1180 lines
51 KiB
Markdown
1180 lines
51 KiB
Markdown
# 在 Raspberry Pi 上用 Python 构建物理项目
|
||
|
||
> 原文：<https://realpython.com/python-raspberry-pi/>
|
||
|
||
Raspberry Pi 是市场上领先的物理计算板之一。从构建 DIY 项目的爱好者到第一次学习编程的学生，人们每天都在使用 Raspberry Pi 与周围的世界进行交互。Python 内置于 Raspberry Pi 之上，因此您可以利用您的技能，从今天开始构建您自己的 Raspberry Pi 项目。
|
||
|
||
**在本教程中，您将学习:**
|
||
|
||
* 设置新的**树莓派**
|
||
* 使用 **Mu 编辑器**或通过 **SSH** 远程运行 Python
|
||
* 从连接到 Raspberry Pi 的物理传感器读取输入
|
||
* 使用 Python 将输出发送到**外部组件**
|
||
* 在 Raspberry Pi 上使用 Python 创建独特的项目
|
||
|
||
我们开始吧！
|
||
|
||
**免费下载:** [从 Python 技巧中获取一个示例章节:这本书](https://realpython.com/bonus/python-tricks-sample-pdf/)用简单的例子向您展示了 Python 的最佳实践，您可以立即应用它来编写更漂亮的+Python 代码。
|
||
|
||
## 了解树莓派
|
||
|
||
树莓派是由英国慈善组织[树莓派基金会](https://www.raspberrypi.org/about/)开发的[单板电脑](https://en.wikipedia.org/wiki/Single-board_computer)。它最初旨在为年轻人提供一种负担得起的计算选择，以学习如何编程，由于其紧凑的尺寸、完整的 Linux 环境和通用输入输出( **GPIO** )引脚，它在制造商和 DIY 社区中拥有大量追随者。
|
||
|
||
这个小小的板中包含了所有的特性和功能，因此不缺少 Raspberry Pi 的项目和用例。
|
||
|
||
一些示例项目包括:
|
||
|
||
* [循线机器人](https://projects.raspberrypi.org/en/projects/rpi-python-line-following)
|
||
* [国内气象站](https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station)
|
||
* [复古游戏机](https://retropie.org.uk/)
|
||
* [实时物体检测摄像机](https://maker.pro/raspberry-pi/projects/how-to-use-raspberry-pi-and-tensorflow-for-real-time-object-detection)
|
||
* [《我的世界》服务器](https://www.makeuseof.com/tag/setup-minecraft-server-raspberry-pi/)
|
||
* [按钮控制音乐盒](https://projects.raspberrypi.org/en/projects/gpio-music-box)
|
||
* [媒体中心](https://mediaexperience.com/raspberry-pi-xbmc-with-raspbmc/)
|
||
* 国际空间站上的远程实验
|
||
|
||
如果你能想到一个项目能从一个信用卡大小的电脑上受益，那么有人可能已经用树莓 Pi 来做了。Raspberry Pi 是将您的 Python 项目想法变为现实的一种奇妙方式。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### Raspberry Pi 板概述
|
||
|
||
树莓派有多种[外形规格](https://www.raspberrypi.org/products/)用于不同的用例。在本教程中，你将看到最新版本的[树莓派 4](https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/) 。
|
||
|
||
下面是树莓 Pi 4 的电路板布局。虽然这种布局与以前的 Raspberry Pi 模型略有不同，但大多数连接是相同的。下一节中描述的设置对于 Raspberry Pi 3 和 Raspberry Pi 4 应该是相同的:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-board-components.130884cd8ee7.jpg)
|
||
|
||
Raspberry Pi 4 板包含以下组件:
|
||
|
||
* **通用输入-输出引脚:**这些引脚用于将 Raspberry Pi 连接到电子元件。
|
||
|
||
* **以太网端口:**该端口将 Raspberry Pi 连接到有线网络。Raspberry Pi 还内置了 Wi-Fi 和蓝牙，用于无线连接。
|
||
|
||
* **两个 USB 3.0 和两个 USB 2.0 端口:**这些 USB 端口用于连接键盘或鼠标等外设。两个黑色端口是 USB 2.0，两个蓝色端口是 USB 3.0。
|
||
|
||
* **AV 插孔:**这个 AV 插孔可以让你把扬声器或者耳机连接到树莓 Pi 上。
|
||
|
||
* **相机模块端口:**该端口用于连接[官方树莓 Pi 相机模块](https://www.raspberrypi.org/products/camera-module-v2/)，使树莓 Pi 能够捕捉图像。
|
||
|
||
* **HDMI 端口:**这些 HDMI 端口将 Raspberry Pi 连接到外部显示器。Raspberry Pi 4 具有两个微型 HDMI 端口，允许它同时驱动两个独立的显示器。
|
||
|
||
* **USB 电源端口:**这个 USB 端口给树莓 Pi 供电。树莓 Pi 4 有一个 **USB Type-C** 端口，而旧版本的 Pi 有一个**微型 USB** 端口。
|
||
|
||
* **外接显示端口:**该端口用于连接官方七寸树莓派[触摸显示屏](https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-touch-display/)，在树莓派上进行触控输入。
|
||
|
||
* **microSD 卡插槽(主板下方):**此卡插槽用于包含 Raspberry Pi 操作系统和文件的 microSD 卡。
|
||
|
||
在本教程的稍后部分，您将使用上面的组件来设置您的 Raspberry Pi。
|
||
|
||
### 树莓派 vs Arduino
|
||
|
||
人们经常想知道树莓派和 Arduino 之间的区别。Arduino 是另一种广泛用于物理计算的设备。虽然 Arduino 和 Raspberry Pi 的功能有一些重叠，但也有一些明显的不同。
|
||
|
||
Arduino 平台为编程[微控制器](https://en.wikipedia.org/wiki/Microcontroller)提供硬件和软件接口。微控制器是一个[集成电路](https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit)，它允许你从电子元件中读取输入并向其发送输出。Arduino 板通常内存有限，因此它们通常用于重复运行与电子设备交互的单个程序。
|
||
|
||
Raspberry Pi 是一种基于 Linux 的通用计算机。它有一个完整的操作系统和一个 GUI 界面，能够同时运行许多不同的程序。
|
||
|
||
Raspberry Pi 预装了各种软件，包括网络浏览器、办公套件、终端，甚至《我的世界》。Raspberry Pi 还内置了 Wi-Fi 和蓝牙，可以连接互联网和外部设备。
|
||
|
||
对于运行 Python 来说，Raspberry Pi 通常是更好的选择，因为您无需任何配置就可以获得完整的 Python 安装。
|
||
|
||
## 设置树莓派
|
||
|
||
不像 Arduino 只需要一根 USB 线和一台电脑来设置，Raspberry Pi 对启动和运行有更多的硬件要求。不过，在初始设置之后，其中一些外设将不再需要。
|
||
|
||
### 所需硬件
|
||
|
||
Raspberry Pi 的初始设置需要以下硬件。如果你最终通过 SSH 连接到你的 Raspberry Pi，你将在本教程的后面看到[，那么下面的一些硬件在初始设置后将不再需要。](#editing-remotely-over-ssh)
|
||
|
||
#### 监视器
|
||
|
||
在操作系统的初始设置和配置过程中，您需要一台显示器。如果您将使用 SSH 连接到您的 Raspberry Pi，那么在设置后您将不再需要监视器。确保您的显示器有 HDMI 输入。
|
||
|
||
#### micross 卡
|
||
|
||
Raspberry Pi 使用 microSD 卡来存储操作系统和文件。如果你买了一个 [Raspberry Pi kit](https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-desktop-kit/) ，那么它会包含一个预格式化的 microSD 卡供你使用。如果你单独购买 microSD 卡，那么你需要[自己格式化它](#software)。找一个至少有 16GB 容量的 microSD 卡。
|
||
|
||
#### 键盘和鼠标
|
||
|
||
在 Raspberry Pi 的初始设置期间，需要 USB 键盘和鼠标。设置完成后，如果您愿意，可以切换到使用这些外设的蓝牙版本。在本教程的后面，您将看到如何通过 SSH 连接到 Raspberry Pi。如果您选择以这种方式连接，那么在初始设置后就不需要物理键盘和鼠标了。
|
||
|
||
#### HDMI 线缆
|
||
|
||
你需要一根 HDMI 线将 Raspberry Pi 连接到显示器上。不同的 Raspberry Pi 型号有不同的 HDMI 电缆要求:
|
||
|
||
| 树莓 Pi 4 | 树莓派 3/2/1 | 树莓派零度 |
|
||
| --- | --- | --- |
|
||
| 微型 HDMI | 高清晰度多媒体接口 | 迷你 HDMI |
|
||
| 微型 HDMI 转 HDMI | HDMI 至 HDMI | 迷你 HDMI 至 HDMI |
|
||
|
||
根据您的型号，您可能需要购买特殊的 HDMI 电缆或适配器。
|
||
|
||
#### 电源
|
||
|
||
Raspberry Pi 使用 USB 连接为电路板供电。同样，不同的 Raspberry Pi 型号有不同的 USB 连接和电源要求。
|
||
|
||
以下是不同型号的连接和电源要求:
|
||
|
||
| 树莓 Pi 4 | 树莓派 3/2/1/零 |
|
||
| --- | --- |
|
||
| USB-C | 微型 USB |
|
||
| 至少 3.0 安培 | 至少 2.5 安培 |
|
||
|
||
为了避免在选择电源时出现任何混乱，建议您使用您的[树莓 Pi 4](https://www.raspberrypi.org/products/type-c-power-supply/) 或[其他型号](https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-universal-power-supply/)的官方电源。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 可选硬件
|
||
|
||
您可以在 Raspberry Pi 上使用一系列附加硬件来扩展它的功能。下面列出的硬件不是使用你的树莓派所必需的，但是手头有这些硬件会很有用。
|
||
|
||
#### 案例
|
||
|
||
为你的树莓派准备一个盒子，让它的组件在正常使用过程中不受损坏，这很好。选择盒子时，请确保您购买的是适合您的覆盆子 Pi 型号的正确类型。
|
||
|
||
#### 扬声器
|
||
|
||
如果你想用你的树莓派手机播放音乐或声音，那么你需要扬声器。这些可以是任何具有 3.5 毫米插孔的标准扬声器。您可以使用主板侧面的 [AV 插孔](#raspberry-pi-board-overview)将扬声器连接到树莓接口。
|
||
|
||
#### 散热器(推荐)
|
||
|
||
树莓派可以用一块小小的板子做大量的计算。这也是它如此牛逼的原因之一！但这确实意味着有时天气会变得有点热。建议你购买一套[散热器](https://realpython.com/asins/B07VV99H3T/)，以防止树莓派[在过热时抑制 CPU](https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_frequency_scaling) 。
|
||
|
||
### 软件
|
||
|
||
Raspberry Pi 的操作系统存储在 microSD 卡上。如果你的卡不是来自官方的 Raspberry Pi 套件，那么你需要在上面安装操作系统。
|
||
|
||
有多种方法可以在您的 Raspberry Pi 上设置操作系统。你可以在 [Raspberry Pi 网站](https://www.raspberrypi.org/documentation/installation/installing-images/README.md)上找到更多关于不同安装选项的信息。
|
||
|
||
在这一节中，您将看到安装官方支持的基于 Debian Linux 的 Raspberry Pi 操作系统的两种方法。
|
||
|
||
#### 选项 1: Raspberry Pi 成像仪(推荐)
|
||
|
||
Raspberry Pi 基金会建议您使用 **Raspberry Pi 成像仪**对 SD 卡进行初始设置。您可以从 [Raspberry Pi 下载页面](https://www.raspberrypi.org/downloads/)下载成像仪。进入此页面后，下载适用于您的操作系统的版本:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-raspberry-imager-download-page.a9aa612d04a7.png)
|
||
|
||
下载 Raspberry Pi 成像仪后，启动应用程序。您将看到一个屏幕，允许您选择要安装的操作系统以及要格式化的 SD 卡:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-raspberry-imager-initial.57777fd1db59.png)
|
||
|
||
第一次加载应用程序时会给你两个选项:*选择 OS* 和*选择 SD 卡*。选择*先选择 OS* 。
|
||
|
||
**注意:【Windows 可能会阻止 Raspberry Pi 成像仪启动，因为它是一个无法识别的应用程序。如果你收到一个弹出窗口说 *Windows 保护了你的电脑*，那么你仍然可以通过点击*更多信息*并选择*无论如何运行*来运行应用程序。**
|
||
|
||
应用程序运行时，点击*选择操作系统*按钮，选择第一个 *Raspbian* 选项:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-raspberry-imager-choose-os.ebf67f9f4e86.png)
|
||
|
||
选择 Raspbian 操作系统后，您需要选择您要使用的 SD 卡。确保您的 microSD 卡已插入电脑，点击*选择 SD 卡*，然后从菜单中选择 SD 卡:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-raspberry-imager-choose-sd-card.e7e60970473d.png)
|
||
|
||
选择操作系统和 SD 卡后，您现在可以点击 *Write* 按钮开始格式化 SD 卡并将操作系统安装到卡上。此过程可能需要几分钟才能完成:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-raspberry-imager-write.a37e0ac0d104.png)
|
||
|
||
格式化和安装完成后，您应该会看到一条消息，说明操作系统已写入 SD 卡:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-raspberry-imager-complete.fd426025f229.jpg)
|
||
|
||
您可以从电脑中弹出 SD 卡。Raspbian 现已安装在您的 SD 卡上，您可以开始将硬件连接到 Raspberry Pi 了！
|
||
|
||
#### 选项 2:安装 NOOBS 的 Raspbian】
|
||
|
||
如果出于某种原因你不能使用 Raspberry Pi 成像仪，那么你可以下载 **NOOBS** (新的开箱即用软件)并用它在 microSD 卡上安装 Raspbian。首先，前往 [NOOBS 下载页面](https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs/)下载最新版本。点击第一个 *NOOBS* 选项下方的*下载 ZIP* :
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-sd-noobs-download-page.aa6c31975f3a.png)
|
||
|
||
NOOBS 将开始在你的系统上下载。
|
||
|
||
**注意:**确保下载 NOOBS 和*而不是* NOOBS 建兴。
|
||
|
||
下载完 ZIP 文件后，将内容解压缩到计算机上的某个位置。你很快就会将这些文件复制到 SD 卡上，但首先你需要正确格式化 SD 卡。
|
||
|
||
您将使用 SD 协会的官方 **SD 存储卡格式器**。前往 [SD 协会网站](https://www.sdcard.org/downloads/formatter/)下载格式化程序。滚动到底部，下载适用于 Windows 或 macOS 的 SD 格式化程序:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-sd-noobs-formatter-download.831996ed910e.png)
|
||
|
||
下载 SD 存储卡格式化程序后，您就可以格式化 SD 卡，以便在 Raspberry Pi 上使用。
|
||
|
||
**注意:** Linux 用户可以[使用`fdisk`](http://qdosmsq.dunbar-it.co.uk/blog/2013/06/noobs-for-raspberry-pi/) 对一个 microSD 卡进行分区并格式化成所需的 **FAT32** 磁盘格式。
|
||
|
||
下载 SD 格式化程序后，打开应用程序。要格式化 SD 卡，您需要执行以下操作:
|
||
|
||
1. 将 SD 卡插入电脑。
|
||
2. 从*选择卡*下拉菜单中选择 SD 卡。
|
||
3. 点击*格式化选项*下的*快速格式化*选项。
|
||
4. 在*卷标*文本框中输入 *NOOBS* 。
|
||
|
||
以上项目完成后，点击*格式化*:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-sd-formatter-quick.03a059752921.png)
|
||
|
||
格式化卡之前，会要求您确认操作，因为这将抹掉卡上的所有数据。点击*继续*开始格式化 SD 卡。完成格式化可能需要几分钟时间:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-sd-formatter-confirm.8042a8459a59.png)
|
||
|
||
一旦格式化完成，你需要将之前解压的 NOOBS 文件复制到 SD 卡上。选择您之前提取的所有文件:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-sd-copy-noobs-select.af3f4e68922f.png)
|
||
|
||
将它们拖到 SD 卡上:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-sd-copy-noobs-drag.2ee24839e0a3.png)
|
||
|
||
现在您已经在 SD 卡上安装了 NOOBS，请从电脑中弹出该卡。你就快到了！在下一节中，您将为您的 Raspberry Pi 做最后的设置。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 最终设置
|
||
|
||
现在您已经准备好了 microSD 卡和所需的硬件，最后一步是将所有东西连接在一起并配置操作系统。让我们从连接所有外设开始:
|
||
|
||
1. 将 microSD 卡插入 Raspberry Pi 底部的卡槽。
|
||
2. 将键盘和鼠标连接到四个 USB 端口中的任何一个。
|
||
3. 使用特定于您的 Raspberry Pi 型号的 HDMI 电缆将显示器连接到其中一个 HDMI 端口。
|
||
4. 将电源连接到 USB 电源端口。
|
||
|
||
连接好外设后，打开 Raspberry Pi 的电源来配置操作系统。如果你用 Raspbian 安装了 Raspberry Pi 成像仪，那么你就没什么可做的了。您可以跳到下一节的[来完成设置。](#setup-wizard)
|
||
|
||
如果您在 SD 卡上安装了 NOOBS，那么您需要完成几个步骤来在 SD 卡上安装 Raspbian:
|
||
|
||
1. 首先，打开 Raspberry Pi 来加载 *NOOBS* 接口。
|
||
2. 然后，在要安装的软件列表中勾选 *Raspbian* 选项旁边的复选框。
|
||
3. 最后点击界面左上角的*安装*按钮，开始在 SD 卡上安装 Raspbian。
|
||
|
||
一旦安装完成，Raspberry Pi 将重新启动，您将被引导到 Raspbian 以完成安装向导。
|
||
|
||
#### 设置向导
|
||
|
||
在第一次启动时，Raspbian 会提供一个设置向导来帮助您配置密码、设置语言环境、选择 Wi-Fi 网络以及更新操作系统。继续并按照说明完成这些步骤。
|
||
|
||
一旦你完成了这些步骤，重启操作系统，你就可以开始在 Raspberry Pi 上编程 Python 了！
|
||
|
||
## 在 Raspberry Pi 上运行 Python
|
||
|
||
在 Raspberry Pi 上使用 Python 的最大好处之一就是 Python 是这个平台上的一等公民。Raspberry Pi 基金会特别选择 Python 作为主要语言，因为它功能强大、功能多样且易于使用。Python 预装在 Raspbian 上，因此您可以从一开始就做好准备。
|
||
|
||
在 Raspberry Pi 上编写 Python 有许多不同的选择。在本教程中，您将看到两种流行的选择:
|
||
|
||
* 使用**管理部门编辑器**
|
||
* 通过 **SSH** 远程编辑
|
||
|
||
让我们从使用 Mu 编辑器在 Raspberry Pi 上编写 Python 开始。
|
||
|
||
### 使用管理部门编辑器
|
||
|
||
Raspbian 操作系统附带了几个预安装的 Python IDEs，您可以使用它们来编写您的程序。其中一个 ide 就是 [Mu](https://codewith.mu/) 。它可以在主菜单中找到:
|
||
|
||
*树莓派图标→编程→ Mu*
|
||
|
||
当你第一次打开 Mu 时，你可以选择编辑器的 Python 模式。对于本教程中的代码，可以选择 *Python 3* :
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-mu-screen.e6f0139e9fcc.png)
|
||
|
||
您的 Raspbian 版本可能没有预装 Mu。如果没有安装 Mu，那么您总是可以通过转到以下文件位置来安装它:
|
||
|
||
*树莓派图标→偏好设置→推荐软件*
|
||
|
||
这将打开一个对话框，其中包含为您的树莓 Pi 推荐的软件。勾选 Mu 旁边的复选框，点击 *OK* 进行安装:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-mu-install.6088c4c2695e.png)
|
||
|
||
虽然 Mu 提供了一个很好的编辑器来帮助你在 Raspberry Pi 上开始使用 Python，但是你可能想要一些更健壮的东西。在下一节中，您将通过 SSH 连接到您的 Raspberry Pi。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 通过 SSH 远程编辑
|
||
|
||
通常你不会想花时间连接显示器、键盘和鼠标在 Raspberry Pi 上编写 Python。幸运的是，Raspbian 允许你通过 SSH 远程连接到 Raspberry Pi。在本节中，您将学习如何在 Raspberry Pi 上启用和使用 SSH 来编程 Python。
|
||
|
||
#### 启用 SSH
|
||
|
||
在通过 SSH 连接到 Raspberry Pi 之前，您需要在 Raspberry Pi *偏好设置*区域内启用 SSH 访问。通过转到以下文件路径启用 SSH:
|
||
|
||
*树莓 Pi 图标→偏好设置→树莓 Pi 配置*
|
||
|
||
出现配置后，选择接口选项卡，然后启用 SSH 选项:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/jvanschooneveld-remote-enable-ssh.e8c9053caab6.png)
|
||
|
||
您已经在 Raspberry Pi 上启用了 SSH。现在你需要获得树莓 Pi 的 IP 地址，这样你就可以从另一台电脑连接到它。
|
||
|
||
#### 确定 Raspberry Pi 的 IP 地址
|
||
|
||
要远程访问 Raspberry Pi，您需要确定本地网络上 Raspberry Pi 的 IP 地址。要确定 IP 地址，需要访问**终端**应用。您可以在此处访问终端:
|
||
|
||
*树莓派图标→配件→端子*
|
||
|
||
终端打开后，在命令提示符下输入以下内容:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~ $ hostname -I
|
||
```
|
||
|
||
这将显示您的 Raspberry Pi 的当前 IP 地址。有了这个 IP 地址，您现在可以远程连接到您的 Raspberry Pi。
|
||
|
||
#### 连接到树莓派
|
||
|
||
使用 Raspberry Pi 的 IP 地址，您现在可以从另一台计算机 SSH 到它:
|
||
|
||
```py
|
||
$ ssh pi@[IP ADDRESS]
|
||
```
|
||
|
||
在 Raspbian 安装过程中，当运行[设置向导](#setup-wizard)时，系统会提示您输入您创建的密码。如果你没有设置密码，那么默认密码是`raspberry`。输入密码，连接后您会看到 Raspberry Pi 命令提示符:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~ $
|
||
```
|
||
|
||
既然您已经知道了如何连接，您就可以开始在 Raspberry Pi 上编程 Python 了。您可以立即开始使用 Python REPL:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~ $ python3
|
||
```
|
||
|
||
键入一些 Python 来在 Raspberry Pi 上运行它:
|
||
|
||
>>>
|
||
|
||
```py
|
||
>>> print("Hello from your Raspberry Pi!")
|
||
Hello from your Raspberry Pi!
|
||
```
|
||
|
||
太棒了，你在树莓派上运行 Python！
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 创建一个`python-projects`目录
|
||
|
||
在您开始在 Raspberry Pi 上用 Python 构建项目之前，为您的代码建立一个专用目录是一个好主意。Raspberry Pi 有一个包含许多不同目录的完整文件系统。为您的 Python 代码保留一个位置将有助于保持一切井然有序并易于查找。
|
||
|
||
让我们创建一个名为`python-projects`的目录，您可以在其中存储项目的 Python 代码。
|
||
|
||
#### 使用管理部门
|
||
|
||
如果您计划使用 Mu 来完成本教程中的项目，那么您现在可以使用它来创建`python-projects`目录。要创建这个目录，您需要执行以下操作:
|
||
|
||
1. 进入*树莓 Pi 图标→编程→ Mu* 打开 Mu。
|
||
2. 点击菜单栏中的*新建*创建一个空文件。
|
||
3. 点击菜单栏中的*保存*。
|
||
4. 在目录下拉列表中导航到`/home/pi`目录。
|
||
5. 点击右上角的*新建文件夹*图标。
|
||
6. 将这个新目录命名为`python-projects`并点击 `Enter` 。
|
||
7. 点击*取消*关闭。
|
||
|
||
您已经为 Python 代码创建了一个专用目录。进入下一节，学习[与 Python 中的物理组件](#interacting-with-physical-components)交互。
|
||
|
||
#### 通过 SSH
|
||
|
||
如果您更愿意使用 SSH 来访问您的 Raspberry Pi，那么您将使用命令行来创建`python-projects`目录。
|
||
|
||
**注意:**因为您将访问 Raspberry Pi 命令行，所以您需要使用命令行文本编辑器来编辑您的项目文件。
|
||
|
||
`nano`和`vim`都预装在 Raspbian 上，可以用来编辑项目文件。你也可以[使用 VS 代码](https://medium.com/@pythonpow/remote-development-on-a-raspberry-pi-with-ssh-and-vscode-a23388e24bc7)远程编辑 Raspberry Pi 上的文件，但是需要一些设置。
|
||
|
||
让我们创建`python-projects`目录。如果您当前没有登录到 Raspberry Pi，则使用 Raspberry Pi 的 IP 地址从您的计算机 SSH 到它:
|
||
|
||
```py
|
||
$ ssh pi@[IP ADDRESS]
|
||
```
|
||
|
||
登录后，您将看到 Raspberry Pi 命令提示符:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberry:~ $
|
||
```
|
||
|
||
默认情况下，当您 SSH 进入 Raspberry Pi 时，您将从`/home/pi`目录开始。现在通过运行`pwd`来确认这一点:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberry:~ $ pwd
|
||
/home/pi
|
||
```
|
||
|
||
如果由于某种原因，您不在`/home/pi`目录中，那么使用`cd /home/pi`切换到该目录:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberry:~/Desktop $ cd /home/pi
|
||
pi@raspberry:~ $ pwd
|
||
/home/pi
|
||
```
|
||
|
||
现在在`/home/pi`目录中，创建一个新的`python-projects`目录:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberry:~ $ mkdir python-projects
|
||
```
|
||
|
||
创建了`python-projects`目录后，使用`cd python-projects`进入该目录:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberry:~ $ cd python-projects
|
||
pi@raspberry:~/python-projects $
|
||
```
|
||
|
||
太好了！您已经准备好在 Raspberry Pi 上使用 Python 编写您的第一个电路了。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
## 与物理组件交互
|
||
|
||
在本节中，您将学习如何在 Raspberry Pi 上使用 Python 与不同的物理组件进行交互。
|
||
|
||
您将使用 Raspbian 上预装的 [gpiozero](https://gpiozero.readthedocs.io/en/stable/) 库。它提供了一个易于使用的接口来与连接到 Raspberry Pi 的各种 GPIO 设备进行交互。
|
||
|
||
### 电子元件
|
||
|
||
在 Raspberry Pi 上编程之前，您需要一些电子组件来构建接下来几节中的项目。你应该可以在亚马逊或者当地的电子商店找到下面的每一件商品。
|
||
|
||
#### 试验板
|
||
|
||
构建电路时，试验板是必不可少的工具。它允许您快速制作电路原型，而无需将元件焊接在一起。
|
||
|
||
试验板遵循一般布局。在右侧和左侧，两条导轨贯穿试验板的长度。这些铁轨上的每个洞都是相连的。通常，这些被指定为正(**电压**，或 **VCC** )和负(**地**，或 **GND** )。
|
||
|
||
在大多数试验板上，**正轨**标有正号(`+`)，旁边会有一条红线。**负轨**标有负号(`-`)，旁边有一条蓝线。
|
||
|
||
在电路板内部，**元件轨道**垂直于试验板侧面的正负轨道。这些轨道中的每一个都包含用于放置组件的孔。
|
||
|
||
单条轨道上的所有孔都是相连的。中间是一个槽，将试验板的两侧分开。檐槽相对两侧的栏杆没有连接。
|
||
|
||
下图对此进行了说明:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-breadboard-layout.7b9af21ae89a.png)
|
||
|
||
在上图中，三种颜色用于标记不同类型的试验板导轨:
|
||
|
||
* **红色:**正轨
|
||
* **黑色:**负轨
|
||
* **蓝色:**部件导轨
|
||
|
||
在本教程的后面，您将使用这些不同的轨来构建连接到 Raspberry Pi 的完整电路。
|
||
|
||
#### 跳线
|
||
|
||
跳线允许您制作电路连接的原型，而不必在 GPIO 引脚和元件之间焊接路径。它们有三种不同的类型:
|
||
|
||
1. [男对男](https://realpython.com/asins/B07GJ9FLXY/)
|
||
2. [女性对男性](https://realpython.com/asins/B00PBZMN7C/)
|
||
3. [女对女](https://realpython.com/asins/B01L5ULRUA/)
|
||
|
||
在用 Python 构建 Raspberry Pi 项目时，每种类型至少有 10 到 20 个就很好了。
|
||
|
||
#### 其他组件
|
||
|
||
除了试验板和跳线，本教程中的项目还将使用以下元件:
|
||
|
||
* [发光二极管](https://realpython.com/asins/B07MNZ872G/)
|
||
* [触觉按钮](https://realpython.com/asins/B07WF76VHT/)
|
||
* [330ω电阻](https://realpython.com/asins/B07NKG5T2Q/)
|
||
* [主动压电蜂鸣器](https://realpython.com/asins/B0716FD838/)
|
||
* [被动式红外运动传感器](https://realpython.com/asins/B07KBWVJMP/)
|
||
|
||
有了所需的组件，让我们看看如何使用 GPIO 引脚将它们连接到 Raspberry Pi。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### GPIO 引脚
|
||
|
||
Raspberry Pi 沿电路板顶部边缘有 40 个 GPIO 引脚。您可以使用这些 GPIO 引脚将 Raspberry Pi 连接到外部元件。
|
||
|
||
下面的引脚布局显示了不同类型的引脚及其位置。此布局基于引脚俯视图，Raspberry Pi 的 USB 端口面向您:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-gpio-pin-layout.54a028861940.png)
|
||
|
||
Raspberry Pi 有五种不同类型的引脚:
|
||
|
||
1. **GPIO:** 这些是通用引脚，可用于输入或输出。
|
||
2. **3V3:** 这些引脚为组件提供 3.3 V 电源。3.3 V 也是所有 GPIO 引脚提供的内部电压。
|
||
3. **5V:** 这些引脚提供 5V 电源，与为 Raspberry Pi 供电的 USB 电源输入相同。无源红外运动传感器等一些器件需要 5 V 电压。
|
||
4. GND: 这些引脚为电路提供接地连接。
|
||
5. ADV: 这些特殊用途的引脚是高级的，不在本教程中讨论。
|
||
|
||
在下一节中，您将使用这些不同的引脚类型来设置您的第一个组件，一个触觉按钮。
|
||
|
||
### 触觉按钮
|
||
|
||
在第一个电路中，你要将一个触觉按钮连接到树莓派上。触觉按钮是一个电子开关，当按下时，关闭电路。当电路闭合时，Raspberry Pi 将在信号上记录一个**。你可以用这个 ON 信号来触发不同的动作。**
|
||
|
||
在这个项目中，您将使用一个触觉按钮来根据按钮的状态运行不同的 Python 功能。让我们从将按钮连接到树莓派开始:
|
||
|
||
1. 将树莓派的 **GND** 引脚的**母到公**跳线连接到试验板的**负极轨**。
|
||
2. 在试验板中间的凹槽上放置一个触摸按钮。
|
||
3. 将**公对公**跳线从试验板的**负轨**连接到按钮的**左下腿**所在的行。
|
||
4. 将树莓 Pi 的 **GPIO4** 引脚的**母到公**跳线连接到按钮的**右下腿**所在的试验板行。
|
||
|
||
您可以通过下图确认您的接线:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-tactile-button-diagram.73426bc4ec5e.jpg)
|
||
|
||
现在您已经连接好了电路，让我们编写 Python 代码来读取按钮的输入。
|
||
|
||
**注意:**如果您在寻找特定引脚时遇到困难，那么在构建电路时，请确保参考 [GPIO 引脚布局图](#gpio-pins)。你也可以[购买一个分线板](https://www.adafruit.com/product/2029)来轻松进行实验。
|
||
|
||
在您之前创建的`python-projects`目录中，保存一个名为`button.py`的新文件。如果您使用 SSH 来访问您的 Raspberry Pi，那么创建如下文件:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/ cd python-projects
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ touch button.py
|
||
```
|
||
|
||
如果您使用的是 Mu，那么按照以下步骤创建文件:
|
||
|
||
1. 点击*新建*菜单项。
|
||
2. 点击*保存*。
|
||
3. 导航到`/home/pi/python-projects`目录。
|
||
4. 将文件另存为`button.py`。
|
||
|
||
创建好文件后，您就可以开始编码了。从从`gpiozero`模块导入`Button`类开始。你还需要从`signal`模块导入`pause`。稍后你会看到为什么你需要`pause`:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import Button
|
||
from signal import pause
|
||
```
|
||
|
||
创建一个`Button`类的实例，并将 pin 号作为参数传递。在这种情况下，您使用的是 **GPIO4** 引脚，因此您将传入`4`作为参数:
|
||
|
||
```py
|
||
button = Button(4)
|
||
```
|
||
|
||
接下来，定义在`Button`实例上可用的不同按钮事件将调用的函数:
|
||
|
||
```py
|
||
def button_pressed():
|
||
print("Button was pressed")
|
||
|
||
def button_held():
|
||
print("Button was held")
|
||
|
||
def button_released():
|
||
print("Button was released")
|
||
```
|
||
|
||
`Button`类有三个事件属性:`.when_pressed`、`.when_held`和`.when_released`。这些属性可以用来连接不同的事件函数。
|
||
|
||
虽然`.when_pressed`和`.when_released`属性是不言自明的，但是`.when_held`需要一个简短的解释。如果一个函数被设置为`.when_held`属性，那么只有当按钮被按下并保持一定时间时，它才会被调用。
|
||
|
||
`.when_held`的保持时间由`Button`实例的`.hold_time`属性决定。`.hold_time`的默认值是一秒。您可以通过在创建一个`Button`实例时传递一个`float`值来覆盖它:
|
||
|
||
```py
|
||
button = Button(4, hold_time=2.5)
|
||
button.when_held = button_held
|
||
```
|
||
|
||
这将创建一个`Button`实例，该实例将在按钮被按下并保持两秒半后调用`button_held()`函数。
|
||
|
||
现在您已经了解了`Button`上的不同事件属性，将它们分别设置为您之前定义的功能:
|
||
|
||
```py
|
||
button.when_pressed = button_pressed
|
||
button.when_held = button_held
|
||
button.when_released = button_released
|
||
```
|
||
|
||
太好了！您已经设置了按钮事件。你需要做的最后一件事是调用文件末尾的`pause()`。需要调用`pause()`来保持程序监听不同的事件。如果不存在，那么程序将运行一次并退出。
|
||
|
||
您的最终程序应该是这样的:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import Button
|
||
from signal import pause
|
||
|
||
button = Button(4)
|
||
|
||
def button_pressed():
|
||
print("Button was pressed")
|
||
|
||
def button_held():
|
||
print("Button was held")
|
||
|
||
def button_released():
|
||
print("Button was released")
|
||
|
||
button.when_pressed = button_pressed
|
||
button.when_held = button_held
|
||
button.when_released = button_released
|
||
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
完成布线和设置代码后，您就可以测试您的第一个电路了。在`python-projects`目录中，运行程序:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ python3 button.py
|
||
```
|
||
|
||
如果你使用的是 Mu，首先确保文件已经保存，然后点击*运行*启动程序。
|
||
|
||
程序现在正在运行并监听事件。按下按钮，您应该会在控制台中看到以下内容:
|
||
|
||
```py
|
||
Button was pressed
|
||
```
|
||
|
||
按住按钮至少一秒钟，您应该会看到以下输出:
|
||
|
||
```py
|
||
Button was held
|
||
```
|
||
|
||
最后，当您释放按钮时，您应该会看到以下内容:
|
||
|
||
```py
|
||
Button was released
|
||
```
|
||
|
||
厉害！您刚刚在 Raspberry Pi 上使用 Python 连接并编码了您的第一个电路。
|
||
|
||
因为您在代码中使用了`pause()`,所以您需要手动停止程序。如果您正在 Mu 中运行程序，那么您可以点击*停止*来退出程序。如果你从命令行运行这个程序，那么你可以用 `Ctrl` + `C` 来停止程序。
|
||
|
||
有了第一个电路，你就可以开始控制其他一些组件了。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 发光二极管
|
||
|
||
对于您的下一个电路，您将使用 Python 使 LED 每秒闪烁一次。 **LED** 代表[发光二极管](https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode)，这些元件通上电流就会发光。你会发现它们在电子产品中无处不在。
|
||
|
||
每个 LED 都有两条腿。较长的腿是正极腿，或[阳极](https://en.wikipedia.org/wiki/Anode)。电流通过这个引脚进入 LED。较短的腿是负腿，或[阴极](https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode)。电流通过此引脚流出 LED。
|
||
|
||
电流只能沿一个方向流过 LED，因此请确保将跳线连接到 LED 的正确引脚。
|
||
|
||
以下是为该电路布线需要采取的步骤:
|
||
|
||
1. 将树莓派的 **GND** 引脚的**母到公**跳线连接到试验板的**负极轨**。
|
||
|
||
2. 将一个 **LED** 放入试验板上相邻但不在同一行的两个孔中。
|
||
|
||
3. 将 LED 的**较长的正极引脚**放入右侧的孔中。
|
||
|
||
4. 将 LED 的**较短的负极引脚**放入左侧的孔中。
|
||
|
||
5. 将**330ω电阻器**的一端放入与 LED 的**负极引脚**相同的试验板排的孔中。
|
||
|
||
6. 将电阻器的另一端放入试验板的**负极轨**
|
||
|
||
7. 将树莓 Pi 的 **GPIO4** 引脚的**母到公**跳线连接到与 LED 的**正极引脚**相同的试验板行中的孔。
|
||
|
||
您可以通过下图确认您的接线:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-led-diagram.c137a23a973d.jpg)
|
||
|
||
如果接线看起来不错，那么您就可以编写一些 Python 来让 LED 闪烁。首先在`python-projects`目录中为该电路创建一个文件。调用这个文件`led.py`:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ touch led.py
|
||
```
|
||
|
||
在这段代码中，您将创建一个`LED`类的实例，并调用它的`.blink()`方法来使 LED 闪烁。`.blink()`方法的默认超时是一秒钟。LED 将继续每秒闪烁一次，直到程序退出。
|
||
|
||
从`gpiozero`模块导入`LED`，从`signal`模块导入`pause`开始:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import LED
|
||
from signal import pause
|
||
```
|
||
|
||
接下来，创建一个名为`led`的`LED`实例。将 GPIO 引脚设置为`4`:
|
||
|
||
```py
|
||
led = LED(4)
|
||
```
|
||
|
||
在`led`上调用`.blink()`方法:
|
||
|
||
```py
|
||
led.blink()
|
||
```
|
||
|
||
最后，添加对`pause()`的调用以确保程序不会退出:
|
||
|
||
```py
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
您的完整程序应该如下所示:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import LED
|
||
from signal import pause
|
||
|
||
led = LED(4)
|
||
led.blink()
|
||
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
保存文件并运行它，查看 LED 的闪烁:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ python3 led.py
|
||
```
|
||
|
||
LED 现在应该每秒闪烁一次。当你欣赏完运行中的 Python 代码后，在 Mu 中用 `Ctrl` + `C` 或 *Stop* 停止程序。
|
||
|
||
现在你知道如何在 Raspberry Pi 上用 Python 控制 LED 了。在下一个电路中，您将使用 Python 从 Raspberry Pi 中产生声音。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 蜂鸣器
|
||
|
||
在这个电路中，你将把一个[有源压电蜂鸣器](https://en.wikipedia.org/wiki/Buzzer)连接到树莓派。当施加电流时，压电蜂鸣器发出声音。使用这个组件，您的树莓 Pi 将能够生成声音。
|
||
|
||
像发光二极管一样，蜂鸣器也有正极和负极。蜂鸣器的正极引线比负极引线长，或者蜂鸣器顶部有一个正极符号(`+`)，表示哪条引线是正极引线。
|
||
|
||
让我们继续安装蜂鸣器:
|
||
|
||
1. 在试验板上放置一个蜂鸣器，注意蜂鸣器的**正极引脚**的位置。
|
||
|
||
2. 将树莓派的 **GND** 引脚的**母到公**跳线连接到与蜂鸣器的**负极引脚**相同的试验电路板排的孔中。
|
||
|
||
3. 将树莓 Pi 的 **GPIO4** 引脚的**母到公**跳线连接到与蜂鸣器的**正极引脚**相同的试验板排的孔中。
|
||
|
||
对照下图确认您的接线:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-buzzer-diagram.63feec02381c.jpg)
|
||
|
||
设置好线路后，让我们继续看代码。在`python-projects`目录下为该电路创建一个文件。调用这个文件`buzzer.py`:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ touch buzzer.py
|
||
```
|
||
|
||
在这段代码中，您将创建一个`Buzzer`类的实例，并调用它的`.beep()`方法来使蜂鸣器发出嘟嘟声。`.beep()`方法的前两个参数是`on_time`和`off_time`。这些参数采用一个`float`值来设置蜂鸣器应该响多长时间。两者的默认值都是一秒。
|
||
|
||
从`gpiozero`模块导入`Buzzer`，从`signal`模块导入`pause`开始:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import Buzzer
|
||
from signal import pause
|
||
```
|
||
|
||
接下来，创建一个名为`buzzer`的`Buzzer`实例。将 GPIO 引脚设置为`4`:
|
||
|
||
```py
|
||
buzzer = Buzzer(4)
|
||
```
|
||
|
||
在`buzzer`上调用`.beep()`方法。将`on_time`和`off_time`参数设置为`0.5`。这将使蜂鸣器每半秒发出一次蜂鸣声:
|
||
|
||
```py
|
||
buzzer.beep(0.5, 0.5)
|
||
```
|
||
|
||
最后，添加对`pause()`的调用以确保程序不会退出:
|
||
|
||
```py
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
您的完整程序应该如下所示:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import Buzzer
|
||
from signal import pause
|
||
|
||
buzzer = Buzzer(4)
|
||
buzzer.beep(0.5, 0.5)
|
||
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
保存文件并运行它，每半秒钟听到一次蜂鸣声:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ python3 buzzer.py
|
||
```
|
||
|
||
在 Mu 中用 `Ctrl` + `C` 或 *Stop* 停止程序之前，应听到蜂鸣声时断时续。
|
||
|
||
**注意:**如果你正在使用 Mu，那么当你停止程序时，提示音有可能会继续。要停止声音，移除 GND 线以断开电路。
|
||
|
||
重新连接 GND 线时，如果声音仍然存在，您可能还需要重新启动 Mu。
|
||
|
||
太好了！到目前为止，您已经学习了如何在 Raspberry Pi 上用 Python 控制三种不同类型的电子组件。对于下一个电路，我们来看看一个稍微复杂一点的元件。
|
||
|
||
[*Remove ads*](/account/join/)
|
||
|
||
### 运动传感器
|
||
|
||
在这个电路中，你将把一个**被动红外(PIR)运动传感器**连接到树莓 Pi。被动红外运动传感器检测其视野内的任何运动，并将信号发送回 Raspberry Pi。
|
||
|
||
#### 调整传感器
|
||
|
||
使用运动传感器时，您可能需要调整它对运动的敏感度，以及在检测到运动后多长时间发出信号。
|
||
|
||
您可以使用传感器侧面的两个刻度盘进行调整。你会知道它们是哪个拨号盘，因为它们的中心有一个十字形的凹痕，可以用十字螺丝刀调整。
|
||
|
||
下图显示了运动传感器侧面的这些转盘:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-motion-sensor-dials.27c3c891726b.jpg)
|
||
|
||
如图所示，左边的转盘设置信号超时，右边的转盘设置传感器灵敏度。你可以顺时针或逆时针转动这些刻度盘来调整它们:
|
||
|
||
* **顺时针**增加超时和灵敏度。
|
||
* **逆时针**减少超时和灵敏度。
|
||
|
||
您可以根据您的项目需要调整这些，但对于本教程来说，逆时针旋转两个转盘。这将把它们设置为最低值。
|
||
|
||
**注意:**有时候，一个运动传感器和一个树莓 Pi 3 不会正确地一起工作。这导致传感器偶尔出现误报。
|
||
|
||
如果你用的是 Raspberry Pi 3，那么一定要把传感器移动到离 Raspberry Pi 尽可能远的地方。
|
||
|
||
一旦你调整好了运动传感器，你就可以设置线路了。运动传感器的设计不允许它轻易连接到试验板。你需要用跳线将 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚*直接*连接到运动传感器上的引脚。
|
||
|
||
下图显示了销在运动传感器下侧的位置:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-motion-sensor-pins.6b62eafe4656.jpg)
|
||
|
||
你可以看到有三个引脚:
|
||
|
||
1. **VCC** 为电压
|
||
2. **OUT** 用于与树莓 Pi 通信
|
||
3. **GND** 为地
|
||
|
||
使用这些引脚，您需要采取以下步骤:
|
||
|
||
1. 将**母到母**跳线从树莓 Pi 的 **5V** 引脚连接到传感器的 **VCC** 引脚。
|
||
2. 将一根**母到母**跳线从树莓 Pi 的 **GPIO4** 引脚连接到传感器的 **OUT** 引脚。
|
||
3. 从树莓 Pi 的 **GND** 引脚到传感器的 **GND** 引脚连接**母到母**跳线。
|
||
|
||
现在用下图确认接线:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-pir-diagram.9dc4edadeb1e.jpg)
|
||
|
||
将运动传感器调整好并连接到 Raspberry PI 后，让我们来看看用于检测运动的 Python 代码。首先在`python-projects`目录下为这个电路创建一个文件。调用这个文件`pir.py`:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ touch pir.py
|
||
```
|
||
|
||
该电路的代码将类似于您之前制作的[按钮电路](#tactile-button)。您将创建一个`MotionSensor`类的实例，并将 GPIO 管脚号`4`作为参数传入。然后定义两个函数，并将它们设置为`MotionSensor`实例上的`.when_motion`和`.when_no_motion`属性。
|
||
|
||
让我们看一下代码:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import MotionSensor
|
||
from signal import pause
|
||
|
||
motion_sensor = MotionSensor(4)
|
||
|
||
def motion():
|
||
print("Motion detected")
|
||
|
||
def no_motion():
|
||
print("Motion stopped")
|
||
|
||
print("Readying sensor...")
|
||
motion_sensor.wait_for_no_motion()
|
||
print("Sensor ready")
|
||
|
||
motion_sensor.when_motion = motion
|
||
motion_sensor.when_no_motion = no_motion
|
||
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
`motion()`被设置为`.when_motion`属性，并在传感器检测到运动时调用。`no_motion()`被设置为`.when_no_motion`属性，并在运动停止一段时间后被调用。该时间由传感器侧面的[超时刻度盘](#adjusting-the-sensor)决定。
|
||
|
||
您会注意到，在设置`.when_motion`和`.when_no_motion`属性之前，在`MotionSensor`实例上有一个对`.wait_for_no_motion()`的调用。该方法将暂停代码的执行，直到运动传感器不再检测到任何运动。这是为了使传感器忽略程序启动时可能出现的任何初始运动。
|
||
|
||
**注意:**运动传感器有时可能过于敏感或不够敏感。如果您在运行上面的代码时在控制台中看到不一致的结果，那么请确保检查所有的连接都是正确的。您可能还需要调整传感器上的灵敏度旋钮。
|
||
|
||
如果您的结果在控制台中被延迟，那么尝试下调`MotionSensor`实例上的`.threshold`属性。默认值为 0.5:
|
||
|
||
```py
|
||
pir = MotionSensor(4, threshold=0.2)
|
||
```
|
||
|
||
这将减少激活传感器所需的运动量。关于`MotionSensor`类的更多信息，参见 [gpiozero 文档](https://gpiozero.readthedocs.io/en/stable/api_input.html#motionsensor-d-sun-pir)。
|
||
|
||
保存代码并运行它来测试您的运动检测电路:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ python3 pir.py
|
||
Readying sensor...
|
||
Sensor ready
|
||
```
|
||
|
||
在传感器前挥动你的手。当第一次检测到运动时，调用`motion()`,控制台显示以下内容:
|
||
|
||
```py
|
||
Motion detected
|
||
```
|
||
|
||
现在不要在传感器前挥动你的手。几秒钟后，将显示以下内容:
|
||
|
||
```py
|
||
Motion stopped
|
||
```
|
||
|
||
太好了！你现在可以用你的树莓皮来探测运动了。一旦你完成了对你的树莓的挥手，继续在命令行中点击 `Ctrl` + `C` 或者在 Mu 中按 *Stop* 来终止程序。
|
||
|
||
通过这个最后的电路，您已经学会了如何在 Raspberry Pi 上使用 Python 来控制四个不同的组件。在下一节中，您将在一个完整的项目中将所有这些联系在一起。
|
||
|
||
## 建立一个运动激活报警系统
|
||
|
||
现在，您已经有机会将 Raspberry Pi 连接到各种输入和输出，您将创建一个使用您目前所学内容的项目。
|
||
|
||
在这个项目中，您将构建一个运动激活报警系统，当它检测到房间中的运动时，会闪烁 LED 并发出警报。在此基础上，您将使用 [Python 将时间戳保存到 CSV 文件](https://realpython.com/python-csv/)中，详细记录每次运动发生的时间。
|
||
|
||
### 布线
|
||
|
||
以下是完成接线的步骤:
|
||
|
||
1. 将树莓派的 **5V** 和 **GND** 引脚的**母到公**跳线连接到试验板侧面的**正极**和**负极**轨道。
|
||
|
||
2. 将 **LED** 放在试验板上，用**母到公**跳线将树莓 Pi 的 **GPIO14** 引脚连接到 LED。
|
||
|
||
3. 通过一个**330ω电阻**将 **LED 的负极引脚**连接到试验板的**负极轨**。
|
||
|
||
4. 将**蜂鸣器**放在试验板上，用**母到公**跳线将树莓 Pi 的 **GPIO15** 引脚连接到蜂鸣器。
|
||
|
||
5. 用一根**凸对凸**跳线将**蜂鸣器的负极脚**连接到试验板的**负极轨**。
|
||
|
||
6. 从试验板的**正极轨**到传感器的 **VCC** 引脚连接一根**母到公**跳线。
|
||
|
||
7. 将一根**母到母**跳线从树莓 Pi 的 **GPIO4** 引脚连接到传感器的 **OUT** 引脚。
|
||
|
||
8. 将**母到公**跳线从试验板的**负轨**连接到传感器的 **GND** 引脚。
|
||
|
||
根据下图确认接线:
|
||
|
||
[](https://files.realpython.com/media/python-raspberry-pi-full-project-diagram.17f40243a32d.jpg)
|
||
|
||
好了，现在你已经连接好了电路，让我们深入研究 Python 代码来设置你的运动激活报警系统。
|
||
|
||
### 代码
|
||
|
||
像往常一样，首先在`python-projects`目录中为这个项目创建一个文件。对于这个项目，调用这个文件`motion_detector.py`:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ touch motion_detector.py
|
||
```
|
||
|
||
您要做的第一件事是导入`csv`模块，以便在检测到运动时保存时间戳。另外，从 [`pathlib`](https://realpython.com/python-pathlib/) 模块导入`Path`，这样你就可以引用你的 CSV 文件了:
|
||
|
||
```py
|
||
import csv
|
||
from pathlib import Path
|
||
```
|
||
|
||
接下来，从[的`datetime`模块](https://realpython.com/python-datetime/)中导入`datetime`，这样您就可以创建运动事件的时间戳:
|
||
|
||
```py
|
||
from datetime import datetime
|
||
```
|
||
|
||
最后，从`gpiozero`导入所需的组件类，并从`signal`模块导入`pause`:
|
||
|
||
```py
|
||
from gpiozero import LED, Buzzer, MotionSensor
|
||
from signal import pause
|
||
```
|
||
|
||
导入准备就绪后，您可以设置将要使用的三个电子组件。创建`LED`、`Buzzer`和`MotionSensor`类的实例。对于其中的每一个，将它们的 pin 号作为参数传入:
|
||
|
||
```py
|
||
led = LED(14)
|
||
buzzer = Buzzer(15)
|
||
motion_sensor = MotionSensor(4)
|
||
```
|
||
|
||
接下来，定义 CSV 文件的位置，该文件将在每次检测到运动时存储时间戳。你就叫它`detected_motion.csv`。创建一个字典来保存将写入 CSV 的时间戳值:
|
||
|
||
```py
|
||
output_csv_path = Path("detected_motion.csv")
|
||
motion = {
|
||
"start_time": None,
|
||
"end_time": None,
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
创建一个将时间戳数据保存到 CSV 文件的方法。首次创建文件时，会添加一个标题行:
|
||
|
||
```py
|
||
def write_to_csv():
|
||
first_write = not output_csv_path.is_file()
|
||
|
||
with open(output_csv_path, "a") as file:
|
||
field_names = motion.keys()
|
||
writer = csv.DictWriter(file, field_names)
|
||
if first_write:
|
||
writer.writeheader()
|
||
writer.writerow(motion)
|
||
```
|
||
|
||
定义一个`start_motion()`函数。该函数将有几个行为:
|
||
|
||
* 开始每半秒闪烁一次`led`
|
||
* 使`buzzer`发出嘟嘟声
|
||
* 将`start_time`时间戳保存到`motion`字典中
|
||
|
||
添加对`print()`的调用，这样您就可以在程序运行时观察事件的发生:
|
||
|
||
```py
|
||
def start_motion():
|
||
led.blink(0.5, 0.5)
|
||
buzzer.beep(0.5, 0.5)
|
||
motion["start_time"] = datetime.now()
|
||
print("motion detected")
|
||
```
|
||
|
||
然后定义一个具有以下行为的`end_motion()`函数:
|
||
|
||
* 关闭`led`和`buzzer`
|
||
* 保存`end_time`时间戳
|
||
* 调用`write_to_csv()`将运动数据保存到 CSV 文件
|
||
* 重置`motion`字典
|
||
|
||
您还将在运行任何其他代码之前检查一个`motion["start_time"]`值是否存在。如果记录了一个`start_time`时间戳，您只希望写入 CSV:
|
||
|
||
```py
|
||
def end_motion():
|
||
if motion["start_time"]:
|
||
led.off()
|
||
buzzer.off()
|
||
motion["end_time"] = datetime.now()
|
||
write_to_csv()
|
||
motion["start_time"] = None
|
||
motion["end_time"] = None
|
||
print("motion ended")
|
||
```
|
||
|
||
添加对`.wait_for_no_motion()`的调用，以便忽略任何初始运动:
|
||
|
||
```py
|
||
print("Readying sensor...")
|
||
motion_sensor.wait_for_no_motion()
|
||
print("Sensor ready")
|
||
```
|
||
|
||
在`MotionSensor`实例上设置`.when_motion`和`.when_no_motion`属性:
|
||
|
||
```py
|
||
motion_sensor.when_motion = start_motion
|
||
motion_sensor.when_no_motion = end_motion
|
||
```
|
||
|
||
最后，通过调用`pause()`来结束代码，以保持程序运行。完整的 Python 代码应该如下所示:
|
||
|
||
```py
|
||
import csv
|
||
from pathlib import Path
|
||
from datetime import datetime
|
||
from gpiozero import LED, Buzzer, MotionSensor
|
||
from signal import pause
|
||
|
||
led = LED(14)
|
||
buzzer = Buzzer(15)
|
||
motion_sensor = MotionSensor(4)
|
||
|
||
output_csv_path = Path("detected_motion.csv")
|
||
motion = {
|
||
"start_time": None,
|
||
"end_time": None,
|
||
}
|
||
|
||
def write_to_csv():
|
||
first_write = not output_csv_path.is_file()
|
||
|
||
with open(output_csv_path, "a") as file:
|
||
field_names = motion.keys()
|
||
writer = csv.DictWriter(file, field_names)
|
||
if first_write:
|
||
writer.writeheader()
|
||
writer.writerow(motion)
|
||
|
||
def start_motion():
|
||
led.blink(0.5, 0.5)
|
||
buzzer.beep(0.5, 0.5)
|
||
motion["start_time"] = datetime.now()
|
||
print("motion detected")
|
||
|
||
def end_motion():
|
||
if motion["start_time"]:
|
||
led.off()
|
||
buzzer.off()
|
||
motion["end_time"] = datetime.now()
|
||
write_to_csv()
|
||
motion["start_time"] = None
|
||
motion["end_time"] = None
|
||
print("motion ended")
|
||
|
||
print("Readying sensor...")
|
||
motion_sensor.wait_for_no_motion()
|
||
print("Sensor ready")
|
||
|
||
motion_sensor.when_motion = start_motion
|
||
motion_sensor.when_no_motion = end_motion
|
||
|
||
pause()
|
||
```
|
||
|
||
保存文件并运行它来测试您的新运动检测器警报:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ python3 motion_detector.py
|
||
Readying sensor...
|
||
Sensor ready
|
||
```
|
||
|
||
现在，如果你在运动检测器前挥动你的手，那么蜂鸣器应该开始发出蜂鸣声，LED 应该闪烁。如果你停止移动几秒钟，警报就会停止。在控制台中，您应该看到以下内容:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ python3 motion_detector.py
|
||
Readying sensor...
|
||
Sensor ready
|
||
motion detected
|
||
motion ended
|
||
motion detected
|
||
motion ended
|
||
...
|
||
```
|
||
|
||
用 Mu 中的*停止*或 `Ctrl` + `C` 停止程序。让我们来看看生成的 CSV 文件:
|
||
|
||
```py
|
||
pi@raspberrypi:~/python-projects $ cat detected_motion.csv
|
||
start_time,end_time
|
||
2020-04-21 10:53:07.052609,2020-04-21 10:53:13.966061
|
||
2020-04-21 10:56:56.477952,2020-04-21 10:57:03.490855
|
||
2020-04-21 10:57:04.693970,2020-04-21 10:57:12.007095
|
||
```
|
||
|
||
如您所见，运动的`start_time`和`end_time`的时间戳已经添加到 CSV 文件中。
|
||
|
||
恭喜你！您已经在 Raspberry Pi 上用 Python 创建了一个重要的电子项目。
|
||
|
||
### 接下来的步骤
|
||
|
||
你不必停在这里。通过在 Raspberry Pi 上利用 Python 的功能，有很多方法可以改进这个项目。
|
||
|
||
以下是提升这个项目的一些方法:
|
||
|
||
* 连接 [Raspberry Pi 摄像头模块](https://www.raspberrypi.org/products/camera-module-v2/)并让其在检测到运动时拍照。
|
||
|
||
* 将扬声器连接到树莓 Pi，并使用 [PyGame](https://realpython.com/pygame-a-primer/#sound-effects) 播放声音文件来恐吓入侵者。
|
||
|
||
* 在电路中添加一个按钮，允许用户手动开启或关闭运动检测。
|
||
|
||
有很多方法可以升级这个项目。让我们知道你想出了什么！
|
||
|
||
## 结论
|
||
|
||
树莓派是一个神奇的计算设备，而且越来越好。它的众多特性使其成为物理计算的首选设备。
|
||
|
||
**在本教程中，您已经学会了如何:**
|
||
|
||
* 设置一个 **Raspberry Pi** 并在上面运行 Python 代码
|
||
* 从**传感器**读取输入
|
||
* 将输出发送到**电子元件**
|
||
* 在 Raspberry Pi 上使用 Python 构建一个很酷的项目
|
||
|
||
Python 是 Raspberry Pi 的完美补充，利用您所学到的技能，您已经准备好处理酷的和创新的物理计算项目。我们迫不及待地想听听你的作品！********** |