40、GPIOZero Python 库：树莓派 GPIO 编程的利器

GPIOZero Python 库：树莓派 GPIO 编程的利器

1. 树莓派 GPIO 概述

树莓派的一大特色是能够通过 40 针 GPIO 连接器与外部设备进行交互。借助这个接口，既可以从外部传感器读取如温度、湿度、大气压力等数据（INPUT），也能对外部设备进行控制（OUTPUT），例如触发继电器或驱动 RGB LED 灯带。不过，要实现对这些外部设备和传感器的控制，除了完成电气连接，还需要编写并运行相应的程序。

树莓派作为功能完备的计算机，支持多种操作系统，包括 Linux，因此可以使用多种编程语言来编写控制程序，不同编程语言各有优势：
- 年轻人可以使用可视化语言 Scratch，它非常适合引导初学者进入计算和编程的世界。
- 追求高性能的开发者可以选择 C/C++ 进行编程。
- 来自 Web 领域的开发者可以使用 node.js。
- 对新兴语言感兴趣的人可以使用 go - lang 来编写和控制 GPIO。
- 而对于追求简单、表达性和即时性的开发者，Python 语言是推荐之选。

2. GPIOZero 库简介

2.1 库的基本信息

GPIOZero 是一个用于树莓派的 Python 库，由树莓派基金会开发和维护，遵循 BSD 3 - 条款“New”或“Revised”许可证。该许可证非常宽松，允许对库进行重新分发，无论是源代码还是二进制形式，也允许进行修改。但需要遵守以下 3 个约束条件：
1. 以源代码形式重新分发时，必须始终携带版权信息。
2. 以二进制形式重新分发时，必须在所有部分（包括文档和与项目相关的任何其他材料）中携带版权信息。
3. 未经特定书面许可，不得使用版权持有者（树莓派基金会）和任何贡献者的名称以任何方式或形式来推荐或推广使用该库的产品。

2.2 设备建模

GPIOZero 库的关键特性是为树莓派常用的设备提供高级模型或接口。与其他库不同，它不需要程序员管理单个引脚，而是为每个支持的组件提供特定的接口和一组高级方法。版本 1.4.1 支持的组件如下：
- LED
- 带 PWM 亮度控制的 LED
- 板载 LED
- LED 条形灯
- LED 交通灯
- RGB LED
- 按钮
- HC - SR501 PIR 运动传感器
- LDR 亮度传感器
- HC - SR04 超声波距离传感器
- 直流电机（DC motor）
- 双轮机器人（RC 车）
- MCP300x 模数转换器（AC/DC）
- BlueDot
- GPIO 远程控制
- TCRT5000 线传感器
- 声学蜂鸣器
- SG90 伺服电机

此外，通过扩展特定类，该库还可以支持许多其他外部设备。

3. 使用 GPIOZero 控制简单设备

3.1 控制 LED

LED 属于输出设备类别，通过简单直观的接口进行建模。例如， on() 和 off() 方法可以用来打开和关闭 LED：

led.on()
led.off()

这些方法不涉及特定的 GPIO 引脚，是对 LED 实际特性的抽象。相比之下，Arduino 平台实现类似功能的代码如下：

digitalWrite(13, HIGH);  // turn on the led
digitalWrite(13, LOW);  // turn off the led

可以看出，GPIOZero 库中 LED 类提供的抽象更直观，对于刚接触树莓派编程的人来说更容易理解。另外，让 LED 闪烁的代码在 GPIOZero 库中非常简单：

led.blink() # makes the led blink forever with a period of 1 second

而在 Arduino 平台上实现相同功能的代码则复杂得多：

for (; ; ) {  // infinite loop
  digitalWrite(13, HIGH);  // turn on the led
  delay(1000);  // waits for 1000ms
  digitalWrite(13, LOW);   // turn off the led
  delay(1000);   // waits for 1000ms
}

通过使用 GPIOZero 库，开发者可以更专注于控制应用的逻辑，将实现细节交给库本身处理。

3.2 控制按钮

按钮属于输入设备类别，同样通过简单直观的接口进行建模。例如， wait_for_press() 方法可以让控制程序等待按钮被按下：

button.wait_for_press() #  wait until the button is pressed
print("Button pressed!") #  execute the print instruction on the screen

在 Arduino 平台上实现相同功能的代码如下：

for (; ; ) {  // infinite loop
  int button = digitalRead(7);  // reads the logical state of GPIO 7 to which the button is connected
  if (button == HIGH) // if the logical state of GPIO 7 becomes HIGH
    Serial.println("Button pressed!");  // prints the string on the screen
}

同样，GPIOZero 库中按钮接口的使用更简单，代码也更紧凑和富有表现力。另外， wait_for_release() 方法可以让程序等待按钮被释放：

button.wait_for_release() #  wait until the button is released
print("Button released!") #  execute the print instruction on screen

Arduino 平台上实现该功能的代码如下：

button_state = LOW;  // initially the button is not pressed
for (; ; ) {  // infinite loop
  int button = digitalRead(7);  // reads the logical state of GPIO 7 to which the button is connected
  if (button == HIGH && button_state == LOW) //button has been pressed
    button_state = HIGH;  //remember that the button is pressed
  if (button == LOW && button_state == HIGH) //the button has been released
    Serial.println("Button pressed!");
}

可以看到，对于稍微复杂一些的功能，Python 代码相对简单，而 Arduino 平台的代码变得复杂，对于经验不足的开发者来说理解起来有一定难度。

4. 安装 GPIOZero 库

4.1 安装环境说明

GPIOZero 库默认会随 Raspbian Desktop 操作系统一起分发和安装，但其他操作系统（包括 Raspbian Lite）默认不提供该库。不过，只要支持 Python 的环境和操作系统，都可以安装 GPIOZero 库。假设已经安装了 Python3，安装 GPIOZero 库的步骤如下：

4.2 具体安装步骤

1. 安装 pip 包管理器 ：如果系统中没有安装 pip 包管理器，可以使用以下命令进行安装：

sudo curl https://bootstrap.pypa.io/get - pip.py | sudo python3

2. 验证 pip 安装 ：安装完成后，可以通过以下命令验证 pip 是否正确安装：

pip --version

正常情况下，输出结果应该类似于：

pip 18.0 from /usr/local/lib/python3.5/dist - packages/pip (python 3.5)

3. 安装 gpiozero 库 ：使用以下命令安装 Python3 的 gpiozero 库：

sudo pip3 install gpiozero

4. 验证安装结果 ：可以通过以下命令验证 gpiozero 库是否安装成功：

pip3 list | grep gpiozero

如果输出结果与以下内容类似，则说明 gpiozero 库已成功安装，可以开始使用：

gpiozero 1.4.1

4.3 安装流程总结

graph LR
    A[检查是否有pip] -->|无| B[安装pip]
    A -->|有| C[验证pip版本]
    B --> C
    C --> D[安装gpiozero库]
    D --> E[验证gpiozero安装结果]

通过以上步骤，我们就完成了 GPIOZero 库的安装，为后续使用树莓派控制各种外部设备和传感器奠定了基础。在后续的内容中，我们将进一步介绍如何使用 GPIOZero 库来控制更多的外部设备和传感器。

GPIOZero Python 库：树莓派 GPIO 编程的利器

5. GPIOZero 库与 Arduino 平台对比总结

5.1 抽象层次对比

设备	GPIOZero 代码抽象特点	Arduino 代码抽象特点
LED	不涉及特定 GPIO 引脚，是对 LED 实际特性的抽象，如 on() 和 off() 方法，代码直观易懂，更关注设备功能本身。	直接操作特定 GPIO 引脚的逻辑状态，如 digitalWrite(13, HIGH) ，抽象层次较低，需要开发者更多关注硬件细节。
按钮	通过 wait_for_press() 和 wait_for_release() 等方法，以简洁的代码实现按钮状态的等待和响应，代码紧凑且富有表现力。	需要在无限循环中不断读取 GPIO 引脚的逻辑状态，并通过条件判断来实现相应功能，代码相对复杂，对于复杂功能理解难度增加。

5.2 开发效率对比

从前面控制 LED 和按钮的示例可以看出，使用 GPIOZero 库进行开发时，开发者可以更专注于控制应用的逻辑，将实现细节交给库本身处理，大大提高了开发效率。而 Arduino 平台的代码在处理简单功能时可能还较为直观，但随着功能复杂度的增加，代码会变得越来越复杂，开发效率会受到一定影响。

5.3 适用场景对比

• GPIOZero 库 ：适用于初学者快速上手树莓派编程，以及需要快速开发、注重代码简洁性和可读性的项目。
• Arduino 平台 ：适用于对硬件底层操作有较高要求，以及对实时性和性能有严格要求的项目。

6. GPIOZero 库的优势与应用拓展

6.1 优势总结

• 高级抽象接口 ：为树莓派常用设备提供高级模型和接口，无需管理单个引脚，降低了编程难度，提高了开发效率。
• 丰富的组件支持 ：支持多种常见的输入输出设备，如 LED、按钮、传感器、电机等，还可以通过扩展特定类支持更多外部设备。
• 宽松的许可证 ：遵循 BSD 3 - 条款“New”或“Revised”许可证，允许重新分发和修改，使用灵活。
• 简洁的代码风格 ：代码简洁、直观，易于理解和维护，适合初学者和快速开发。

6.2 应用拓展示例

以下是一些可以使用 GPIOZero 库实现的应用场景：
- 智能家居系统 ：通过连接各种传感器（如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等）和执行器（如继电器、LED 灯等），实现对家居环境的自动化控制。例如，根据光照强度自动调节灯光亮度，根据温度和湿度自动控制空调和加湿器的开关。
- 机器人控制 ：控制机器人的运动，如驱动直流电机实现机器人的前进、后退、转弯等动作，使用传感器（如超声波传感器、红外传感器等）实现避障功能。
- 环境监测系统 ：实时监测环境参数，如大气压力、空气质量等，并将数据传输到云端进行分析和存储。

6.3 应用拓展流程

graph LR
    A[确定应用场景] --> B[选择合适的设备和传感器]
    B --> C[连接设备到树莓派]
    C --> D[安装和配置GPIOZero库]
    D --> E[编写控制代码]
    E --> F[测试和调试]
    F --> G[部署应用]

7. 总结与展望

通过对 GPIOZero 库的介绍和分析，我们了解到它是一个非常强大且易用的树莓派 Python 库。它为开发者提供了高级抽象接口，简化了树莓派与外部设备的交互编程，使得开发者可以更专注于应用逻辑的实现。同时，丰富的组件支持和宽松的许可证也为项目的开发和拓展提供了便利。

在未来的开发中，我们可以进一步探索 GPIOZero 库的更多功能，结合其他技术（如物联网、人工智能等），开发出更加智能、复杂的应用系统。例如，将智能家居系统与云平台相结合，实现远程控制和数据分析；在机器人控制中引入机器学习算法，实现自主决策和智能行为。相信随着技术的不断发展，GPIOZero 库将在树莓派开发领域发挥更加重要的作用。