 GHz Wi-Fi 和蓝牙双模的单芯片方案,采用台积电 (TSMC) 超低功耗的40纳米工艺,具有超高的射频性能、稳定性、通用性和可靠性,以及超低的功耗,满足不同的功耗需求,适用于各种应用场景。在一个小小的芯片上,同时具备Wi-Fi和蓝牙这两种日常生活中最为常见的无线通信技术,无疑使得ESP32应用范围大大增强。除此之外ESP32采用• Xtensa® 32-bit LX6 单/双核处理器,运算能力高达200- 600 MIPS,处理能力大大提升,可以应用于语音处理、图像处理等场合。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板对于那些对GPIO消耗比较低的项目,Arduino能做的ESP8266/ESP32基本也都可以完成。比如连接环境传感器监测温湿度等环境指标,连接红外传感器实现万能遥控器,连接继电器制作远程开关等等。当然,有了更好的性能,而且自带无线模块,我们自然可以完成更多事情。比如,可以利用ESP32-CAM制作一款WIFI摄像头,基于ESP32-LyraT开发板快速设计开发一款智能音箱等等。最近看到一个比较有意思的项目,就是有大神利用ESP32完成了一辆造型小巧可爱的FPV小车。

你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板此外,借助于机智云、blinker 这种开放平台,我们也可以快速搭建自己的物联网项目。
最近,我想把家里的通过射频遥控的晾衣机接入Home Assistant并实现用天猫精灵语音控制。所以,买了ESP8266和ESP32的开发板,也买了433MHz超再生射频收发模块。NodeMCU加上扩展底板,也才要14块钱,而ESP32的开发板也只要27块,射频收发模块一套2.75元,可以说是相当便宜了。

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你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板这个小项目折腾了一两天,目前软件部分倒是没太大问题,只是射频信号收发这块还有问题正在折腾。如果真的能成功的话,就相当于只花了不到17元就实现了一个射频万能遥控器,当然Home Assistant的搭建成本不算。希望自己能够成功。

树莓派

下面要介绍的,应该是大家最为熟悉的一款开发板了,那就是在全球范围内大红大紫的树莓派。与其说树莓派是一块开发板,不如说是一款微型电脑。先来看一下百科中对树莓派的简介。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板Raspberry Pi是一款针对电脑业余爱好者、教师、小学生以及小型企业等用户的迷你电脑,预装Linux系统,体积仅信用卡大小,搭载ARM架构处理器,运算性能和智能手机相仿。在接口方面,Raspberry Pi提供了可供键鼠使用的USB接口,此外还有快速以太网接口、SD卡扩展接口以及1个HDMI高清视频输出接口,可与显示器或者TV相连。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板从2012 年 3 月第一款树莓派发布至今,树莓派已经迭代衍生出多个版本。目前最新的版本就是于2019年6月发售的树莓派4 Model B。此外,还有树莓派Zero这种体积更小的版本,适合DIY能力强的玩家完成一些对尺寸有要求的创意。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板树莓派上具有以太网接口、USB接口、HDMI接口、SD卡扩展接口等电脑上常见的接口,插上烧录好系统的SD卡,连接上鼠标显示器等外设,一台迷你PC就诞生了。树莓派一般运行的是基于Debian的Linux发行版Raspbian,常见的软件都可以在上面运行,浏览网页、观看视频、处理文档都可以轻松完成。当然,作为一款价格低廉的微型电脑,其性能和主流PC还是有不小的差距的。

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那么,树莓派何以在全世界范围内流行呢?除了,价格优势外,丰富的GPIO可能才是树莓派能够经久不衰的重要原因。利用树莓派的GPIO,我们可以连接各种外围模块,借助树莓派强大的性能,实现各种有趣的功能和创意。除此之外,低功耗也是树莓派的重要优势之一。如果我们想要使用某种网络服务,一般的服务器的成本我们是无法承担的,即使是使用PC,我们也常常会顾忌功耗问题。而树莓派这种低功耗设备就很适合7*24小时运行。而且其性能用来跑一些常用的网络服务也是够用的。

你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板通过几代产品的迭代,树莓派的硬件性能也在不断增强。以最新发布的树莓派4 Model B为例,其硬件配置如下。

Raspberry Pi 4 Model B 搭载博通 BCM2711 SoC,采用 4 核 A72 CPU 核心(上一代为 A53 核心),主频 1.5GHz,提供 1GB/2GB/4GB LPDDR4 内存可选,通过 USB-C 接口进行供电(或 GPIO 5V)。Raspberry Pi 4 Model B 支持双频 802.11ac Wi-Fi、蓝牙 5.0,接口方面提供了 1 个 40 针 GPIO、2 个 Micro HDMI 2.0(支持 H.265 编码及 4K 60FPS 视频输出)、2 个 USB 3.0 Type-A、2 个 USB 2.0 Type-A、1 个千兆网口、1 个 MIPI CSI 接口、1 个 MIPI DSI 接口以及 1 个 3.5mm 音频接口。

在售价方面,树莓派一值采用的都是升级不加价的良心策略,因此,树莓派4 Model B的1GB RAM 版本依然售价 35 美元,2GB RAM 版本售价 45 美元,4GB RAM 版本售 55 美元。此次提供了最高可达4G内存的版本,适合那些对性能需求更高的玩家选购。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板作为一款具有丰富的接口,又有较强性能的开发板,树莓派可以做的事情就更多了。Arduino和ESP8266可以做的事情,树莓派当然也都可以轻松完成。比如,使用树莓派做一个自动循迹的小车,做一个可以联网的环境检测系统,一个基于智能视觉的机械臂等等。又由于树莓派几乎就可以看作是一台完整的个人电脑,又有低功耗的优势,因此常常用来作为各种用途的网络服务器。比如你可以在树莓派上搭建个人网站服务器,接上硬盘也可以作为BT下载机,对性能要求不高的话还可以当作一台NAS,喜欢玩智能家居的话可以运行Home Assistant。由于树莓派的性能还算不错,也有很多玩家把树莓派刷上特定系统或安装特定软件,打造作一台复古游戏机。
你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板由于树莓派这种类型的卡片式电脑的大获成功,国内外厂商也出现了不少仿制者。因此,除了树莓派,我们还可以看到香蕉Pi、荔枝Pi、Nano Pi、香橙Pi、Asus tinker board等等类似产品。这些产品从性价比上来说,可能不输树莓派。但是,由于用户群体和树莓派不在一个数量级,因此在玩家生态以及软件支持上没法和树莓派相比。你喜欢折腾么?细数那些低门槛、高趣味的平价DIY开发板毕竟,我们在使用这些开发板的时候,难免会遇到一些棘手的问题,如果使用的是树莓派,往往可以很容易搜寻到问题的答案。而至于其他Pi,就可能需要自己去摸索了。再者,有很多系统或软件都有相应的树莓派版本,而其他Pi就无法保证了。所以,除非是专业玩家,普通玩家在选购此类开发板时,只推荐购买树莓派。

我手头上有一块树莓派3B开发板,大约购买于两年前。这两年用这块板子也折腾过不少东西。最早的应该是搭建了一套可以联网查看室内温湿度等指标的环境监测系统,顺便还架设了自己写的一套个人博客系统。然后,又在没有购买天猫精灵前,自己做了一个智能音箱,听音乐、都新闻、设置闹钟、控制家电都能实现。最近一次使用,是用来运行Home Assistant,整合了家里不同品牌不同平台的智能家电和非智能家电。虽然每一个项目的实际使用时间最多也就大半年,但是这个折腾的过程确是很有意思的。

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后记

Arduino、ESP8266/ESP32、树莓派,应该是市面上最常见的既可以作为专业开发者使用,又能给普通玩家折腾研究的三种开发板了吧。当然还有一些其他常见的开发板,比如51单片机、STM32更多面向的是单片机开发者和初学者,而Microbit则更多地作为面向中小学教育的图形化编程工具。
三种开发板可谓各具特色,Arduino价格低廉且GPIO丰富,ESP8266/ESP32具有自带无线联网功能,树莓派性能更为强大。从玩转门槛上来讲,树莓派因为基本上就是一台电脑,所以门槛最低,具备基础的电脑尝试就可以玩了。而Arduino和、ESP8266/ESP32的门槛相当,建议具备一些软硬件知识才可以。如今网络这么发达,很有项目都有现成的方案和详细步骤,也为我们使用这些开发板大大降低了门槛。如果你有什么想要实现的好点子,不妨按照自己的需求,选择合适的开发板,搭配各种外围模块,尽情地享受折腾的乐趣吧。
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