项目一 智能小夜灯 - 任务二

《传感器应用》主讲教师：XXX

项目一智能小夜灯PART01※光敏电阻传感器选型与检测※使用树莓派前工作01※点亮智能小夜灯认识光敏传感器的种类和特性01掌握Python开发环境的搭建03认识常见的树莓派开发板电路02掌握Python调用GPIO库方法04学习目标objectiveTASKTWO任务二使用树莓派前工作4任务要求储备知识任务实施任务目标231在了解树莓派开发板的基本知识后，使用树莓派中的Linux操作系统进行简单的命令使用。任务要求4任务要求储备知识任务实施任务目标231TASKTWO任务二使用树莓派前工作01.了解树莓派开发板02.了解Linux操作系统03.掌握树莓派操作系统安装任务目标4任务要求储备知识任务实施任务目标231TASKTWO任务二使用树莓派前工作01.认识树莓派02.认识树莓派与传感器03.认识Linux操作系统04.了解树莓派与Linux关系储备知识01.认识树莓派树莓派它由注册于英国的慈善组织“RaspberryPi基金会”开发，Eben•Upton/埃本•阿普顿为项目带头人。2012年3月，英国剑桥大学埃本•阿普顿（EbenEpton）正式发售世界上最小的台式机，又称卡片式电脑。“麻雀虽小，五脏俱全”——树莓派一台最简单的电脑，因为它包含了基本电脑所有的硬件结构，如硬盘TF卡（ROM）、内存（RAM）、中央处理器（CPU）、蓝牙、WIFI等，接口方面它有USB接口、网线接口、HDMI接口等，可连接鼠标、键盘、网线。这样的一台微型电脑它的体积仅仅只有一个比信用卡大点的大小。图：常见的树莓派树莓派同时也具备了电脑的基本软件功能，只需接上显示器和输入输出设备，即可执行。它最为核心的作用就是作为开发应用和它的扩展性，可以方便的通过树莓派学习嵌入式应用程序开发、传感器应用的开发。电子表格文字处理播放视频播放音乐作为学习者或者开发者要做的就是接上电源、显示器、鼠标、键盘，将安装操作系统至TF卡中，就可以开始使用树莓派进行传感器应用的开发，截止目前树莓派已经衍生出各种版本，如上表。型号CPU内存以太网无线蓝牙RaspberryPiA+700MHZ512MB无无无RaspberryPiB+700MHZ512MB有无无RaspberryPi2B900MHZ1GB有无无RaspberryPi3B+1400MHZ1GB有有有RaspberryPi4B1500MHZ4GB有有有RaspberryPiZero1000MHZ512MB有无无RaspberryPiW1000MHZ512MB无有有RaspberryPiModelA+是树莓派的低成本版本。RaspberryPiModelB+是原始树莓派的最终修订版。它有512MBRAM（截至2016年8月：早期型号有256MB），一个USB端口，40个GPIO引脚，没有以太网端口。它有512MBRAM（截至2016年8月：早期型号有256MB），一个USB端口，40个GPIO引脚，没有以太网端口。RaspberryPi4ModelB在2019年6月发布。使用1.5GHz64位4核ArmCortex-A72处理器,内存有不同大小的版本(2GB,4GB,8GB),千兆有线网络口,集成了802.11ac/n无线网络和5.0版本蓝牙.初始发布的版本使用的是1GB内存,后续使用2GB代替但价格不变，如右图所示。教材中所使用的版本为树莓派4B的最新版本，它所包含的接口与数据也是最完整的，但是所对应的价格也是最贵的。图：树莓派4B02.认识树莓派与传感器树莓派由于本身的扩展性与简单易用的特性，有越来越多的学生开始使用树莓派进行程序开发的学习。树莓派尤其在扩展连接硬件传感器等方面有着很大的优势，与传感器连接的方式叫“GPIO”就是通用型之输入输出的简称，他的功能与单片机的IO口类似，如P1、P2、P3口这样，它的连接方式如图所示。图：树莓派连接传感器03.认识Linux操作系统Linux系统是世界上使用最为广泛的开源操作系统之一。Linux，全称GNU/Linux，是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，是一个基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。系统简介伴随着互联网的发展，Linux得到了来自全世界软件爱好者、组织、公司的支持。它除了在服务器方面保持着强劲的发展势头以外，在个人电脑、嵌入式系统上都有着长足的进步。使用者不仅可以直观地获取该操作系统的实现机制，而且可以根据自身的需要来修改完善Linux，使其最大化地适应用户的需要。Linux不仅系统性能稳定，而且是开源软件。其核心防火墙组件性能高效、配置简单，保证了系统的安全。在很多企业网络中，为了追求速度和安全，Linux不仅仅是被网络运维人员当作服务器使用，它还被当作服务器，甚至当作网络防火墙，这是Linux的一大亮点。Linux具有开放源码、没有版权、技术社区用户多等特点，开放源码使得用户可以自由裁剪，灵活性高，功能强大，成本低。尤其系统中内嵌网络协议栈，经过适当的配置就可实现路由器的功能。这些特点使得Linux成为开发人工智能、机器人等开发平台。图：当下流行的Linux发行版本Linux操作系统的特点其中第一条详细来讲就是系统中的所有都归结为一个文件，包括命令、硬件和软件设备、操作系统、进程等等对于操作系统内核而言，都被视为拥有各自特性或类型的文件。至于说Linux是基于Unix的，很大程度上也是因为这两者的基本思想十分相近。基本思想每个文件都有确定的用途Linux基本思想一切都是文件完全免费图：各种类型的开源社区Linux一款免费的操作系统用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。这是其他的操作系统所做不到的。正是由于这一点，来自全世界的无数程序员参与了Linux的修改、编写工作，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大。完全兼容POSIX1.0标准这使得可以在Linux下通过相应的模拟器运行常见的DOS、Windows的程序。这为用户从Windows转到Linux奠定了基础。许多用户在考虑使用Linux时，就想到以前在Windows下常见的程序是否能正常运行，这一点就消除了他们的疑虑。多用户、多任务Linux支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权利，保证了各用户之间互不影响。多任务则是现代电脑最主要的一个特点，Linux可以使多个程序同时并独立地运行。良好的界面在字符界面用户可以通过键盘输入相应的指令来进行操作。它同时也提供了类似Windows图形界面的X-Window系统，用户可以使用鼠标对其进行操作。在X-Window环境中就和在Windows中相似，可以说是一个Linux版的Windows。图：Ubuntu操作系统画面Linux具有字符界面和图形界面。支持多种平台Linux可以运行在多种硬件平台上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等处理器的平台。此外Linux还是一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上电脑、机顶盒或游戏机上。2001年1月份发布的Linux2.4版内核已经能够完全支持Intel64位芯片架构。同时Linux也支持多处理器技术。多个处理器同时工作，使系统性能大大提高，图：Linux系统应用在各个设备开源开放所有硬件设计以及源代码，开发者可以在GitHub等开源社区免费获取资料及源代码，并可以在其中的基础上加以改进与开发。因为开源文化的普及使得软件技术得到了加速的发展，Android系统（安卓）就是一个典型的开源系统，所以吸引了很多的开发者为其开发软件。知识补充GitHub（开源软件平台）GitHub是一个开源的托管服务，有点像代码的云。它以各种不同的编程语言托管您的源代码项目，并跟踪每次迭代所做的各种更改。该服务可以通过使用git（一种在命令行界面中运行的修订控制系统）来完成此操作。04.了解树莓派与Linux关系树莓派是新兴的开放的硬件平台，Linux是使用最广泛的操作系统。两者可以完美的结合在一起，在树莓派的硬件上可以安装各种的Linux发行版本。如表所示。系统名称系统简介Raspbian官方的树莓派操作系统，Raspbian是专门用于ARM卡片式计算机RaspberryPi的操作系统,Raspbian系统是Debian7.0/wheezy的定制版本。KaliLinux把树莓派变成攻击黑客渗透平台，kalilinux是基于Debian的Linux发行版，设计用于数字取证和渗透测试和黑客攻防小盒子。由OffensiveSecurityLtd维护和资助。最先由OffensiveSecurity的MatiAharoni和DevonKearns通过重写BackTrack来完成，BackTrack是他们之前写的用于取证的Linux发行版。UbuntuMATE把树莓派变成通用计算机，UbuntuMATE的树莓派定制版是值得安装的非常不错的轻量级发行版。它还被广泛用于NVIDIA的JetsonNano。UbuntuServer把树莓派变成Linux服务器来使用，UbuntuServer有32位和64位的镜像。你可以根据你的板卡类型（是否支持64位）来选择对应的操作系统。注意的一点是UbuntuServer不是为桌面用户定制的。因此，你需要留意UbuntuServer默认不会安装图形用户界面。MozillaWebThingsGateway把树莓派作为IoT物联网设备使用，作为Mozilla的IoT设备的开源实现的一部分，WebThingsGateway让你可以监控和控制所有连接的IoT设备。LakkaLinux把树莓派变成复古的游戏主机，发行版本最初是建立在RetroArch模拟器上的。因此，你可以立刻在树莓派上获得所有的复古游戏。表：树莓派支持的操作系统截止目前，树莓派的操作系统不仅仅只有表中的几种，在网络上还有其他类型和作用的操作系统并且完美适配树莓派硬件，但是这些系统的内核最终还是使用Linux内核，只是在软件功能上为了不同的目的而开发了不同发行版本的操作系统。教材使用的操作系统为树莓派官方的操作系统“Raspbian”，它是一款适合初学者入门的操作系统，它的安装系统过程也十分简单，内置了丰富的树莓派扩展库。Raspbian附带有35000多个软件包或预编译软件，它们按优美的格式打包从而便于在RaspberryPi上安装。接下来的任务就开始安装Raspbian操作系统。01假设在没有无线网络、蓝牙覆盖并且要求在使用最小尺寸的树莓派，你会使用____________型号的树莓派作为传感器开发应用。03树莓派连接传感器所有使用的接口的名称是__________________。02如要在树莓派中搭建一个Iot的设备环境，你将使用__________________版本的操作系统。思考练习4任务要求储备知识任务实施任务目标231TASKTWO任务二使用树莓派前工作05.安装Linux操作系统任务实施06.连接树莓派07.使用树莓派桌面系统05.安装Linux操作系统任务所需软件如下所示：环境准备Tcher“U盘镜像制作工具”任务所需硬件如下所示：TF卡读卡器TF卡5.1.下载系统镜像步骤1：打开浏览器下载镜像（1）教材使用“Raspbian”作为教学操作系统，它的镜像下载地址如下所示。#Raspbian下载地址/software/（2）打开浏览器，在浏览器中输入上述地址，打开下载页面，页面如右图所示->选择software（软件）标签->点击“RaspberrypiOS”。图：下载树莓派系统1（3）在弹出的下载页面中，下载对应的操作系统，如上图所示，RaspberrypiOS有三种镜像，分别是：“RaspberryPiOSwithdesktopandrecommendedsoftware（该镜像包含桌面、安装了很多推荐的软件）““RaspberryPiOSwithdesktop（该镜像包含有桌面系统）”“RaspberryPiOSLite（该镜像为简化版不包含桌面仅命令模式）”这里选择“RaspberryPiOSwithdesktop”包含桌面版本的树莓派系统，点击“Download”开始下载，如右图所示。图：下载镜像（4）下载成功后，将下载下的文件进行解压缩，会生成一个img的镜像文件，如图所示。图：镜像下载成功5.2.安装树莓派操作系统步骤1：格式化TF卡（1）将TF卡插入TF卡读卡器中，并将另外一头连接至计算机的USB接口中，如图所示。图：格式化TF卡（2）打开“我的电脑”->在“我的电脑”中选择TF卡读卡器磁盘->鼠标“右键”在弹出的列表中选择“格式化”选项->选择默认选项进行格式化TF卡，如图所示。图：格式化TF卡步骤2：安装“balenaetcher”U盘镜像制作工具（1）etcher软件可以在“https://wwsw.balena.io/etcher/”免费获取，选择对应操作系统开始下载软件，如图所示，有可使用教材所提供的镜像文件“2020-06-23-raspbian-buster-full”（该镜像为搭建完整环境镜像）建议使用教材提供镜像，如图所示。图：系统镜像选择balenaetcher是一款方便实用的U盘镜像制作工具，它自带有系统校验功能，使用它来安装操作系统可以提高系统安装成功率。步骤3：安装系统图：烧写系统（1）打开etcher软件->点击“Flashfromfile”->选择“镜像文件”将步骤1所下载解压缩的镜像导入->选择“TF卡读卡器”盘符->点击“Flash”开始下载。如图所示。图：烧写完成（2）等待10-20分钟软件自动安装系统，烧写完成如图所示，即完成系统安装。06.连接树莓派任务所需软件如下所示：环境准备任务所需硬件如下所示：MobaXtermTF卡读卡器TF卡树莓派4B电源线步骤1：开启树莓派SSH服务由于新版的树莓派操作系统，默认是不开启SSH服务的，所以需要将其开启以便后续连接树莓派。知识补充SSH服务它是linux系统自带的远程命令服务，SSH为SecureShell的缩写，由IETF的网络小组（NetworkWorkingGroup）所制定；SSH为建立在应用层基础上的安全协议。SSH是目前较可靠，专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。利用SSH协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。（1）插入TF卡与TF、TF卡读卡器至计算机中->打开“读卡器”盘符“Boot”，在根目录中创建一个文件名称为SSH（注意无需任何后缀名）如图所示。图：新建SSH文件步骤2：无需路由器与显示器连接树莓派因为需要连接树莓派的SSH服务，所以需要得到树莓派的IP地址。得到IP地址有两种比较简单的方式。21将树莓派连接“路由器”，使用“路由器”得到IP地址。通过连接显示器通过图形化界面得到IP地址。但在日常使用树莓派的场合下，可能就只有电脑和树莓派两个设备，所以如果要想获取其IP地址，可以根据下述步骤获得，并使用MobaXtermr软件来进行连接。（完整版本镜像无需新建SSH文件）知识补充MobaXterm一款全能全能终端神器，它的免费版本功能已经十分强大，它支持SSH，FTP，串口，VNC，Xserver等功能，标签，切换也十分方便。现今软件市场上有很多终端工具，比如：secureCRT、Putty、telnet，等等。secureCRT其实也是一款很强大的终端工具，良许也使用过它很长时间，但它是收费软件。而Putty，它非常小巧，而且免费，但不支持标签，开多个会话的话就需要开多个窗口，窗口切换也很不方便。（1）打开“读卡器”盘符“Boot”，在根目录中找到cmdline.txt文件->打开文件->在文件中最开始位置加入一行内容为“ip=00”如图所示。（注意在尾部加入空格）图：加入ip地址（2）在读卡器中取出TF卡->插入树莓派背后的tf卡卡槽处如图所示。图：安装至tf卡卡槽（3）连接树莓派电源接口，并连接USB接口只计算机中，如图所示。图：连接电源线（4）打开【网络和共享中心】->【更改适配器设置】，右键单击【本地连接】->【属性】->【共享】，然后勾选这两个选项。再选择【网络】->【TCP/IPv4】->【属性】，输入ip地址，子网掩码:，单击【确定】退出，如图所示。图：设置ip地址（5）使用网线将树莓派网络接口与计算机的网络接口连接在一起，查看树莓派的网络口是否亮起，如图所示。图：连接网络接口（6）打开CMD命令，在窗体命令行中输入“ping00”查看树莓派与电脑连接情况，如图所示。图：查看树莓派是否连通（7）如ping成功后，即可打开“MobaXterm”软件（软件为绿色版本即开即用）->选择【session】->选择【SSH】连接方式->在RemoteHost中输入树莓派的IP地址“00”->点击【OK】，如图所示。图：连接树莓派SSH服务（8）在弹出在窗体【loginas】窗体中输入用户名“pi”（pi为系统默认的用户名）键入回车->输入密码为“raspberry”键入回车，用户名密码输入成功后，如图所示。图：登入成功界面01将cmdline.txt中的ip地址设置为“00”，那么本地的IP地址将设置为多少？请自行操作设置并连接树莓派。02如计算机使用路由器连接树莓派，则无需配置cmdline.txt文本，树莓派连接路由器需要如何寻找其IP地址？技能拓展07.使用树莓派桌面系统任务所需软件如下所示：环境准备任务所需硬件如下所示：TF卡读卡器TF卡树莓派4B电源线MobaXtermVNC-Viewer步骤1：使用MobaXterm连接树莓派在上述小节宗已经对连接进行了介绍，这里就简单说明步骤，使用MobaXterm，连接树莓派ssh服务，输入默认用户名“pi”->密码“raspberry”连接成功。步骤2：开启VNC服务（1）在“MobaXterm”终端中输入命令启动树莓派设置页面命令如下图所示。#