52、树莓派：低成本计算机的无限可能

树莓派：低成本计算机的无限可能

1. 树莓派简介

树莓派是一款由英国慈善组织树莓派基金会开发的低成本、信用卡大小的单板计算机。它使用普通的键盘和鼠标，并可连接到电脑显示器或电视。其设计初衷是在学校和发展中国家推广基础计算机科学教学。

1.1 发展历程

树莓派于 2012 年推出，此后发布了多个版本和变体。最初的型号只有单核 700MHz CPU 和 256MB RAM，而新版本配备了四核 1.4GHz CPU 和 1GB RAM。价格方面，主要定价为 35 美元，包括仅售 5 美元的 Pi Zero 在内，所有型号均不超过 35 美元。

1.2 功能特点

树莓派功能强大，不仅能实现上网、观看高清视频、制作电子表格、文字处理和玩游戏等常规桌面计算机功能，还能用于探索编程，支持 Scratch 和 Python 等编程语言。此外，它还具备连接外部世界的潜力，被广泛应用于各种交互式开发项目，如音乐机器、家长探测器、气象站和红外相机推特鸟屋等。

1.3 应用场景

树莓派的应用场景丰富多样，不同人群可根据自身需求进行使用：
- 学习编程 ：初学者可通过树莓派学习编程基础知识，而有编程基础的人则可利用它进行物理项目的电子编程学习。
- 家庭自动化 ：用户可以基于树莓派构建自己的家庭自动化项目，实现对智能家居设备的控制。
- 安全测试 ：其便携性和低成本使其成为红队人员、渗透测试人员和其他安全人员的常用工具，可用于对目标网络进行安全测试。

2. 树莓派的热门项目

2.1 构建便携式安全箱

树莓派的便携性和价格优势使其成为安全人员的理想选择。它内置以太网端口，功耗低，能运行任何 Linux 程序，可轻松融入目标网络。安全人员通常会选择 Kali 这个专门为黑客活动设计的 Linux 发行版，树莓派有专门的 Kali 版本，安装也很简单。使用时需注意，只能对获得明确授权的目标进行测试。

2.2 搭建 WordPress 网站平台

通过在树莓派上搭建 WordPress 服务器，用户可以学习如何使用 MySQL、PHP 和 Apache 应用程序，以及掌握 Linux 操作系统的实际操作。完成设置后，用户将拥有一个可用于托管个人内容的 WordPress 网站，如简历、艺术作品集或个人博客等。若要搭建正式网站，还需注册域名。

2.3 在树莓派 3 上安装完整的 Windows 10

借助 GitHub 上的 Windows on ARM (WoA) 安装程序，用户可以在树莓派 3 Model B 或 B+ 板上安装完整的 Windows 10 操作系统。此前，树莓派计算机仅支持精简版的 Windows IoT Core 操作系统，而新的安装包提供了完整的 Windows 10 功能。

2.4 运行 Windows 10 IoT Core

如果想在树莓派上运行 Windows 10 的物联网版本，可以选择 Windows 10 IoT Core。它是为低性能平台设计的轻量级物联网应用程序，一次只能运行一个 UWP 应用。运行该系统的步骤如下：
1. 准备一个树莓派 3、一张备用 microSD 卡以及 Windows 设备上的单独 microSD 卡读卡器。此外，还需要 Visual Studio、文本编辑器、SDK、插件和证书。
2. 使用最新的开箱即用程序 (NOOBS) 安装程序设置树莓派内存卡。可以通过 Windows PC 或笔记本电脑上的 Microsoft IoT 仪表板软件创建可引导卡。
3. 使用 Broadcom 树莓派 2 & 3 和操作系统构建选项 (Windows 10 IoT Core) 设置计算机，输入密码，选择 Wi-Fi 网络，并将操作系统安装到与树莓派兼容的内存卡上。
4. 将安装好系统的内存卡插入树莓派，即可启动新的 Windows IoT Core 版本。

2.5 设置树莓派为 VPN 服务器

VPN 可隐藏用户的在线身份，防止其上网行为被监控。树莓派也可作为 VPN 服务器，创建个人 VPN 热点。设置步骤如下：
1. 安装 Raspbian 以访问命令行。
2. 使用 PiVPN 脚本安装 VPN 客户端，建议使用 OpenVPN，但也支持其他客户端。
3. 将树莓派连接到路由器，下载客户端后，用户的身份信息在到达外部网络前将被加密。

3. 树莓派 4 的新特性

3.1 技术规格

树莓派 4 在性能上有了显著提升，具体技术规格如下：
| 技术指标 | 详情 |
| ---- | ---- |
| 处理器 | Broadcom BCM2711，64 位 SoC @ 1.5GHz 四核 Cortex - A72 (ARM v8) |
| 内存 | 提供 1GB、2GB 或 4GB LPDDR4 - 2400 SDRAM 三种选择 |
| 网络 | 支持千兆以太网、板载无线网络和蓝牙 |
| USB 接口 | 两个 USB 3 端口和两个 USB 2 端口，数据传输速度提高了 10 倍 |
| 显示接口 | 两个 micro - HDMI 端口（支持 4kp60）、MIPI DSI 2 通道显示端口和 MIPI CSI 2 通道相机端口 |
| 音频接口 | 立体声音频和复合视频连接器 4 极 |
| 视频解码 | H.265 (Decode 4kp60)、H264 (Decode 1080p60, Encode 1080p30) |
| 图形处理 | OpenGL ES 3.0 图形 |
| 存储 | Micro - SD 卡插槽，用于加载操作系统和存储数据 |
| 电源 | 支持 5V DC 通过 USB - C 连接器（最小 3A）或 GPIO 头（最小 3A）供电，支持以太网供电 (PoE)（需单独的 PoE HAT） |
| 工作温度 | 环境温度 0 至 50 摄氏度 |

3.2 配置树莓派 4

在配置树莓派 4 之前，需要准备以下设备：
- 电源供应 ：树莓派 4 配备 USB Type - C 端口，需要至少 3.0A 电力的电源供应。
- Micro - SD 卡 ：用于存储文件和 Raspbian 操作系统，最小存储要求为 8GB。部分卖家提供预装 Raspbian OS 的 micro - SD 卡。
- 键盘和鼠标 ：首次安装时需要 USB 键盘和鼠标，设置完成后也可使用蓝牙键盘和鼠标。
- 电视/电脑屏幕 ：需要电视或电脑屏幕以及相应的连接线，如 micro - HDMI 电缆。如果使用特定电缆（如普通 HDMI、DVI 或 VGA 电缆），则需要相应的 micro - HDMI 转换器。

3.3 配置 SD 卡

如果 SD 卡没有预装 Raspbian 操作系统，可使用带有 SD 卡插槽的笔记本电脑进行安装。推荐使用 NOOBS 安装 Raspbian 操作系统。

3.4 连接树莓派 4

连接树莓派 4 时，需按照以下顺序进行操作：
1. 将 micro - SD 卡插入树莓派 4 底部的插槽。
2. 将鼠标和键盘的 USB 端口连接到树莓派 4 的 USB 端口。
3. 确保屏幕已插入插座并打开电源，使用 micro - HDMI 电缆或适配器将电视/电脑显示器连接到树莓派。
4. 将以太网电缆连接到 Wi - Fi 路由器或宽带网络，使树莓派 4 通过以太网连接到互联网。
5. 如果屏幕内置扬声器，树莓派将使用其播放音频；若不想使用或屏幕没有扬声器，可通过耳机插孔连接外部音频设备。

3.5 启动树莓派 4

树莓派 4 没有电源按钮，插上电源并打开后即可启动。启动时，设备上的红色 LED 灯将亮起，随后屏幕左侧会出现树莓派图标，几秒钟后将显示 Raspbian 桌面。

3.6 完成配置

首次启动树莓派 4 时，会弹出“Welcome to Raspberry Pi”窗口，引导用户进行初始配置：
1. 点击“Next”，设置国家、语言和时区。
2. 再次点击“Next”，设置新密码。
3. 选择 Wi - Fi 网络并输入密码进行连接。
4. 允许向导搜索并安装更新，这可能需要一些时间。
5. 点击“Done”或“Restart”完成设置。

4. 树莓派 4 的应用程序

4.1 定格动画相机

使用树莓派 4 和专用相机模块可以构建数字定格动画相机。创建过程较为耗时，需要 Python 编程知识、三脚架相机和光线充足的环境。此外，还需要一个面包板（除非已有可连接到树莓派 GPIO 的合适按钮）和一个 Python 脚本用于拍摄每张照片。

4.2 互联网服务器

树莓派 4 可配置为托管网站或博客，有两种实现方式：
- 安装 Apache 及其相关库。
- 创建完整的 LAMP 堆栈，包括 Apache、PHP 和 MySQL。建议设置 FTP 服务。完成上述步骤后，将 HTML 文件添加到 \www\ 目录，即可启动 Web 服务器，也可安装特定网站，如 WordPress。

4.3 网络监控平台

若想监控网络设备的连接状态和性能，可开发网络监控工具。Nagios 是一款易于安装和运行的软件，可用于监控设备的正常运行时间并可视化显示连接设备的状态。只需将磁盘镜像闪存到树莓派 4 上的 SD 卡即可使用。

4.4 实时 YouTube 视频流

通过树莓派 4 可以实现 YouTube 实时视频流。需要一个兼容的 USB 相机，并使用 libav - tools 套件创建 YouTube 频道。树莓派 4 上有详细的教程，可指导用户进行具体操作。

4.5 学习编程

树莓派 4 内置了丰富的编程工具，适合各年龄段的用户学习编程。其中，Scratch 是一款基于块的编程工具，操作简单，可用于控制树莓派 GPIO 上的灯光，也能编写基础游戏。

5. 树莓派的组件和操作系统

5.1 树莓派的组件

树莓派的主板包含以下主要组件：
- ARM CPU / GPU ：由 Broadcom BCM2835 系统级芯片 (SoC) 组成，包括 ARM 中央处理器 (CPU) 和 Videocore 4 图形处理器 (GPU)，负责计算机的计算和图形输出。
- GPIO ：通用输入/输出连接点，为硬件爱好者提供了进行硬件调试的机会。
- RCA ：RCA 插孔可用于连接模拟电视和其他类似输出设备。
- 音频输出 ：标准 3.55 毫米插孔，用于连接耳机或扬声器，不支持音频输入。
- LEDs ：发光二极管，用于指示设备状态。
- USB ：标准的外围设备通信端口，不同型号的 USB 端口数量不同。可使用 USB 集线器扩展端口数量。
- HDMI ：用于连接高清电视或其他兼容设备。
- 电源 ：5V Micro USB 电源供应连接器，可连接兼容的电源。
- SD 卡插槽 ：用于插入带有操作系统的 SD 卡，以启动设备。
- 以太网 ：仅 Model B 具备以太网适配器，可连接有线网络。

5.2 操作系统

树莓派兼容的操作系统均为 Linux 发行版。选择 Linux 主要是因为其内存开销低，能在没有内置永久存储的简单计算机上运行完整的操作系统。同时，Linux 通常免费且具有很大的学习潜力，其发行版中预装了一些编程语言。截至 2012 年 8 月，可从树莓派网站下载的四种 Linux 版本如下：
- Raspbian Wheezy ：Debian Wheezy 的非官方移植版，是 Linux 初学者的首选操作系统，具有图形化的 LXDE GUI、Web 浏览 Midori 浏览器、各种编程工具和源代码示例。
- Debian Wheezy soft - float ：与 Raspbian Wheezy 类似，但使用软浮点二进制接口 (ABI) 应用程序，性能稍慢，但能与一些不支持硬浮点 ABI 的专业软件兼容。
- Arch Linux ARM ：该操作系统用户访问权限高，但缺乏 GUI，对 Linux 新手不太友好。
- QtonPi ：专门为通过 QT 5 构建应用程序而设计的软件开发工具包 (SDK) 嵌入式 Linux 框架，适用于嵌入式设备、移动应用和其他应用的快速开发。

6. 树莓派与其他计算机的比较

6.1 竞争对手

树莓派有几个竞争对手，如 BeagleBoard 和 PandaBoard。它们也是非营利组织开发的产品，但目标与树莓派基金会有所不同。BeagleBoard 主要面向成年硬件爱好者，PandaBoard 则旨在提供一个价格适中的移动软件开发平台。

6.2 特点对比

与树莓派相比，BeagleBoard 和 PandaBoard 具有更多的连接器和链接头，尺寸也更大。以下是它们的一些特点对比：
| 特点 | 树莓派 | BeagleBoard 和 BeagleBoard - xMBoard | ES PandaBoard & PandaBoard |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 处理器 | ARM 架构芯片 | Texas Instruments Cortex A8 或 A9 处理器 | Texas Instruments 双核 ARM Cortex A9 MPCore 处理器 |
| 内存 | 256MB - 4GB | 128MB - 512MB | 1GB |
| 显示接口 | HDMI | DVI - D 显示连接器 | DVI - D 显示连接器、LCD 扩展头 |
| 音频接口 | 音频输出 | 音频输入/输出 | 音频输入/输出 |
| USB 端口 | 1 - 2 个 | 1 - 4 个 | 1 - 2 个 |
| 电源供应 | USB 或 GPIO | USB 和 DC | USB 和 DC |
| 其他接口 | RCA、HDMI | 无 RCA 或 HDMI 连接器 | 无 RCA 连接器 |

6.3 优势分析

树莓派在教育用途方面具有两个明显优势：
- 易于使用 ：插入包含操作系统的 SD 卡，连接电源和外设后即可使用，而 BeagleBoard 和 PandaBoard 在初始设置时需要连接到主机设备，且需要更多的专业知识才能完全运行。
- 价格低廉 ：树莓派的价格远低于 BeagleBoard 和 PandaBoard，更适合大众用户。

7. 其他相关计算机介绍

7.1 OLPC 笔记本电脑

One Laptop Per Child (OLPC) 是一个慈善组织，旨在为发展中国家的儿童提供完整、耐用、支持 Wi - Fi 的笔记本电脑。其 XO - 1.5 型号运行频率为 1GHz，拥有 1GB RAM 和 4 - 32GB 内部闪存，运行专门设计的 Linux 发行版。

7.2 棉花糖棒机器

棉花糖棒机器是一种拇指驱动器大小的设备，可将显示器变成电视。它配备 1.2GHz ARM Cortex - A9 处理器、高性能 GPU ARM Mali - 400MP、1GB RAM、SD 卡插槽、Wi - Fi、HDMI 端口和 USB 连接器，运行 Linux 系统，支持 Android 或 Ubuntu 等其他操作系统的虚拟化客户端。与树莓派不同，它主要用于访问 Web 或媒体内容，而非编程教育。

7.3 Arduino 开发板

Arduino 开发板是一种微控制器板，内存和速度相对较小。它可用于构建简单的计算机，控制电机或闪烁灯光等物理设备，也可与树莓派等计算机结合使用。

8. 树莓派 3 的规格和使用建议

8.1 树莓派 3 的规格

树莓派 3 的主要规格如下：
| 技术指标 | 详情 |
| ---- | ---- |
| 芯片组 | Broadcom BCM28377 |
| 处理器 | 1.2GHz 四核 64 位 ARM cortex A533 |
| 以太网 | 10/100（最大吞吐量 100Mbps） |
| USB | 四个 USB 2.0 端口，数据传输速度为 480Mbps |
| 存储 | MicroSD 卡或通过 USB 连接的存储设备 |
| 无线 | 802.11n 无线网络（峰值传输/接收吞吐量 150Mbps），蓝牙 4.11n |
| 图形 | 400MHz 多媒体 VideoCore IV |
| 内存 | 1GB SDRAM LPDDR2 - 900 |
| 扩展性 | 40 个通用输入/输出引脚 |
| 显示接口 | 完整的 HDMI 端口 |
| 音频接口 | 3.5 毫米音频输出插孔和复合视频插孔 |
| 相机接口 | 相机接口 (CSI) |
| 显示接口 | 显示接口 (DSI) |

8.2 使用建议

为了更好地使用树莓派 3，可参考以下建议：
- 保护设备 ：使用保护壳保护树莓派，特别是需要携带时。
- 选择高性能 SD 卡 ：如果对性能有要求，可投资购买高速 micro SD 卡。
- 选择合适的操作系统 ：官方的 Raspbian 操作系统经过优化，能充分发挥树莓派的性能，建议使用。
- 扩展 SD 卡空间 ：如果未使用 Noobs 安装程序安装 Raspbian OS 且 SD 卡空间不足，可在终端输入 ‘sudo raspi - config’，选择 ‘Expand root partition to fill the SD card’ 选项，以确保充分利用 SD 卡空间。

树莓派以其低成本、高性能和丰富的功能，为用户提供了广阔的创新空间。无论是学习编程、开展家庭自动化项目还是进行安全测试，树莓派都能满足不同用户的需求。希望本文能为你了解和使用树莓派提供有价值的参考。

9. 树莓派项目开发流程示例

为了帮助大家更好地开展树莓派项目，下面给出一个通用的开发流程示例：

graph LR
    A[确定项目目标] --> B[选择合适的树莓派型号]
    B --> C[准备所需硬件和软件]
    C --> D[安装操作系统]
    D --> E[连接硬件设备]
    E --> F[编写代码实现功能]
    F --> G[测试和调试]
    G --> H[优化和完善]
    H --> I[部署和应用]

9.1 确定项目目标

明确你想要通过树莓派实现的功能，例如搭建网站、制作监控设备等。这将为后续的开发工作指明方向。

9.2 选择合适的树莓派型号

根据项目的需求和复杂度，选择合适的树莓派型号。如对性能要求较高的项目，可选择树莓派 4；若对成本较为敏感且功能需求简单，树莓派 Zero 可能更合适。

9.3 准备所需硬件和软件

除了树莓派本身，还需要准备相关的硬件设备，如传感器、摄像头等。同时，根据项目需求选择合适的软件，如操作系统、开发工具等。

9.4 安装操作系统

按照前面介绍的方法，将选择好的操作系统安装到树莓派的 SD 卡上。

9.5 连接硬件设备

将准备好的硬件设备连接到树莓派上，确保连接正确且稳定。

9.6 编写代码实现功能

根据项目目标，使用合适的编程语言编写代码，实现所需的功能。例如，若要实现一个温度监测项目，可使用 Python 编写代码读取温度传感器的数据。

9.7 测试和调试

在代码编写完成后，进行测试和调试，确保项目能够正常运行。若发现问题，及时进行修改和调整。

9.8 优化和完善

对项目进行优化和完善，提高其性能和稳定性。例如，优化代码结构、减少资源占用等。

9.9 部署和应用

将优化后的项目部署到实际环境中，开始正式使用。

10. 树莓派常见问题及解决方法

在使用树莓派的过程中，可能会遇到一些问题，以下是一些常见问题及解决方法：
| 问题 | 解决方法 |
| ---- | ---- |
| 无法启动 | 检查电源供应是否正常，SD 卡是否正确插入，尝试更换 SD 卡或重新安装操作系统。 |
| 网络连接问题 | 检查网络设置是否正确，尝试重启树莓派和路由器，更新网络驱动程序。 |
| 性能问题 | 关闭不必要的程序和服务，清理 SD 卡空间，升级硬件配置。 |
| 硬件连接问题 | 检查硬件设备是否正确连接，尝试重新插拔硬件设备，检查硬件设备是否损坏。 |

11. 树莓派的未来发展趋势

11.1 性能提升

随着技术的不断进步，树莓派的性能将不断提升。未来的树莓派可能会配备更强大的处理器、更大的内存和更快的存储设备，以满足更复杂的应用需求。

11.2 应用领域拓展

树莓派的应用领域将不断拓展，除了现有的学习编程、家庭自动化、安全测试等领域，还可能在人工智能、物联网、机器人等领域得到更广泛的应用。

11.3 生态系统完善

树莓派的生态系统将不断完善，更多的开发者将参与到树莓派的开发中，提供更多的软件和硬件资源，为用户提供更好的开发体验。

11.4 教育普及

树莓派作为一种低成本、高性能的计算机，将在教育领域得到更广泛的普及。它将帮助更多的学生学习编程和计算机科学知识，培养他们的创新能力和实践能力。

12. 总结

树莓派是一款具有无限潜力的低成本计算机，它为用户提供了丰富的功能和广阔的创新空间。通过本文的介绍，我们了解了树莓派的基本信息、热门项目、新特性、应用程序、组件和操作系统等方面的知识，同时也对树莓派与其他计算机进行了比较，并介绍了一些相关的计算机。此外，还给出了树莓派项目开发流程示例、常见问题及解决方法和未来发展趋势。

希望本文能够帮助你更好地了解和使用树莓派，激发你的创新思维，让你在树莓派的世界中创造出更多有价值的项目。如果你对树莓派还有其他疑问或想要了解更多信息，可以通过互联网搜索相关资料或加入树莓派社区与其他爱好者交流。