最完整Nerves实战指南：用Elixir构建工业级嵌入式系统-优快云博客

最完整Nerves实战指南：用Elixir构建工业级嵌入式系统

你还在为嵌入式开发烦恼吗？

嵌入式开发长期面临三大痛点：开发效率低下（C/C++编译周期长）、系统稳定性差（内存泄漏、崩溃）、远程维护难（现场调试成本高）。Nerves框架的出现彻底改变了这一现状——它将Elixir的开发效率、Erlang VM的高可用性与Linux的硬件兼容性完美结合，让你能用函数式编程构建 robust（坚固级）的嵌入式系统。

读完本文你将掌握：

从零搭建Nerves开发环境（支持Windows/macOS/Linux）
3分钟创建第一个Elixir嵌入式项目
固件烧录与远程调试全流程
硬件外设控制（GPIO/I2C/SPI）实战
工业级部署最佳实践

Nerves核心优势解析

Nerves不是传统意义上的Linux发行版，而是一个专为嵌入式场景优化的Elixir运行时环境。它直接将Erlang VM作为系统核心进程启动，摒弃了传统Linux的庞大用户态组件，同时保留了Linux内核的硬件驱动能力。

技术架构全景图

mermaid

与传统方案核心差异

特性	Nerves(Elixir)	传统嵌入式(C/C++)	树莓派系统(Python)
开发效率	热重载+交互式调试	编译-烧录循环(分钟级)	脚本便捷但规模受限
系统稳定性	故障隔离+自动重启	内存泄漏风险高	全局解释器锁限制
并发处理	轻量级进程(百万级)	线程/进程(千级)	多线程受限
远程管理	OTA更新+SSH内置	需手动实现	第三方工具拼凑
硬件兼容性	基于Linux内核	直接硬件访问	依赖系统驱动
代码体积	最小10MB	最小KB级	数百MB系统+应用

开发环境搭建（全平台指南）

系统要求检查清单

操作系统：Windows 10+ (WSL2) / macOS 10.13+ / Linux(x86_64/arm64)
Elixir版本：1.18.3+ (OTP 27)
硬件空间：至少20GB空闲磁盘空间
网络环境：可访问国内CDN（用于依赖下载）

分平台安装步骤

macOS (Homebrew)

# 安装系统依赖
brew update && brew install fwup squashfs coreutils xz pkg-config

# 安装asdf版本管理器
git clone https://gitee.com/mirrors/asdf.git ~/.asdf --branch v0.14.0
echo '. $HOME/.asdf/asdf.sh' >> ~/.zshrc
source ~/.zshrc

# 安装Erlang/Elixir
asdf plugin add erlang https://gitee.com/mirrors/asdf-erlang.git
asdf plugin add elixir https://gitee.com/mirrors/asdf-elixir.git
asdf install erlang 27.3.3
asdf install elixir 1.18.3-otp-27
asdf global erlang 27.3.3 elixir 1.18.3-otp-27

# 安装Nerves引导工具
mix archive.install hex nerves_bootstrap

Linux (Ubuntu/Debian)

# 安装系统依赖
sudo apt update && sudo apt install -y \
  build-essential automake autoconf git squashfs-tools \
  ssh-askpass pkg-config curl libmnl-dev libssl-dev \
  libncurses5-dev help2man libconfuse-dev libarchive-dev

# 安装fwup
asdf plugin add fwup https://gitee.com/mirrors/asdf-fwup.git
asdf install fwup 1.10.2
asdf global fwup 1.10.2

# 后续步骤同macOS的asdf安装部分

Windows (WSL2)

# 管理员模式安装WSL2
wsl --install -d Ubuntu

# 在Ubuntu子系统内执行Linux安装步骤
# 然后在Windows侧安装fwup
choco install fwup

验证安装：重启终端后执行mix nerves.info，应显示Nerves环境信息

3分钟创建第一个项目

项目初始化流程

# 创建项目（支持自动依赖安装）
mix nerves.new hello_nerves --install

# 进入项目目录
cd hello_nerves

# 设置目标硬件（以树莓派4为例）
export MIX_TARGET=rpi4

# 安装依赖（首次运行会下载系统镜像）
mix deps.get

支持的硬件目标：rpi0(树莓派Zero)、rpi3(树莓派3)、rpi4(树莓派4)、bbb(BeagleBone)、x86_64(通用PC)等10+官方平台

项目结构解析

hello_nerves/
├── lib/                  # Elixir源代码
│   ├── hello_nerves.ex   # 应用入口
│   └── hello_nerves/     # 业务模块
├── config/               # 配置文件
│   ├── config.exs        # 通用配置
│   └── target.exs        # 目标设备配置
├── mix.exs               # 项目元数据
└── firmware/             # 构建产物
    └── hello_nerves.fw   # 固件文件

固件构建与烧录全流程

构建固件

# 编译项目并生成固件
mix firmware

# 查看固件信息
mix firmware.metadata

首次构建说明：首次构建会下载约500MB的系统镜像（缓存于~/.nerves/artifacts），后续构建时间<30秒

烧录到SD卡

# 自动检测并烧录（需插入SD卡）
mix firmware.burn

# 指定设备路径（推荐方式）
mix firmware.burn -d /dev/sdb  # Linux
mix firmware.burn -d /dev/rdisk2  # macOS

烧录验证：烧录完成后，SD卡会显示两个分区：BOOT（引导区）和ROOTFS（根文件系统）

高级烧录选项

# 生成镜像文件（用于批量部署）
mix firmware.image --output hello_nerves.img

# 通过网络烧录（需设备已联网）
mix firmware.push nerves.local

设备连接与调试

多方式连接设备

连接方式	所需条件	操作命令
USB串口	USB-TTL线缆	screen /dev/ttyUSB0 115200
网络SSH	设备联网(默认nerves.local)	ssh nerves.local -l nerves
USB以太网	USB数据线连接	ssh nerves.local -l nerves
HDMI显示器	HDMI线缆+键盘	直接操作IEx终端

IEx交互式调试

# 连接成功后将看到类似如下界面
Interactive Elixir (1.18.3) - press Ctrl+C to exit (type h() ENTER for help)
hello_nerves 0.1.0 (abc123) arm rpi4
iex(nerves@nerves.local)1> 

# 查看系统信息
iex> Nerves.Runtime.KV.get_all()

# 控制GPIO（需添加circuits_gpio依赖）
iex> {:ok, led} = Circuits.GPIO.open(18, :output)
iex> Circuits.GPIO.write(led, 1)  # 点亮LED
iex> Circuits.GPIO.write(led, 0)  # 关闭LED

工具链扩展：运行h Toolshed查看内置系统工具（支持ls、df、ping等命令）

硬件外设控制实战

GPIO控制LED闪烁

# 添加依赖（mix.exs）
defp deps do
  [
    {:circuits_gpio, "~> 2.0"}
  ]
end

# 代码实现（lib/hello_nerves/led.ex）
defmodule HelloNerves.LED do
  @led_pin 18  # 树莓派GPIO18对应物理引脚12

  def start_link(_opts) do
    {:ok, led} = Circuits.GPIO.open(@led_pin, :output)
    Process.put(:led, led)
    schedule_toggle()
    {:ok, pid} = Agent.start_link(fn -> :on end, name: __MODULE__)
    {:ok, pid}
  end

  defp schedule_toggle do
    Process.send_after(self(), :toggle, 1000)  # 1秒切换一次状态
  end

  def handle_info(:toggle, state) do
    led = Process.get(:led)
    new_state = if state == :on, do: :off, else: :on
    Circuits.GPIO.write(led, if new_state == :on, do: 1, else: 0)
    schedule_toggle()
    {:noreply, new_state}
  end
end

I2C传感器数据读取

# 添加依赖
{:circuits_i2c, "~> 2.0"}

# 读取BME280温湿度传感器
defmodule HelloNerves.BME280 do
  def read do
    {:ok, ref} = Circuits.I2C.open("i2c-1")  # 打开I2C总线
    data = Circuits.I2C.write_read(ref, 0x76, <<0xD0>>, 1)  # 读取设备ID
    # 更多传感器操作代码...
  end
end

网络配置与OTA更新

配置WiFi连接

# 添加依赖
{:vintage_net_wifi, "~> 0.13"}

# 配置（config/target.exs）
config :vintage_net,
  config: [
    {"wlan0", %{
      type: VintageNetWiFi,
      vintage_net_wifi: %{
        networks: [
          %{
            ssid: "你的WiFi名称",
            psk: "你的WiFi密码",
            key_mgmt: :wpa_psk
          }
        ]
      },
      ipv4: %{method: :dhcp}
    }}
  ]

实现OTA更新

# 添加依赖
{:nerves_firmware_ssh, "~> 0.9"}

# 配置SSH密钥（config/target.exs）
config :nerves_firmware_ssh,
  authorized_keys: [
    File.read!(Path.expand("~/.ssh/id_rsa.pub"))
  ]

# 执行OTA更新（开发机）
mix firmware.push nerves.local

工业级部署最佳实践

系统安全加固

# 禁用root登录
config :nerves_ssh,
  user: "nerves",
  password: :disabled,
  authorized_keys: [
    "ssh-rsa AAAAB3NzaC1yc2EAAAADAQABAAABAQ..."  # 预配置授权密钥
  ]

# 配置防火墙
config :vintage_net,
  firewall: [
    allowed_ports: [22, 80, 443]  # 只开放必要端口
  ]

系统监控与日志

# 添加依赖
{:ring_logger, "~> 0.8"}

# 配置日志持久化
config :logger,
  backends: [RingLogger, {LoggerFileBackend, :error_log}],
  logger_file_backend: [
    path: "/root/error.log",
    level: :error
  ]

# 在IEx中查看日志
RingLogger.tail()  # 实时查看日志
RingLogger.save("/root/logs.txt")  # 保存日志

示例项目与学习资源

官方示例项目

# 克隆示例仓库
git clone https://gitcode.com/gh_mirrors/ne/nerves_examples.git

# 常用示例
cd nerves_examples/blinky  # LED闪烁（基础）
cd nerves_examples/hello_phoenix  # Web界面（中级）
cd nerves_examples/livebook  # 交互式开发（高级）

常见问题解决

构建失败

错误信息	可能原因	解决方案
找不到工具链	目标平台未设置	export MIX_TARGET=rpi4
依赖冲突	Elixir版本不匹配	确认使用Elixir 1.18+
网络超时	依赖下载失败	配置代理：export HTTP_PROXY=...

设备无法启动

检查电源：确保使用5V/2A电源适配器
验证SD卡：用fsck检查文件系统
恢复出厂设置：重新烧录固件

社区支持与贡献

获取帮助

论坛：Elixir Forum（Nerves板块）
Discord：https://discord.gg/elixir（#nerves频道）
邮件列表：nerves@nerves-project.org

贡献代码

# Fork并克隆仓库
git clone https://gitcode.com/你的用户名/nerves.git
cd nerves

# 创建特性分支
git checkout -b feature/my-feature

# 提交PR
git push origin feature/my-feature

贡献指南：请先阅读CONTRIBUTING.md，确保代码符合项目规范

总结与展望

Nerves框架彻底改变了嵌入式开发的范式，让开发者能够：

用Elixir的简洁语法编写嵌入式代码
利用OTP的容错机制构建高可靠系统
通过热重载实现秒级开发循环
用Phoenix/LiveView构建现代用户界面

随着物联网的发展，Nerves正成为工业控制、智能家居、机器人等领域的首选框架。立即开始你的Nerves之旅，体验函数式编程带来的嵌入式开发革命！

收藏本文，关注Nerves项目更新，持续获取嵌入式开发最佳实践！

创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考

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技术架构全景图

与传统方案核心差异

开发环境搭建（全平台指南）

系统要求检查清单

分平台安装步骤

macOS (Homebrew)

Linux (Ubuntu/Debian)

Windows (WSL2)

3分钟创建第一个项目

项目初始化流程

项目结构解析

固件构建与烧录全流程

构建固件

烧录到SD卡

高级烧录选项

设备连接与调试

多方式连接设备

IEx交互式调试

硬件外设控制实战

GPIO控制LED闪烁

I2C传感器数据读取

网络配置与OTA更新

配置WiFi连接

实现OTA更新

工业级部署最佳实践

系统安全加固

系统监控与日志

示例项目与学习资源

官方示例项目

推荐学习路径

常见问题解决

构建失败

设备无法启动

社区支持与贡献

获取帮助

贡献代码

总结与展望