63、树莓派：低成本电脑的无限可能

树莓派：低成本电脑的无限可能

1. 树莓派简介

树莓派是由英国慈善组织树莓派基金会开发的一系列低成本、信用卡大小的单板计算机。它旨在促进学校和发展中国家的基础计算机科学教学。树莓派使用普通的键盘和鼠标，并可连接到电脑显示器或电视，是一款轻量级但功能强大的计算机，适合各年龄段的人探索编程，学习Scratch和Python等编程语言。

树莓派的用途广泛，从上网冲浪、观看高清视频，到制作电子表格、文字处理和玩游戏，它能完成你期望台式计算机完成的一切任务。此外，它还能与外界连接，已被用于各种交互式开发项目，如音乐机器、家长探测器、气象站和红外摄像头推特鸟屋等。

树莓派于2012年推出，此后发布了多个版本和变体。最初的Pi配备单核700MHz CPU和256MB RAM，新版则提供四核1.4GHz CPU和1GB RAM的配置。树莓派的主要价格点一直是35美元，所有型号的价格都在35美元或以下，其中Pi Zero仅售5美元。

2. 树莓派的应用场景

2.1 构建便携式安全盒

树莓派的便携性和经济性使其成为红队人员、渗透测试人员和其他安全人员常用的工具。它内置以太网端口，功耗低，能运行任何Linux程序，非常适合偷偷融入目标网络。安全人员通常会选择Kali Linux发行版，树莓派有专门为其定制的版本，安装也相当容易。启用Kali后，不仅可用于安全操作，还能作为安全空间测试新工具，而不会对主计算机造成损害。但需注意，只能对明确授权的目标进行测试。

2.2 搭建WordPress网站平台

搭建自己的网站是熟悉树莓派的绝佳项目。通过运行WordPress服务器，你可以学习如何使用MySQL、PHP和Apache应用程序，以及Linux操作系统的实际操作。完成后，你将拥有一个可运行的WordPress网站，可用于展示简历、艺术作品集或个人博客等内容。若想将其打造成正式网站，还需注册域名。

2.3 在树莓派3上安装完整的Windows 10

可使用GitHub上的Windows on ARM (WoA) 安装程序，在树莓派3 Model B或B+板上安装微软的操作系统。此前，树莓派计算机仅支持精简版的Windows IoT Core操作系统，而这个新软件包提供了完整的Windows 10操作系统功能。该安装程序经过优化，使用方便，需要捆绑二进制文件和WoA核心套件。

2.4 在树莓派上运行Windows 10 IoT Core

若想在树莓派上运行Windows 10物联网版本，可使用Windows 10 IoT Core。由于树莓派Model B+的RAM仅为1GB，处理器为1.4GHz ARM，运行完整操作系统的处理能力不足，因此Windows 10 IoT Core是一个轻量级的物联网应用程序，一次只能运行一个UWP应用程序。如果想将自己的创作商业化且所需设备较少，则无需许可证。

操作步骤如下：
1. 准备一个树莓派3、一张备用的microSD卡和一个Windows设备上的独立microSD卡读卡器。还需要Visual Studio、文本编辑器、SDK、插件和证书。
2. 设置树莓派使用的内存卡。可使用最新的开箱即用程序 (NOOBS) 安装程序简化操作，通过Windows PC或笔记本电脑上的微软物联网仪表板软件构建可引导卡。
3. 使用博通树莓派2 & 3和操作系统构建选项 (Windows 10 IoT Core) 设置计算机，然后输入密码，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. 将内存卡插入树莓派，即可启动新的Windows IoT Core版本。

2.5 将树莓派设置为VPN服务器

VPN可隐藏你的在线身份，使你在上网搜索、下载内容或进行对话时，行为不被监控。使用树莓派作为VPN服务器，可创建个人VPN热点，防止网络上使用的任何网站传输你的身份信息。

操作步骤如下：
1. 安装Raspbian以访问命令行。
2. 使用PiVPN脚本安装VPN客户端，以确保通信安全。建议使用OpenVPN作为VPN客户端，不过也可与其他许多客户端配合使用。

3. 树莓派4的新特性

3.1 技术规格

规格	详情
处理器	Broadcom BCM2711，64位SoC @ 1.5GHz四核Cortex - A72 (ARM v8)
RAM	1GB、2GB或4GB LPDDR4 - 2400 SDRAM（取决于型号）
无线网络	2.4GHz和5.0GHz
GPIO接口	标准40针GPIO接口（与以前的板完全向后兼容）
视频输出	2个micro - HDMI端口（支持高达4kp60）；MIPI DSI 2通道显示端口；MIPI CSI 2通道摄像头端口
音频输出	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	Micro - SD卡插槽，用于加载操作系统和存储数据
电源供应	5V DC通过USB - C连接器（最小3A ）；5V DC通过GPIO接口（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

注：*如果下游USB外设的总消耗小于500mA，则可使用优质的2.5A电源。

3.2 新特性亮点

• 双显示器支持（4K） ：可连接两个显示器，且支持4K分辨率，提供全新的桌面体验。
• 性能提升 ：配备全新改进的处理器和RAM，保证更出色的性能。
• 快速网络 ：具备千兆以太网、板载无线网络和蓝牙功能。
• 多种RAM配置 ：提供1GB、2GB和4GB三种基于RAM的变体。
• USB 3改进 ：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。

4. 树莓派4的配置步骤

4.1 所需设备

• 电源供应 ：树莓派4配备USB Type - C端口，需要至少3.0A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。许多卖家提供预装Raspbian OS的micro - SD卡，购买后可直接使用。
• 键盘和鼠标 ：需要USB键盘和USB鼠标进行首次安装，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连接树莓派和显示器的电缆，以显示计算机内的内容。若显示器内置扬声器，树莓派可使用其音频输出。需要使用micro - HDMI端口，若使用普通HDMI、DVI或VGA电缆，则需要相应的micro - HDMI转换器。

4.2 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自行安装。最佳方法是使用NOOBS安装Raspbian操作系统。

4.3 连接树莓派4

按照以下顺序安装所有必要组件，以确保组件安全：
1. 将micro - SD卡插入树莓派4底部的插槽。
2. 将鼠标电缆的USB端口连接到树莓派4的USB端口，以同样的方式连接键盘。
3. 确保屏幕已插入插座并开启。使用micro - HDMI电缆将电视/电脑显示器连接到树莓派，如有必要可使用适配器。将母micro - HDMI组件插入树莓派名为HDMI0的端口。
4. 连接以太网电缆到WiFi路由器或宽带网络，通过以太网将树莓派4连接到互联网。
5. 若屏幕内置扬声器，树莓派将使用其音频输出；若不想使用或显示器没有扬声器，可通过耳机插孔连接外部音频设备，如耳机和扬声器。

4.4 启动树莓派4

树莓派4没有电源按钮，插入电源并开启后即可启动。启动时，设备上的红色LED灯将亮起，屏幕左侧将显示树莓派标志。几秒钟后，将出现Raspbian桌面。

4.5 完成配置

首次启动树莓派4时，将出现“欢迎使用树莓派”弹出窗口，引导你进行初始配置：
1. 点击“下一步”，设置国家、语言和时区。
2. 再次点击“下一步”，设置新密码。
3. 选择WiFi网络名称并输入密码，连接到WiFi网络。
4. 允许向导搜索并安装更新，这可能需要一些时间。
5. 点击“完成”或“重启”完成设置。

5. 树莓派4的应用程序

5.1 定格动画相机

使用树莓派4和专用相机模块可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区域。为了达到满意的效果，需要时间和实践。安装按钮需要面包板（除非已有可连接到树莓派GPIO的合适按钮）和Python脚本，用于拍摄每个文件。

5.2 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。完成这些步骤后，将HTML文件添加到\www\目录，即可启动Web服务器，也可安装特定的网站，如WordPress。

5.3 网络监控平台

若想监控网络上的设备或解决连接问题，可开发网络监控工具。互联网上有许多可用的工具，其中Nagios工具是最佳选择之一，它易于安装和运行，可轻松监控设备的正常运行时间并显示连接设备的可视化信息。只需将磁盘映像闪存到树莓派4上的SD卡即可使用。

5.4 实时YouTube视频流

树莓派4还可用于在YouTube上进行实时视频流。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上有关于如何在YouTube上进行实时视频流的详细教程，可参考具体说明。

5.5 学习编程

树莓派4内置的编码工具适合各年龄段的人学习编程。在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，设计用于适应所有水平的用户，避免了代码行输入的复杂性。你只需拖动命令到相应位置，在代码视图中即可看到命令的影响，并将代码导出为可运行的程序。Scratch足够简单，可控制树莓派GPIO上的灯光，也足够复杂，可用于编写基本游戏。

6. 树莓派的组件和操作系统

6.1 树莓派的组件

树莓派系统看起来像主板，暴露了安装的芯片和端口，它包含连接和启动计算输入、输出和存储设备所需的所有组件。树莓派板上的不同组件如下：
- ARM CPU / GPU ：这是一个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负责处理所有使机器运行的计算（接收输入、进行计算和生成输出），GPU负责处理图形输出。
- GPIO ：通用输入/输出连接点，为硬件爱好者提供了进行实验的机会。
- 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 ：用于连接耳机或扬声器等音频输出设备的标准3.55毫米插孔，没有音频输入。
- LEDs ：发光二极管，用于各种指示灯的照明需求。
- USB ：标准的外围计算机通信端口，可连接各种设备，如鼠标和键盘。Model A有一个USB端口，Model B有两个。如果设备有自己的USB端口，可使用USB集线器扩展端口数量，也可将鼠标插入键盘。
- HDMI ：该连接器允许使用HDMI电缆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SD卡，启动设备需要带有操作系统 (OS) 的SD卡。可从制造商处购买预装操作系统的SD卡，也可使用Linux机器自行下载操作系统并保存到卡上。
- 以太网 ：该适配器允许访问有线网络，仅Model B可用。

许多缺失的功能，如WiFi和音频，可通过USB端口或USB集线器按需添加。

6.2 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至少部分是因为其内存开销低，使得在这样一个没有内置永久存储的简单计算机上运行功能齐全的操作系统成为可能。作为计算机科学学习工具，Linux通常是免费的，并且具有很大的潜力，因为其发行版预装了一些编程语言。Linux的开源性质有助于应用程序的广泛传播，随着开发者的参与，将提供更多的材料。

截至2012年8月，可从树莓派网站下载的四个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。它具有LXDE GUI图形界面、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几乎相似，但使用二进制接口 (ABI) 软浮点应用程序，而不是Raspbian硬浮点，这会降低性能，但可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最高，但由于缺乏GUI，对Linux新手不太友好。
- QtonPi ：这是一个专门为通过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，QT 5是一个用于嵌入式设备、移动应用程序和其他应用的快速开发环境。

7. 为什么选择树莓派

树莓派有一些竞争对手，如BeagleBoard和PandaBoard。它们也是非营利组织开发的设备，但目标与树莓派基金会有所不同。BeagleBoard针对成年硬件爱好者，PandaBoard旨在提供价格适中的移动软件开发平台。

与树莓派一样，BeagleBoard和PandaBoard都采用ARM处理器，是可支持高清视频的裸板。但它们比树莓派有更多的连接器和链接头，尺寸也更大。以下是它们与树莓派的一些不同特点：

7.1 BeagleBoard和BeagleBoard - xMBoard

• 处理器：基于德州仪器Cortex A8的处理器，BeagleBoard的运行频率为600MHz至720MHz（取决于版本），xM为1GHz。
• RAM：原始BeagleBoard有128MB RAM，较新的版本分别有256MB和512MB RAM。
• 显示连接器：DVI - D显示连接器。
• 视频适配器：S - 视频适配器。
• 音频：有音频输入和输出（并非所有音频输出）。
• USB端口：BeagleBoard有一个USB端口，xMM有四个USB端口。
• 电源：支持USB和DC电源。
• 缺少RCA或HDMI连接器。

7.2 ES PandaBoard & PandaBoard

• 处理器：双核心ARM Cortex A9 MPCore处理器，由德州仪器制造，PandaBoard的运行频率为1GHz，ESS为1.2GHz。
• RAM：1GB RAM。
• 显示连接器：DVI - D显示连接器。
• LCD扩展头：用于LCD扩展。
• USB连接：一个USB on - the - go端口和两个常规USB连接。
• 网络连接：支持WiFi和蓝牙。
• 电源：支持USB和DC电源。
• 缺少RCA连接器。

树莓派在教育用途方面有两个优势：
- 它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，虽然它们具有类似的处理能力，但需要更多的专业知识才能完全运行。
- 其他设备的价格比树莓派贵得多。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。

综上所述，考虑到其功能和价格，树莓派似乎最适合为大众提供计算能力。

8. Raspberry Pi 3的规格及使用建议

8.1 规格参数

规格	详情
芯片组	Broadcom BCM28377
处理器	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，数据传输速率为480Mbps
存储	MicroSD卡或通过USB连接的存储设备
无线	802.11n无线局域网（峰值传输/接收吞吐量150Mbps），蓝牙4.11n
图形	来自VideoCore IV的400MHz多媒体
内存	1 GB SDRAM LPDDR2 - 900
扩展性	40个通用输入输出引脚
视频输出	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）

8.2 使用建议

• 为保护树莓派免受损坏，建议购买一个保护壳，特别是如果需要携带树莓派到其他地方。
• 如果追求效率，可投资购买高速micro SD卡。
• 虽然树莓派可以运行多种不同的操作系统，但官方的Raspbian操作系统是追求可靠性和性能的不错选择，它经过优化，能充分发挥树莓派的性能，捆绑了快速的网络浏览器和一系列不错的办公和编程应用程序。
• 如果没有使用Noobs安装程序安装Raspbian OS且存储空间不足，可在终端中输入’sudo raspi - config’，然后选择“扩展根分区以填充SD卡”选项，以确保使用SD卡上的所有可用空间。

9. 其他相关设备比较

除了树莓派及其竞争对手，还有一些其他计算机设备也值得一提，它们各自有着不同的特点和用途。

9.1 OLPC（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、耐用且支持WiFi的笔记本电脑。以XO - 1.5型号为例，它运行频率为1GHz，拥有1GB的RAM和4 - 32GB的内部闪存。和树莓派一样，它运行专门设计的Linux发行版。

9.2 棉花糖棒机器（Cotton Candy）

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

9.3 Arduino板

Arduino板是微控制器板，内置的内存和速度相对较小。它可用于构建简单的计算机，通过连接电机或闪烁灯等组件来操作物理设备，并且可以与树莓派等计算机结合使用。例如，如果有人想创建一个机器人，Arduino板就可以发挥作用。

下面通过表格对比这些设备的特点：
| 设备名称 | 目标用途 | 处理器 | RAM | 操作系统 | 特点 |
| — | — | — | — | — | — |
| OLPC | 为发展中国家儿童提供电脑 | 1GHz | 1GB | 专门设计的Linux发行版 | 完整、耐用、支持WiFi |
| 棉花糖棒机器 | 访问网络或媒体内容 | 1.2GHz ARM Cortex - A9 | 1GB | Linux及虚拟化客户端 | 体积小，可将显示器变电视 |
| Arduino板 | 构建简单计算机操作物理设备 | - | 较小 | - | 可与树莓派结合，用于机器人等 |

10. 树莓派应用的总结与流程梳理

10.1 应用总结

树莓派的应用场景丰富多样，涵盖了从安全测试到网站搭建、操作系统安装、网络监控、视频流以及编程学习等多个领域。不同的应用场景对硬件和软件的要求也有所不同，以下是对主要应用场景的总结：
- 安全测试 ：构建便携式安全盒，利用Kali Linux进行安全操作，但需获得目标授权。
- 网站搭建 ：可搭建WordPress网站平台，学习相关应用程序和Linux操作。
- 操作系统安装 ：能在树莓派3上安装完整Windows 10或运行Windows 10 IoT Core。
- 网络监控 ：使用Nagios工具开发网络监控平台，监控设备运行情况。
- 视频流 ：通过USB相机在YouTube上进行实时视频流。
- 编程学习 ：利用内置的Scratch等工具学习编程。

10.2 流程梳理

为了更清晰地展示树莓派不同应用的操作流程，下面通过mermaid流程图进行梳理：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B{选择应用场景}:::decision
    B -->|安全测试| C(构建便携式安全盒):::process
    B -->|网站搭建| D(搭建WordPress网站平台):::process
    B -->|操作系统安装| E(安装Windows 10或Windows 10 IoT Core):::process
    B -->|网络监控| F(开发网络监控平台):::process
    B -->|视频流| G(进行YouTube实时视频流):::process
    B -->|编程学习| H(利用Scratch学习编程):::process
    C --> I(安装Kali Linux):::process
    I --> J(进行安全操作):::process
    D --> K(安装相关软件):::process
    K --> L(添加HTML文件或安装特定网站):::process
    E --> M(准备设备和软件):::process
    M --> N(设置内存卡和安装系统):::process
    F --> O(安装Nagios工具):::process
    O --> P(监控设备):::process
    G --> Q(准备USB相机和创建频道):::process
    Q --> R(进行视频流):::process
    H --> S(学习Scratch编程):::process
    J --> Z([结束]):::startend
    L --> Z
    N --> Z
    P --> Z
    R --> Z
    S --> Z

11. 树莓派的未来展望

树莓派凭借其低成本、高灵活性和广泛的应用场景，已经在计算机领域取得了显著的成绩。随着技术的不断发展，树莓派有望在更多领域发挥重要作用。

11.1 物联网领域

在物联网时代，树莓派的GPIO接口和网络连接能力使其能够成为物联网设备的核心控制器。它可以连接各种传感器和执行器，实现智能家居、智能农业、工业自动化等应用。例如，通过树莓派可以实现对家庭电器的远程控制、对农田环境的实时监测以及对工业生产过程的自动化管理。

12.2 教育领域

树莓派在编程教育方面已经有了很好的基础，未来它将继续在教育领域发挥重要作用。随着编程教育的普及，树莓派可以作为一种低成本、易于上手且功能强大的教学工具，帮助更多的学生学习编程和计算机科学知识。同时，树莓派的开源社区也将不断提供更多的教学资源和项目案例，促进教育的创新和发展。

12.3 创新项目

树莓派的开放性和灵活性为创新项目提供了广阔的空间。未来，我们可能会看到更多基于树莓派的创意项目，如机器人开发、艺术创作、科学实验等。这些项目将充分发挥树莓派的性能，推动科技与艺术、科学的融合发展。

总之，树莓派作为一种具有无限潜力的计算机设备，将在未来的科技发展中扮演重要的角色。无论是对于初学者还是专业开发者，树莓派都是一个值得探索和尝试的平台。通过不断地学习和实践，我们可以充分发挥树莓派的优势，创造出更多有价值的应用和项目。