Raspberry Pi+Arduino智能家居入門作者简介

作者:（美）Andrew K. Dennis 著；云漢

《Raspberry Pi+Arduino智能家居入門》是一本容易而全面的操作指南，你可以通過它，用革命性的ARM GNU／Linux電路板讓家里變得智能化。這本精簡的指南將會通過一系列激動人心的項目，將你的家里變得智能起來。簡單易懂的例子、圖表和講解，你會發(fā)現(xiàn)這本書不僅創(chuàng)造了難以置信的生產力，且內容詳實，極具吸引力。在多種多樣的使用范圍和應用場景中，Raspberry Pi提供了革命性的計算和編程方法，是一種非常高效的工具。你將學習如何使用熱敏電阻和繼電器使環(huán)境保持涼爽，使用光敏電阻和電機驅動窗簾，讓家中告別驕陽的襲擾。這些精心設計的教程會帶領你在智能家居領域漸漸入門，并開始十余種富有潛力的項目。

第1章 Raspberry Pi、Arduino與智能家居

1.1 本書將要展示的內容 1

1.2 Raspberry Pi的歷史和背景 2

1.3 Raspberry Pi硬件說明 3

規(guī) 格 3

35mm模擬音頻接口 4

復合RCA視頻接口 4

兩個USB20和一個Micro USB接口 4

HDMI接口 4

SD卡槽 5

與GPU共享的256MB／512MB內存 5

CPU 5

GPU 5

以太網接口 6

GPIO 6

1.4 Arduino的歷史與背景 6

1.5 Raspberry Pi—Arduino擴展板 7

規(guī) 格 7

Xbee插座 7

電源選擇開關 8

UART 8

數(shù)字GPIO引腳 8

SPI引腳 8

ICSP連接器 9

電源插座 9

模擬輸入 9

Raspberry Pi GPIO連接器 9

1.6 焊 接 9

1.7 為Arduino編寫軟件 10

1.8 什么是智能家居 11

智能家居的歷史 11

X10標準的誕生 12

網絡的爆發(fā)和開源——一種新的科技 12

商業(yè)產品 13

Raspberry Pi來了 14

1.9 小 結 15

第2章 開始使用Raspberry Pi

2.1 SD卡——Raspberry Pi的存儲設備 17

2.2 預裝操作系統(tǒng)的SD卡與空白存儲卡 18

2.3 配置SD卡 18

格式化存儲卡 19

2.4 BerryBoot——安裝操作系統(tǒng)的工具 21

下載BerryBoot壓縮包 22

連接Raspberry Pi 23

下載合適的操作系統(tǒng) 23

安裝Raspbian操作系統(tǒng) 24

安裝完成 27

2.5 小 結 29

第3章 開始使用Raspberry Pi—Arduino擴展板

3.1 安裝硬件 31

識別Raspberry Pi的型號 32

安裝Raspberry Pi—Arduino擴展板和LED 33

3.2 安裝軟件 34

Arduino IDE 34

3.3 arduPi：Raspberry Pi—Arduino擴展板的開發(fā)庫 36

安裝arduPi 37

文本編輯器——Leafpad 38

3.4 例程——閃爍LED 39

代碼指南 40

編譯和運行應用程序 42

3.5 小 結 42

第4章 開始第一個項目：簡單的溫度計

4.1 制作一個溫度計 43

搭建硬件環(huán)境 44

連接組件 46

4.2 溫度計的軟件 47

Geany IDE 48

Makefile文件介紹 49

溫度計的代碼 50

編寫應用程序 51

編譯和測試 57

如果程序不能正常工作 58

啟動和運行 59

4.3 小 結 59

第5章 從溫度計到恒溫器：升級第一個項目

5.1 安全注意事項 62

5.2 恒溫器簡介 62

5.3 配置硬件 63

繼電器簡介 63

連接繼電器 64

5.4 配置軟件 65

繼電器測試程序 65

安裝screen 67

cURL 68

恒溫器代碼 69

5.5 測試恒溫器和風扇 75

連接風扇 75

運行恒溫器應用程序 76

5.6 小 結 77

第6章 溫度數(shù)據(jù)的存儲：建立數(shù)據(jù)庫來存儲結果

6.1 SQLite 79

安裝SQLite 80

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫 81

編寫SQL語句 82

6.2 Apache Web服務器 83

搭建一個基本的Web服務器 84

WSGI 87

創(chuàng)建Python程序訪問數(shù)據(jù)庫 89

結 論 93

6.3 HTSQL 93

下載HTSQL 94

配置HTSQL 95

6.4 測試Arudino程序訪問數(shù)據(jù)庫 97

6.5 小 結 97

第7章 自動窗簾：根據(jù)環(huán)境光線自動開關窗簾

7.1 光敏電阻 100

7.2 電機和電機驅動板 100

7.3 安裝光敏電阻 101

組件連線 101

光敏電阻測試程序 102

除錯與調試 105

安裝電機驅動板 105

組件連線 105

7.4 窗簾控制程序 107

脈寬調制 107

線 程 107

代碼編寫 108

除錯與調試 112

連接窗簾 112

時間調整 113

硬件連接 113

除錯與調試 114

7.5 小 結 114

第8章 總 結

8.1 回顧前幾章內容 116

8.2 下一步工作 116

Pi Plate原型板 117

wiringPi庫 118

Gertboard 119

Gertboard套件簡介 120

改進目標 123

智能家居的未來 124

8.3 小 結 125

附 錄 參考資料

Raspberry Pi 127

Raspberry Pi—Arduino擴展板 128

Linux系統(tǒng) 128

Python語言 129

C／C++語言 129

Arduino 129

SQL結構化查詢語言 129

HTSQL查詢語言130

Apache軟件 130

電子元件 130

智能家居技術 131

3D打印技術 131

EEG頭戴式視圖器132

其他資源 132

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(fā)展歷程，也會介紹Arduino這種開源的微控制器平臺，它讓開發(fā)者得以方便地連接各種傳感器和電機，與周圍環(huán)境交互?

最后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(qū)的軟件，構造一個復雜的基于傳感器的系統(tǒng)?

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(xiàn)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(shù)據(jù)所產生的數(shù)據(jù)進行存儲

通過閱讀本書的所有章節(jié)，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(chuàng)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(shù)據(jù)?最后，我們期待在未來你能用學到的新技術開發(fā)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

從第一臺真空管計算機，到20世紀60年代的磁帶和穿孔卡片機，再到70年代的第一臺擁有微處理器的大型機，大型商業(yè)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)的發(fā)布，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(xiàn)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(xiàn)新一代業(yè)余程序設計員?到90年代，這些自己搗鼓家用計算機和寫B(tài)ASIC語言的業(yè)余程序設計員慢慢長大，后來進入學術界或計算機產業(yè)，通過游戲?網絡?開源?商業(yè)技術的開發(fā)掀起了網絡熱潮?

從很多方面來看，Raspberry Pi的創(chuàng)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(zhí)著于制造一種面向業(yè)余計算機發(fā)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(yè)的學習計算機的學生可以具備更多90年代后才出現(xiàn)的計算機技能，這當然離不開80年代家用計算機技術發(fā)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才向公眾發(fā)布?

20世紀，移動計算技術得到了迅猛發(fā)展，這主要得益于智能手機產業(yè)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(fā)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(fā)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(fā)?生產Raspberry Pi?

到2011年，第一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型首先發(fā)布?

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(guī)的認證之后，Raspberry Pi終于漂洋過海到達全球科技發(fā)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(xiàn)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(guī) 格

Raspberry Pi體積很小，外形只有85.60mm×53.98mm×17mm，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(shù)據(jù)的最主要的存儲方式?我們需要把操作系統(tǒng)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(tài)隨即存取存儲器)，而新型號擁有512MB?與擁有千兆字節(jié)(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(fā)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(zhí)行計算機程序指令來進行數(shù)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(fā)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(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)的Raspberry Pi來存儲數(shù)據(jù)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(fā)?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(fā)環(huán)境)?

Arduino平臺允許用戶通過其同名的編程語言來創(chuàng)建自定義硬件和開發(fā)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(fā)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?

智能家居 又稱智能住宅，在國外常用Smart Home表示。與智能家居含義近似的有家庭自動化(Home Automation)、電子家庭(Elecctronic Home、E-home)、數(shù)字家園(Digital Family)、家庭網絡(Home Net/Networks for ome)、網絡家居(Network Home)、智能家庭/建筑(Intelligent Home/Building)，在我國香港和臺灣等地區(qū)，還有數(shù)碼家庭、數(shù)碼家居等稱法。

1、始終在線的網絡服務，與互聯(lián)網隨時相連，為在家辦公提供了方便條件。

2、安全防范:智能安防可以實時監(jiān)控非法闖入、火災、煤氣泄露、緊急呼救的發(fā)生。一旦出現(xiàn)警情，系統(tǒng)會自動向中心發(fā)出報警信息，同時啟動相關電器進入應急聯(lián)動狀態(tài)，從而實現(xiàn)主動防范。

3、家電的智能控制和遠程控制，如對燈光照明進行場景設置和遠程控制、電器的自動控制和遠程控制等。

4、交互式智能控制:可以通過語音識別技術實現(xiàn)智能家電的聲控功能;通過各種主動式傳感器(如溫度、聲音、動作等)實現(xiàn)智能家居的主動性動作響應。

5、環(huán)境自動控制。如家庭中央空調系統(tǒng)。

6、提供全方位家庭娛樂。如家庭影院系統(tǒng)和家庭中央背景音樂系統(tǒng)。

7、現(xiàn)代化的廚衛(wèi)環(huán)境。主要指整體廚房和整體衛(wèi)浴。

8、家庭信息服務:管理家庭信息及與小區(qū)物業(yè)管理公司聯(lián)系。

9、家庭理財服務。通過網絡完成理財和消費服務，

10、自動維護功能:智能信息家電可以通過服務器直接從制造商的服務網站上自動下載、更新驅動程序和診斷程序，實現(xiàn)智能化的故障自診斷、新功能自動擴展。

智能家居可以成為智能小區(qū)的一部分，也可以獨立安裝。

中國人口眾多，城市住宅也多選擇密集型的住宅小區(qū)方式，因此很多房地產商會站在整個小區(qū)智能化的角度來看待家居的智能化，也就出現(xiàn)了一統(tǒng)天下、無所不包的智能小區(qū)。歐美由于獨體別墅的居住模式流行，因此住宅多散布城鎮(zhèn)周邊，沒有一個很集中的規(guī)模，當然也就沒有類似國內的小區(qū)這一級，住宅多與市鎮(zhèn)相關系統(tǒng)直接相連。這一點也可解釋為什么美國仍盛行ADSL、Cable Modem等寬帶接入方式，而國內光纖以太網發(fā)展如此迅猛。因此歐美的智能家居多獨立安裝，自成體系。

國內習慣上已將它當作智能小區(qū)的一個子系統(tǒng)考慮，這種做法在前一階段應該是可行的，而且是實用的，因為以前設計選用的智能家居功能系統(tǒng)多是小區(qū)配套的系統(tǒng)。但智能家居最終會獨立出來成為一個自成體系和系統(tǒng)，作為住宅的主人完全可以自由選擇智能家居系統(tǒng)，即使是小區(qū)配套來統(tǒng)一安裝，也應該可以根據(jù)需要自由選擇相應產品和功能、可以要求升級、甚至你對整個設計不感興趣，完全可以獨立安裝一套。我們的觀點是，智能家居實施其實是一種"智能化裝修"，智能小區(qū)只不過搭建了大環(huán)境、完成了粗裝修，接下來的智能化"精裝修"要靠自己來實施。

智能家居作為一個新的產品技術，改變了傳統(tǒng)的家居生活，為人們創(chuàng)造一個方便、節(jié)能、舒適的新家居生活。由于智能家居的價格比較高，另一方面，人們對智能家居的了解不多，誤以為智能家居是高端的產品，所以市場上還沒有普及率還很低，現(xiàn)有的智能家居推廣群也是面向高端別墅群。企業(yè)在智能家居技術不斷更新的同時，也要加強市場的推廣力度，讓要更多的人了解智能家居并接受和使用智能家居。中國物聯(lián)網產業(yè)協(xié)會，一直在為物聯(lián)網產業(yè)的推廣做努力。智能家居作為物聯(lián)網中一個最貼近百姓生活的應用，受到專家看好。目前物聯(lián)網產業(yè)協(xié)會正與物聯(lián)網智庫推廣智能家居最佳新品獎，就是為了促進智能家居產品的推廣，鼓勵智能家居產品的實用與創(chuàng)新，推動智能家居產業(yè)的發(fā)展。 如果從廣義的建筑來看，智能家居設備主要應用在智能建筑之中。智能建筑行業(yè)發(fā)展?jié)摿O大，被認為是中國經濟發(fā)展中一個非常重要的產業(yè)，其產業(yè)帶動作用更是不容小覷。

美國智能建筑占新建建筑的比例為70%，日本為60%。2012年，我國智能建筑占新建建筑的比例達到32.61%。我國智能建筑起步于1990年，比美國晚了6年，比日本晚4年，通過對比美國和日本智能建筑的發(fā)展歷程，預計未來我國智能建筑在新建建筑中的比例仍將保持每年3個百分點左右的提升速度，到2018年，我國智能建筑在新建建筑中的比列有望達到53%左右。

2007-2011年，我國建筑業(yè)新開工面積年均增速在11.78%左右，以此增速來推算2013-2018年我國建筑業(yè)新開工面積;2012年，我國智能建筑系統(tǒng)的平均造價在67.24元/平方米左右，在此暫不考慮未來智能建筑規(guī)模化效應帶來的單價下降以及通貨膨脹因素，以此單價來推算2013-2018年的智能建筑行業(yè)市場規(guī)模。通過推算可以發(fā)現(xiàn)，2013-2018年我國智能建筑行業(yè)市場規(guī)模年均增速保持在20%以上;到2018年，我國智能建筑市場規(guī)模將高達3331億元左右。