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第1章 Raspberry Pi?Arduino與智能家居

本章內(nèi)容是關(guān)于Raspberry Pi?Arduino和智能家居的基本介紹?

我們將介紹Raspberry Pi的發(fā)展歷程，也會介紹Arduino這種開源的微控制器平臺，它讓開發(fā)者得以方便地連接各種傳感器和電機(jī)，與周圍環(huán)境交互?

介紹智能家居的一些背景知識，并展示如何通過使用Raspberry Pi這樣的設(shè)備，結(jié)合開源社區(qū)的軟件，構(gòu)造一個復(fù)雜的基于傳感器的系統(tǒng)?

讓我們首先來關(guān)注一下在接下來的幾章中會提及的內(nèi)容?

1.1 本書將要展示的內(nèi)容

我們擁有大量令人興奮的項(xiàng)目，通過使用Raspberry Pi及Arduino技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這些項(xiàng)目，可以逐步幫助你了解智能家居?這些項(xiàng)目包括:

●編寫軟件來控制硬件

●使用熱敏電阻來制作溫度計

●通過繼電器使溫度計變成恒溫器

●使用電機(jī)驅(qū)動板來控制電機(jī)

●編寫軟件，把項(xiàng)目中傳感器數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲

通過閱讀本書的所有章節(jié)，你將能夠獲得為智能家居項(xiàng)目搭建電路和硬件的基本知識?你還將會學(xué)到如何編寫程序創(chuàng)建一個項(xiàng)目，這個項(xiàng)目可以在控制你的設(shè)備的同時，記錄所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)?，我們期待在未來你能用學(xué)到的新技術(shù)開發(fā)更多的項(xiàng)目?

首先，我們來初步了解將要使用的技術(shù)的背景?首先從Raspberry Pi開始?

1.2 Raspberry Pi的歷史和背景

從及時臺真空管計算機(jī)，到20世紀(jì)60年代的磁帶和穿孔卡片機(jī)，再到70年代的及時臺擁有微處理器的大型機(jī)，大型商業(yè)機(jī)構(gòu)和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)一直保持著對計算機(jī)的研究?然而，70年代后期，隨著蘋果二代(Apple II)的，以及更早期電視打字機(jī)和蘋果一代這類科技的積淀，這種現(xiàn)狀迅速改變?

隨著80年代的到來，公眾看到了ZX Spectrum和Commodore 64這類低價家用計算機(jī)沖擊大眾市場，從而涌現(xiàn)新一代業(yè)余程序設(shè)計員?到90年代，這些自己搗鼓家用計算機(jī)和寫B(tài)ASIC語言的業(yè)余程序設(shè)計員慢慢長大，后來進(jìn)入學(xué)術(shù)界或計算機(jī)產(chǎn)業(yè)，通過游戲?網(wǎng)絡(luò)?開源?商業(yè)技術(shù)的開發(fā)掀起了網(wǎng)絡(luò)熱潮?

從很多方面來看，Raspberry Pi的創(chuàng)始也和這股網(wǎng)絡(luò)熱潮有關(guān)?2006年，在劍橋大學(xué)計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室里，一群由Eben Upton領(lǐng)導(dǎo)的計算機(jī)科學(xué)家執(zhí)著于制造一種面向業(yè)余計算機(jī)發(fā)燒友?初露頭角的學(xué)生和孩子們的廉價但具有教育功能的微型計算機(jī)?他們的目標(biāo)是讓那些即將從大學(xué)畢業(yè)的學(xué)習(xí)計算機(jī)的學(xué)生可以具備更多90年代后才出現(xiàn)的計算機(jī)技能，這當(dāng)然離不開80年代家用計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)?

然而，兩年之后這個項(xiàng)目才得以實(shí)施?直到2012年，Raspberry Pi才向公眾?

20世紀(jì)，移動計算技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，這主要得益于智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起?到2005年，一家前身為80年代家用計算機(jī)制造商Acorn的英國公司，推出了ARM CPU內(nèi)核?目前隨著ARM的發(fā)展，98%的手機(jī)內(nèi)核技術(shù)都由該公司提供，其每年約向世界提供10億CPU內(nèi)核?Raspberry Pi使用的正是ARM公司提供的ARM1176JZF-S處理器內(nèi)核?

與此同時，Eben Upton為Raspberry Pi做出過很多設(shè)想，直到2008年，得益于移動電話技術(shù)無孔不入的滲透和快速發(fā)展，制造一臺小型且輕便，但擁有許多普通大眾習(xí)慣使用的多媒體功能的微型計算機(jī)的成本才變得不再高不可攀?

因此，Raspberry Pi基金會正式成立，并且開始開發(fā)?生產(chǎn)Raspberry Pi?

到2011年，及時個內(nèi)部測試模型被制造出來并開始進(jìn)入測試流程?公眾最終看到了Raspberry Pi的強(qiáng)大能力?

這臺小小的低價計算機(jī)可以運(yùn)行游戲《雷神之錘Ⅲ》和播放1080P全高清視頻?

2012年，Raspberry Pi最終向公眾開放購買?兩種型號的Raspberry Pi(A型和B型)開始按計劃投入生產(chǎn)，B型首先?

A型Paspberry Pi沒有以太網(wǎng)接口，但與B型相比，它的功耗更低，并且售價僅為25美元?

B型擁有以太網(wǎng)接口，售價為35美元?它首先在中國生產(chǎn)，隨后移至英國，由索尼公司接手生產(chǎn)?

經(jīng)歷許多挫折(如早期成品被安裝了錯誤的以太網(wǎng)接口)，通過一系列法規(guī)的認(rèn)證之后，Raspberry Pi終于漂洋過海到達(dá)全球科技發(fā)燒友的手中?

那么，到底你手中的B型Raspberry Pi都包括些什么呢?

1.3 Raspberry Pi硬件說明

我們將簡單介紹組成Raspberry Pi的核心組件來幫助你更好地體會它所擁有的功能?

Raspberry Pi的核心是博通(Broadcom)公司出產(chǎn)的BCM2835處理器——一種用于移動及嵌入式設(shè)備的多媒體應(yīng)用處理器?

在此基礎(chǔ)上，它還包括許多用于支持USB?RCA接口和SD卡的其他配件?

現(xiàn)在我們來了解Raspberry Pi主板上的一部分核心組件?圖1.1中標(biāo)明了一些核心組件，隨后是各部分的說明?

規(guī) 格

Raspberry Pi體積很小，外形只有85.60mm53.98mm17mm，重量僅為45g?這讓它非常適合用于智能家居，因?yàn)樗梢员环旁谝粋€小盒子里，安裝在配電箱里，或者直接取代墻上的恒溫器?

3.5mm模擬音頻接口

通過3.5mm模擬音頻接口，你可以把耳機(jī)和音箱連接至Raspberry Pi?這對基于音頻?媒體播放器的項(xiàng)目尤其有用?

復(fù)合RCA視頻接口

你也許已經(jīng)對連接DVD播放器和電視機(jī)的復(fù)合電纜很熟悉了，它們通常連著紅色?白色和黃色之類的插頭?Raspberry Pi有一個可以連接電視機(jī)黃色視頻電纜的接口，你可以用它連接電視機(jī)，把電視機(jī)作為屏幕?

兩個USB 2.0和一個Micro USB接口

USB是計算機(jī)連接外設(shè)和存儲裝置的最普遍的方法?Raspberry Pi有兩個USB接口，你可以用它們來連接鍵盤和鼠標(biāo)?一個Micro USB接口用于給Raspberry Pi供電?

HDMI接口

HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒體接口)可以讓Raspberry Pi連接支持此項(xiàng)技術(shù)的高清晰度電視機(jī)和顯示屏?它可以取代復(fù)合RCA視頻接口和音頻接口?

如果想用Raspberry Pi在電視機(jī)上播放網(wǎng)絡(luò)音樂或視頻，推薦你使用HDMI接口?

SD卡槽

SD卡是Raspberry Pi上數(shù)據(jù)的最主要的存儲方式?我們需要把操作系統(tǒng)安裝在SD卡上，并且把它當(dāng)作硬盤來使用?當(dāng)然，也可以通過USB接口的外置存儲設(shè)備來擴(kuò)展Raspberry Pi的存儲能力?

與GPU共享的256MB/512MB內(nèi)存

老款B型Raspberry Pi擁有256MB的SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態(tài)隨即存取存儲器)，而新型號擁有512MB?與擁有千兆字節(jié)(Gigabyte)內(nèi)存的個人計算機(jī)相比，這個容量并不是很大?但是，對于我們要開發(fā)的應(yīng)用來說，256MB和512MB的存儲容量已經(jīng)足夠?

CPU

在本章的開頭，我們介紹過ARM——一家提供CPU(Central Processor Unit，中央處理器)內(nèi)核的英國公司?Raspberry Pi裝備有一塊700MHz?擁有ARM1176JZF-S內(nèi)核的CPU，它是ARM11 32位多核處理器家族的一員?

CPU是Raspberry Pi的主要組成部分，通過執(zhí)行計算機(jī)程序指令來進(jìn)行數(shù)學(xué)?邏輯運(yùn)算?

Raspberry Pi所使用的ARM11系列處理器，在iPhone?亞馬遜Kindle和三星Galaxy系列手機(jī)里都有使用?

GPU

GPU(Graphics-Processing Unit，圖形處理器)是一種專用芯片，用來加速圖像計算的操作?

Raspberry Pi配備了博通VideoCore IV圖像處理器，可以支持OpenGL應(yīng)用的硬件加速回放?

如果想要在你的Raspberry Pi玩游戲?播放視頻，或者使用Blender這樣的開源3D圖像應(yīng)用，圖形處理器就將發(fā)揮極大的作用?

以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)接口是Raspberry Pi連接其他設(shè)備及訪問Internet的主要途徑?你可以使用Raspberry Pi的以太網(wǎng)接口連接正在用于上網(wǎng)的家用路由器或設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)?

GPIO

Raspberry Pi上的GPIO(General Purpose Input/Output，通用輸入輸出)引腳主要用于連接其他電路板，如Arduino?

顧名思義，GPIO引腳能夠接收與輸入輸出有關(guān)的控制命令，可以在Raspberry Pi上進(jìn)行編程來發(fā)出這些控制命令?

Arduino擴(kuò)展板可以將GPIO引腳連接到Arduino，這讓我們能夠把設(shè)備傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳回Raspberry Pi?這一點(diǎn)在智能家居中尤其實(shí)用，因?yàn)槿藗兌枷Ｍㄟ^運(yùn)行著操作系統(tǒng)的Raspberry Pi來存儲數(shù)據(jù)或操作電機(jī)?

以上內(nèi)容大概講解了Raspberry Pi的技術(shù)功能，下面我們將關(guān)注Arduino，以及如何使兩種技術(shù)(Raspberry Pi和Arduino)通過GPIO引腳進(jìn)行連接?

1.4 Arduino的歷史與背景

Arduino是市場上使用最廣泛的開源硬件產(chǎn)品之一，它早期屬于Wiring開源平臺的分支，由Massimo Banzi和David Cuartielles于2005年在意大利開發(fā)?Arduino是一項(xiàng)開源硬件技術(shù)，還包括編程語言和IDE(Integrated Development Environment，集成開發(fā)環(huán)境)?

Arduino平臺允許用戶通過其同名的編程語言來創(chuàng)建自定義硬件和開發(fā)應(yīng)用?

目前，市場上有許多不同大小?不同組件組成的主板模塊?如Lilly Pad可以讓發(fā)燒友們把Arduino主板集成在衣物上，這是可穿戴電子的概念?這些主板支持各種各樣的擴(kuò)展板(Shield)—— 一種可以與Arduino兼容的電路板，它可以插在主板上并擴(kuò)展其功能?其中，使用以太網(wǎng)擴(kuò)展版和無線Xbee裝置來連接家用網(wǎng)絡(luò)和Internet就是一種獨(dú)特的擴(kuò)展功能? ……