樹(shù)莓派

人們從過(guò)去依靠互聯(lián)網(wǎng)單純獲取數(shù)字化信息，發(fā)展到希望在所有可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方依靠計(jì)算機(jī)和傳感器遠(yuǎn)程控制任意設(shè)備，從而直接改善自己的生活，“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)就這樣應(yīng)運(yùn)而生，而樹(shù)莓派及其外圍設(shè)備以及傳感器在這中間扮演著重要的角色，樹(shù)莓派好比人的大腦，傳感器就像人的眼睛，而外圍設(shè)備好比人的四肢，利用它們搭建好各種軟硬件平臺(tái)，才能使“物聯(lián)網(wǎng)”真正落到實(shí)處。

樹(shù)莓派（Raspberry Pi）是大家熟知的迷你計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，看上去像一塊電路板，但具有完整的硬件結(jié)構(gòu)，價(jià)格非常便宜。通過(guò)樹(shù)莓派，可以實(shí)現(xiàn)很多低成本的自動(dòng)化應(yīng)用形式，比如連接傳感器昨晚門(mén)窗警報(bào)器、或是把一臺(tái)傳統(tǒng)音箱無(wú)線化，通過(guò)軟件也可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的方便管理，實(shí)現(xiàn)基本的智能家居體驗(yàn)。

Raspbian操作系統(tǒng)介紹

樹(shù)莓派的操作系統(tǒng) Raspbian 的開(kāi)發(fā)者是麥克·湯姆森和彼得·格林。該系統(tǒng)為官方推薦的操作系統(tǒng)。它巧妙地將 Paspberry 和 Debian 的名字合并成了一個(gè)單詞。Raspbian 是基于 Debian 的專為 Cotex-A 系列開(kāi)發(fā)的能運(yùn)行在樹(shù)莓派上的操作系統(tǒng)。

Debian 是另一種發(fā)行版 Ubuntu 的基礎(chǔ)，而 Ubuntu 是最為流行的 Linux 桌面系統(tǒng)，本系統(tǒng)擁有良好的社區(qū)支持。Raspbain 系統(tǒng)附帶著35000多個(gè)軟件包，并集成了輕量級(jí)的圖形界面 LXDE。Raspbian 提供了完善的功能，并且組織的非常好，能夠支持最新的硬件和軟件。

隨著樹(shù)莓派在極客社區(qū)中的廣泛使用，擁有上千萬(wàn)臺(tái)的銷量，樹(shù)莓派已經(jīng)成為世界第三大計(jì)算平臺(tái)，樹(shù)莓派是由樹(shù)莓派基金會(huì)開(kāi)發(fā)的一款微型電腦，基金會(huì)只是設(shè)計(jì)電路圖，設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)和維護(hù)社區(qū)，樹(shù)莓派的生產(chǎn)現(xiàn)在有 RS 和 element14 兩家工廠進(jìn)行，所以樹(shù)莓派基金為桌面電腦打造了一款操作系統(tǒng)：Raspbian Pixel。

樹(shù)莓派3代b+系統(tǒng)安裝與簡(jiǎn)單的搭建

樹(shù)莓派3代b+，一套樹(shù)莓派大約三百塊，包括一些雜七雜八的零件，比如散熱片、風(fēng)扇、內(nèi)存卡、讀卡器、供電電源、亞力克板殼子等等。樹(shù)莓派配備的接口很多，HDMI接口、網(wǎng)線接口、4個(gè)USB接口、耳機(jī)接口，還有一排針形引腳，可以引線控制一些附加設(shè)備。樹(shù)莓派的具體配置如下：1.2GHZ CPU，1GB運(yùn)存，可擴(kuò)展的16GB存儲(chǔ)，帶藍(lán)牙、Wi-Fi功能。樹(shù)莓派雖然只有信用卡大小，但是內(nèi)心卻非常的強(qiáng)大，電腦能做的事情，基本上它都能做，可謂雀雖小五臟俱全。

樹(shù)莓派兼容的系統(tǒng)有很多，官方原配的Raspberry系統(tǒng)，CentOS 7，Ubuntu，Win10等等。Raspberry系統(tǒng)Raspbian 有一個(gè)弊端，它具有圖形桌面和一些不必要的服務(wù)，會(huì)占用一部分CPU和內(nèi)存資源，畢竟樹(shù)莓派只有1G的內(nèi)存，為了盡可能為以后的應(yīng)用程序余留足夠的資源，開(kāi)發(fā)者可以選擇萬(wàn)年不崩潰超級(jí)穩(wěn)定的CentOS系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)只占用了120M左右內(nèi)存，0.3%的CPU。CentOS系統(tǒng)可以在centos官網(wǎng)搜索下載，最終下載的系統(tǒng)如下圖：

下載完畢之后解壓出.img系統(tǒng)，然后準(zhǔn)備燒制系統(tǒng)。首先需要把TF內(nèi)存卡插在讀卡器上，然后連接電腦，電腦上下載Win32DiskImager這個(gè)軟件，打開(kāi)軟件，選擇解壓好的系統(tǒng)，點(diǎn)擊Write寫(xiě)入系統(tǒng)，直到寫(xiě)入完畢。

寫(xiě)好之后，直接將TF卡插進(jìn)樹(shù)莓派卡槽，然后一定要使用網(wǎng)線連接路由器，連接完畢后，在路由器管理頁(yè)面找到樹(shù)莓派的IP，用Xshell遠(yuǎn)程登錄這個(gè)IP，賬號(hào)默認(rèn)root，密碼centos。

如果不想使用網(wǎng)線，那么我們需要配置樹(shù)莓派的Wi-Fi模塊。

在Shell里面輸入下面命令：

curl –location

https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm80211/brcm/brcmfmac43430-sdio.bin > /usr/lib/firmware/brcm/brcmfmac43430-sdio.bin

curl –location

https://github.com/RPi-Distro/firmware-nonfree/raw/master/brcm80211/brcm/brcmfmac43430-sdio.txt > /usr/lib/firmware/brcm/brcmfmac43430-sdio.txt

systemctl reboot

等待重啟完畢后，重新用Xshell連接樹(shù)莓派，執(zhí)行下面命令：

nmcli d #執(zhí)行這條命令，如果有wlan Wi-Fi這樣的字眼出現(xiàn)，表示W(wǎng)i-Fi驅(qū)動(dòng)安裝成功。

nmcli d wifi #查看周圍的wifi，記下需要連接Wi-Fi的SSID。

nmcli d wifi connect yourSSID password ‘yourpassword’ #連接wifi，替換yourSSID和yourpassword。

nmcli d show wlan0 #查看wlan0的狀態(tài)，記下WiFi下的IP。

如果WiFi狀態(tài)正常，這個(gè)時(shí)候便可以拔掉網(wǎng)線，然后用Xshell重新連接樹(shù)莓派WiFi的IP。

當(dāng)然，如此這樣還是不夠的，比如在命令行輸入date命令，你會(huì)看到時(shí)間是錯(cuò)的，因?yàn)閏entos默認(rèn)的是UTC時(shí)區(qū)，下面需要更改時(shí)區(qū)，改為中國(guó)時(shí)區(qū)。

首先執(zhí)行命令：

rm /etc/localtime #刪除原來(lái)的時(shí)區(qū)文件

sudo ln -s /usr/share/zoneinfo/Asia/Shanghai /etc/localtime #把中國(guó)時(shí)區(qū)鏈接過(guò)去

無(wú)須重啟，輸入命令date發(fā)現(xiàn)直接生效。

到這里基本上系統(tǒng)算是安裝完畢了，下一步的目標(biāo)是做一個(gè)鬧鐘和空調(diào)遙控器，而且能夠用手機(jī)隨時(shí)遠(yuǎn)程控制室內(nèi)設(shè)備。

鬧鐘設(shè)定

在ssh的命令行輸入下面的命令：

yum install alsa* #安裝關(guān)于音樂(lè)播放器的各種包

modprobe snd-bcm2835 #向內(nèi)核加入聲卡模塊，使其識(shí)別聲卡

aplay -l #列出當(dāng)前的聲卡，如下圖

我們看到，樹(shù)莓派只有card 0這一個(gè)聲卡，當(dāng)然如果有其他聲卡，比如USB聲卡，他會(huì)列出來(lái)card 1、card 2等等。

下面，我要讓aplay播放一首歌，目前由于MP3的版權(quán)問(wèn)題，暫不支持Mp3，但是可以支持常用的如wav格式的音樂(lè)。首先下載一個(gè)wav格式的音樂(lè)到/home文件夾下，我下載的是bjdldrz.wav這個(gè)音樂(lè)，之后的敘述統(tǒng)一用這個(gè)文件，大家可以隨意更改，然后輸入下面的命令：

aplay –D hw:0,0 /home/bjdldrz.wav #在這里，hw:0,0表示聲卡為0號(hào)，device為0號(hào)。

但是這個(gè)一次只能播放一個(gè)音頻，如果想播放一個(gè)之后再用命令行播放一個(gè)，輸入下面的命令：

aplay -Dplug:dmix /home/bjdldrz.wav

這個(gè)播放是持續(xù)占用SSH的命令行的，播放時(shí)候不能執(zhí)行其他命令了，除非新開(kāi)一個(gè)窗口，如果不想持續(xù)占用命令行窗口，即后臺(tái)播放，可以在命令后面添加&。

aplay –D hw:0,0 /home/bjdldrz.wav &

聲音是播放了，但是音量特別低，怎么調(diào)高音量呢？有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，輸入命令：

alsamixer –c 0 #這個(gè)時(shí)候會(huì)顯示一個(gè)圖形界面，如下圖：

現(xiàn)在音量是79，按鍵盤(pán)的上和下就能調(diào)節(jié)音量。

當(dāng)然，這里還有一個(gè)方法可以調(diào)節(jié)音量，具體執(zhí)行命令如下：

amixer -c 0 controls #這個(gè)時(shí)候會(huì)列出一些聲卡參數(shù)，如下圖：

再執(zhí)行命令：

amixer –c 0 cset numid=1,iface=MIXER,name=’PCM Playback Volume’ 300 #300這個(gè)可以根據(jù)自己情況調(diào)節(jié)，一般是不超過(guò)400。

到這里聲音大小可以調(diào)節(jié)了，而且音樂(lè)也可以播放了，那就進(jìn)一步做一個(gè)鬧鐘吧，設(shè)置每天早上7點(diǎn)半自動(dòng)播放音樂(lè)，美滋滋。

設(shè)置鬧鐘首先需要了解一下sh腳本（關(guān)于腳本的開(kāi)發(fā)，隨后慢慢講解），我們?cè)趆ome文件夾下直接vim新建一個(gè)play.sh，寫(xiě)入下面的內(nèi)容：

#!/bin/bash

aplay –D hw:0,0 /home/bjdldrz.wav &

然后輸入:wq保存退出，并賦予它執(zhí)行權(quán)限：

chmod 777 play.sh

這樣play.sh就可以運(yùn)行了，然后我們把它加入到鬧鐘里面（上一節(jié)可是講過(guò)一定要把時(shí)區(qū)設(shè)置成中國(guó)時(shí)區(qū)，不然你設(shè)置的鬧鐘的時(shí)間是UTC時(shí)間，可能會(huì)大半夜叫醒你哦）。執(zhí)行下面的命令：

crontab –e

這個(gè)時(shí)候會(huì)顯示出一個(gè)編輯頁(yè)，在編輯頁(yè)寫(xiě)入下面內(nèi)容：

30 7 * * * nohup /home/play.sh > /dev/null 2>&1 &

編輯完畢后，保存退出，然后就開(kāi)始美滋滋睡大覺(jué)等著音樂(lè)鬧鐘叫醒你吧！

家居智能機(jī)器人控制

隨著樹(shù)莓派越來(lái)越強(qiáng)大，通過(guò)樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)心中的智能家居系統(tǒng)也越來(lái)越簡(jiǎn)單。樹(shù)莓派3版本有1G內(nèi)存，1.2GHZ頻率，擁有操作系統(tǒng)的樹(shù)莓派預(yù)留了40個(gè)可以驅(qū)動(dòng)各種傳感器和驅(qū)動(dòng)器的 I/O 接口，所以使用樹(shù)莓派作為機(jī)器人的控制器足以應(yīng)對(duì)。樹(shù)莓派和其他機(jī)器人的控制器有著本質(zhì)的不同，因?yàn)闃?shù)莓派有完善的操作系統(tǒng)，其他的只有控制系統(tǒng)，并且對(duì) Python 語(yǔ)言支持的非常的好。所以使用 Python 語(yǔ)言可以快速地在樹(shù)莓派上開(kāi)發(fā)軟件去控制機(jī)器人的傳感器。樹(shù)莓派還有能夠運(yùn)行人工智能相關(guān)算法的優(yōu)勢(shì)，比如可以在上面運(yùn)行 SVM，能簡(jiǎn)單的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，將樹(shù)莓派作為機(jī)器人的大腦是未來(lái)的一種趨勢(shì)。

樹(shù)莓派打造的機(jī)器人主要是利用GPIO接口去控制機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和各種傳感器，因?yàn)闃?shù)莓派有操作系統(tǒng)，所以使用Python可以開(kāi)發(fā)控制軟件，現(xiàn)在有很多的庫(kù)文件支持。樹(shù)莓派的多個(gè)可編程的 GPIO（General Purpose Input/Output）接口，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)各種外設(shè)，如傳感器，步進(jìn)電機(jī)等。目前在樹(shù)莓派上流行的 GPIO 開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有兩種，Python GPIO 和基于 C 語(yǔ)言的 wiringPi。目前比較推薦 Python GPIO，因?yàn)?Python 不僅上手簡(jiǎn)單，而且其解釋語(yǔ)言的特性使得程序不用編譯，對(duì)代碼做了任何修改之后就能直接運(yùn)行，極大方便了調(diào)試。

機(jī)器人分成四大部件：機(jī)器人控制系統(tǒng)，這部分有人稱為是機(jī)器人大腦部分。機(jī)械部分，機(jī)器人都是要執(zhí)行一定的任務(wù)的，這部分任務(wù)就是機(jī)械部分完成的。感知部分，機(jī)器人要不斷的感知周圍環(huán)境，并且通過(guò)感知進(jìn)行信息或者數(shù)據(jù)的傳輸。驅(qū)動(dòng)部分，機(jī)器人通過(guò)驅(qū)動(dòng)部件鏈接機(jī)械和傳感器，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件執(zhí)行一定的任務(wù)。

步進(jìn)電機(jī)和超聲波傳感器都是協(xié)助樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)功能的重要外設(shè)。編寫(xiě)的這些程序通過(guò)一定的工具燒進(jìn)樹(shù)莓派的TF卡中，通過(guò) Python 編寫(xiě)相應(yīng)程序后，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在不同時(shí)間正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)相關(guān)連接部件的轉(zhuǎn)動(dòng)。

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。而安裝了超聲波傳感器的智能機(jī)器人，在樹(shù)莓派的控制下可以識(shí)別放在周圍的障礙物，前后移動(dòng)超聲波測(cè)距儀，將收集的信號(hào)傳輸回到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心會(huì)顯示測(cè)得的距離，完全可以實(shí)現(xiàn)小車壁障的功能。

Shield系列連接擴(kuò)展器

為解決某些樹(shù)莓派產(chǎn)品并不具備全面的網(wǎng)絡(luò)連接功能，Sixfab公司于是推出了基于樹(shù)莓派的Shield系列連接擴(kuò)展器，讓人們可以更自由地打造智能家居環(huán)境。

Sixfab Shield系列共有五種型號(hào)，包括4G/LTE、3G、GSM/GPRS、GPS及Xbee標(biāo)準(zhǔn)，至于樹(shù)莓派的兼容性，則包括RPi A、RPi 2、RPi 3及Zero，應(yīng)用系統(tǒng)則支持Arduino、Linux、macOS、Windows及Android，能夠充分滿足不同用戶的需求。

有了Sixfab Shield，樹(shù)莓派愛(ài)好者可以更加方便地定制自己的系統(tǒng)和應(yīng)用需求，不再僅僅局限于Wi-Fi和藍(lán)牙連接，而是可以實(shí)現(xiàn)任何位置的無(wú)線控制，亦可以通過(guò)GPS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)IFTTT式的規(guī)則。所有Sixfab Shield都采用了micro USB接口與樹(shù)莓派計(jì)算機(jī)連接，非常方便，另外也可實(shí)現(xiàn)一些其他應(yīng)用形式，比如連接筆記本作為一個(gè)4G Modem，或是實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)與電腦的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接等等。Sixfab Shield每個(gè)模塊的價(jià)格在19至99美元不等，約合人民幣130至672元。