59、树莓派全方位指南：从入门到应用

树莓派全方位指南：从入门到应用

1. 树莓派简介

树莓派是由英国树莓派基金会开发的一系列小型单板计算机，旨在促进学校和发展中国家的基础计算机科学教学。最初的型号比预期更受欢迎，其应用范围甚至超出了目标市场，例如用于机器人领域。

树莓派背后的公司有两个分支。前两个版本由树莓派基金会生产，在Pi Model B推出后，基金会成立了树莓派贸易公司，当时Eben Upton担任CEO。第三个型号B+由基金会进一步开发。树莓派贸易公司负责技术发展，而基金会则是一个在学校和发展中国家支持基础计算机科学教学的教育慈善机构。

2. 树莓派4的新特性

• 双显示器支持（4K） ：可以连接两个显示器，并且支持4K分辨率。
• 更好的性能 ：配备新的处理器和内存，带来全新的桌面体验。
• 快速网络 ：具备千兆以太网、板载无线网络和蓝牙功能。
• 内存选项 ：有1GB、2GB和4GB三种基于内存的变体。
• USB 3 ：有两个USB 3端口和两个USB 2端口，数据传输速度提高了十倍。

3. 树莓派4的技术规格

规格	详情
芯片组	Broadcom BCM2711，64位SoC @ 1.5GHz四核Cortex - A72（ARM v8）
内存	1GB、2GB或4GB LPDDR4 - 2400 SDRAM（取决于型号）
无线频段	2.4 GHz和5.0 GHz
GPIO接口	标准40针GPIO接口，与以前的板完全向后兼容
HDMI端口	2个微型HDMI端口（支持最高4kp60）
显示端口	MIPI DSI 2通道显示端口
摄像头端口	MIPI CSI 2通道摄像头端口
音频视频接口	立体声音频和复合视频连接器4极
视频解码	H.265（解码4kp60），H264（解码1080p60，编码1080p30）
图形处理	OpenGL ES 3.0图形
存储	微型SD卡插槽，用于加载操作系统和存储数据
电源	通过USB - C连接器提供5V直流电源（最小3A ）；通过GPIO接口提供5V直流电源（最小3A ）；支持以太网供电（PoE）（需要单独的PoE HAT）
工作温度	环境温度0至50摄氏度

*如果下游USB外设总功耗小于500mA，可以使用优质的2.5A电源。

4. 配置树莓派4

4.1 所需物品

• 电源 ：设备包含一个USB Type - C端口，需要至少3.0A的电源。
• 微型SD卡 ：用于存储文件和Raspbian操作系统，最小存储要求为8GB。一些卖家提供预装Raspbian操作系统的微型SD卡。
• 键盘和鼠标 ：需要一个USB键盘和一个USB鼠标进行首次安装，设置完成后也可以使用蓝牙键盘和鼠标。
• 电视/电脑屏幕 ：需要一个电视或电脑屏幕以及一根电缆来连接树莓派和显示器，以显示计算机内的内容。如果显示器内置扬声器，树莓派可以使用它。需要一个微型HDMI端口，如果使用特定电缆（如普通HDMI、DVI和VGA电缆），则需要相应的微型HDMI转换器。

在设置树莓派4之前，这些是基本的规格要求，还可以添加保护壳、耳机/扬声器和以太网电缆等附加设备。

4.2 配置SD卡

如果SD卡没有预装Raspbian操作系统，可以使用带有SD卡插槽的笔记本电脑自行安装。最好的方法是使用NOOBS安装Raspbian操作系统。

5. 连接树莓派4

graph LR
    A[插入微型SD卡到树莓派4插槽底部] --> B[连接鼠标到树莓派4的USB端口]
    B --> C[连接键盘到树莓派4的USB端口]
    C --> D[确保屏幕插入插座并打开]
    D --> E[使用微型HDMI电缆或适配器连接屏幕到树莓派]
    E --> F[将以太网电缆连接到WiFi路由器或宽带网络，使树莓派4通过以太网连接到互联网]
    F --> G[如果屏幕有扬声器，树莓派将使用它；否则可通过耳机插孔连接外部音频设备]

6. 启动树莓派4

树莓派4没有电源按钮，插入电源并打开后立即启动。启动时会看到设备上的红色LED灯亮起，屏幕左侧会出现树莓派标志，几秒钟后会出现Raspbian桌面。

7. 完成配置

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

8. 树莓派4的应用

• 动态相机停止功能 ：需要树莓派4和专用相机模块来构建数字动态相机。创建过程耗时，需要Python、三脚架相机和光线充足的区域。还需要一个面包板（除非已有合适的按钮）和Python脚本。
• 互联网服务器 ：可以配置树莓派4来托管网站或博客。有两种方法：安装Apache及其相关库；或者创建一个完整的LAMP堆栈（包括Apache、PHP和MySQL），建议设置FTP。完成这些步骤后，将HTML文件添加到\www\目录，或者安装特定的网站（如WordPress）。
• 网络监控平台 ：可以使用Nagios工具监控网络设备和连接情况。只需将磁盘映像闪存到树莓派4上的SD卡即可使用。
• YouTube直播 ：需要一个兼容的USB相机和使用libav - tools套件构建的YouTube频道。树莓派4上有关于YouTube直播的综合教程。
• 学习编程 ：树莓派4内置的编程工具适合各个年龄段的人学习编程。Raspbian中有许多提供基本编程技能的软件，其中最重要的是Scratch。Scratch是一种基于块的编程工具，避免了代码行输入的复杂性，可用于控制树莓派GPIO上的灯光和编写基本游戏。

9. 树莓派的组件

• ARM CPU / GPU ：是一个SoC（Broadcom BCM2835片上系统），由ARM中央处理器（CPU）和Videocore 4图形处理器（GPU）组成。CPU负责所有计算，GPU处理图形输出。
• GPIO ：通用输入/输出连接点，供硬件爱好者进行调试。
• RCA ：RCA插孔可用于连接模拟电视等输出设备。
• 音频输出 ：3.55毫米插孔，用于连接耳机或扬声器。
• LED ：发光二极管，用于指示灯。
• USB ：标准的外设计算机通信端口，Model A有一个，Model B有两个。可以使用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微型USB电源连接器，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有以太网适配器，用于访问有线网络。

许多缺失的功能（如WiFi和音频）可以通过USB端口或USB集线器添加。

10. 树莓派的操作系统

树莓派的兼容操作系统均为Linux发行版。选择Linux部分是因为其低内存开销，能够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。作为计算机科学学习工具，Linux通常是免费的，并且其发行版包含一些已安装的编程语言。Linux的开源性质有助于应用程序的广泛传播。

截至2012年8月，可从树莓派网站下载的四个Linux版本如下：
| 版本 | 特点 |
| ---- | ---- |
| Raspbian Wheezy | Debian Wheezy的非官方移植版，适合Linux初学者。具有LXDE图形用户界面、Midori网络浏览器、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），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 | 用户访问权限最高，但由于没有图形用户界面，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嵌入式Linux框架，QT 5是一个用于嵌入式设备、移动应用和其他应用的快速开发环境。 |

11. 选择树莓派的原因

树莓派有一些竞争对手，如BeagleBoard和PandaBoard，但树莓派有两个优势：
- 易于使用 ：树莓派被设计为一个完整的功能机器，插入包含操作系统的SD卡，连接电源和外设即可使用。而BeagleBoard和PandaBoard在初始设置时需要连接到主机设备，并且需要更多的专业知识才能完全运行。
- 价格优势 ：BeagleBoard和PandaBoard的价格比树莓派高得多。2012年4月，两款主要的BeagleBoard型号价格在125美元至149美元之间，两款PandaBoard型号价格在174美元至182美元之间，而树莓派的基础价格为25美元和35美元。

12. 其他相关计算机

• OLPC ：一个慈善组织，为发展中国家的儿童提供完整、耐用、支持WiFi的笔记本电脑。XO - 1.5型号运行频率为1GHz，有1GB的RAM和4 - 32GB的内部闪存，运行专门设计的Linux发行版。
• Cotton Candy ：拇指驱动器大小的设备，可将显示器变成电视。具有1.2 GHz ARM Cortex - A9处理器、高清晰度GPU ARM Mali - 400MP、1GB的RAM、SD卡插槽、WiFi、HDMI端口和USB连接器。运行Linux和用于Android或Ubuntu的虚拟化客户端，主要用于访问网络或媒体内容，而非编程教育。
• Arduino ：微控制器板，内存和速度较小。可用于构建简单的计算机，操作物理设备，如电机或闪烁灯，也可与树莓派等计算机结合使用。

13. 树莓派3的规格

规格	详情
芯片组	Broadcom BCM28377，1.2 GHz四核64位ARM cortex A533
以太网	10/100（最大吞吐量100Mbps）
USB	四个USB 2.0，数据传输速度为480Mbps
存储	微型SD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 VideoCore IV多媒体
内存	1GB SDRAM LPDDR2 - 900
扩展性	40个通用输入输出引脚
HDMI端口	完整的HDMI端口
音频	3.5毫米音频输出插孔和复合视频插孔组合
相机接口	相机接口（CSI）
显示接口	显示接口（DSI）

14. 充分利用树莓派3的建议

• 保护树莓派 ：如果要携带树莓派，建议使用保护壳。
• 选择高速SD卡 ：如果追求效率，可以投资购买高速微型SD卡。
• 使用官方操作系统 ：官方的Raspbian操作系统经过优化，能充分发挥树莓派的性能，包含快速的网络浏览器和一系列办公及编程应用程序。
• 扩展SD卡空间 ：如果没有使用Noobs安装程序安装Raspbian操作系统，并且SD卡空间不足，可以在终端中输入’sudo raspi - config’，然后选择“Expand root partition to fill the SD card”选项，以使用SD卡的所有可用空间。

树莓派全方位指南：从入门到应用

15. 树莓派不同型号对比

为了更清晰地了解树莓派各型号以及与其他竞品的差异，下面将树莓派 3、树莓派 4 以及 BeagleBoard、PandaBoard 的主要规格进行对比：
| 型号 | 处理器 | 内存 | 显示接口 | 网络连接 | USB 端口 | 电源 | 价格 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 树莓派 3 | Broadcom BCM28377，1.2 GHz 四核 64 位 ARM cortex A533 | 1GB SDRAM LPDDR2 - 900 | 完整 HDMI 端口、3.5 毫米音频输出插孔和复合视频插孔组合、相机接口（CSI）、显示接口（DSI） | 10/100 以太网（100Mbps 最大吞吐量）、802.11n 无线网络（150Mbps 峰值传输/接收吞吐量），蓝牙 4.11n | 四个 USB 2.0（数据传输速度 480Mbps） | 通过 USB - C 或 GPIO 提供 5V 直流电源 | 25 美元和 35 美元（基础价格） |
| 树莓派 4 | Broadcom BCM2711，64 位 SoC @ 1.5GHz 四核 Cortex - A72（ARM v8） | 1GB、2GB 或 4GB LPDDR4 - 2400 SDRAM（取决于型号） | 2 个微型 HDMI 端口（支持最高 4kp60）、MIPI DSI 2 通道显示端口、MIPI CSI 2 通道摄像头端口 | 千兆以太网、板载无线网络和蓝牙 | 两个 USB 3 端口和两个 USB 2 端口 | 通过 USB - C 连接器提供 5V 直流电源（最小 3A ）；通过 GPIO 接口提供 5V 直流电源（最小 3A ）；支持以太网供电（PoE）（需要单独的 PoE HAT） | - |
| BeagleBoard | Texas Instruments Cortex A8 - based 处理器，运行频率 600 MHz 至 720 MHz（取决于版本），xM 为 1GHz | 128 MB RAM（原始版），新板分别为 256 MB 和 512 MB RAM | DVI - D 显示连接器、S - video 适配器 | - | 一个 BeagleBoard USB 端口和四个 xMM USB 端口 | USB 和 DC 供电 | 125 美元至 149 美元 |
| PandaBoard | 双核心 ARM Cortex A9 MPCore 处理器，由 Texas Instruments 制造，PandaBoard 为 1GHz，ESS 为 1.2 GHz | 1GB 的 RAM | DVI - D 显示连接器、LCD 扩展头 | WiFi 和蓝牙连接 | 一个 USB On - The - Go 端口和两个常规 USB 连接 | USB 和 DC 供电 | 174 美元至 182 美元 |

从表格中可以看出，树莓派 4 在处理器性能、内存选项和网络连接速度上有明显提升。与竞品相比，树莓派在价格上具有很大优势，并且在功能上也能满足大多数用户的需求。

16. 树莓派编程学习资源

树莓派对于编程学习非常友好，除了前面提到的 Scratch 编程工具，还有许多其他的学习资源：
- 官方文档 ：树莓派官方网站提供了详细的文档，涵盖了硬件介绍、操作系统安装、编程教程等内容。这些文档是学习树莓派的基础，对于初学者来说是非常宝贵的资源。
- 在线课程平台 ：像 Coursera、Udemy 等在线课程平台上有许多关于树莓派编程的课程。这些课程由专业的讲师授课，内容丰富，从基础的编程知识到实际项目开发都有涉及。
- 开源项目社区 ：GitHub 上有大量基于树莓派的开源项目。通过学习这些项目的代码，可以了解到不同的编程思路和技巧，同时也可以参与到开源项目的开发中，与其他开发者交流合作。

17. 树莓派项目实践案例

以下是一些基于树莓派的实际项目案例，帮助你更好地理解树莓派的应用：
- 智能家居系统 ：利用树莓派的 GPIO 接口连接各种传感器（如温度传感器、湿度传感器、人体红外传感器等）和执行器（如智能开关、智能门锁等），可以构建一个简单的智能家居系统。通过编写 Python 脚本，可以实现对家居设备的远程控制和自动化管理。

graph LR
    A[树莓派] --> B[温度传感器]
    A --> C[湿度传感器]
    A --> D[人体红外传感器]
    A --> E[智能开关]
    A --> F[智能门锁]
    G[手机 APP] --> A

• 气象站 ：结合树莓派和气象传感器（如风速传感器、风向传感器、雨量传感器等），可以搭建一个气象站。树莓派收集传感器数据，并通过网络将数据上传到服务器，用户可以通过网页或手机 APP 查看实时气象信息。
• 复古游戏主机 ：将树莓派连接到电视或显示器，安装 RetroPie 系统。RetroPie 是一个开源的复古游戏模拟器，可以让你在树莓派上玩到各种经典的街机游戏、家用游戏机游戏。

18. 树莓派未来发展趋势

随着技术的不断发展，树莓派也在不断进化，未来可能会有以下发展趋势：
- 性能提升 ：处理器性能会进一步提高，内存容量也会增加，以满足更复杂的应用需求。例如，可能会支持更高分辨率的视频处理和更强大的人工智能计算。
- 集成更多功能 ：可能会集成更多的传感器和通信模块，如摄像头、麦克风、5G 通信模块等，使树莓派成为一个更加多功能的设备。
- 应用领域拓展 ：除了现有的教育、智能家居、游戏等领域，树莓派可能会在工业自动化、物联网、边缘计算等领域得到更广泛的应用。

19. 总结

树莓派作为一款功能强大、价格亲民的单板计算机，为广大爱好者和开发者提供了一个绝佳的学习和实践平台。通过本文的介绍，你已经了解了树莓派的基本信息、配置方法、应用场景以及与其他竞品的对比。希望你能够充分利用树莓派的优势，开展自己的项目开发和学习之旅。无论是初学者还是有经验的开发者，树莓派都能为你带来无限的可能性。

在使用树莓派的过程中，要不断探索和尝试，结合实际需求进行创新。同时，也要关注树莓派的最新发展动态，及时更新自己的知识和技能。相信在未来，树莓派会在更多的领域发挥重要作用。