作者：朱铁斌
出版社：人民邮电出版社
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开源硬件创客 15个酷应用玩转树莓派试读：
前言
最近，在爱范儿上有篇文章《树莓派为什么这么火》。它的开头是这么一句话“3年售出500万台Raspberry Pi，树莓派基金会成为了英国最大的计算机制造商”。短短3年时间，树莓派从原来的小众开源爱好者的“玩具”渐渐走入了“寻常百姓家”，其版本从最初的Model-A到B再到B+和A+，版本升级带来的是更加强大的功能。而在正式推出的第二代产品——Pi 2中，处理器升级到了四核，速度比第一代快6倍，内存升级到了1GB，同时还能搭载Windows 10，而它的售价仍然是加量不加价的35美元。
树莓派究竟为什么会这么火呢？这与它低廉的价格密不可分，因为只要花上几百元，就可以拥有一台性能良好的微型计算机。但最关键的还是在于树莓派具有丰富的可拓展性，即具备“开源的力量”。“开源的力量”不是说我们可以免费享用他人的成果，而是说集合大家的力量，这种力量也是推动树莓派兴起的重要原因。
开源将DIY（Do it yourself）变成了DIT（Do it together），这使得树莓派有着无限可能。“探索”与“创造”是本书的两个核心关键词。树莓派就好像一把“钥匙”，能打开一扇大门。门后面的世界是怎样的？对于不同的人来说，看到的世界是不同的。比如，对于热爱编程的人来说，看到的是一个代码的世界；对于热爱开源硬件的人来说，看到的是一个充满创造力、拥有无限可能性的世界；而对于热爱酷炫应用的人来说，这是一个充满乐趣的地方。
接着，我想与大家分享一个故事，一个关于我自己成长以及成长中收获的那些乐趣的故事。我是一个十分“爱玩”的人，小学时初次接触计算机，并从此一发不可收拾地爱上了它。它让我接触到了一个更大的世界。那时的我一直很好奇，究竟是怎样神奇的“魔力”使它拥有如此丰富的功能。后来学习编程，我明白了，在这些丰富绚丽的功能背后，是一行行代码在支撑着。编程，为我打开了一扇新的大门。编程最大的魅力就在于创造。在代码的世界里，通过一行行代码，创造着属于我的科技成果。这是一种“创造”的乐趣。
小学毕业的暑假，父亲送给我一个iPod touch。虽然那时苹果操作系统还不叫iOS，背景界面还是全黑的一片，没有Retina高清屏，也没有扁平化的图标，却带给我极大的震撼，一如后来树莓派带给我的。不同于编程，iPod touch带给我的是“探索”的乐趣。第一次“越狱”、第一次安装“插件”、第一次“美化”界面等许许多多个第一次带来了尝试新鲜事物的乐趣。iPod touch也开启了我的写作之路。那时起，我开始尝试着将自己在探索iPod tocuh时得到的一些经验心得写下来，放到网上与他人一同分享。这种分享也带给了我许多的快乐，分享的快乐是相互的，是一种人与人之间互相给予的快乐。这种快乐一直伴随着我。这也是我为什么热爱“开源”的原因。
在初中时，我热衷于折腾各类电子产品，也爱上了动手制作。当时是智能手机兴起的时期，也是手机变革的时代。从那时起，诺基亚逐渐被iPhone和各类安卓智能手机取代，手机处理器日渐强大，从单核到双核再到四核，初二时，尝试着自己做一个移动电源。当时，买了一块5000毫安的电池、充电板、升压板、USB母口和MINI USB母口等配件，然后尝试着用电烙铁与焊锡丝进行焊接，最后成功地做成了一个移动电源。这种“制作”的快乐又不同于“编程”时“创造”的快乐。编程时是随心所欲，因为创造没有的东西而产生的快乐，而“制作”移动电源的快乐则是通过自己努力去尝试，按照计划的路线，经过遇到问题与解决问题等一系列过程后，收获的喜悦。后来“苹果皮”（苹果皮由坤明科技研发）出现，使得iPod touch也可以拥有打电话、发短信和上网等功能。那时候，我曾尝试着把iPod touch和苹果皮“大卸八块”，然后买来iPhone的配件，如后盖、中框、中板和液晶框等，最终组合成一台“TouchPhone”。
以上是我在遇到树莓派以前的种种经历，以及从中收获到的乐趣。在初三毕业的暑假，自从第一次接触到树莓派，就由此开始了一条新的道路。树莓派，使我发现了开源硬件的魅力。与树莓派的邂逅，带给我的是一种惊喜，就像初次遇到计算机和iPod touch时的那样。有人曾说：“人会随着年岁增长，慢慢变得麻木，会越来越少有小时候那种眼前一亮的感觉。”但树莓派又再次带给了我这种感觉。
树莓派就好像是一座桥，把我以前所学的知识与未来连接到了一起。树莓派带给我编程“创造”的乐趣，简洁明了的命令行能够使我最大程度地集中注意力。树莓派也带给我“探索”新事物的乐趣，不同于对iPod touch的探索，树莓派使我能够感受到更多、更精彩的乐趣。同时，树莓派也给了我“制作”的乐趣，能利用树莓派搭建一台家用服务器、一个影音盒子、一台智能路由器，甚至以树莓派为终端的智能化家居。树莓派带给我更多乐趣，如创造、探索、制作，但似乎还有一样乐趣没有提到—“分享”！说到这，大家可能明白了我写这本书的初衷。我想通过这本书与大家分享在树莓派学习道路上的点点滴滴，让大家也体会到其中的精彩与乐趣！
说了那么多我自己的故事，也该给大家讲讲这本书了。通过这本书向大家详细介绍了打造15个酷炫应用的方法。前3章是本书的基础章节，主要介绍了树莓派的一些基本情况和基本操作。读者可通过这3章内容了解树莓派基本的使用方法；第4章～第18章主要介绍15个以树莓派为载体的酷炫应用。大家可以按照教程一步一步来学习个人网站、影音盒子、下载机、私有云、智能路由器、智能家居等应用的制作方法；最后一部分内容为附录，包含了树莓派常用的操作命令和一些使用技巧，方便大家更好地使用树莓派。
由于我自己也是一个学习者，所以，我在写作时也是以一个学习者的角度出发，最大限度地使教程内容简单化、详细化。根据自己的学习体会，我认为实践绝对是最好的学习方式。单纯想利用树莓派来体验一下酷炫应用的读者，只需要照着书上的操作，即可成功搭建一个个应用。而想利用树莓派来进一步学习编程及开源硬件知识的读者，先按照书中的步骤成功搭建应用，再去体会其中蕴含的深刻奥妙。希望大家能够在阅读本书的过程中，感受到我曾经感受过的“创造”“探索”“制作”等乐趣，并能够与他人分享自己的乐趣。
最后来说说感谢。首先要感谢陈冰老师，感谢他的无私指导与真诚付出，使我能够更好地写作这本书，可以说没有他就没有这本书；同时，还要感谢我的父母。他们是我坚强的后盾，一直在背后支持我，鼓励我去探索、去发现、去创造；最后，要感谢互联网，感谢开源社区默默奉献的人们，感谢那些乐于分享的人们。是他们，使不可能变为可能，使梦想变为现实！
让我们一同去发现一个更大的世界！追梦路上，永不止息！第1章初识树莓派
初识树莓派是一场美丽的邂逅。在本章中，作者将带领大家来认识树莓派。读者可通过本章了解树莓派的前世今生，掌握树莓派的来龙去脉，从而形成对树莓派的一个初步印象。1.1树莓派是什么
要想玩转树莓派，首先得知道树莓派是什么。在本节中，作者将带领大家揭开树莓派的神秘面纱，了解树莓派从最初诞生到现在发生的有趣故事，以及树莓派背后所蕴含着的深刻含义。1.1.1 树莓派的“诞生”
2012年2月29日，一个载入开源史册的日子，本书的主角—树莓派正式发售了。热情的人们“刷爆”了树莓派订购网站的服务器，逼得网站站长在Twitter上恳求：“朋友，你能别如此频繁地按F5键进行刷新网页吗，将会使服务器瘫痪的。”从最初的设计构想到原型机，再到最终发售，树莓派走过了整整6个年头。
2006年树莓派的创始人厄普顿（Eben Upton）（见图1-1）在剑桥大学发出了这样的感叹：计算机专业学生的编程能力是一届不如一届啊！从前的学生在命令行下训练出来的编程能力都很过硬，而现在的学生都被“舒适”的图形界面惯坏了。在图形界面下，年轻人的注意力很容易被网络中的各种“诱惑”吸引，如网络游戏、网络视频、社交网络等。同时，图形界面的易用性也使得他们不再去记忆各种烦琐的命令。此外，计算机的多功能性和复杂性也使它不再适合入门学习。上述的这些原因，导致了年青人编程能力和创造力下降。正所谓“生于忧患，死于安乐”。厄普顿开始思考怎样才能改变这一现状，他认为青少年需要一个廉价、简洁、好玩、高效并能充分发挥他们创造力的开发平台。因此，厄普顿以20世纪80年代英国的一种家用电脑BBC Micro为蓝本，提出了树莓派的最初设想。图1-1
2006年到2008年期间，厄普顿设计了许多版本的树莓派原型机。但这些原型机的性能都达不到他的要求，比如使用Atmel的ATmega644控制器原型的主频仅有22.1MHz，内存更是只有可怜的512KB。直到2008年，廉价而性能足够强劲的移动处理器芯片开始逐渐面世，智能手机的发展标志了一个新的时代—移动时代的来临。在2008年7月11日苹果公司推出了第二代iPhone—iPhone 3G，而10月22日第一款Android操作系统的智能手机—HTC Dream G1开始正式销售，树莓派也终于找到了它的好“基友”—ARM芯片，如图1-2所示。
在这之后厄普顿成立了树莓派基金会，并宣布树莓派的目标为“造价25美元，运行Linux，信用卡尺寸，可以连接电视机，有高清视频播放能力”。2011年8月，基金会制造出第一批Alpha电路板（共50片），成功运行了Debian系统。2012年的第一周，10个原型机的电路板在eBay上进行拍卖，出人意料的，这10个电路板共筹集了超过16000英镑的资金。2012年2月份，首批1万个电路板在中国开始生产。就这样，树莓派在人们的期待与支持中慢慢孕育成长……
2012年2月29日，树莓派—正式诞生了！图1-21.1.2 树莓派的“成长”
了解了树莓派诞生的整个过程后，接下来作者将讲述树莓派诞生后的故事。图1-3
先来说说树莓派硬件上的“成长”。 2012年发行之初，树莓派分为Model A和Model B两个版本，主版本代号为Revision 1.0，如图1-3所示。A型的售价为25美元，B型的售价为35美元。得益于树莓派开源的特性，在2012年10月树莓派又在第1版（Revision 1.0）的基础上推出了第2版（Revision 2.0）。第2版树莓派将原来的内存从256MB升级到了512MB，同时PCB主板也做了一些修整，比如，增加了定位孔，去除了USB供电的限流保险丝以及USB HUB芯片的电源控制功能，对GPIO接口也进行了一定程度的调整。
2013年2月1日，红色中国版的树莓派诞生了。红色版的树莓派由深圳市韵动电子有限公司获得授权生产，其技术参数与目前生产的B型一致，都是512MB的Revision 2.0版本。
2014年7月份，树莓派的第三款型号Model B+正式面市。在硬件上Model B+虽同样采用了BCM2835处理器和512MB内存，但新增了2个USB 2.0接口和14个GPIO引脚，使USB 2.0接口和GPIO的数量分别达到了4个和40个，具有更好的扩展性。此外，Model B+上的SD卡插槽也被换成了更小巧的推入式Micro SD卡插槽，而视频接口和音频接口也被整合成了一个混合接口，并且采用了低噪供电的形式，音效表现更好。同时它在电源方面也进行了升级，其将线性式稳压器换成了开关式稳压器，拥有了更好的供电以及更低的功耗。最关键的是“加量不加价”—Model B+售价依旧是35美元。
在2014年11月份，树莓派的第4个小兄弟Model A+诞生了。如果说Model B+是Model B的升级版，那么Model A+就是Model A的升级版了。Model A+在外形、尺寸以及内在配置等方面都进行了升级。它的尺寸只有65 mm×56.5 mm，可以说是真正做到了与信用卡的大小相仿。它的重量为23g，耗电量则从1.5W降至1W。总得来讲，此时的树莓派变得更小更轻更省电了。此外与Model B+一样，它的GPIO的数量达到了40个，SD卡插槽也被换成了更小巧的推入式Micro SD卡插槽，视频接口和音频接口也被整合成了一个混合接口，并且采用了专门的低噪声电源，音质变得更好。当然，价格还是与Model A一样—20美元，如表1-1所示。表1-1型号A型B型B+型A+型上市$25$35$25价格BroadcomBCM2835（CPU GPU DSP和SDRAM SoCUSB）CPUARM1176JZF-S核心（ARM11系列）700MHzBroadcom VideoCore IV OpenGL ES 2.0 GPU1080p 30h.264/MPEG-4 AVC高清解码器256 MB（与GPU共享，可以理解为集成512 MB（2012年内存256 MB显卡的显存与内存共10月15日后）享）USB 2（支持4（支持2.0接1USB hubUSB hub1口个扩展）扩展）数Composite RCA（PAL & NTSC,HDMI（rev 1.3 & 1.4）,raw LCD Panels via DSI图像输出14 HDMI resolutions from 640 x 350 to 1920x1200 plus various PAL and NTSC standards音源3.5mm插孔，HDMI输出存储推入式Micro SDSD / MMC / SDIO卡插槽方式卡插槽网络无（可以使用USB接10/100 以太网接无接口口网卡）口（RJ45接口）扩展2640接口700 200 600mA（3额定mA（3.5 mA（1W300 mA（1.5 W）.0 W）功率W））电源5V可以通过MicroUSB或GPIO头输入85.60×53.98 mm（3.370×总体85 x 56 x 65 x 56.5 2.125 in）尺寸17 mmmm45 g23g重量GNU/Linux(Debian, Fedora, Arch Linux ARM) RISC 操作OS,FreeBSD, Plan 9系统
2015年2月初，树莓派官方正式发布了第二代树莓派—Pi 2。不同于之前介绍的A型、B型、B+型和A+型树莓派。Pi2对一代产品中一直没变的处理器和内存等方面进行了升级。Pi 2配置了Broadcom四核ARM Cortex-A7处理器，频率为900MHz，GPU是VideoCore IV，内存升级到1GB，与Model B+一样支持4个USB2.0接口，同时依旧支持以太网、HDMI、MicroSD和显示接口，以及一个3.5mm音频视频复合接口。在价格方面与1代的Model B和Model B+一样，依然以35美元的价格出售，而Model A+的价格则下调到20美元。最令人兴奋的是，这一版本的树莓派支持ARM兼容的全系列操作系统，包括Snappy Ubuntu Core和Windows 10 for IoT以及对Android更流畅的支持，在添加对新系统支持的同时，也百分百兼容以往的所有应用与系统，如图1-4所示。这也就意味着树莓派的应用空间进一步提升。图1-4
说完了硬件上的“成长”，再来说说树莓派应用上的“成长”。媒体的广泛报道，让越来越多的人认识树莓派。树莓派的购买者也从早期的开源硬件爱好者扩展到了普通大众，越来越多的人开始在树莓派开源社区上分享自己创造的各式各样的应用。这使得玩转树莓派不再只是技术达人的专利，而变成了一场“全民参与”的狂欢盛宴。有许多教育机构也开始采购树莓派并将其用于课堂教学，这正符合了树莓派初衷—普及编程，服务大众！
从2012年诞生到现在，虽然说树莓派现在的配置比起普通的单片机高出不少，但与目前动辄双核甚至四核的智能机想比还是输了一筹。这也为树莓派未来进一步的升级预留了空间。相信随着技术升级，树莓派的配置在不久的将来必会更高、更快、更强。1.1.3 树莓派的“理想”
讲完了树莓派的整个发展历程，我们来聊聊树莓派的内在精神。只有懂得了树莓派内在的精神，才能真正理解树莓派，明白树莓派为何会广受人们欢迎，并最终玩转树莓派。
作者在第一节树莓派的“诞生”中曾讲到，树莓派的创始人厄普顿针对计算机专业学生编程能力日渐下降的趋势而有了树莓派的最初构想。“在消费装置一统天下的今天，大部分装置是平板电脑、手机、游戏机、机顶盒、游戏机。这些都是你可以用来消费的机器，但是它们大多不能让你创造。”他在2011年接受《商业内幕》网站采访时如此说道。因此，他希望能利用树莓派打造一个廉价、简洁、好玩、高效并能充分发挥青少年创造力的开发平台。“普及编程，服务大众”是树莓派的一个理想。
树莓派中还蕴含着一种开源分享的精神。何谓“开源”？“开源”即“开放源代码”，与之相对的是“闭源”。举个例子来说，现在流行的操作系统中，Linux是开源的而Windows则是闭源的。开放源代码意味着你与大家分享你的代码，任何人都有权在开源协议的范围内修改并利用你的代码。“开源精神”象征着自由与分享，使更多人参与进来，一同推动事物的发展。在“开源精神”的推动下，我们享用到了许许多多的便利。同样，树莓派也代表了一种“开源分享精神”，其优秀的可扩展性给了人们极大的发挥空间，并衍生出各种各样缤纷多彩的应用，比如媒体中心、超级计算机、探空气球、无人机、智能机器人、智能家居等（更多内容请见1.2.3节树莓派的各种精彩应用）。我们每时每刻都在使用别人做的东西，也在每时每刻和别人进行着资源的共享。正是全世界众多开源社区和极客们把各种各样的资源无私地分享出来才使我们能够顺利、轻松地完成我们的工作。开源的力量，不是说我们可以免费享用他人的成果，而是说集合全世界的力量。这种力量也是推动树莓派兴起的重要原因。开源，将DIY（Do it yourself）变成了DIT（Do it together），使得树莓派有着无限可能。
最近，“创客”这个词语以越来越高的频率出现在了大众的眼前。《连线》杂志的前主编克里斯·安德森在新书《创客：新工业革命》中写道：“创客运动是一种具有划时代意义的新浪潮，将实现全民创造。而在线分享工具、3D打印技术、开源设计等高科技，都是实现全民创造的法宝。”同时，他给出了第三次工业革命全新的解读—“创客运动”的工业化，即数字制造和个人制造的合体。树莓派无疑是“创客运动”中一颗闪亮的明星。与以Arduino为代表的一类集成了单片机控制器的控制器板不同，树莓派有着更强劲的配置与动力，能适应更多复杂应用。树莓派强大的开源社区的支持，也使得普通大众也能更快地加入到这一场运动中来，一同创造，一同改变世界！人们无需将精力分散于各种琐碎的硬件或是编程知识，而应集中精力到创造本身，使得创造更加符合它原本的意义。1.2树莓派基本介绍
正所谓“既要仰望星空，又要脚踏实地”，那在本节中，作者将给大家详细介绍树莓派的硬件配置，以及各类精彩纷呈的应用。1.2.1 树莓派的“身体构造”
树莓派硬件、接口及其连接设备如图1-5所示。下面就让我们按图索骥，一同来探索树莓派的“身体构造”吧！图1-5
1．心脏—SOC（System on a Chip）
在人身体结构中，最重要的部位应该就是心脏了。那么树莓派的“心脏”是什么？下面请听作者一一道来。树莓派采用了一颗由博通公司（Broadcom Corporation）出品的、集成了GPU和CPU的BCM2835芯片。树莓派所适应的CPU是ARM架构的，和我们平时在PC上所使用的X86和AMD64架构不同，而ARM是一款精简指令集（RISC）处理器。该指令集的一大特点就是指令系统非常简单，能让硬件最快执行最常用的指令，因此指令的数量十分有限。ARM架构芯片最常见的就是用于我们熟悉的智能手机，如苹果的A7、三星的猎户座及国产华为的海思处理器等。
在树莓派上，由于BCM2835采用的是PoP（Package on Package）封装与内存堆叠在一起连接，所以只能看到堆叠在最上面的DDR2内存。BCM2835芯片的内核是在ARMv6基础上实现的ARM1176JZ，主频达到了700MHz。GPU为Broadcom VideoCrore IV，包含h.264/MPEG-4 AVC高清解码器，支持播放1080P高清视频。
在现在看来，树莓派选用的BCM2835芯片是其一块最大的短板，因为这款芯片性能平平，与目前动辄双核、四核的手机处理器相去甚远。也正是这颗芯片，制约着树莓派在各种应用上的进一步发展。但芯片的设置也是考虑到了树莓派成本、功耗等一系列因素的。相信在不久的将来，新版树莓派一定会有一颗更加强劲的“心脏”！
2．胃—Micro USB电源接口
胃有着消化和吸收的功能，能将食物转化成身体所需的能量。在树莓派中，Micro USB接口就是它的胃，为它提供必需的“能量”。与平常给手机充电一样，在树莓派的电源接口插上Micro USB电源线并通电就接通了电源，树莓派就会自动开机。
接下来还要再说说电源的选择。树莓派A型官方推荐使用的电源是5V/500mA，B型则为5V/700mA。但这里要注意，官方推荐的电源配置是指不带任何外设，即树莓派单纯启动所需的最低要求。而日常使用中，我们往往还需要连接各种外设，比如键盘、鼠标、移动硬盘等。因此，作者推荐大家使用电源配置为5V/2A。
3．大脑—SD卡槽
人的大脑控制着人体全身的活动，在树莓派中，SD卡槽就起着这个作用。树莓派使用SD卡作为操作系统的存储设备，相当于PC中的硬盘一样，有着数据存储的重要功能。因此，选择一张合适的SD卡非常重要。
如何挑选一张合适的SD卡？SD卡根据读写速度可以分为Class 2、Class 4、Class 6、Class 10这4个等级，这些数字分别代表写入速度为2Mbit/s、4Mbit/s、6Mbit/s、10Mbit/s。对于树莓派来说，Class4和Class6的SD卡是最适合的。需要注意的是，SD卡的容量至少需要在4GB以上。
4．四肢—USB接口和LAN接口
人的四肢是人活动的根本，也是人体中最灵活的器官。在树莓派中，USB接口和LAN接口就充当着这样的角色。在这两个接口上，树莓派的A型和B型略有不同。A型的树莓派只有一个USB接口，且电流较小，没有配备LAN接口。而B型树莓派则有两个USB接口，并增大了电流，配备了一个10MHz/100MHz自适应LAN接口。
关于USB接口还有一点需要强调。第二版的树莓派（Revision 2.0）去掉了USB接口上的自恢复保险丝，改成了一个固定螺丝孔，使得当大功率的设备（比如移动硬盘）插入树莓派时，电流增大，易造成供电电压跌落，而导致树莓派重启。因此，不建议大家直接用树莓派自带的USB接口连接大功率设备，而是采用自带电源的USB Hub来连接。这样既可以解决树莓派的重启问题，也可同时解决树莓派USB接口不足的问题。关于自带电源USB Hub的选择可以参见1.2.2节树莓派的各类精良装备。
5．眼睛和嘴巴—视频与音频接口
俗话说“眼睛是心灵的窗户”，而嘴巴则起着发出声音、传达思想的作用。在树莓派中，视频和音频接口就相当于人的眼睛和嘴巴，表达出树莓派的“所思所想”。
先来说说视频接口。目前，树莓派提供了3种视频输出方式：HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒体接口）、Composite RCA（即AV端子）和DSI（Display Serial Interface，串行显示接口）输出。其中，HDMI运用最为广泛，清晰度也是最高的。下面作者分别来介绍下这3种输出方式。
HDMI接口的全称为High Definition Multimedia Interface（高清晰度多媒体接口），是一种全数字化的接口，支持视频、音频全输出，非常适合用于传输数字图像。HDMI接口广泛应用于各种设备，如数字电视、投影仪等，且可以通过HDMI转VGA线输出到电脑显示屏。本书中大多数应用都采用了该种输出方式。
Composite RCA接口，即我们常说的AV端子（也称“莲花”插座）。这种接口采用了AV模拟信号输出，一般由3个独立的RCA插头组成，除了可以传输视频外，还可以输出两路（左右声道）音频。但在树莓派上没有AV音频接口，只有黄色的视频输出接口。与HDMI输出相比，这种输出方式的清晰度会低很多。目前，该种输出方式主要用于一些老式不带HDMI接口的电视机，还有一些基于AV输入的移动显示设备。如果显示器附带了HDMI接口，建议读者采用HDMI的输出方式来获得更加清晰的图像。
DSI接口是一种以串行传输方式来输出视频的接口。该接口可以通过15针扁平电缆连接线来连接液晶显示屏。带DSI接口的显示屏在零售市场很少见，而且显示效果也不是很好，因此实用性不高。
最后来说说树莓派的“嘴巴”—3.5mm的音频输出接口。这个接口同大多数手机以及电脑的耳机接口是相同，因此只要插上音响或耳机，树莓派就能开口“说话”了。不过由于驱动的问题，采用这种方式输出音频的声音音质比HDMI接口连接电视输出的音质要差很多。
6．扩展接口—GPIO和CSI接口
树莓派一经推出就广受人们欢迎的一个重要原因就在于其良好的扩展性，这也是开源硬件的魅力所在。通过扩展接口可以使树莓派与其他电子设备轻易结合，大大丰富了它的应用范围，给DIY创造了无限可能。接下来，作者就来给大家介绍这两个神奇的扩展接口。
先来说说GPIO接口。GPIO接口全称为通用输入输出接口（General Purpose Input and Output），其实就是传统单片机上的I/O口。通过这个接口，树莓派就可以连接其他电子设备，如液晶屏幕、电子继电器、驱动电机以及各类传感器等。GPIO接口就相当于是一座桥梁，用于树莓派与其他电子设备的交互。树莓派的GPIO接口有26个针脚，其中第一脚在树莓派的左上角，在下方用“P1”进行了标注，并且按照“N”型的路径直至第26脚。需要引起注意的是，第一版（Revision 1.0）和第二版（Revision 2.0）树莓派在针脚接口上是有区别的。在第一版中，针脚接口4、9、14、17、20和25是保留未使用的，Pin13在第一版中对应GPIO21，而在第二版中则对应GPIO27。在本书接下来的章节中，还会利用GPIO接口来做一些有趣的应用。
再来说说CSI（Camera Serial Interface）接口。CSI接口是移动行业处理器接口中定义的一个标准，用于规范手机与摄像头的连接和通信标准。而在树莓派中，这个接口是专门为移动摄像头模块而预留的。在本书的第17章“树莓派”照相机中就将用到这个接口，教大家打造一台独特的“树莓派”照相机。
7．树莓派的晴雨表—状态指示灯
中医看一个人，通过望、闻、问、切4种手段即可判断出一个人的身体状况。对于树莓派，我们也可以像中医一样，通过观察它的状态指示灯来了解它的运行状况。在树莓派中，有5盏自上而下的指示灯，分别为ACT、PWR、FDX、LNK、100。下面通过两个表格来学习如何通过指示灯判断出树莓派的运行状况，LED亮灯介绍如表1-2所示，常见亮灯情况如表1-3所示。表1-2LED名颜色功能正常运行状态显示称SD卡状ACT绿色闪烁：SD卡正在活动（类似硬盘灯）态PWR红色电源状态不闪烁：正常FDX橙色全双工亮：全双工/不亮：半双工LNK橙色网络连接亮：网络连接成功100 Mbit/100橙色亮：100 Mbits/不亮：10 Mbit/ss表1-3APFL10是否正常状态与原因CWDN0TRXK○●○○○○○○●●正常ACT灯：SD卡正在活动○○○○●●○○○○○○○○●不正常SD卡启动文件损坏或没有SD卡○○○○●○○○○○○○○○●不正常电源电压不正常○○○○○●●○○○○○○○●不正常SD卡或网络连接问题○○○●●○●●●●●●●●●正常全双工/100 Mbit/s○●●●●○●●●○○●●●●正常全双工/10 Mbit/s○○●●●○●●●○○●●●●正常半双工/100 Mbit/s○○●●●○●●○○○○●●●正常半双工/10 Mbit/s○○○●●
注：○●○:闪烁 ●●●:常亮 ○○○:不亮 ●○●:有规律闪烁1.2.2 树莓派的各类精良“装备”
开源硬件的一大魅力就在于其有着丰富的可扩展性，可以通过各类周边硬件来创造无限可能。在上一节中作者向大家介绍了树莓派的“身体构造”，也讲解了树莓派深厚的“内功”，但有了“内功”还是不够的，还需要有几件合手的“装备”。在本节中，作者将带领大家给树莓派挑选几件精良的“装备”。
1．键盘和鼠标
与PC一样，键盘和鼠标也是操作树莓派的必备装备。因为树莓派只提供了USB接口，所以在树莓派上只能使用USB接口的键盘和鼠标。大多数的标准USB键盘和鼠标都能在树莓派上正常使用，但小部分可能会存在一些Bug或是无法正确识别的问题。这里作者要推荐大家使用无线键盘和鼠标套装，因为树莓派只有两个USB接口，使用无线键盘和鼠标套装就只需占用一个USB接口，同时还可解决供电不足无法驱动的问题。
2．显示器连接线
在上一节中，作者向大家介绍了树莓派的3种视频输出方式，而这3种输出方式分别需要不同的连接线。只有连接了显示器，我们才能一窥树莓派的“真面目”。HDMI输出视频就需要一根HDMI线，目前市场上的HDMI线很多，价格和质量也都参差不齐。建议大家一定要买正品HDMI线，否则可能会出现黑屏的现象。另外，目前支持HDMI输入的电脑显示器并不多，大家要想将树莓派连接电脑显示器还需要一根“HDMI转VGA”或“HDMI转DVI”的转接线。这类转接线有两种，一种是需要接电源的，另一种是不需要接电源的。推荐大家使用接电源的那种，因为受树莓派供电不足的问题影响，不接电源的线可能会导致黑屏、显示器无信号等问题的出现。
3．带电源的USB Hub
在之前的文章中作者多次提到了树莓派供电不足的问题，要想彻底解决这个问题，就是使用自带电源的USB Hub。使用了带电源的USB Hub后，可以同时连接4个以上的USB外设，可解决树莓派USB接口过少的问题。但需要注意的是，一些无隔离电源的USB Hub可能会造成树莓派反向供电的现象，即插上带电源的USB Hub后树莓派就自动开机了。这会对树莓派的主板造成损伤。因此大家要购买的话一定要买带隔离电源的USB Hub。
4．其他USB外设
接下来作者给大家推荐一些其他的USB外设。
随着移动设备的普及，WiFi已经是不足为奇了。树莓派并没有自带内置的无线网卡，但我们依旧可以使用USB接口的无线网卡来给树莓派增加无线连接的功能。在购买无线网卡时，特别需要注意无线网卡是否支持Linux系统。由于驱动的问题，并不是所有的无线网卡都支持Linux系统的，所以建议大家购买免驱的无线网卡。如果想用树莓派来制作一个便携式无线路由器，读者还需要确保无线网卡支持无线AP功能。
另外再来说说USB摄像头。想让树莓派“看见”世界，除了使用CSI接口来连接摄像头外，还可以使用USB接口来连接常见的USB摄像头（在本书的第12章就会用到USB摄像头）。和无线网卡类似，在树莓派上使用USB摄像头也需要注意USB摄像头在Linux下的驱动问题。建议大家选购Linux内核自带驱动能直接驱动的摄像头，因为在Linux下安装驱动并不像在Windows下那么简单。
5．散热片
在PC上，一些功耗较大的硬件，如CPU、显卡等都配备了散热器，来保证热量及时散发，从而保护硬件。与CPU、显卡相比，树莓派的功耗可以说是“沧海一粟”，但由于树莓派在一些应用中需要长期稳定的运行，如服务器、智能家居等，因此为树莓派挑选一件凉爽的“衣服”还是很必要的。与CPU的风扇散热方式不同，树莓派的散热片是一小块金属片，上面有很多散热鳍来增加散热的面积，其可以贴到需要散热的芯片上来实现散热。
6．扩展板
在上面的文章中，作者曾向大家介绍过开源硬件的一大特性—扩展性。接下来，作者就来给大家介绍几款树莓派的扩展板，一窥树莓派强大的扩展能力。
全功能扩展板是基于树莓派的GPIO接口的扩展功能板卡，可以将树莓派上的GPIO的输出扩展出来，从而支持高电压大电流的输出驱动，一举解决了树莓派供电不足的问题。同时，它还可以通过ULN2803芯片直接驱动步进电机、LED等。可以说扩展板是要做小车、机器人、智能家居的读者必备物品之一，如图1-6所示。图1-6
LCD字符屏扩展板是一个集成了LCD1602字符液晶屏的扩展板。该扩展板可以用来显示树莓派的各种信息，比如IP地址、CPU占用率、内存占用率、磁盘空间等，在xbmc系统下还可以显示播放的文件名等信息，如图1-7所示。
DS18B20温度传感器和DHT11湿度传感器。DS18B20由美国DALLAS公司生产，能将温度物理量转化为数字信号，测量范围在-55℃～+125℃。DS18B20个头不过硬币大小，有3根引脚，采用单总线协议进行通信。DHT11湿度传感器是一款含有数字信号输出的湿度传感器，应用数字模块采集技术和湿度传感技术，包括一个电阻式感湿元件和一个高性能8位单片机相连接（有关这两个传感器的应用将在本书第14章中详细介绍）。图1-7
除了上述扩展板外，树莓派还有着其他各式各样的扩展板，比如，能让树莓派变身闹钟的时钟扩展板，能增强树莓派GPIO功能的GPIO串口扩展板，还有RaZberry智能家居扩展板、步进电机扩展板、GPS扩展板等。读者可以根据自己的需要进行选购。
7．树莓派的“衣服”
衣服是人们生活的必需品，好的衣服不仅能给人增光添彩，还有着保暖或清凉的作用。而对于树莓派来说，一件好的“衣服”也是十分必要的。它不但可以保护树莓派免受灰尘的侵扰，同时还可以避免因静电而导致的主板短路问题，最重要的是一件独具个性的“衣服”可以让你的树莓派变得与众不同！接下来，作者就来教大家给树莓派挑选几件漂亮“衣服”。
目前，树莓派的“衣服“大致可分为3类，一是物美价廉的亚克力外壳，如图1-8所示，二是光彩亮丽的金属外壳，如图1-9所示，三则是返璞归真的木质外壳，如图1-10所示。在上面3种外壳中，使用最多的就是亚克力外壳了。当然，除了上述较为普遍的外壳外，你还可以自己动手DIY一个树莓派外壳。比如，用乐高积木搭建的外壳，还有用3D打印机打印出拥有奇特造型的外壳等。对外壳感兴趣的读者可以上网搜索更多有关树莓派外壳的资料。图1-8图1-9图1-101.2.3 树莓派的各种精彩应用
在上面几节中，作者向大家详细地介绍了树莓派的一些基本情况，包括树莓派的起源、硬件配置、外设等，内容可能会比较抽象。下面就让我们来看一些“干货”，一起来感受下高手们用树莓派做的一些“高大上”的应用。
1．乐高积木+树莓派=？
一个是儿童爱不释手的玩具，另一个是开源硬件界的“新秀”，共同点是小巧精致、变幻无穷。那么乐高积木+树莓派会等于什么呢？答案是—超级计算机。不要奇怪，正所谓“聚沙成塔，集腋成裘”，南安普顿大学的一个科学小组成功用64个树莓派板组装出了一个超级计算机。这台超级计算机配备了64个处理器和1TB的内存，并被命名为“Iridis派”，用来纪念学校先前发明的”Iridis“超级计算机。“Iridis派”花费大约2500英镑，仅仅需要一个普通13A的插座来供电，可通过MPI在以太网内进行节点间的互通。而承载这个超级计算机的基板则是由教授柯克斯的儿子用乐高积木搭建而成的，如图1-11和图1-12所示。因此，乐高积木+树莓派=超级计算机，一切皆有可能！图1-11
2．Raspberry Glass
现在最热门的便携式设备要属可穿戴设备，而在可穿戴设备中最令人瞩目的就非Google Glass莫属了。但Google Glass售价居高不下令大多数人望而却步。但利用树莓派，我们也可自制一副Raspberry Glass。这幅Raspberry Glass由国内的高手制作，安装了显示器、骨传导耳机、送话器等配件，实现了人脸检测、声控拍照等功能。Raspberry Glass总成本在1000元左右，注意是人民币而不是美元哦！不过它唯一的缺点就是太笨重了，要拿它上街还得锻炼锻炼自己的眼部肌肉，如图1-13和图1-14所示。目前，Raspberry Glass的制作者正在不断完善它，让我们一起来见证奇迹吧！图1-12图1-13图1-14
3．“芝麻开门”—Siri驾驭树莓派遥控车库门
阿里巴巴说了一句“芝麻开门”就打开了藏宝库的大门，现在国外一个高手通过Siri遥控树莓派打开了他家车库的大门。他首先在树莓派上运行Siri代理，同时将手机和树莓派连接到同一无线网络，接着将继电器的一端连接到树莓派的GPIO接口上，另一端与车库开关控制系统相连。最后利用Siri发出指令遥控树莓派来实现控制继电器上的开关，这样便可以在iPhone上使用Siri控制车库的开关了，如图1-15所示。图1-15
4．GoPiGo—树莓派机器人平台
目前，在著名的众筹网站Kickstarter上就推出了一个名叫GoPiGo的项目。GoPiGo是一个完完全全为制作树莓派机器人而生的项目，包含制作树莓派机器人所需的各个组件，比如机器人机体、动力电机、控制器和一个强大的电源。它使得制作机器人的部件模块化，省去了烦琐的制作过程，使得任何人都能快速上手，并制作出一个树莓派智能机器人，如图1-16和图1-17所示。该项目完全是开源的，感兴趣的读者可以到“https://github.com/DexterInd/GoPiGo”上查看详细代码和设计。图1-16图1-17
5．树莓派遨游天际
想要飞上太空，从宇宙中看看地球，这可能需要花费几千万美元乘坐火箭才能实现。但让树莓派遨游天际却并不需要这么高昂的价格，只需要一个氢气球就可以让树莓派轻松上天，一览地球魅力景致。国外的航天爱好者Dave Akerman将安装了相机模块的树莓派装进覆盆莓造型的塑料泡棉保护着的设备中，并连接探空汽球升空，经过3小时的垂直旅程后又重新降落到地面。遨游天际的树莓派成功带回了许多美丽的太空图片，如图1-18和图1-19所示。图1-18图1-19
6．PiPhone—树莓派DIY变身“智能手机”
国外一位名叫David Hunt的极客用树莓派DIY了一款智能手机PiPhone。他使用了Sim900 GSM/GPRS作为手机的通信模块，同时采用了一块Adafruit显示屏作为手机的触控屏。PiPhone配备了一个SIM卡槽，可以像普通手机一样进行语音通话、发送短信以及数据连接上网等操作，整个配置共花费了158美元，如图1-20所示。不过目前的PiPhone还不是最终版本，因为它的“电子元件”是完全裸露在外面的，还需要给它穿上漂亮的“衣服”才行。图1-20第2章初试树莓派
在上一章中，我们初步认识了树莓派。在本章中，我们就要开始“实战演练”了，一同来初试树莓派。2.1 第一次启动
在本节中，让我们第一次点亮树莓派，打开它的内心世界，一窥其真面目。2.1.1 选择合适的系统
如果说外部的硬件是树莓派的“身体”，那么操作系统便是树莓派的“灵魂”了。全新的树莓派是没有预装系统的，这就需要我们自己下载一个操作系统写入SD卡来完成启动。那么什么操作系统才是真正适合你的需要呢？接下来作者就来带领大家挑选一款合适的操作系统。
树莓派是一款基于Linux设计而成的主机，所以它的操作系统自然也是基于Linux内核的。需要说明的是，Linux是一套免费使用和自由传播的类UNIX操作系统，诞生于1991年的10月5日。它对于推动开源技术的发展有着十分重要的作用，有兴趣的读者可以查阅相关资料来进一步了解有关Linux的故事。
Linux作为一款开源操作系统，有着许许多多不同的发行版。比如大家所熟悉的国产“红旗”，还有敢和Windows叫板的Ubuntu，以及在企业应用广泛的RedHat、SuSE。那么究竟哪个Linux发行版适合树莓派呢？请看表2-1所示。表2-1操作系统介绍该系统为官方推荐的首选操作系统。大家从它名字便可看出这一点。它巧妙地将Raspberry和Debian的名字合并成了一个单词。Raspbian基于RaspbianDebian开发而成，该系统附带着35000多个软件包，并集成了轻量级的图形界面LXDE。想要方便和快速上手的朋友可以选择这款系统Arch Linux是一个以轻量简洁为设计理念的系统。它最大特点就是采用滚动升级模式，更加注重结构的精简。使用Arch Linux的第一个感觉就是快速、轻巧，一个基本的Arch Linux系统只需Arch Linux要几百M的磁盘空间。与Debian和Ubuntu的软件包管理方式apt-get不同，Arch Linux使用自己的包管理器打包党(Pacman)。这款系统推荐给喜欢简洁、快速的朋友Pidora是一个专为树莓派优化的Fedora Linux系统，而Fedora又是基于Red hat开发而来的，是红Pidora帽公司用来取代Red Hat Linux在个人领域的应用推出的。对Red Hat Linux情有独钟的朋友可以采用这款系统Gentoo是基于Portage包管理系统的Linux发行版本。该系统使得Gentoo拥有了无限可能，能为几乎任何应用程序或需求自动地作出优化和定制，比如服务器、工作站、游戏系统等等。此外，对Gentoo于会编程的朋友，Gentoo可以让你使用树莓派提供的编译工具来轻松运行自己需要的软件，无需等待开发者专门为树莓派推出的移植版本了。该系统适合爱折腾的朋友Puppy是超轻量级的Linux发行版本，不过“麻雀虽小，五脏俱全”，其集成了图形界面，并拥有Puppy丰富的驱动程序，能满足用户浏览网页、处理文档、查看图片等需求。该系统适合想把树莓派改造成“便携式电脑”的朋友为什么要把这三个系统放在一起讲呢？这是因为这三个系统都是XBMC和Raspbian的结合体。XBMC是一款开源的多媒体播放器，最初是为Xbox开发的，在Xbox平台上取得成功后又被移植到了其他平台上。虽然都是基于XBMC，但它们Xbian 各自又有不同的特点。其中，Xbian定制程度更高，Raspbmc 优化也更深。Raspbmc则是使用人数最多，资源OpenELEC最多的，同时也得到官方的推荐和支持。OpenELEC除了拥有影音播放的功能外，还可通过插件来实现模拟游戏机的功能。对于想用树莓派做多媒体娱乐中心的朋友来说，这三款操作系统是必备的。在后面的章节中，我们还会进一步深入讲解
看完了上面这些操作系统的介绍，大家是否已经找到适合自己的系统了？还是已经眼花缭乱，不知东西了？作为开源硬件，树莓派还有许多操作系统等着大家去发现，比如将树莓派变身为“智能路由器”的Openwrt系统、让树莓派成为Hi-Fi播放器的Volumio系统等等。在接下来的章节中，作者还会带领大家认识到更多的树莓派操作系统哦！2.1.2 安装系统
树莓派官方提供了两种方式来安装系统，一种就是常用的将特定的系统镜像通过镜像烧录工具写入到SD卡来实现安装，另外一种则是利用树莓派官方推出的New Out Of Box Software (NOOBS)智能化安装系统来实现。下面就以Raspbian为例，用这两种方式来介绍给树莓派安装系统的方法。
1．利用Win32 Disk Imager安装系统（1）在官方下载站点“http://www.raspberrypi.org/downloads/”中下载相对应的系统镜像，同时下载镜像烧录工具Win32 Disk Imager。（2）安装镜像烧录工具Win32 Disk Imager，解压下载好的系统镜像，得到一个后缀名为“.img”的文件。运行Win32 Disk Imager，在“Image File”下选择刚才解压的文件，“Device”下选择SD卡所在的盘符，然后点击“Write”进行烧录。如果出现警告提示，点击“Yes”就可以继续进行。（3）安装过程可能有些慢，视SD卡的速度而定。等到出现对话框“write successful”就说明安装成功了。如果没有出现这个对话框，别着急，请重新运行软件进行安装，如图2-1所示。图2-1
注意：由于树莓派的系统都采用了Linux的文件系统，所以是
无法使用Windows的资源管理器查看分区的，但可以通过专
门的分区软件来查看Linux下的分区。
2．利用NOOBS智能工具安装系统
首先来给大家介绍下什么是New Out Of Box Software (NOOBS)智能化安装系统。NOOBS是树莓派官方为了让第一次接触Linux和树莓派的玩家能更轻松地启动树莓派而推出的安装平台。它可以使你抛开各种复杂的网络和镜像安装软件，甚至抛开计算机也能让你安装上你想要的系统。它包含了在上节中讲到的大多数操作系统，比如Pidora、RISC OS、Arch、Raspbmc和OpenELEC等。这样，你就只需要拥有一张容量大于4GB并拷入NOOBS安装平台的SD卡就可快速实现各类系统的安装了，具体可按如下步骤进行，如图2-2和图2-3所示。图2-2图2-3（1）在官方下载站点“http://www.raspberrypi.org/downloads/”中下载NOOBS。NOOBS有两个版本：离线/在线版本和仅在线版本。离线版本大约1.3GB，同时包含NOOBS安装程序和所有可用的系统镜像文件，一旦你下载了离线版本，不需要联网你就可以完成安装。在线安装本大小仅20MB，只包含NOOBS的安装程序。作者建议大家下载离线版本。（2）将SD卡格式化为FAT32文件系统，然后解压NOOBS压缩包，将解压出的文件全部复制到SD卡的根目录中。（3）把SD卡插入树莓派，给树莓派通电并连接显示器和键盘鼠标，开始启动安装程序。首先NOOBS会自动将SD卡进行分区，接着你只需要在“系统选择”菜单中选择你喜欢的系统，点击“Install”就会自动开始安装。耐心等待安装成功的提示吧！（4）NOOBS还有着多系统启动功能，只要你的SD卡空间足够，你就可以将NOOBS自带的系统全部进行安装，并且这些系统内核都是各自独立的，每次启动后你都有10秒钟的时间来选择进入哪个操作系统。除此之外，它还为大家提供了类似Windows中GHOST所具有的系统恢复功能（Recovery）。有了它，就不用担心系统的损坏了。同时，还可以利用这一功能来安装NOOBS未附带的系统。2.1.3 连接并启动树莓派
在安装好系统后，接下来就是连接树莓派并启动它。在本节中，作者将教大家如何连接树莓派，并最终成功启动树莓派，如图2-4所示，具体步骤有如下几步。图2-4
1．准备配件（1）安装好操作系统的SD卡。（2）5V/700mA以上的Micro USB接口电源，作者推荐电源配置为5V/2A。（3）有线或者无线的键鼠套装。（4）一条用来连接显示设备的视频线（HDMI线、HDMI转VGA线或者是AC色差线）。（5）3.5mm音频线、网线、带源的USB Hub等待（可选）。
2．开始连接（1）把安装好操作系统的SD卡插入树莓派的SD卡槽。（2）通过HDMI线或者是AV色差线将树莓派连接显示器。（3）连接有线或无线USB键鼠套装。（4）用网线连接树莓派的LAN接口（可选）。（5）通过Micro USB电源线连接电源。
3．成功启动（1）接通电源，打开显示器，开始启动树莓派。（2）出现raspi-config配置界面，表明第一次启动成功。2.2 第一次配置
在上一节中，已经向大家介绍了如何启动树莓派。不过那只是万里长征的第一步，在本节中，将教大家配置树莓派的方法，使它更好的为我们所用。2.2.1 项目配置概述
第一次启动树莓派成功后，将进入系统初始配置（raspi-config）界面，在这个界面大家就可以自由的对树莓派进行配置。如果大家以
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]