RaspberryPi

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簡介

樹莓派（英語：Raspberry Pi）是基於Linux的單晶片電腦，由英國樹莓派基金會開發，目的是以低價硬體及自由軟體促進學校的基本電腦科學教育。
樹莓派是源自一個開放源程式碼的硬體專案平台,該平台包括一塊具備簡單I/O功能的電路板以及一大堆的Linux 軟體。

命名由來

樹梅派 Raspberry Pi 的 Pi 就是指

python，一開始只打算使用 python 當 Raspberry Pi 的專屬語言，但之後各種的語言都可以在 Raspberry Pi 上面運行了。
而以樹莓為命名 Raspberry 則是為了致敬 Apple、Tangerine Computer Systems、Apricot Computers、Acorn等以水果為命字的公司。

應用

樹莓派可以用來開發交互產 品,比如它可以讀取大量的開關和感測器信號,並且可以控制電燈、電機和其他各 式各樣的物理設備;也可以開發出與PC一樣的周邊裝置,也可以運行在Linux PC 上的軟體進行通信。

機器人、自走車                                             做成掌機



物聯網通訊的閘道器                                        四軸飛行器、無人機



做成平板                                                          影音播放器

Arduino uno 與 Raspberry Pi B 比較

	Arduino uno	Raspberry Pi Model B
Price	$30	$35
Size	7.6x1.9x16.4 cm	8.6x5.4x1.7 cm
Memory	0.002MB	512MB
Clock Speed	16MHz	700MHz
On Board Network	None	10/100 wired Ethernet RJ45
Multitasking	No	Yes
Iput voltage	7~12V	5V
USB	One,input only	Two,peripherals OK
Flash	32KB	SD Card(2~16G)
Operating System	None	Linux distributions
Integrate Development Environment	Arduino	Scratch、IDLE、anything with Linux support
官網 : https://www.raspberrypi.org
各式硬體種類 : https://www.raspberrypi.org/products/

Raspberry Pi 3 Model B+

與 Pi 3 最大的改變是網路效能增加了!

特色

• 新增四根 PoE 的 Pin 腳支援，並有對應的擴充板(HAT)。

• 網路效能提升!

規格

• Fusion 360 Raspberry Pi 3 Model B+ 若看不到，請點擊此連結

Raspberry Pi 4 Model B

和之前的版本最大的改變是多了 2GB/4GB/8GB 的記憶體版本可供選擇

紅色圈起來的地方是MicroSD卡插槽 (樹莓派背面)

特色

1. 使用 Broadcom 2711 四核心晶片(原本為 BCM2837B0)Quad-core Cortex-A72 64-bit SoC，單核心時脈可達 1.5GHz，有三倍速快。
2. 三種記憶體(LPDDR4 SDRAM)大小可選擇，分別是 1GB, 2GB, 4GB 和 8GB。
3. 乙太網路(Ethernet)達 True Gigabit Ethernet。
4. 支援藍牙5.0(Bluetooth 5.0)。
5. 兩個 USB 3.0 和 兩個 USB 2.0。
6. 支援雙螢幕輸出，解析度可達 4K。
7. 使用 VideoCore VI，可支援 OpenGL ES 3.x。
8. 可硬體解 4Kp60 HEVC 影片。

規格

型號	樹莓派 4B
晶片	Broadcom 2711,Quad-core Cortex-A72
處理器	四核ARM Cortex-A72(v8) 64位元 1.5GHz處理器
記憶體	1GB, 2GB or 4GB LPDDR4 SDRAM
Wifi	2.4GHz / 5.0GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN
藍芽	Bluetooth 5.0, BLE
乙太網路	ports delivering true Gigabit Ethernet
USB	2 x USB 2.0 / 2 x USB 3.0
IO	Extended 40-pin GPIO header
影像音頻	2 x micro HDMI、4k video(支援雙螢幕輸出)、1 X MIPI DSI display port、1 X MIPI CSI camera port、4 pole stereo output and composite video port
電源IC	Microchip LAN7515
電源	DC 5V3A, 從USB Type-C接頭，或GPIO排針，或PoE輸入皆可

• Fusion 360 Raspberry Pi 4 Model B+ 若看不到，請點擊此連結

環境設置

安裝作業系統

將官方作業系統透過Raspberry Pi Imager 燒錄到MicroSD卡中，完成後將MicroSD插入樹莓派然後開機啟動，就完成安裝啦

安裝系統前須注意 :

1.確認您的電腦是否有Micro SD讀卡機，若沒有須自行準備並接至電腦
2.周邊設備是否備齊，如圖所示 :

3.將作業系統燒錄至Micro SD的動作只會用到電腦，固可先將設備先接至電腦(ex.鍵盤、滑鼠....)，待燒錄完畢後再轉移到樹莓派即可。

安裝流程

• 步驟一 : 將Micro SD 接至電腦

• 步驟二 : 至官網下載Raspberry Pi Imager 在這裡選擇windows版本

不須下載傳統燒錄軟體、映像檔，更簡便快速

• 步驟三 : 開啟執行檔後 繼續在Windows中開啟Raspberry Pi Imager

- 選擇作業系統 >Operating System>Raspberry Pi OS(other)>Raspberry Pi OS Full(32-bit)

- 選擇你的SD卡

- 開始燒錄 燒錄完成後會驗證(Verifying...⏳)

• 步驟四 : 取出Micro SD卡 插入樹莓派的SD卡插槽

• 步驟五 : 將樹梅派接上螢幕、鍵盤、滑鼠、網路後開機進行設定區域、語言、密碼、網路等等的設定，就完成啦::

網路設定

wifi連線

方法一 : raspi-config

尚未連接WiFi(Wlan0)時觀察網路介面的相關參數

$ifconfig

$sudo raspi-config

• 步驟一 : 選擇Network Options

• 步驟二 : 選擇N2 Wi-fi

• 步驟三 : 選擇你所在的國家Taiwan(TW)

• 步驟四 : 輸入你的WiFi名稱(必須大小寫一致)

• 步驟五 : 輸入你的WiFi密碼，若沒設密碼直接按確定

• 步驟六 : 重新開機

再觀察一次網路參數，連線成功:

:

$ifconfig

方法二 : 修改 /network/interfaces

• 步驟一 : 所在的區域必須擁有網路(無線分享器WIFI或是有線分享器)。
• 步驟二 : 設定你的WIFI名稱與密碼(名稱必須完全一致)

$sudo nano /etc/network/interfaces

輸入完成後按下Ctrl+O(英文O) → Enter → Ctrl+X重新開機等候數分鐘約5~10分鐘，樹莓派就會自行連上WIFI

• 步驟三 : 重新開機後檢查連線是否成功，也可以隨便開個網頁來看看

$ifconfig

遠端連線

ssh

就是secure shell，透過網路連線到其他台主機上。

• 步驟一 : 我們首先要獲得Raspberry pi的ip address

網路的話可以連wifi，也可以把網路線連接在電腦上或路由器上，在terminal輸入ifconfig可以得到目前的ip address。

$ifconfig

此範例用的是wlan0(wifi)的網路

• 步驟二 : 接下來要啟用ssh

從2016年底開始，Raspberry pi預設ssh都是關閉的，所以我們要先前往設定啟用它。

-偏好設定>Raspberry Pi 設定

-啟用SSH

也可以透過樹梅派的terminal打開它，輸入:

$sudo raspi-config

-選擇Interface Options

-選擇ssh

-選擇enable後它就會告訴你SSH server已經啟用了

• 步驟三 : 下載putty

- 回到我們的電腦，我們已經獲得ip address，也啟用ssh，開啟putty，輸入相對應的IP位置後便完成後就可以遠端控制Raspberry pi了。

預設帳號是 pi
預設密碼是 raspberry (密碼是盲打喔 不是鍵盤壞掉)

完成 :

:

VNC

VNC是一個遠端桌面的軟體，分成我們的VNC Server(Raspberry pi)，與VNC Viewer（筆電端）。

直接從樹莓派設定可以看到系統預設的VNC伺服器也不見了，也不是消失無蹤，而是預設不啟動了。此時想以VNC操控，就會失敗。

不過只要自己在命令列下打指令，啟動TightVNC伺服器：

• 步驟一 : 透過putty連線下開啟vnc的指令(也可以直接在樹莓派的terminal下指令)

$tightvncserver

• 步驟二 : 在筆電上下載VNC Viewer進行連線

-在此下載的是windows版本

-完成後開啟執行檔

-建立連線設定 >File>New connection...

VNC Server : 樹莓派IP加上 :1
(簡單的說:0代表實體連接的螢幕，而剛剛的指令會開出另一個螢幕:1。)
Name : 隨意取名，方便辨識

-建立完成，點擊右鍵兩下、輸入密碼就能看到連線畫面

中文化

介面中文化

• 步驟一 : 在左上角按「Raspberry 圖案」 > Preferences > Raspberry Pi Configuration

• 步驟二 : Set Locale…
  Language : zh(Chinese)
  Country : TW(Taiwan)
  Character Set : UTF 8

• 步驟三 : 重新開機

完成啦

中文輸入法

下載輸入法

• 步驟一 : 點選開始功能表的 偏好設定/Add/Remove Software

• 步驟二 : 在搜尋欄中輸入scim-chewing

• 步驟三 : 勾選最下面兩個選項,按下Apply,系統會要求輸入設定時預設的管理者密碼
  【Chewing IM engine module for SCIM】
  【Chinese input method data tables for SCIM platform】

• 步驟四 : 系統會將相關的應用程式工具一併勾選,按下OK鍵

設定輸入法介面的切換鍵

• 步驟一 : 點選 開始功能表/偏好設定/SCIM Input Method(SCIM輸入法框架)

• 步驟二 : 點選介面(前端)設定，設定輸入法的切換鍵與快速鍵，設定切換下一種輸入法的快速鍵(…)

• 步驟三 : 點選【…】符號

• 步驟四 : 再按一下鍵盤上的左側【Shift】按鍵

• 步驟五 : 在空白欄裡會出現｢Shift_L」,點選+新增至選定的按鍵欄位中

• 步驟六 : 這樣就完成切換至下一種輸入法快速鍵的設定,記得要點選 ✔

輸入法引擎設定

• 步驟一 : 點選 輸入法引擎/全域設定

• 步驟二 : 取消簡體中文項目的勾選(需要則保留),勾選自己常用繁體中文的輸入法、其他語文項目,點選✔

• 步驟三 : 新增完成關閉設定時會要求重新啟動電腦

• 步驟四 : 右上角會出現小鍵盤，完成啦 ::

程式範例

GPIO

GPIO（General Purpose I/O Ports）意思是通用型輸入/輸出介面，也就是一些針腳可以通過它們輸出高電位或者低電位，可以供使用者由程式控制自由使用，與裝置進行通訊，達到控制裝置的目的。

既然一個針腳可以用於輸入、輸出或其他特殊功能，那麼一定有暫存器用來選擇這些功能。

對於輸入，一定可以透過讀取某個暫存器來確定針腳電位的高低；對於輸出，一定可以透過寫入某個暫存器來讓這個針腳輸出高電位或者低電位；對於其他特殊功能，則有另外的暫存器來控制它們，所以掌握了 GPIO 就相當於掌握了硬體的控制。

這裡可以看到有二種編號規則，分別是紅框內的 BOARD 編號規則，與紅框外的 BCM 編號規則。

LED發光二極體的控制實作

控制單科LED閃爍練習

程式範例 : led_single.py

開始撰寫程式碼:

$nano  /home/pi/led_single.py

#匯入模組
import time
import RPi.GPIO as GPIO

#宣告設定
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(4, GPIO.OUT)

#主程式區
while True:
    GPIO.output(4,1)
    time.sleep(1)
    GPIO.output(4,0)
    time.sleep(1)  

• 匯入模組
  import time : 匯入時間模組，要完成閃爍效果，需要用到時間暫停的技巧。
  import RPi.GPIO as GPIO : 匯入RPi.GPIO模組物件，用於控制Raspberry Pi GPIO引腳。

• 宣告設定
  setwarnings(False) : 在執行過程中將所有警告提示關閉(False)。
  setmode(GPIO.BCM) : 設定模式
     – GPIO.BCM : 使用GPIO編號
     – GPIO.BOARD : 使用電路板腳位(pin的)編號
  setup(4, GPIO.OUT) : 設定GPIO.4(BOARD模式7)作為輸出(Output)腳位
• 主程式區
  透過無窮迴圈讓LED燈反覆閃爍，若要停用則按Ctrl+C強制停止。
  GPIO.output(4,1) : (對應腳位,電位),1代表輸出高電位(High)的3.3V信號使LED點亮,0代表輸出低電位(Low)的0V信號使LED熄滅。
  time.sleep(1) : 利用第2行的時間模組，將時間暫停1秒,sleep()方法暫停執行給定秒數。

電路圖 :

LED按鍵控制練習: 按一下亮，按一下滅

程式範例 : led_switch_on_off.py

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(4, GPIO.OUT)
GPIO.setup(17, GPIO.IN)

led = 0

'''def my_callback(channel):
	if  led == 0:
		led = 1
		GPIO.output(4, led)
	else:
		led = 0
		GPIO.output(4, led)'''

GPIO.add_event_detect(17, GPIO.RISING)
#GPIO.add_event_callback(17, my_callback)

while(True):
	if GPIO.event_detected(17):
		print('Button pressed')
		if led == 0:
			led = 1
			GPIO.output(4, led) #(pin,電位高低)
		else:
			led = 0
			GPIO.output(4, led)

電路圖 :

PWM範例 : LED漸亮

程式範例 : led_pwm1.py

Duty Cycle(工作週期,高電位佔用整個波形周期的比例),下圖分別呈現工作週期為 50% 與 25% 時的電位波形。

在控制 LED 燈泡方面，只要記得工作週期越大燈泡就越亮，而工作週期越小時燈泡就越暗。

import time
import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(4, GPIO.OUT)

#GPIO.PWM(GPIO接脚,頻率設定(Hz))
p1 = GPIO.PWM(4, 1000) 
#開始PWM, Duty Cycle(工作週期,表示在一個週期之中,高電位持續時間的比例)為0%
p1.start(0)

while True:
       #dc範圍 : 1~100，步長為5
	for dc in range(1,101,5): 
	       #設定工作週期進而改變LED燈泡的亮度,dc單位為赫茲(Hz)
	       #工作週期寬度:5% →10% → 15%...→ 100%,即可完成漸亮的效果
		p1.ChangeDutyCycle(dc) 
		time.sleep(0.2)

電路圖 :

PWM範例 : LED閃爍頻率慢到快

程式範例 : led_pwm2.py

import time
import RPi.GPIO as GPIO

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(4, GPIO.OUT)

p2 = GPIO.PWM(4, 50) #(GPIO接脚,頻率設定(Hz))
p2.start(50)#開始PWM, Duty Cycle(工作週期,高電位佔用整個波形周期的比例)為50%

while True:
	for dc in range(5,101,5): #dc範圍 : 5~100，步長為5
		p2.ChangeFrequency(dc)#設置新的頻率
		time.sleep(1)

電路圖 :

超音波感測器

超音波模組HC-SR04，算是常見的模組，特別是用在智慧車等專案中，用來測量前方障礙物的距離。

它的運作原理很簡單，模組會送出8個40khz的聲波，如果前方有障礙物，信號就會返回，模組收到信號後，再利用返回的時間，去計算該障礙的距離。

常見的HC-SR04都有4個腳，除了VCC和GND以外，Trig就是發送訊號，Echo就是接收返回的訊號。然後我們就能利用一發一收，去算出中間的距離了。

範例程式 : 測距儀

程式範例 : distance.py

import time, RPi.GPIO as GPIO 

GPIO_TRIGGER = 24 #設定觸發腳位編號名稱，方便未來變更腳位
GPIO_ECHO = 25 #設定迴聲腳位編號名稱
GPIO.setwarnings(False) #關閉警告提示
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #設定trigger為輸出腳位
GPIO.setup(GPIO_TRIGGER, GPIO.OUT) #設定echo為輸入腳位
GPIO.setup(GPIO_ECHO, GPIO.IN)

def measure():
	GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False) #設定觸發腳位為低電位，準備開始觸發
	time.sleep(0.5)
	GPIO.output(GPIO_TRIGGER, True) #設定觸發腳位為高電位，開始觸發
	time.sleep(0.00001)
	GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False) #設定觸發腳位為低電位，停止觸
	start = time.time()
	while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 0: #當echo=0再開始計算時間
		start = time.time()
	while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 1: #當echo=1紀錄收到停止的時間
		stop = time.time()
	elapsed = stop - start #計算echo脈波寬度
	distance = elapsed * 34300 #換算echo實際來回的總距離(cm/s)
	distance = distance / 2 #來回除以2，即為與待測物的距離
	return distance

print("Ultrasonic Measurement")
while 1:
	cm = measure()
	print("Distance : %.1f cm" % cm)

實作結果 :

電路圖 :
使用杜邦線將工作電壓(Vcc)接5V、接地(GND)接GND、觸發(Tig)接GPIO.24、迴聲(Echo)接GPIO.25

範例程式 : 測量平均值距離

程式範例 : ultrasonic_distance_average.py

import time, RPi.GPIO as GPIO

GPIO_TRIGGER = 24
GPIO_ECHO = 25
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(GPIO_TRIGGER, GPIO.OUT) 
GPIO.setup(GPIO_ECHO, GPIO.IN)

def measure():
	GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False)
	time.sleep(0.5)
	GPIO.output(GPIO_TRIGGER, True)
	time.sleep(0.00001)
	GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False)
	start = time.time()
	while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 0:
		start = time.time()
	while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 1:
		stop = time.time()
	elapsed = stop - start
	distance = elapsed * 34300
	distance = distance / 2
	return distance

#求平均三次的測量結果
def measure_average():
	distance1=measure()
	time.sleep(0.1)
	distance2=measure()
	time.sleep(0.1)
	distance3=measure()
	distance = (distance1 + distance2 + distance3) / 3
	return distance

print("Ultrasonic Measurement")
try: #例外處理
	while True:
		cm = measure_average()
		print("Distance : %.1f cm" % cm)
		time.sleep(1) #每隔一秒測試一次平均值
except KeyboardInterrupt: #按Ctrl+C中斷
	GPIO.cleanup() #重置釋放GPIO，然後離開程式，防止下次執行其他程式可能發生仍然在使用中的錯誤

人體紅外線感測器

import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(13, GPIO.IN)#Read output from PIR motion sensor
GPIO.setup(4, GPIO.OUT)#LED output pin
try:
	while True:
		i=GPIO.input(13)
		if i==0:   #When output from motion sensor is LOW
			print ("No intruders", i)
			GPIO.output(4, 0)#Turn OFF LED
			time.sleep(1)
		elif i==1: #When output from motion sensor is HIGH
			print ("Intruder detected",i)
			GPIO.output(4, 1)  #Turn ON LED
			time.sleep(10)
except KeyboardInterrupt:
	print("Bye Bye!")
finally:
	GPIO.cleanup()

電路圖 :

伺服馬達(SERVO)

伺服馬達（Servomotor）是對用於使用伺服機構的馬達（電動機）總稱。
伺服（Servo）一詞來自拉丁文"Servus"，本為奴隸（Slave）之意，此指依照命令動作的意義。
所謂伺服系統，就是依照指示命令動作所構成的控制裝置，應用於馬達的伺服控制，將感測器裝在馬達與控制對象機器上，偵測結果會返回伺服放大器與指令值做比較。

硬體方式

程式範例 : servo_hardware.py

之前透過RPIGPIO的PWM指令，以便讓LED漸亮，PWM是屬於軟體模擬控制，所以不限制特殊腳位編號，缺點是無法精準控制。而本範例特別匯入使用pigpio函式庫模組，PWM是屬於硬體模擬控制，有支援硬體PWM的腳位，分別是BCM編號12、13、18、19的四隻腳位而已，如果PWM使用其他腳位，執行時會出現pigpio.error:GPIO has no hardware PWM 錯誤。

在執行程式碼前，請在樹莓派上下載pigpio套件:

$sudo apt-get install pigpio

並且執行:

$sudo pigpiod

若未下載套件、執行套件.執行程式碼時會有以下的錯誤訊息產生:

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
Can't connect to pigpio at localhost(8888)

Did you start the pigpio daemon? E.g. sudo pigpiod

Did you specify the correct Pi host/port in the environment
variables PIGPIO_ADDR/PIGPIO_PORT?
E.g. export PIGPIO_ADDR=soft, export PIGPIO_PORT=8888

Did you specify the correct Pi host/port in the
pigpio.pi() function? E.g. pigpio.pi('soft', 8888)
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
Traceback (most recent call last):
File "/home/pi/servo_hardware.py", line 14, in <module>
pi.hardware_PWM(PWMPIN, PWM_FREQ, update(90))
File "/usr/lib/python2.7/dist-packages/pigpio.py", line 1964, in hardware_PWM
self.sl, _PI_CMD_HP, gpio, PWMfreq, 4, extents))
File "/usr/lib/python2.7/dist-packages/pigpio.py", line 1006, in _pigpio_command_ext
sl.s.sendall(ext)
AttributeError: 'NoneType' object has no attribute 'sendall'

開始撰寫程式:

import time
import sys #匯入系統模組
import pigpio

PWMPIN = 18 #使用GPIO.18腳位
PWM_FREQ = 50 #PWM頻率設為50
version = sys.version #讀取Python版本 
pi = pigpio.pi() #將pigpio命名為pi

#將角度換算成PWM的工作週期
def update(angle):
    duty_cycle = int(500 * PWM_FREQ + (1900 * PWM_FREQ * angle / 180))
    return (duty_cycle)

#主程式開始
pi.hardware_PWM(PWMPIN, PWM_FREQ, update(90)) #初始值轉到90度的位置
try:
  while True:
    if version[0] == '3': #判斷是否為python3
       text = input('Angle:') #輸入控制的角度
    else:
       text = raw_input('Angle:')
    angle = int(text) #轉換成數值
    if(angle >= 0 and angle <= 180): #如果介於0~180才轉動馬達
      dc = update(angle)
      pi.hardware_PWM(PWMPIN, PWM_FREQ, dc)
except KeyboardInterrupt: #按下Ctrl+C中斷
    pass #不做任何動作
finally: #最後
    pi.set_mode(PWMPIN, pigpio.INPUT) #恢復輸入模式離開 

電路圖 :

實際操作 :

軟體方式

程式範例 : servo_software.py

使用軟體來模擬PWM功能有一些缺點，因為執行PWM軟體模擬功能時，需要CPU不斷地計算時間訂控制波形，造成CPU資源部只要提供PWM軟體使用，還必須同時提供各式各樣的程式使用，所以很容易造成無法即時處理PWM功能，進而影響PWM輸出的波形。
一旦波形不正確，PWM也失去了精確性，造成伺服馬達可能無法定位到正確的角度。使用硬體PWM才可以達到更精準地控制效果，對系統的負擔比較小。

在執行程式碼前，請在樹莓派上下載pigpio套件(載過的可以忽略):

$sudo apt-get install pigpio

並且執行(執行過的可以忽略):

$sudo pigpiod

import pigpio
import time
import sys

PWMPIN = 27 #改接GPIO.27
version = sys.version 
pi = pigpio.pi()

def update(angle):
    duty_cycle = int(angle * 11.1 + 500.0)
    return (duty_cycle)

pi.set_servo_pulsewidth(PWMPIN, update(90)) 
try:
  while True:
    if version[0] == '3':
       text = input('Angle:')
    else:
       text = raw_input('Angle:')
    angle = int(text)
    if(angle >= 0 and angle <= 180):
      dc=update(angle)
      pi.set_servo_pulsewidth(PWMPIN, dc)
except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    pi.set_mode(PWMPIN, pigpio.INPUT)

電路圖 :

DHT11 數位溫溼度感測模組的控制

DHT11數位溫溼度感測模組屬於數位輸入，而非類比輸入。
溫度測量範圍為0-50度，測量誤差±2度，溼度測量範圍為20-95%，測量誤差±5，工作電壓5V。
DHT11可同時監測周圍環境的溫度與濕度的變化，價格低廉，經常使用於物聯網環境溫溼度監測。

顯示溫溼度

程式範例 : dht11.py、dht11_example.py

dht11.py (做為副程式，用來模擬1線通信介面程式)

import time
import RPi


class DHT11Result:
    'DHT11 sensor result returned by DHT11.read() method'

    ERR_NO_ERROR = 0
    ERR_MISSING_DATA = 1
    ERR_CRC = 2

    error_code = ERR_NO_ERROR
    temperature = -1
    humidity = -1

    def __init__(self, error_code, temperature, humidity):
        self.error_code = error_code
        self.temperature = temperature
        self.humidity = humidity

    def is_valid(self):
        return self.error_code == DHT11Result.ERR_NO_ERROR


class DHT11:
    'DHT11 sensor reader class for Raspberry'

    __pin = 0

    def __init__(self, pin):
        self.__pin = pin

    def read(self):
        RPi.GPIO.setup(self.__pin, RPi.GPIO.OUT)

        # send initial high
        self.__send_and_sleep(RPi.GPIO.HIGH, 0.05)

        # pull down to low
        self.__send_and_sleep(RPi.GPIO.LOW, 0.02)

        # change to input using pull up
        RPi.GPIO.setup(self.__pin, RPi.GPIO.IN, RPi.GPIO.PUD_UP)

        # collect data into an array
        data = self.__collect_input()

        # parse lengths of all data pull up periods
        pull_up_lengths = self.__parse_data_pull_up_lengths(data)

        # if bit count mismatch, return error (4 byte data + 1 byte checksum)
        if len(pull_up_lengths) != 40:
            return DHT11Result(DHT11Result.ERR_MISSING_DATA, 0, 0)

        # calculate bits from lengths of the pull up periods
        bits = self.__calculate_bits(pull_up_lengths)

        # we have the bits, calculate bytes
        the_bytes = self.__bits_to_bytes(bits)

        # calculate checksum and check
        checksum = self.__calculate_checksum(the_bytes)
        if the_bytes[4] != checksum:
            return DHT11Result(DHT11Result.ERR_CRC, 0, 0)

        # ok, we have valid data, return it
        return DHT11Result(DHT11Result.ERR_NO_ERROR, the_bytes[2], the_bytes[0])

    def __send_and_sleep(self, output, sleep):
        RPi.GPIO.output(self.__pin, output)
        time.sleep(sleep)

    def __collect_input(self):
        # collect the data while unchanged found
        unchanged_count = 0

        # this is used to determine where is the end of the data
        max_unchanged_count = 100

        last = -1
        data = []
        while True:
            current = RPi.GPIO.input(self.__pin)
            data.append(current)
            if last != current:
                unchanged_count = 0
                last = current
            else:
                unchanged_count += 1
                if unchanged_count > max_unchanged_count:
                    break

        return data

    def __parse_data_pull_up_lengths(self, data):
        STATE_INIT_PULL_DOWN = 1
        STATE_INIT_PULL_UP = 2
        STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN = 3
        STATE_DATA_PULL_UP = 4
        STATE_DATA_PULL_DOWN = 5

        state = STATE_INIT_PULL_DOWN

        lengths = [] # will contain the lengths of data pull up periods
        current_length = 0 # will contain the length of the previous period

        for i in range(len(data)):

            current = data[i]
            current_length += 1

            if state == STATE_INIT_PULL_DOWN:
                if current == RPi.GPIO.LOW:
                    # ok, we got the initial pull down
                    state = STATE_INIT_PULL_UP
                    continue
                else:
                    continue
            if state == STATE_INIT_PULL_UP:
                if current == RPi.GPIO.HIGH:
                    # ok, we got the initial pull up
                    state = STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN
                    continue
                else:
                    continue
            if state == STATE_DATA_FIRST_PULL_DOWN:
                if current == RPi.GPIO.LOW:
                    # we have the initial pull down, the next will be the data pull up
                    state = STATE_DATA_PULL_UP
                    continue
                else:
                    continue
            if state == STATE_DATA_PULL_UP:
                if current == RPi.GPIO.HIGH:
                    # data pulled up, the length of this pull up will determine whether it is 0 or 1
                    current_length = 0
                    state = STATE_DATA_PULL_DOWN
                    continue
                else:
                    continue
            if state == STATE_DATA_PULL_DOWN:
                if current == RPi.GPIO.LOW:
                    # pulled down, we store the length of the previous pull up period
                    lengths.append(current_length)
                    state = STATE_DATA_PULL_UP
                    continue
                else:
                    continue

        return lengths

    def __calculate_bits(self, pull_up_lengths):
        # find shortest and longest period
        shortest_pull_up = 1000
        longest_pull_up = 0

        for i in range(0, len(pull_up_lengths)):
            length = pull_up_lengths[i]
            if length < shortest_pull_up:
                shortest_pull_up = length
            if length > longest_pull_up:
                longest_pull_up = length

        # use the halfway to determine whether the period it is long or short
        halfway = shortest_pull_up + (longest_pull_up - shortest_pull_up) / 2
        bits = []

        for i in range(0, len(pull_up_lengths)):
            bit = False
            if pull_up_lengths[i] > halfway:
                bit = True
            bits.append(bit)

        return bits

    def __bits_to_bytes(self, bits):
        the_bytes = []
        byte = 0

        for i in range(0, len(bits)):
            byte = byte << 1
            if (bits[i]):
                byte = byte | 1
            else:
                byte = byte | 0
            if ((i + 1) % 8 == 0):
                the_bytes.append(byte)
                byte = 0

        return the_bytes

    def __calculate_checksum(self, the_bytes):
        return the_bytes[0] + the_bytes[1] + the_bytes[2] + the_bytes[3] & 255

dht11_example.py (主程式)

#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import RPi.GPIO as GPIO
import dht11 #匯入dht11.py副程式 
import time
import datetime #匯入日期時間模組套件

GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.cleanup()
instance = dht11.DHT11(pin=18) #使用GPIO.18腳位

#主程式開始
try:
	while True:
		result = instance.read() #讀取溫溼度結果
		if result.is_valid(): #如果讀值是有效才顯示
			print("目前監測的時間" + str(datetime.datetime.now())) #顯示目前系統時間
			print("目前溫度: %d 度C" % result.temperature) #顯示溫度
			print("目前濕度: %d %%" % result.humidity) #顯示濕度
		time.sleep(3) #間隔3秒取樣
except KeyboardInterrupt:
	print("Bye Bye!")
finally:
	GPIO.cleanup()

電路圖:

執行主程式:

火焰感測器模組

火焰感測器模組工作電壓 3V 或 5V 均可,利用紅外線對火焰非常敏感的特點,使用特製的紅外線接收管來檢測火焰,然後把火焰的亮度轉化為高低變化的電壓信號,使用打火機測試火焰距離為 80cm 以內,但火焰越大,測試距離越遠,探測角度約 60 度左右,越靠近火焰,AO 讀值越小,DO 則為高電位。一般常用做智慧居家的火焰警報等用途。

程式範例 : fire_sensor.py、AnaloginOutSerial.ino

UART

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是指通用非同步收發傳輸器,只允許兩個裝置直接對接,無法接更多裝置,除非使用 RS-422、RS-485 則可接多個裝置,基本傳送僅需利用 Tx 傳輸與 Rx 接收兩個接腳,跟 SPI 均屬於全雙工通訊,連接方式如下圖,由於速度不是很快,一般而言最高為 115.2Kbps,雖有更高速版本但不太普及,所以不適合用在高速、大量傳輸上。

接著程式範例是利用樹莓派的 UART 傳輸方式,讀取 Arduino 開發板的類比腳位數值。

fire_sensor.py

#!/usr/bin/python3
# -*- coding: utf-8 -*-
import tkinter as tk
import serial # 匯入串列傳輸模組

def update_data(): # 建立資料更新副程式
    response = ser.readline() # 讀取串列傳輸的值
    now = response[:len(response) - 1] # 去掉最後面的換行字元
    label2.configure(text = now) # 顯示類比讀值(0~1023)
    root.after(1, update_data) # 每隔1mS 呼叫update_data副程式
    
ser = serial.Serial("/dev/ttyACM0", 9600) # 設定串列傳輸裝置與傳輸速率
root = tk.Tk()
root.wm_title("Arduino DEMO")
root.geometry("300x80+10+10")
label1 = tk.Label(text="UART", font = ("Times", 18))
label1.pack()
label2 = tk.Label(text="", font = ("Times", 18))
label2.pack()
update_data()
root.mainloop()
ser.close() # 關閉串列傳輸

AnaloginOutSerial.ino

const int analogInPin = A0;
int sensorValue = 0;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  sensorValue = analogRead(analogInPin);
  Serial.println(sensorValue);
  delay(2);
}

• 找到A0腳位，根據感測器的腳位用杜邦線與arduino做連接

• 依序點選「軟體開發→ Arduino IDE」進入編輯環境

• 撰寫完成，編譯並上傳資料

• 打開 Terminal，執行py檔

$python3 /home/pi/fire_sensor.py

• 便會看到GUI畫面，顯示類比讀值 (測試時請小心喔!)

從樹莓派控制 Arduino 輸出信號

利用樹莓派控制 Arduino 的 Pin13 腳位狀態,讓內建 LED 每隔 1 秒閃爍。

程式範例 : led_control.py、ledOnOff.ino

led_control.py

import serial
import time

ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 9600)
prevtime = time.time() # 設定目前時間到pretime變數
tt = '0'
while 1:
    if time.time() - prevtime > 1: # 當間隔超過1秒
        if tt == '0': 
            tt = '1' # 若之前輪出0,就改為輸出1
        else:
            tt = '0' # 若之前輪出1,就改為輸出0
        ser.write(tt.encode())
        #由於使用 time.sleep 會讓 serial 當機,所以需利用 time time技巧做1秒間隔的閃爍 
        prevtime = time.time() # 重新設定目前時間

ledOnOff.ino

// These constants won't change. They're used to give names to the pins used:
const int analogInPin = A0;  // Analog input pin that the potentiometer is attached to
int sensorValue = 0;
const int LedPin=13;
void setup() {
  // initialize serial communications at 9600 bps:
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LedPin,OUTPUT);
  digitalWrite(LedPin,LOW);
}

void loop() {
  // read the analog in value:
  sensorValue = analogRead(analogInPin);
  Serial.println(sensorValue);
  // wait 50 milliseconds before the next loop for the analog-to-digital
  // converter to settle after the last reading:
  delay(50);
  if(Serial.available()>0){
     char comdata=Serial.read();
     if(comdata=='0'){
       digitalWrite(LedPin,LOW);
     }
     if(comdata=='1'){
       digitalWrite(LedPin,HIGH);
     }
  }
}

• 依序點選「軟體開發→ Arduino IDE」進入編輯環境

• 撰寫完成，編譯並上傳資料

• 打開 Terminal，執行py檔

$python /home/pi/led_control.py

• 觀察 Arduino 閃爍變化的速度是否也跟著改變,亮紅燈的LED以及下方左側LED即為對應D13的LED。