樹莓派

陳紀(jì)昌 邱元陽 劉宗凡 金琦

編者按：上期我們探討了教育對(duì)開放API的應(yīng)用，其實(shí)除了開放軟件接口外，在教育領(lǐng)域，我們還可以體驗(yàn)開放硬件接口的設(shè)備。這期我們以適應(yīng)新型的開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)的樹莓派為例，讓目前的信息技術(shù)教育不再僅限于應(yīng)用型技能，期望用這種低廉的設(shè)備燃起所有孩子學(xué)習(xí)信息技術(shù)的熱情，讓他們能自由發(fā)揮和任意改裝，進(jìn)而開發(fā)屬于自己的程序。

Raspberry Pi（中文名為“樹莓派”，簡(jiǎn)寫為RPi，或者RasPi/RPI），是由注冊(cè)于英國(guó)的慈善組織“Raspberry Pi基金會(huì)”開發(fā)的。2012年3月，樹莓派基金會(huì)正式發(fā)售了世界上最小的臺(tái)式機(jī)，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有基本功能，這就是Raspberry Pi，中文譯名“樹莓派”。樹莓派是為學(xué)生計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)，其系統(tǒng)基于Linux（如圖1）。

作為把教育當(dāng)成第一目標(biāo)的微型計(jì)算機(jī)，樹莓派具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，較低的價(jià)格能被大多數(shù)家庭或?qū)W校所接受。有了廣大的用戶基數(shù)，開發(fā)者有了開發(fā)熱情，應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量才會(huì)水漲船高，教學(xué)工作才能得以更好地進(jìn)行，這就形成了一個(gè)良性循環(huán)，這也是樹莓派得以成功的不可或缺的條件。其次，由于有大量編譯器的支持，樹莓派能編譯大部分不同語言的代碼，即它可以勝任大部分語言的教學(xué)工作。最后，麻雀雖小，五臟俱全。作為一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，它能承擔(dān)家庭計(jì)算機(jī)、教學(xué)用計(jì)算機(jī)等功能，可以說它是世界上最具性價(jià)比的微型計(jì)算機(jī)之一。

陳紀(jì)昌：樹莓派配置與各接口詳解

大概了解過樹莓派之后，讓我們看看樹莓派的配置與接口，只有了解樹莓派的性能與可擴(kuò)展性，我們才能將樹莓派的價(jià)值最大化。最新的樹莓派為3代B型，采用了博通BCM2837處理器，這是1.2GHZ的64位四核處理器，性能比上代樹莓派提升了50%～60%，或者粗略地說要比最原始的樹莓派性能提升了10倍。它還擁有1GB LPDDR2內(nèi)存，雖然與我們當(dāng)下智能手機(jī)動(dòng)輒4GB內(nèi)存相比，1GB內(nèi)存可能顯得有些“不夠看”，但別忘了我們需要的是什么，1G內(nèi)存對(duì)于一塊廉價(jià)開發(fā)板來說已經(jīng)綽綽有余了。

樹莓派3B的3.5mm音頻輸出口與上一代樹莓派完全一致，以太網(wǎng)接口和4個(gè)USB接口也并無改動(dòng)，依舊是采用Micro-USB Type B接口供電，電壓要求5伏，電流則要在700毫安以上，額定功率變成了4W，USB供電能力進(jìn)一步增強(qiáng)，以前外設(shè)供電不足等情況也有所好轉(zhuǎn)。我們甚至可以用充電寶給樹莓派供電，這樣它就真正成為隨身終端。

在顯示輸出方面，樹莓派有HDMI接口，當(dāng)然還可以在GPIO上接LCD顯示屏，新手在視頻輸出方面經(jīng)常會(huì)遇到一些問題，這里需要根據(jù)自己屏幕的類型修改SD卡中的config.text文件及寫入驅(qū)動(dòng)。

除此之外，它還加入了Wi-Fi/BLE（藍(lán)牙低能耗技術(shù)），相當(dāng)于不再占用1～2個(gè)USB接口，也就可以外接更多的USB外設(shè)，對(duì)于Wi-Fi和藍(lán)牙有剛需的開發(fā)者著實(shí)是件好事。

樹莓派本身并無存儲(chǔ)芯片，一切的數(shù)據(jù)包括操作系統(tǒng)都需要依靠一張Micro SD卡來保存，所以樹莓派本身并無“變磚”的可能，這也大大提高了樹莓派的可靠性，只要及時(shí)備份數(shù)據(jù)，學(xué)生就可以放心地對(duì)它進(jìn)行調(diào)試，這也是成本較低的一個(gè)原因。另外，樹莓派擴(kuò)展的核心——GPIO（全稱是General Purpose Input Output，通用輸入/輸出）也非常重要，具體來說就是一些可以輸出高低電平或者讀入是高電平或低電平狀態(tài)的引腳。我們可以通過GPIO口和一些硬件進(jìn)行交互，控制硬件工作或者是讀取硬件工作狀態(tài)。圖2即為樹莓派經(jīng)典的結(jié)構(gòu)示意圖。

邱元陽：安裝樹莓派操作系統(tǒng)及軟件

介紹過樹莓派后，相信大家會(huì)迫不及待地想要?jiǎng)邮謬L試一番了。別著急，首先我們需要確定安裝什么系統(tǒng)，樹莓派官方和第三方支持的系統(tǒng)不少，如Raspbian、Pidora等Linux發(fā)行版，Raspbian是基于Debian的一個(gè)版本（針對(duì)Raspberry Pi硬件Debian進(jìn)行了專門的優(yōu)化，樹莓派官方Raspbian系統(tǒng)下載：http：//www.raspberrypi.org/downloads），這對(duì)于初學(xué)者來說是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

下載好系統(tǒng)鏡像后，我們需要格式化SD卡（推薦16G及以上的高速卡，SD卡支持列表http：//elinux.org/RPi_SD_cards），下載Win32 Disk Imager工具，解壓下載的Raspbian系統(tǒng)壓縮文件，得到img鏡像文件，在軟件中選擇系統(tǒng)鏡像的img文件，“Device”下選擇SD卡的盤符，然后點(diǎn)擊“Write”就開始安裝系統(tǒng)了，安裝結(jié)束后會(huì)彈出完成對(duì)話框，說明安裝就完成了。如果不成功，請(qǐng)關(guān)閉防火墻一類的軟件，重新插入SD卡進(jìn)行安裝。安裝完，Windows系統(tǒng)下看到SD卡的剩余容量只剩幾十MB了，這是正?，F(xiàn)象，因?yàn)長(zhǎng)inux下的分區(qū)在Windows下是看不到的。

接下來，將SD卡插入樹莓派的讀卡器中，接上電源線，樹莓派就啟動(dòng)了！不過這樣還沒法操作樹莓派，我們需要給它接上鍵盤和鼠標(biāo)，用HDMI線將它和顯示器連接起來（如果顯示器沒有HDMI接口，可以考慮接網(wǎng)線或連接Wi-Fi使用遠(yuǎn)程桌面、SSH等連接）。Raspbian系統(tǒng)默認(rèn)是LXDE圖形界面，使用命令行輸入sudo raspi-config，用方向鍵和回車鍵選擇Boot Options，可以切換圖形界面和終端界面，重啟界面就會(huì)發(fā)生更改，雖然終端界面只有單調(diào)的命令行，習(xí)慣圖形界面的人可能會(huì)對(duì)終端界面感到陌生，但這需要一個(gè)適應(yīng)的過程，在某些情況下，終端界面會(huì)比圖形界面的效率高很多。

進(jìn)入系統(tǒng)之后，就是一些常用軟件的安裝了，輸入命令sudo apt-get install+軟件名稱就可以了。由于樹莓派的官方語言是Python，所以我們以編譯Python為例，其他軟件在此不多贅述。我們主要是用sudo apt-get update、sudo apt-get upgrade、sudo apt-get dist-upgrade把樹莓派軟件及系統(tǒng)升到最新版，因?yàn)镽aspbian系統(tǒng)自帶Python編譯器，所以直接在圖形界面雙擊Python圖標(biāo)或者在終端界面輸入Python就可以開始編程了。

金琦：樹莓派對(duì)信息技術(shù)教育的意義

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)已經(jīng)成為人們生活的一部分，但必須意識(shí)到我國(guó)信息技術(shù)教育投入和資源配置在城鄉(xiāng)和東西部還存在不平衡，基礎(chǔ)的編程計(jì)算機(jī)在許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)及山村學(xué)校的信息教育中沒有普及，若能對(duì)師資進(jìn)行培訓(xùn)，樹莓派將憑借其低廉的價(jià)格和自身具備的可替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的多種功能，為不發(fā)達(dá)地區(qū)的信息技術(shù)教育，尤其是編程設(shè)備建設(shè)問題提供一種解決方案，畢竟樹莓派的成本只是品牌機(jī)的十分之一，而且板塊化設(shè)計(jì)功耗低，且不容易損壞。在軟件的系統(tǒng)層面上，微軟也對(duì)樹莓派進(jìn)行了支持，但樹莓派默認(rèn)采用的是Linux發(fā)行版，可以不受微軟Windows操作系統(tǒng)的束縛，這樣一來就更能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)了，這也為信息技術(shù)教育的拓展提供了巨大的幫助。

最近，國(guó)內(nèi)教育工作者對(duì)信息素養(yǎng)主導(dǎo)的中小學(xué)信息技術(shù)課程進(jìn)行了反思，重新強(qiáng)化了程序設(shè)計(jì)教學(xué)在信息技術(shù)教育中的地位，這也為樹莓派引入教學(xué)帶來了契機(jī)。樹莓派類能接受若干種編程語言，從圖形化的Scratch到較專業(yè)的Python語言，完全可以適應(yīng)未來的中小學(xué)編程教育。這里我們要了解樹莓派的主要應(yīng)用語言，正如樹莓派的創(chuàng)始人Eben Upton所說：“樹莓派的‘Pi就是‘Python的縮寫。”所以，Python就成了樹莓派的官方語言，而且重要的是其不需要配置任何環(huán)境就可以開發(fā)，Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，其公認(rèn)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易學(xué)、免費(fèi)、開源等，并且面向編程教育市場(chǎng)有強(qiáng)大的吸引力。近些年來，國(guó)際上在科學(xué)計(jì)算語言方面，尤其是面向人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)方面，Python已經(jīng)占了半壁江山，這在一些重量級(jí)的開源應(yīng)用中都得到了證實(shí)。另外，隨著信息技術(shù)課程改革的深入，以及Python越來越廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一些省市在信息技術(shù)課編程工具的選擇上，正在嘗試用Python代替?zhèn)鹘y(tǒng)的VB，既然Python是樹莓派的官方語言，如果在教學(xué)中投入樹莓派，想必對(duì)教學(xué)能起到事半功倍的效果。那么Python和現(xiàn)在高中學(xué)的VB具體有什么區(qū)別呢？首先VB是一種結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮摹瑓f(xié)助開發(fā)環(huán)境的以事件驅(qū)動(dòng)為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)語言，而且很多VB開發(fā)都依賴Windows系統(tǒng)自帶的Active X控件和API。而Python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝陀?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，拋開編譯方面的區(qū)別，單從代碼上來講，與VB的差別其實(shí)不是很大，只要注意各自的語法就行了，但是有一點(diǎn)要特別注意，Python不像VB那樣，不同的模塊之間會(huì)有諸如next、end之類的關(guān)鍵字，Python區(qū)分不同模塊的方法只有一種，那就是縮進(jìn)。VB縮進(jìn)不正確只是閱讀比較累，但違反了縮進(jìn)規(guī)則的Python程序則不能通過編譯。所以使用Python能養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣。

圖3展現(xiàn)了高中程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中最經(jīng)典的算法——冒泡排序在兩種語言環(huán)境（分別在Windows 7和樹莓派的Raspbian上）實(shí)現(xiàn)的效果。

不難看出，Python實(shí)現(xiàn)看起來比較清爽、簡(jiǎn)潔、易讀。而且隨著Web開發(fā)和跨平臺(tái)程序設(shè)計(jì)越來越流行，Python的應(yīng)用范圍將更廣泛，前景比VB更加可期待，它要求學(xué)生的思維更加嚴(yán)謹(jǐn)，更加注重編程規(guī)范，這也難怪國(guó)內(nèi)一些省市正嘗試用Python語言代替Visual Basic語言進(jìn)行教學(xué)了。正因?yàn)镻ython在樹莓派上運(yùn)行效率非常高，價(jià)格又低廉，所以樹莓派即使不能代替PC，也完全可以作為中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)習(xí)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)拓展工具。

劉宗凡：樹莓派的GPIO應(yīng)用

正如前面所說，樹莓派在Python教學(xué)方面有著強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。但是，除了基礎(chǔ)教育，我們能不能更加深入地挖掘樹莓派的潛力呢？怎么才能將樹莓派的作用最大化即擴(kuò)展樹莓派的功能呢？那么之前提到的GPIO就是至關(guān)重要的了，當(dāng)然在樹莓派上也可以用Python來控制GPIO。

想用Python來控制GPIO，最便捷的辦法就是使用一些Python類庫，我們需要輸入這些命令來配置環(huán)境：sudo apt-get install python-dev、sudo apt-get install python-rpi.gpio、sudo apt-get install python-serial。安裝完成后，我們就可以盡情發(fā)揮自己的想象，動(dòng)手打造一些功能豐富的小玩意。大家可從最簡(jiǎn)單的控制LED燈發(fā)光開始嘗試。

編寫代碼之前，首先我們需要將LED燈的針腳通過杜邦線連接到樹莓派的引腳上，如可以連接到12號(hào)引腳。新建一個(gè)main.py文件，寫入如下代碼。

import RPi.GPIO as GPIO //引入函數(shù)庫

import time

RPi.GPIO.setmode（GPIO.BOARD） //設(shè)置引腳編號(hào)規(guī)則

RPi.GPIO.setup（12， RPi.GPIO.OUT） //將12號(hào)引腳設(shè)置成輸出模式

while True

GPIO.output（channel， 1） //將引腳設(shè)置為高電平，此時(shí)LED亮

time.sleep（1） //程序休眠1秒鐘，讓LED亮1秒

GPIO.output（channel， 0） //將引腳設(shè)置為低電平，此時(shí)LED滅

time.sleep（1） //程序休眠1秒鐘，讓LED滅1秒

保存，并退出文件，執(zhí)行python3 main.py，即可看到LED燈效果。

也許簡(jiǎn)單的LED燈起不了什么作用，但如果腦洞大開，是不是可以作為水位指示燈？如果結(jié)合溫度傳感器和蜂鳴器，我們是不是可以制作溫度報(bào)警系統(tǒng)？樹莓派的樂趣就在于此，只有想不到，沒有做不到。

陳紀(jì)昌：利用樹莓派培養(yǎng)創(chuàng)客精神

上面講的實(shí)例最后已經(jīng)接近物聯(lián)網(wǎng)概念了，現(xiàn)在許多中小學(xué)都開設(shè)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，其有別于傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也在嘗試一些最基礎(chǔ)的智能教室控制，恰好和樹莓派自由、開放的特點(diǎn)相符合。我們可以將上面的例子再擴(kuò)展一下，通過Python控制電平高低，進(jìn)而對(duì)教室燈光進(jìn)行亮滅控制；還可以采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的窗簾模塊設(shè)計(jì)一塊驅(qū)動(dòng)板，通過GPIO控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，驅(qū)動(dòng)板上的4個(gè)輸入口連到樹莓派的4個(gè)GPIO口，并利用PIN2給步進(jìn)電機(jī)提供5V電壓，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，完成窗簾開閉操作。然后大家可以試著到sourceforge下載webiopi源代碼進(jìn)行擴(kuò)展安裝，webiopi是一個(gè)可控制樹莓派GPIO的面向物聯(lián)網(wǎng)的Web框架，再通過手機(jī)或PC終端訪問http：//樹莓派IP：8000，對(duì)教室燈光、窗簾等進(jìn)行物聯(lián)智能控制。

樹莓派成本低，具有很強(qiáng)的拓展性，所以，對(duì)于一個(gè)創(chuàng)客來說，搭配不同的擴(kuò)展模塊，可以用樹莓派實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能。例如，Web服務(wù)器、家用VPN 服務(wù)器、流量監(jiān)視器以及樹莓派無人機(jī)等，安裝不同的操作系統(tǒng)，可以充當(dāng)家用媒體播放器或成為黑客入侵的工具。國(guó)外甚至有人將樹莓派發(fā)送到太空拍攝了一系列月球的表面照。也就是說，樹莓派在前沿創(chuàng)新中將不斷給我們帶來驚喜。

結(jié)語

樹莓派在教育領(lǐng)域的前景不可估量，不管是在信息技術(shù)教育普教層面，還是在各中小學(xué)的創(chuàng)新課堂里，它都是物美價(jià)廉的選擇之一。中國(guó)乃至世界的未來在于創(chuàng)新，我們的孩子從小缺乏動(dòng)手能力的培養(yǎng)，如果讓他們接觸到類似樹莓派這樣的開源硬件，能讓教師探究開設(shè)更加具有時(shí)代性、創(chuàng)新性的教學(xué)內(nèi)容，這樣的學(xué)習(xí)也許能真正從“知識(shí)獲取”向“知識(shí)深化和創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，我們也才能真正進(jìn)入大眾創(chuàng)新的新時(shí)代。