本书主要介绍MegaPi与树莓派的结合，树莓派用户如何利用Python就能实现对MegaPi上各种电机及电子模块的控制。本书力图拓展学生的视野，知识的广度和深度，从而成为中学生STEM教育课程的一个尝试与探索。本书适合已经有一定开源软硬件知识基础的高中信息技术课程使用，也可以作为各种培训机构教学参考用书。
第 3 章
树莓派基础
3.1 树莓派简介
3.1.1 树莓派的应用场合
树莓派是为学习计算机编程而设计的，其系统基于 Linux。它由注册于英国的慈善组织
Raspberry Pi 基金会开发。它的外形只有信用卡大小，却具有计算机的所有基本功能。别看
其外表“娇小”，内“心”却很强大，视频、音频等功能皆有，可谓“麻雀虽小，五脏俱全”。
只须接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。
与 PC 和笔记本电脑相比，树莓派的处理能力要差很多，不适合应用于对处理能力要
求较高的场合，但相比于 Arduino、STM32 等较为流行的单片机系统，它的处理能力高出
一大截。普通计算机主板是依靠硬盘存储数据的，而树莓派使用 SD 卡作为“硬盘”，也可
以外接 USB 硬盘。
树莓派价格低廉，这意味着其用途更加广泛，将其打造成卓越的多媒体中心也是一个
不错的选择。利用树莓派可以播放视频，甚至可以通过电视机的 USB 接口供电。
树莓派适合的应用场合如下。
（1）作为一个低能耗的 Linux 家用服务器，用于运行硬件性能可以满足的软件，可提
供各种服务（如网络相关、文件相关、视频音频相关）。
（2）连接硬件用来做数据采集、监控、分析、发布等事情。
（3）作为类似小车、飞行器、机器人、智能家居等智能设备的控制中心。
（4）作为一个计算机的轻量级替代物，用于一些简单的场景，或者用来作软件开发启蒙，
适合预算不足以购买计算机的用户（主要是孩子）。这个是设计树莓派的最初目的。
（5）用于青少年的编程学习。
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第3章 树莓派基础
（6）用于搭建原型产品。
3.1.2 树莓派 3
本书主要介绍树莓派 3 的应用。
树莓派 3 实物如图 3-1 所示。
图3-1 树莓派
3
实物
树莓派 3 是第三代树莓派，硬件资源如下。
（1）CPU 为 4 核 1.2GHz 博通 BCM2837，64 位处理器，1GB RAM。
（2）板载 BCM43438 无线 Wi-Fi 模块和低功耗蓝牙模块。
（3）40 个扩展 GPIO 口，4 路立体声输出和复合视频端口。
（4）全尺寸 HDMI 接口，Micro SD 卡插槽。
（5）CSI 摄像头接口，可以连接树莓派摄像头。
（6）DSI 显示屏接口，可以连接树莓派专用显示屏。
3.1.3 树莓派 GPIO 与引脚编号
树莓派的 GPIO 引脚是数字引脚，可以将它的输出设为高或低，或者通过它读取输入
的高低电平。如果想读取模拟输入设备的值，还需要使用 ADC（模数转换器）芯片。
树莓派 GPIO 引脚编号的方式有两种 ：一种是 GPIO 编号 ；另一种是板上的自然编号。
GPIO编号是Broadcom提供的一种编号规则，它和Broadcom片上系统中的信道编号相对应，
这些编号看起来没有什么规律，也没有什么好的办法记住它们 ；自然编号是根据板子上引
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用 Python 玩转树莓派和 MegaPi
脚的位置进行编号，自下而上，从左到右，依次进行编号。表 3-1 列出了树莓派两种引脚
编号的对照表。
表 3-1 树莓派引脚编号的对照表
Python 既可以使用 GPIO 编号，也可以选择使用自然编号。
3.1.4 树莓派操作系统 Raspbian
Raspbian 操作系统是单纯的 ARM 版的 Linux 系统，它基于 Debian，也是图形化的操
作系统。Raspbian 操作系统预安装了丰富的软件，非常适合以教育为目的编程学习，包含
Python、Scratch、Sonic Pi、Java、Mathematica 等软件。
Raspbian 下载地址 ：https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/。
Raspbian 桌面操作系统镜像文件是一个 zip 格式、大小为 4GB 的文件，在一些平台上，
如果解压工具比较老，可能无法解压该文件，此时可以使用官方推荐的工具。
（1）Windows 平台 ：7-zip。下载地址为 http://www.7-zip.org/download.html。
（2）Linux 平台 ：unzip。ubuntu 安装命令为 sudo apt-get install unzip。
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第3章 树莓派基础
3.1.5 制作 SD 卡启动盘
Etcher 是一个图形界面的 SD 卡烧写工具，对于大多数用户来说，这是一个非常好的
选择。Etcher 也支持 zip 文件直接烧写，不需要解压。
Etcher 的下载地址为 https://etcher.io/。
将 SD 卡插入读卡器，打开 Etcher，选择上面下载的 .zip 文件，烧写到 SD 卡里面。单
击 Flash ！按钮，开始烧写树莓派操作系统到 SD 卡里面。
3.2 树莓派开发环境
3.2.1 树莓派启动
将制作好的 SD 卡插入树莓派的 SD 卡插槽，插入网线、键盘和鼠标，然后通电。系
统启动后如图 3-2 所示。
图3-2 树莓派操作系统Raspbian启动成功
3.2.2 搭建树莓派开发环境
可以通过 SSH 远程网络连接，在其他计算机或者设备上访问树莓派的命令行，以实现
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用 Python 玩转树莓派和 MegaPi
控制树莓派。在这种方式里树莓派作为一个远程设备，我们的计算机作为一个连接客户端。
这种方式只能访问树莓派的命令行终端，要想访问桌面，必须通过 VNC。接下来的章节会
详细讲解。
确保树莓派物理连接正确并且通过网线插入路由器里面，打开一个叫 Terminal 的终端
窗口，并输入如下命令 ：
$ ifconfig 或者 $ hostname -I
这样就可以得到树莓派的 IP 地址，例如我的树莓派显示为 192.168.0.102。
3.2.3 使能 SSH
SSH 为 Secure Shell 的缩写，由 IETF 的网络小组（Network Working Group）制定。
SSH 为建立在应用层基础上的安全协议。SSH 是目前较可靠，专为远程登录会话和其他网
络服务提供安全性的协议。利用 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。
Raspbian 操作系统自从 2016 年 11 月发行后，默认禁用 SSH 服务器，因此我们需要打
开它。打开方式如下。
单击左上角树莓派图标，启动应用选择菜单，选择 Preferences 菜单命令，在弹出的菜
单栏中选择 Raspberry Pi Configuration，如图 3-3 所示。
图3-3 使能SSH设置
单击启动树莓派设置，选择使能 SSH，如图 3-4 所示。
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第1 章 Python 基础 1
11 Python 简介与安装 1
12 Python 基本语法 6
13 Python 程序结构控制 13
14 Python 函数与类 17
第2 章 MegaPi 基础 26
21 MegaPi 简介 26
22 Python 控制MegaPi 31
第3 章 树莓派基础 32
31 树莓派简介 32
32 树莓派开发环境 35
33 Python 控制树莓派GPIO 41
34 OpenCV 编程 48
35 天气预报小程序 58
第4 章 树莓派与MegaPi 结合 60
41 树莓派与MegaPi 连接与通信 60
42 树莓派与MegaPi 结合实例 64
参考文献 83
