从历史到使用方法的全面了解!电子作品创作不可或缺的“Raspberry Pi(树莓派)”究竟是何方神圣?

从几年前起,“IoT”、“深度学习”等词汇就已经开始出现在电视新闻中,与之相关的技术不再仅仅局限在工程师领域,也逐渐被普通大众所认识和了解。我想可能有些人对这些新闻报道中提到的话题“Raspberry Pi(树莓派)”感兴趣。

本文将围绕“Raspberry Pi”这个主题,介绍以下内容:

  • 什么是Raspberry Pi(树莓派)
  • Raspberry Pi与Arduino有什么区别
  • Raspberry Pi的种类有很多,在选择时应该注意什么

目录

  1. 什么是Raspberry Pi(树莓派)?
  2. Raspberry Pi的历史和名称由来
  3. Raspberry Pi和Arduino,使用哪个比较好?
  4. Arduino与Raspberry Pi的区别
  5. 如何掌握Raspberry Pi的使用方法?
  6. Raspberry Pi的典型产品列表以及每种产品的使用方法
  7. Raspberry Pi还能这样用!
  8. Raspberry Pi可以做的事
  9. DEVICE PLUS过往文章参考
  10. 自制IoT和AI设备!

1. 什么是Raspberry Pi(树莓派)?

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新版Raspberry Pi 4 Model B

Raspberry Pi(树莓派)是由英国Raspberry Pi Foundation(树莓派基金会)发布的一种被称为“单板计算机”的微型电脑,是为教育目的而开发生产的。典型的产品外观如上图所示,上面配备了电子元器件和引脚。

安装有这类电子器件的板通常被称为“电路板”或“board”,特别是树莓派等被称为“单板计算机”的板,是为了实现微型电脑的作用而凝聚了必要的元器件,并以“小尺寸”、“低价格”和“低功耗”为目标设计而成的。

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使用Raspberry Pi制作的电子作品示例

2. Raspberry Pi的历史和名称由来

Raspberry Pi当初是作为教育用的计算机开发而成的。近年来,随着智能手机和电脑等电子终端的普及,很多年轻人不用在学校听课也可以学会熟练使用这些设备。然而,很少有人了解这些设备的工作机制,也很少有人拥有自己编程来制作软件的经验,我认为原因之一是电子设备的功能越来越高级、现成可用的产品越来越多,因而需要自己分解设备、自己制作硬件和软件的机会减少了。

在这种背景下,树莓派基金会的创始人Eban Upton(埃本·阿普顿)先生想到了即便是小孩子也能轻松编程(损坏风险很小)的廉价计算机,于是开始开发原型,这就是Raspberry Pi(树莓派)的开始。如今,Raspberry Pi不仅用于教育,很多用户还将其用于电子创作和机器人等业余爱好应用。

“Raspberry Pi”这个名称来源于水果做成的“Raspberry pie(树莓派)”。这是因为计算机领域有一种习惯于以“Apple(苹果)”和“apricot(杏)”等水果名给公司和产品命名的文化。另外,“Pi”的命名还与编程语言“Python”相关。“Raspberry Pi”通常被简称为“RPi”、“RasPi”或“RPI”。

3. Raspberry Pi和Arduino,使用哪个比较好?

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Arduino开发板示例(图片为Arduino UNO)

如今,电子创作的新手通常是一边参考诸如“用Raspberry Pi实现……”、“用Arduino制作……”等标题的文章和书籍,一边进行基础练习。但是,这里面也有一些人会有这样的疑问:“那么,我应该买哪个呢?Raspberry Pi还是Arduino?……”不知道该选择哪一个才好。在这里,我首先简单介绍一下Raspberry Pi和Arduino的区别。

Raspberry Pi属于“单板计算机”,而 Arduino属于“微控制器开发板”。前面已经介绍过单板计算机。微控制器开发板不像Raspberry Pi那样可以作为微型电脑运行,但如果解释为“用来检测传感器的状态、打开/关闭LED和电机的简单控制装置”就很容易理解了。基于这样的视点,让我们从几个角度来探讨应该使用Raspberry Pi还是Arduino。

4. Arduino与Raspberry Pi的区别

可能有人认为,“如果只是微控制器和计算机之别的话,那么计算机不是可以向上兼容吗……?”但是,实际上还涉及到它们各自适用的用途,以及它们在不同应用中的易用性。

① 有无操作系统(OS)

例如,从内部软件的运行来看,存在Raspberry Pi有OS、Arduino没有OS的特点区别。

这并不是可以简单地说“有操作系统(OS)更好”,如果您希望执行在Linux上运行的程序时,应该选择Raspberry Pi,但有时候,在操作系统中运行的其他应用程序也可能会影响到希望实现的目标工作,在使用计算机时,时常会发生死机等问题,这些都是需要考虑的因素。

② 作用不同

事实上,微控制器有微控制器应该做的工作,计算机有计算机应该做的工作。Raspberry Pi可以结合LED和开关等的输入和输出实现很多事情,因此很难通过能做什么或不能做什么来考量,但如果按照各自发挥的不同作用来考虑,就可以看清什么情况下该使用Raspberry Pi,什么情况下该使用Arduino。

例如,Arduino可以发挥以下作用:

  • LED和电机的控制
  • 开关和传感器的状态检测

如果您需要处理此类(LED和传感器等)电气信号(更接近硬件),选择Arduino比较好。

此外,Raspberry Pi可以发挥以下作用:

  • 网络通信(有线/无线局域网)
  • 将影像输出到显示器或投影仪等
  • 使用相机或摄像头(图像处理等)

如果您需要完成这类由计算机处理的工作(更接近软件),应该选择Raspberry Pi。

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使用Raspberry Pi制作的电子作品示例

5. 如何掌握Raspberry Pi的使用方法?

如果您的身边有人能教您如何使用Arduino,能够边问边学是比较好的,但是通常不好意思请人多次一对一地教自己,而且并不是每个人的身边都有这种专业人士,所以如果可以的话,能找到自学的方法就更好了。

笔者推荐以下两种方法:

① 买书,按照书中的内容学习
② 参考网上的文章,按照相关介绍学习

① 通过书籍学习时

如果通过看书(技术书和入门书)来学习,就需要在书店或网店购买相应的书籍,虽然买书需要花钱,但大多数书都是面向从零开始的初学者的,内容非常细致易懂。而且,还有一个好处是“只要按这本书学习,基本可以学会”,而如果自己在网上搜索各种资源自学的话,容易遇到一些瓶颈。书籍的好处在于,您可以通过阅读它们获取新知识,而无需自己在网上搜索。

下面我列举一些讲解Raspberry Pi使用方法的书,您可以参考用户评价和相关书籍来选用。

这本书足够!Raspberry Pi超简单入门教程 修订版第6版
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使用Raspberry Pi学习电子制作
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② 通过网上资源学习时

如果您通过网上搜到的资源学习,会发现有很多免费的资源可用,因此比通过书籍学习的成本更低。如果能找到精心编写的文章,就可以获得丰富的信息来提升技能,所以如果您习惯于在网上查找资料,就可以搜索所需的信息,并从不同角度了解相关信息的讲解。

下面我列举一些关于Raspberry Pi入门的文章,建议以阅读这些文章为主,当遇到感兴趣的关键词时,可以随时搜索以进一步了解。

使用传感器轻松制作有趣的项目
制作一款独特的控制器,用称为“反射式光电传感器”的光传感器和玻璃球通过Scratch来控制角色运动。还挑战使用万用电路板进行布线。
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用Raspberry Pi自制一款智能扬声器吧!
用Raspberry Pi自制一款智能扬声器,使用SDK(为了使用Google的智能扬声器功能),通过与“OK, Google”说话来使扬声器工作。如果您能制作这个项目,那么制作音控机器人也不是梦了。
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6. Raspberry Pi的典型产品列表以及每种产品的使用方法

Raspberry Pi板有多种,在这里介绍一下在选择时需要考虑的一些要点。多年来,Raspberry Pi不断推出新系列产品,不同的产品类型,其价格和功能也有所不同。在这里我根据常见的需求来介绍三种Raspberry Pi板。

① 只是想试用一下Raspberry Pi

首先,对于想要正确熟练使用Raspberry Pi但不知道如何选择的人来说,我推荐“Raspberry Pi 4 Model B”。

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Raspberry Pi 4 Model B

Raspberry Pi 4 Model B是2019年底在日本发售的最新款产品(截至2020年7月)。它拥有所有Raspberry Pi中最高的性能,而且如果是浏览互联网等普通用法,可以放心地使用。Raspberry Pi 4 Model B内置四核CPU,内存8GB、4GB、2GB可选。有两个用于音视频输出的HDMI接口,还可以使用USB3.0引脚。

由于音视频输出采用的是Micro HDMI接口,因此在与普通的显示器连接时,需要使用将Micro HDMI转换为全尺寸HDMI引脚的适配器或转接线。当您购买主机时,建议一并购买。

② 想制作小型设备

如果需要尺寸比Raspberry Pi 4 Model B更小的产品,我推荐“Raspberry Pi 3 Model A +”。

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Raspberry Pi 3 Model A+

Raspberry Pi 3 Model A+是Raspberry Pi 4 Model B(第4代)之前的第3代开发板。由于省略了有线LAN端口(安装了无线 LAN),并且只有一个USB端口,因此开发板的尺寸更小。内存为1GB,规格上不如Raspberry Pi 4 Model B,但如果并不想进行繁重的处理,而是希望优先考虑减小尺寸和降低成本的话,Raspberry Pi 3 Model A+也许是不错的选择。

由于只有一个USB端口,因此在连接鼠标和键盘时,需要使用USB集线器来增加端口数量,在这种情况下,建议您使用自供电USB 集线器(一种通过AC适配器供电的集线器),这样可以降低Raspberry Pi本身的功耗。

③ 希望用电池驱动

如果您希望不使用AC适配器而使用电池等制作成随身携带的作品,建议使用“Raspberry Pi Zero W(或 WH)”。

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Raspberry Pi Zero WH

Raspberry Pi Zero W与WH的区别在于:W的GPIO端口上没有安装排针,而WH则自带排针。如果您想在与传感器等进行布线时省略焊接,那么最好选择WH而不是W。

Raspberry Pi Zero WH是Raspberry Pi开发板中最小的型号,价格也很低,仅为5美元。此外,它的功耗也比其他型号要少,因此适合电池驱动的设备。由于HDMI接口为Mini HDMI接口,USB接口为micro USB接口,因此与普通显示器、键盘或鼠标连接时需要转接线。

“Raspberry Pi Zero W/WH”配备了无线LAN和蓝牙功能,售价约10美元。“Raspberry Pi Zero”没有无线LAN和蓝牙功能,因此更便宜,仅为5美元。

7. Raspberry Pi还能这样用!

Raspberry Pi不仅在教育用的计算机领域,还在其他很多应用领域大显身手。特别是在使用摄像头进行图像处理和运用人工智能的系统开发中,多会用到Raspberry Pi,在这里我介绍三个实例。

利用AI(人工智能)技术分拣黄瓜

开发了一种通过深度学习来进行图像识别、并执行分拣工作的系统,利用该系统,可以深度学习并复现母亲的分拣技能,对农民收获的黄瓜进行不同等级的分拣工作。在该实例中,使用了Raspberry Pi 3来实现图像识别和向服务器传输数据。

AIで創る未来 – 農業を次世代につなげるために。ある農家の挑戦。
※此链接为Youtube视频

使用自动驾驶AI技术行驶的驴车(Donkey Car)

现在很多地方都在举办名为“AI汽车”、通过AI技术让模型车自动行驶的活动和研讨会,而这种驴车(Donkey Car)正是被很多人用作AI汽车的车辆之一。驴车是一种开源套件,通过在无线遥控车上安装Raspberry Pi、速度控制器、伺服电机等来实现驾驶控制。

Maker Faire Tokyo 2019 AIカー10台走行 DonkeyCar driven by AI @Maker Faire Tokyo 2019
※此链接为Youtube视频

魔方机器人

由3D打印部件组成的全自动魔方机器人。这种机器人的数据是开源的,如果是非商业目的,谁都可以购买相同的零部件进行组装。其所有硬件的组装方法和软件的准备方法已经作为学习用的内容公开发布了,可以在网上查看。

Fully 3D-Printed Rubik’s Cube Solving Robot
※此链接为Youtube视频

8. Raspberry Pi可以做的事

【用Raspberry Pi和传感器制作“可自动营造舒适空间的装置”】

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该装置使用Raspberry Pi通过传感器测量家中的环境(温度、湿度等)、获取天气预报信息并在显示器上显示,还可以发出警报以防止主人忘记收衣服。自制作品的真正乐趣在于可以自由灵活地定制市场上买不到的产品!

阅读文章

【用Raspberry Pi制作LED警示灯解决方案】

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使用插入Raspberry Pi即可使用的扩展模块“Crystal Signal Pi”也可以制作属于自己的警示灯。外观充满艺术气息,作为内饰也很时尚。

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【用伺服电机制作指针式温度计】

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这是一个通过测量温度并用伺服电机指示出所测温度、可以像模拟温度计一样显示的系统。参考这个实例,如果能够学会使用传感器的输入和伺服电机的输出,就可以通过改变传感器的种类自由灵活地创建可以在众多场景下使用的系统。

阅读文章

9. DEVICE PLUS过往文章参考

Introduction to Raspberry Pi 4: Let’s Start Using the New “Raspberry Pi 4!”
从零开始介绍使用Raspberry Pi 4时的Raspberry Pi安装方法、所需元器件、电子制作方法等内容。

用Raspberry Pi 4开始电子制作的入门教程!第2篇:安装Raspberry Pi4!
了解最新的Raspberry Pi OS和Raspbian Buster,以及使用NOOBS轻松安装Raspbian OS。

Introduction to Raspberry Pi 4: Mastering the Use of the Raspberry Pi 4 in Headless Mode!
了解未来常用的在没有显示器(无头)情况下远程连接时的安装方法。通过这篇文章,您将能学会在任何地方使用Raspberry Pi,并学会Raspberry Pi的基本命令。

Introduction to Raspberry Pi 4: Tackling the Basic Electronic Kits With the Raspberry Pi 4!
希望用GPIO(数据输入/输出引脚)连接传感器等,挑战电子制作项目实际操作!

10. 自制IoT和AI设备!

本文中介绍了Raspberry Pi(树莓派)的特点、选择方法以及实际应用实例。在新闻中您可能经常会听到“IoT”和“AI”这样的名词,但它们具体是什么可能并不一定每个人都懂。不过,如果您会使用Raspberry Pi,那么您将能够自己DIY这类系统!如果您有类似“我想用传感器检测到它并把检测数据发送到我的智能手机”或“我想用相机和AI技术把它自动化”这样的想法,欢迎使用Raspberry Pi让创意变成现实!

河岛 晋
 
河岛 晋

1991年出生于日本福冈县北九州市。从九州工业大学研究生毕业后,一直从事电子制作套件的开发、机器人竞赛的运营、活动中的制作业务等工作。目前,主办了数字制造社区“药院Make部”,同时还在福冈县福冈市推动制造活动。多次参加机器人大赛和作品竞赛。代表作有“论文守护者”和“再睡五分钟闹钟”。

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