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第1章 Raspberry Pi?Arduino與智能家居

本章內容是關于Raspberry Pi?Arduino和智能家居的基本介紹?

我們將介紹Raspberry Pi的發展歷程，也會介紹Arduino這種開源的微控制器平臺，它讓開發者得以方便地連接各種傳感器和電機，與周圍環境交互?

介紹智能家居的一些背景知識，并展示如何通過使用Raspberry Pi這樣的設備，結合開源社區的軟件，構造一個復雜的基于傳感器的系統?

讓我們首先來關注一下在接下來的幾章中會提及的內容?

1.1 本書將要展示的內容

我們擁有大量令人興奮的項目，通過使用Raspberry Pi及Arduino技術來實現這些項目，可以逐步幫助你了解智能家居?這些項目包括:

●編寫軟件來控制硬件

●使用熱敏電阻來制作溫度計

●通過繼電器使溫度計變成恒溫器

●使用電機驅動板來控制電機

●編寫軟件，把項目中傳感器數據所產生的數據進行存儲

通過閱讀本書的所有章節，你將能夠獲得為智能家居項目搭建電路和硬件的基本知識?你還將會學到如何編寫程序創建一個項目，這個項目可以在控制你的設備的同時，記錄所產生的數據?，我們期待在未來你能用學到的新技術開發更多的項目?

首先，我們來初步了解將要使用的技術的背景?首先從Raspberry Pi開始?

1.2 Raspberry Pi的歷史和背景

從及時臺真空管計算機，到20世紀60年代的磁帶和穿孔卡片機，再到70年代的及時臺擁有微處理器的大型機，大型商業機構和大學研究機構一直保持著對計算機的研究?然而，70年代后期，隨著蘋果二代(Apple II)的，以及更早期電視打字機和蘋果一代這類科技的積淀，這種現狀迅速改變?

隨著80年代的到來，公眾看到了ZX Spectrum和Commodore 64這類低價家用計算機沖擊大眾市場，從而涌現新一代業余程序設計員?到90年代，這些自己搗鼓家用計算機和寫BASIC語言的業余程序設計員慢慢長大，后來進入學術界或計算機產業，通過游戲?網絡?開源?商業技術的開發掀起了網絡熱潮?

從很多方面來看，Raspberry Pi的創始也和這股網絡熱潮有關?2006年，在劍橋大學計算機實驗室里，一群由Eben Upton領導的計算機科學家執著于制造一種面向業余計算機發燒友?初露頭角的學生和孩子們的廉價但具有教育功能的微型計算機?他們的目標是讓那些即將從大學畢業的學習計算機的學生可以具備更多90年代后才出現的計算機技能，這當然離不開80年代家用計算機技術發展的基礎?

然而，兩年之后這個項目才得以實施?直到2012年，Raspberry Pi才向公眾?

20世紀，移動計算技術得到了迅猛發展，這主要得益于智能手機產業的興起?到2005年，一家前身為80年代家用計算機制造商Acorn的英國公司，推出了ARM CPU內核?目前隨著ARM的發展，98%的手機內核技術都由該公司提供，其每年約向世界提供10億CPU內核?Raspberry Pi使用的正是ARM公司提供的ARM1176JZF-S處理器內核?

與此同時，Eben Upton為Raspberry Pi做出過很多設想，直到2008年，得益于移動電話技術無孔不入的滲透和快速發展，制造一臺小型且輕便，但擁有許多普通大眾習慣使用的多媒體功能的微型計算機的成本才變得不再高不可攀?

因此，Raspberry Pi基金會正式成立，并且開始開發?生產Raspberry Pi?

到2011年，及時個內部測試模型被制造出來并開始進入測試流程?公眾最終看到了Raspberry Pi的強大能力?

這臺小小的低價計算機可以運行游戲《雷神之錘Ⅲ》和播放1080P全高清視頻?

2012年，Raspberry Pi最終向公眾開放購買?兩種型號的Raspberry Pi(A型和B型)開始按計劃投入生產，B型首先?

A型Paspberry Pi沒有以太網接口，但與B型相比，它的功耗更低，并且售價僅為25美元?

B型擁有以太網接口，售價為35美元?它首先在中國生產，隨后移至英國，由索尼公司接手生產?

經歷許多挫折(如早期成品被安裝了錯誤的以太網接口)，通過一系列法規的認證之后，Raspberry Pi終于漂洋過海到達全球科技發燒友的手中?

那么，到底你手中的B型Raspberry Pi都包括些什么呢?

1.3 Raspberry Pi硬件說明

我們將簡單介紹組成Raspberry Pi的核心組件來幫助你更好地體會它所擁有的功能?

Raspberry Pi的核心是博通(Broadcom)公司出產的BCM2835處理器——一種用于移動及嵌入式設備的多媒體應用處理器?

在此基礎上，它還包括許多用于支持USB?RCA接口和SD卡的其他配件?

現在我們來了解Raspberry Pi主板上的一部分核心組件?圖1.1中標明了一些核心組件，隨后是各部分的說明?

規 格

Raspberry Pi體積很小，外形只有85.60mm53.98mm17mm，重量僅為45g?這讓它非常適合用于智能家居，因為它可以被放在一個小盒子里，安裝在配電箱里，或者直接取代墻上的恒溫器?

3.5mm模擬音頻接口

通過3.5mm模擬音頻接口，你可以把耳機和音箱連接至Raspberry Pi?這對基于音頻?媒體播放器的項目尤其有用?

復合RCA視頻接口

你也許已經對連接DVD播放器和電視機的復合電纜很熟悉了，它們通常連著紅色?白色和黃色之類的插頭?Raspberry Pi有一個可以連接電視機黃色視頻電纜的接口，你可以用它連接電視機，把電視機作為屏幕?

兩個USB 2.0和一個Micro USB接口

USB是計算機連接外設和存儲裝置的最普遍的方法?Raspberry Pi有兩個USB接口，你可以用它們來連接鍵盤和鼠標?一個Micro USB接口用于給Raspberry Pi供電?

HDMI接口

HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒體接口)可以讓Raspberry Pi連接支持此項技術的高清晰度電視機和顯示屏?它可以取代復合RCA視頻接口和音頻接口?

如果想用Raspberry Pi在電視機上播放網絡音樂或視頻，推薦你使用HDMI接口?

SD卡槽

SD卡是Raspberry Pi上數據的最主要的存儲方式?我們需要把操作系統安裝在SD卡上，并且把它當作硬盤來使用?當然，也可以通過USB接口的外置存儲設備來擴展Raspberry Pi的存儲能力?

與GPU共享的256MB/512MB內存

老款B型Raspberry Pi擁有256MB的SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態隨即存取存儲器)，而新型號擁有512MB?與擁有千兆字節(Gigabyte)內存的個人計算機相比，這個容量并不是很大?但是，對于我們要開發的應用來說，256MB和512MB的存儲容量已經足夠?

CPU

在本章的開頭，我們介紹過ARM——一家提供CPU(Central Processor Unit，中央處理器)內核的英國公司?Raspberry Pi裝備有一塊700MHz?擁有ARM1176JZF-S內核的CPU，它是ARM11 32位多核處理器家族的一員?

CPU是Raspberry Pi的主要組成部分，通過執行計算機程序指令來進行數學?邏輯運算?

Raspberry Pi所使用的ARM11系列處理器，在iPhone?亞馬遜Kindle和三星Galaxy系列手機里都有使用?

GPU

GPU(Graphics-Processing Unit，圖形處理器)是一種專用芯片，用來加速圖像計算的操作?

Raspberry Pi配備了博通VideoCore IV圖像處理器，可以支持OpenGL應用的硬件加速回放?

如果想要在你的Raspberry Pi玩游戲?播放視頻，或者使用Blender這樣的開源3D圖像應用，圖形處理器就將發揮極大的作用?

以太網接口

以太網接口是Raspberry Pi連接其他設備及訪問Internet的主要途徑?你可以使用Raspberry Pi的以太網接口連接正在用于上網的家用路由器或設置好的網絡交換機?

GPIO

Raspberry Pi上的GPIO(General Purpose Input/Output，通用輸入輸出)引腳主要用于連接其他電路板，如Arduino?

顧名思義，GPIO引腳能夠接收與輸入輸出有關的控制命令，可以在Raspberry Pi上進行編程來發出這些控制命令?

Arduino擴展板可以將GPIO引腳連接到Arduino，這讓我們能夠把設備傳感器采集到的數據傳回Raspberry Pi?這一點在智能家居中尤其實用，因為人們都希望通過運行著操作系統的Raspberry Pi來存儲數據或操作電機?

以上內容大概講解了Raspberry Pi的技術功能，下面我們將關注Arduino，以及如何使兩種技術(Raspberry Pi和Arduino)通過GPIO引腳進行連接?

1.4 Arduino的歷史與背景

Arduino是市場上使用最廣泛的開源硬件產品之一，它早期屬于Wiring開源平臺的分支，由Massimo Banzi和David Cuartielles于2005年在意大利開發?Arduino是一項開源硬件技術，還包括編程語言和IDE(Integrated Development Environment，集成開發環境)?

Arduino平臺允許用戶通過其同名的編程語言來創建自定義硬件和開發應用?

目前，市場上有許多不同大小?不同組件組成的主板模塊?如Lilly Pad可以讓發燒友們把Arduino主板集成在衣物上，這是可穿戴電子的概念?這些主板支持各種各樣的擴展板(Shield)—— 一種可以與Arduino兼容的電路板，它可以插在主板上并擴展其功能?其中，使用以太網擴展版和無線Xbee裝置來連接家用網絡和Internet就是一種獨特的擴展功能? ……