by 胖亲 on 2019.06.14
树莓派是世界上最小的台式机，系统基于Linux，由Eben·Upton在2012年3月发行，其特点是集成了PC和单片机的功能于一体。在本篇综述中，首先讨论树莓派的基本功能及其实现，之后基于项目加深对树莓派的理解。
基本功能
我们认为，树莓派作为PC的最基本功能是联网，作为单片机的最基本功能是编写程序和连接并控制输入输出设备。
- 联网
联网后，既可以通过Google等浏览器访问互联网，也可以通过linux终端下载互联网上的资源。无论是软件包的更新还是python中库的安装，都离不开联网，这是树莓派作为小型台式机的基本功能之一。以下为联网的实现。
1. 无线
初次启动后，将键盘和显示器连接到树莓派上，初始化系统后配置wifi。方便起见，我连接的是自己的手机热点，这样只要树莓派在热点覆盖的范围内启动，便自动连接。
初次配置wifi后，便不再需要键盘和显示器。用笔记本电脑+putty+vncviewer实现树莓派的图形界面控制。
在putty和vncviewer软件安装完成后，在putty中输入ip地址，如图putty。
在login中输入pi的用户名和密码实现树莓派的远程网络访问，注意：这一步电脑和树莓派必须在同一个网段下！接着，将vncservr的端口设为1后，就可以用vncviewer进行图形界面控制了。
在vncviewer中新建连接，输入IP地址::端口号，在弹出的窗口中输入密码，实现图形界面控制。
2. 有线
将树莓派和笔记本电脑用网线连接起来后，打开网络和共享中心，点击 无线网络->属性->共享，允许其它网络用户通过此计算机的internet来连接，即将笔记本电脑的网络分享给树莓派。
在控制台输入arp-a查看到树莓派的ip地址后，和无线连接方式一样使用putty+vncview进行图形界面操控。
- 编程
如果说联网是树莓派作为小型台式机的最基本功能，那么它作为单片机的基本功能毫无疑问就是编程。树莓派提供了一个十分强大的平台，这些平台允许用户通过Python、Java和C等常用语言创建程序轻松地与硬件交互。
尽管树莓派提供了上图所示的诸多开发工具，但我选择的是在自己的Windows上进行开发，编写完成后通过WinSCP传输到树莓派。
编程的过程包含在各个项目中，本身不再解释。
- 项目实例
以下为我在为期半月的树莓派学习中设计并完成的项目。这些项目让我对树莓派的使用和开发有了一定的了解，并通过对比STC15系列单片机和AT89C51单片机明了了一些树莓派的优势与劣势。
1. 基于树莓派的火灾报警器
选题背景
在大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所，火灾报警采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探测报警装置。因此，研制一种结构简单、价格低廉的数字联网火灾自动报警器是必要的。
设计思路
采用树莓派3B作为控制器件，传感器采用MQ-2型气体传感器和数字型温度传感器DS18B20完成对烟雾和温度的检测。
报警条件：有害气体浓度达到设定的阈值或环境温度达到设定的最高值
应急措施：通过蜂鸣器与LED报警，并启动风扇以散热和消烟
人机交互：在树莓派上利用python中的socket模块搭建基于TCP协议的服务器，在PC端与之相对应地通过python中的socket模块搭建客户端，或编写安卓app作为移动客户端
当移动端或PC端未通过人机交互控制树莓派时，每隔1s进行自动检测，若达报警条件则启用应急措施；当移动端或PC端通过人机交互控制树莓派后，使用者可远程监测环境温度和气体浓度，达到报警条件后会启用应急措施并向使用者发送警报。
实物电路
2. 基于STC15系列单片机的烟雾报警器
选题背景
2019年宏晶杯2题
设计思路
通过MQ-2烟雾传感器检测并通过AD模块和LCD1602液晶显示屏显示烟雾浓度，通过按键调整报警阈值，达阈值后产生蜂鸣器响和LED点亮的模拟输出动作并启动风扇。风扇的转速与时间控制根据题目要求的设计相应算法：采用PI算法，烟雾浓度与阈值的差值作为比例算法的输入、烟雾浓度的下降量作为积分算法的输入。
电路设计
3.基于AT89C51的计算器
选题背景
课程微处理器实验3.7
实验要求
AT89C51本身作计算器，通过与16个按键和LCD 1602实现并显示两个数的加减乘除
电路设计
4.用树莓派做RTMP流直播服务器（进行中）
选题背景
在智能车实验中，要实现摄像头画面的实时传输，要考虑视频的采集、流的传输与接收、服务器与客户端的配置。
采用GStreamer采集摄像头捕获的视频，RTMP模块用于流的传输与接收。
GStreamer与RTMP
gstreamer是一个用于开发流式多媒体应用的开源框架，其核心是pipeline及用于扩展功能的插件，基本元素有element、pad、bin和pipeline。
element：节点，最基本的单元
pad：相当于插头，节点的输入和输出
bin：element按照某种目的实现的集合，可实现某种功能
pipeline：完整的流式数据处理管道
RTMP：Real Time Message Protocol，基于TCP协议的实时信息传输协议
软件配置
avconv 和 GStreamer 用于采集摄像头捕获的视频流并推送到 RTMP 服务
NGINX 和 RTMP 模块，用于接收视频流，同时提供视频发布功能
Strobe Media Playback，一款基于 Flash 的网页视频播放器
参考：用树莓派做 RTMP 流直播服务器，可推送至斗鱼直播 | 树莓派实验室 http://shumeipai.nxez.com/2017/11/01/build-rtmp-stream-live-server-with-raspberry-pi.html
项目进展
完成了NGINX和RTMP模块的安装与配置，开启GStreamer模块采集后如图所示。
目前存在的问题：在开启浏览器的Flash后，显示无法连接到网络，即无法将摄像头采集到的视频呈现给客户端的浏览器。但注意到左上角视频采集的数据越来越大，说明开始采集。
- 感受
项目1与2的横向对比
可以看到，项目1与项目2实现的是相同的功能，但无论是电路实现还是代码实现，树莓派比STC15系列单片机要简单许多。其中最直观的原因就是项目1采用了python编程而项目2使用的是C，而且我们在为STC15配置网络的时候要额外加上一个ESP8266wifi模块，所以对比之下显得树莓派真的太方便了！
项目1与3的纵向对比
项目3实现的是简单的计算功能，但它的C源代码达到了200多行；相比之下，项目1实现的为更复杂的报警系统，但却仅仅需要几十行代码。无论从代码编写还是调试检查的角度，真的不是一个等级的啊！
为何树莓派如此方便呢？这要从树莓派的宗旨说起，它正是为了让全世界的计算机工作者更好地编程而实现的，所以既有网络层面的支持又有开放的编程平台、支持更多的编程语言。
结构决定功能。CPU分为两类：MCU（微控制器）和MPU（微处理器） 。树莓派用的是MPU，而单片机用到的是MCU，树莓派属于开源硬件，而STC属于传统单片机开发板，所以二者的运算能力有巨大差别。
有利必有弊，人们常常会注意树莓派的高度便捷而忽略了它的高度封装。换句话说，虽然树莓派是为编程而设计，但我们却接触不到它最底层的东西。如果想要解除最底层最接近原理的，可以更多地考虑单片机。玩STM系列可以学到更多基础的知识，脚踏实地慢慢来，从零开始，看着自己的作品一点点完善，难道不是一件很有趣的事情吗？
另外一点，就是成本。对于量产化的产品，设计成本的重要性不言而喻。而树莓派开发的高成本在一定程度上也限制了它的发展。
没有最好的，只有最合适的，通过这段时间的学习我不仅仅学到了树莓派开发的知识和过程，更明白了要根据自己的爱好和需要选择合适的产品。更重要的，关于树莓派，关于开源硬件，关于创新项目，很开心走上这条道路，也希望在老师和同学的陪伴下能够越走越远！
