Raspberry Pi+Arduino智能家居入门编辑推荐

《Raspberry Pi+Arduino智能家居入门》是一本容易而全面的操作指南，你可以通过它，用革命性的ARM GNU／Linux电路板让家里变得智能化。这本精简的指南将会通过一系列激动人心的项目，将你的家里变得智能起来。简单易懂的例子、图表和讲解，你会发现这本书不仅创造了难以置信的生产力，且内容详实，极具吸引力。在多种多样的使用范围和应用场景中，Raspberry Pi提供了革命性的计算和编程方法，是一种非常高效的工具。你将学习如何使用热敏电阻和继电器使环境保持凉爽，使用光敏电阻和电机驱动窗帘，让家中告别骄阳的袭扰。这些精心设计的教程会带领你在智能家居领域渐渐入门，并开始十余种富有潜力的项目。

作者:（美）Andrew K. Dennis 著；云汉

第1章 Raspberry Pi、Arduino与智能家居

1.1 本书将要展示的内容 1

1.2 Raspberry Pi的历史和背景 2

1.3 Raspberry Pi硬件说明 3

规 格 3

35mm模拟音频接口 4

复合RCA视频接口 4

两个USB20和一个Micro USB接口 4

HDMI接口 4

SD卡槽 5

与GPU共享的256MB／512MB内存 5

CPU 5

GPU 5

以太网接口 6

GPIO 6

1.4 Arduino的历史与背景 6

1.5 Raspberry Pi—Arduino扩展板 7

规 格 7

Xbee插座 7

电源选择开关 8

UART 8

数字GPIO引脚 8

SPI引脚 8

ICSP连接器 9

电源插座 9

模拟输入 9

Raspberry Pi GPIO连接器 9

1.6 焊 接 9

1.7 为Arduino编写软件 10

1.8 什么是智能家居 11

智能家居的历史 11

X10标准的诞生 12

网络的爆发和开源——一种新的科技 12

商业产品 13

Raspberry Pi来了 14

1.9 小 结 15

第2章 开始使用Raspberry Pi

2.1 SD卡——Raspberry Pi的存储设备 17

2.2 预装操作系统的SD卡与空白存储卡 18

2.3 配置SD卡 18

格式化存储卡 19

2.4 BerryBoot——安装操作系统的工具 21

下载BerryBoot压缩包 22

连接Raspberry Pi 23

下载合适的操作系统 23

安装Raspbian操作系统 24

安装完成 27

2.5 小 结 29

第3章 开始使用Raspberry Pi—Arduino扩展板

3.1 安装硬件 31

识别Raspberry Pi的型号 32

安装Raspberry Pi—Arduino扩展板和LED 33

3.2 安装软件 34

Arduino IDE 34

3.3 arduPi：Raspberry Pi—Arduino扩展板的开发库 36

安装arduPi 37

文本编辑器——Leafpad 38

3.4 例程——闪烁LED 39

代码指南 40

编译和运行应用程序 42

3.5 小 结 42

第4章 开始第一个项目：简单的温度计

4.1 制作一个温度计 43

搭建硬件环境 44

连接组件 46

4.2 温度计的软件 47

Geany IDE 48

Makefile文件介绍 49

温度计的代码 50

编写应用程序 51

编译和测试 57

如果程序不能正常工作 58

启动和运行 59

4.3 小 结 59

第5章 从温度计到恒温器：升级第一个项目

5.1 安全注意事项 62

5.2 恒温器简介 62

5.3 配置硬件 63

继电器简介 63

连接继电器 64

5.4 配置软件 65

继电器测试程序 65

安装screen 67

cURL 68

恒温器代码 69

5.5 测试恒温器和风扇 75

连接风扇 75

运行恒温器应用程序 76

5.6 小 结 77

第6章 温度数据的存储：建立数据库来存储结果

6.1 SQLite 79

安装SQLite 80

创建数据库 81

编写SQL语句 82

6.2 Apache Web服务器 83

搭建一个基本的Web服务器 84

WSGI 87

创建Python程序访问数据库 89

结 论 93

6.3 HTSQL 93

下载HTSQL 94

配置HTSQL 95

6.4 测试Arudino程序访问数据库 97

6.5 小 结 97

第7章 自动窗帘：根据环境光线自动开关窗帘

7.1 光敏电阻 100

7.2 电机和电机驱动板 100

7.3 安装光敏电阻 101

组件连线 101

光敏电阻测试程序 102

除错与调试 105

安装电机驱动板 105

组件连线 105

7.4 窗帘控制程序 107

脉宽调制 107

线 程 107

代码编写 108

除错与调试 112

连接窗帘 112

时间调整 113

硬件连接 113

除错与调试 114

7.5 小 结 114

第8章 总 结

8.1 回顾前几章内容 116

8.2 下一步工作 116

Pi Plate原型板 117

wiringPi库 118

Gertboard 119

Gertboard套件简介 120

改进目标 123

智能家居的未来 124

8.3 小 结 125

附 录 参考资料

Raspberry Pi 127

Raspberry Pi—Arduino扩展板 128

Linux系统 128

Python语言 129

C／C++语言 129

Arduino 129

SQL结构化查询语言 129

HTSQL查询语言130

Apache软件 130

电子元件 130

智能家居技术 131

3D打印技术 131

EEG头戴式视图器132

其他资源 132

第1章 Raspberry Pi､Arduino与智能家居

本章内容是关于Raspberry Pi､Arduino和智能家居的基本介绍｡

我们将介绍Raspberry Pi的发展历程，也会介绍Arduino这种开源的微控制器平台，它让开发者得以方便地连接各种传感器和电机，与周围环境交互｡

最后介绍智能家居的一些背景知识，并展示如何通过使用Raspberry Pi这样的设备，结合开源社区的软件，构造一个复杂的基于传感器的系统｡

让我们首先来关注一下在接下来的几章中会提及的内容｡

1.1 本书将要展示的内容

我们拥有大量令人兴奋的项目，通过使用Raspberry Pi及Arduino技术来实现这些项目，可以逐步帮助你了解智能家居｡这些项目包括:

编写软件来控制硬件

使用热敏电阻来制作温度计

通过继电器使温度计变成恒温器

使用电机驱动板来控制电机

编写软件，把项目中传感器数据所产生的数据进行存储

通过阅读本书的所有章节，你将能够获得为智能家居项目搭建电路和硬件的基本知识｡你还将会学到如何编写程序创建一个项目，这个项目可以在控制你的设备的同时，记录所产生的数据｡最后，我们期待在未来你能用学到的新技术开发更多的项目｡

首先，我们来初步了解将要使用的技术的背景｡首先从Raspberry Pi开始｡

1.2 Raspberry Pi的历史和背景

从第一台真空管计算机，到20世纪60年代的磁带和穿孔卡片机，再到70年代的第一台拥有微处理器的大型机，大型商业机构和大学研究机构一直保持着对计算机的研究｡然而，70年代后期，随着苹果二代(Apple II)的发布，以及更早期电视打字机和苹果一代这类科技的积淀，这种现状迅速改变｡

随着80年代的到来，公众看到了ZX Spectrum和Commodore 64这类低价家用计算机冲击大众市场，从而涌现新一代业余程序设计员｡到90年代，这些自己捣鼓家用计算机和写BASIC语言的业余程序设计员慢慢长大，后来进入学术界或计算机产业，通过游戏､网络､开源､商业技术的开发掀起了网络热潮｡

从很多方面来看，Raspberry Pi的创始也和这股网络热潮有关｡2006年，在剑桥大学计算机实验室里，一群由Eben Upton领导的计算机科学家执着于制造一种面向业余计算机发烧友､初露头角的学生和孩子们的廉价但具有教育功能的微型计算机｡他们的目标是让那些即将从大学毕业的学习计算机的学生可以具备更多90年代后才出现的计算机技能，这当然离不开80年代家用计算机技术发展的基础｡

然而，两年之后这个项目才得以实施｡直到2012年，Raspberry Pi才向公众发布｡

20世纪，移动计算技术得到了迅猛发展，这主要得益于智能手机产业的兴起｡到2005年，一家前身为80年代家用计算机制造商Acorn的英国公司，推出了ARM CPU内核｡目前随着ARM的发展，98%的手机内核技术都由该公司提供，其每年约向世界提供10亿CPU内核｡Raspberry Pi使用的正是ARM公司提供的ARM1176JZF-S处理器内核｡

与此同时，Eben Upton为Raspberry Pi做出过很多设想，直到2008年，得益于移动电话技术无孔不入的渗透和快速发展，制造一台小型且轻便，但拥有许多普通大众习惯使用的多媒体功能的微型计算机的成本才变得不再高不可攀｡

因此，Raspberry Pi基金会正式成立，并且开始开发､生产Raspberry Pi｡

到2011年，第一个内部测试模型被制造出来并开始进入测试流程｡公众最终看到了Raspberry Pi的强大能力｡

这台小小的低价计算机可以运行游戏《雷神之锤Ⅲ》和播放1080P全高清视频｡

2012年，Raspberry Pi最终向公众开放购买｡两种型号的Raspberry Pi(A型和B型)开始按计划投入生产，B型首先发布｡

A型Paspberry Pi没有以太网接口，但与B型相比，它的功耗更低，并且售价仅为25美元｡

B型拥有以太网接口，售价为35美元｡它首先在中国生产，随后移至英国，由索尼公司接手生产｡

经历许多挫折(如早期成品被安装了错误的以太网接口)，通过一系列法规的认证之后，Raspberry Pi终于漂洋过海到达全球科技发烧友的手中｡

那么，到底你手中的B型Raspberry Pi都包括些什么呢?

1.3 Raspberry Pi硬件说明

我们将简单介绍组成Raspberry Pi的核心组件来帮助你更好地体会它所拥有的功能｡

Raspberry Pi的核心是博通(Broadcom)公司出产的BCM2835处理器——一种用于移动及嵌入式设备的多媒体应用处理器｡

在此基础上，它还包括许多用于支持USB､RCA接口和SD卡的其他配件｡

现在我们来了解Raspberry Pi主板上的一部分核心组件｡图1.1中标明了一些核心组件，随后是各部分的说明｡

规 格

Raspberry Pi体积很小，外形只有85.60mm×53.98mm×17mm，重量仅为45g｡这让它非常适合用于智能家居，因为它可以被放在一个小盒子里，安装在配电箱里，或者直接取代墙上的恒温器｡

3.5mm模拟音频接口

通过3.5mm模拟音频接口，你可以把耳机和音箱连接至Raspberry Pi｡这对基于音频､媒体播放器的项目尤其有用｡

复合RCA视频接口

你也许已经对连接DVD播放器和电视机的复合电缆很熟悉了，它们通常连着红色､白色和黄色之类的插头｡Raspberry Pi有一个可以连接电视机黄色视频电缆的接口，你可以用它连接电视机，把电视机作为屏幕｡

两个USB 2.0和一个Micro USB接口

USB是计算机连接外设和存储装置的最普遍的方法｡Raspberry Pi有两个USB接口，你可以用它们来连接键盘和鼠标｡一个Micro USB接口用于给Raspberry Pi供电｡

HDMI接口

HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒体接口)可以让Raspberry Pi连接支持此项技术的高清晰度电视机和显示屏｡它可以取代复合RCA视频接口和音频接口｡

如果想用Raspberry Pi在电视机上播放网络音乐或视频，推荐你使用HDMI接口｡

SD卡槽

SD卡是Raspberry Pi上数据的最主要的存储方式｡我们需要把操作系统安装在SD卡上，并且把它当作硬盘来使用｡当然，也可以通过USB接口的外置存储设备来扩展Raspberry Pi的存储能力｡

与GPU共享的256MB/512MB内存

老款B型Raspberry Pi拥有256MB的SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随即存取存储器)，而新型号拥有512MB｡与拥有千兆字节(Gigabyte)内存的个人计算机相比，这个容量并不是很大｡但是，对于我们要开发的应用来说，256MB和512MB的存储容量已经足够｡

CPU

在本章的开头，我们介绍过ARM——一家提供CPU(Central Processor Unit，中央处理器)内核的英国公司｡Raspberry Pi装备有一块700MHz､拥有ARM1176JZF-S内核的CPU，它是ARM11 32位多核处理器家族的一员｡

CPU是Raspberry Pi的主要组成部分，通过执行计算机程序指令来进行数学､逻辑运算｡

Raspberry Pi所使用的ARM11系列处理器，在iPhone､亚马逊Kindle和三星Galaxy系列手机里都有使用｡

GPU

GPU(Graphics-Processing Unit，图形处理器)是一种专用芯片，用来加速图像计算的操作｡

Raspberry Pi配备了博通VideoCore IV图像处理器，可以支持OpenGL应用的硬件加速回放｡

如果想要在你的Raspberry Pi玩游戏､播放视频，或者使用Blender这样的开源3D图像应用，图形处理器就将发挥极大的作用｡

以太网接口

以太网接口是Raspberry Pi连接其他设备及访问Internet的主要途径｡你可以使用Raspberry Pi的以太网接口连接正在用于上网的家用路由器或设置好的网络交换机｡

GPIO

Raspberry Pi上的GPIO(General Purpose Input/Output，通用输入输出)引脚主要用于连接其他电路板，如Arduino｡

顾名思义，GPIO引脚能够接收与输入输出有关的控制命令，可以在Raspberry Pi上进行编程来发出这些控制命令｡

Arduino扩展板可以将GPIO引脚连接到Arduino，这让我们能够把设备传感器采集到的数据传回Raspberry Pi｡这一点在智能家居中尤其实用，因为人们都希望通过运行着操作系统的Raspberry Pi来存储数据或操作电机｡

以上内容大概讲解了Raspberry Pi的技术功能，下面我们将关注Arduino，以及如何使两种技术(Raspberry Pi和Arduino)通过GPIO引脚进行连接｡

1.4 Arduino的历史与背景

Arduino是市场上使用最广泛的开源硬件产品之一，它早期属于Wiring开源平台的分支，由Massimo Banzi和David Cuartielles于2005年在意大利开发｡Arduino是一项开源硬件技术，还包括编程语言和IDE(Integrated Development Environment，集成开发环境)｡

Arduino平台允许用户通过其同名的编程语言来创建自定义硬件和开发应用｡

目前，市场上有许多不同大小､不同组件组成的主板模块｡如Lilly Pad可以让发烧友们把Arduino主板集成在衣物上，这是可穿戴电子的概念｡这些主板支持各种各样的扩展板(Shield)—— 一种可以与Arduino兼容的电路板，它可以插在主板上并扩展其功能｡其中，使用以太网扩展版和无线Xbee装置来连接家用网络和Internet就是一种独特的扩展功能｡

智能家居 又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Elecctronic Home、E-home)、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Home Net/Networks for ome)、网络家居(Network Home)、智能家庭/建筑(Intelligent Home/Building)，在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。

1、始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件。

2、安全防范:智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。

3、家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等。

4、交互式智能控制:可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能;通过各种主动式传感器(如温度、声音、动作等)实现智能家居的主动性动作响应。

5、环境自动控制。如家庭中央空调系统。

6、提供全方位家庭娱乐。如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统。

7、现代化的厨卫环境。主要指整体厨房和整体卫浴。

8、家庭信息服务:管理家庭信息及与小区物业管理公司联系。

9、家庭理财服务。通过网络完成理财和消费服务，

10、自动维护功能:智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。

智能家居可以成为智能小区的一部分，也可以独立安装。

中国人口众多，城市住宅也多选择密集型的住宅小区方式，因此很多房地产商会站在整个小区智能化的角度来看待家居的智能化，也就出现了一统天下、无所不包的智能小区。欧美由于独体别墅的居住模式流行，因此住宅多散布城镇周边，没有一个很集中的规模，当然也就没有类似国内的小区这一级，住宅多与市镇相关系统直接相连。这一点也可解释为什么美国仍盛行ADSL、Cable Modem等宽带接入方式，而国内光纤以太网发展如此迅猛。因此欧美的智能家居多独立安装，自成体系。

国内习惯上已将它当作智能小区的一个子系统考虑，这种做法在前一阶段应该是可行的，而且是实用的，因为以前设计选用的智能家居功能系统多是小区配套的系统。但智能家居最终会独立出来成为一个自成体系和系统，作为住宅的主人完全可以自由选择智能家居系统，即使是小区配套来统一安装，也应该可以根据需要自由选择相应产品和功能、可以要求升级、甚至你对整个设计不感兴趣，完全可以独立安装一套。我们的观点是，智能家居实施其实是一种"智能化装修"，智能小区只不过搭建了大环境、完成了粗装修，接下来的智能化"精装修"要靠自己来实施。

智能家居作为一个新的产品技术，改变了传统的家居生活，为人们创造一个方便、节能、舒适的新家居生活。由于智能家居的价格比较高，另一方面，人们对智能家居的了解不多，误以为智能家居是高端的产品，所以市场上还没有普及率还很低，现有的智能家居推广群也是面向高端别墅群。企业在智能家居技术不断更新的同时，也要加强市场的推广力度，让要更多的人了解智能家居并接受和使用智能家居。中国物联网产业协会，一直在为物联网产业的推广做努力。智能家居作为物联网中一个最贴近百姓生活的应用，受到专家看好。目前物联网产业协会正与物联网智库推广智能家居最佳新品奖，就是为了促进智能家居产品的推广，鼓励智能家居产品的实用与创新，推动智能家居产业的发展。 如果从广义的建筑来看，智能家居设备主要应用在智能建筑之中。智能建筑行业发展潜力极大，被认为是中国经济发展中一个非常重要的产业，其产业带动作用更是不容小觑。

美国智能建筑占新建建筑的比例为70%，日本为60%。2012年，我国智能建筑占新建建筑的比例达到32.61%。我国智能建筑起步于1990年，比美国晚了6年，比日本晚4年，通过对比美国和日本智能建筑的发展历程，预计未来我国智能建筑在新建建筑中的比例仍将保持每年3个百分点左右的提升速度，到2018年，我国智能建筑在新建建筑中的比列有望达到53%左右。

2007-2011年，我国建筑业新开工面积年均增速在11.78%左右，以此增速来推算2013-2018年我国建筑业新开工面积;2012年，我国智能建筑系统的平均造价在67.24元/平方米左右，在此暂不考虑未来智能建筑规模化效应带来的单价下降以及通货膨胀因素，以此单价来推算2013-2018年的智能建筑行业市场规模。通过推算可以发现，2013-2018年我国智能建筑行业市场规模年均增速保持在20%以上;到2018年，我国智能建筑市场规模将高达3331亿元左右。