一、樹莓派與Python語言編程

樹莓派是一塊僅為信用卡般大小的微型電腦，可用于嵌入式開發和計算機編程，目前在中小學創客教育活動領域有著極為廣泛的應用。借助于擴展板及“積木”編程（比如古德微機器人網站），中小學生就可以比較輕松地使用樹莓派開發出例如超聲波測距、定時鬧鐘、聲控樓道燈、倒車提醒器等具有實際應用價值的“產品”，甚至還有智能語音輸出、文字識別等更為高端的人工智能方面的應用（與百度AI關聯）。作為樹莓派的編程“黃金搭檔”，Python語言是目前正在廣泛使用的通用高級編程語言，它主要是為了強調代碼可讀性而開發的，語法允許使用更少的代碼行來表達概念；配合使用豐富的通用型傳感器和功能強大的語言“庫”模塊，使用Python語言編程進行創客實驗已經成為樹莓派最為強勢的應用之一（如圖1所示）。

圖1

二、簡易紅綠燈實驗的預備知識

1.實驗的預期效果三只并列排布的LED燈依次閃亮——先是綠燈亮10秒，熄滅；接著是黃燈持續閃爍三次，每次1秒；然后是紅燈亮10秒，熄滅，再綠燈亮10秒……反復循環這一過程，這是生活中最為常見的十字路口一組紅綠燈中的雛形。

2.實驗器材樹莓派（帶電源線）主板一塊、紅黃綠LED燈各一只、六根母對母杜邦線，一臺聯網電腦（或直接給樹莓派接上顯示器、鼠標和鍵盤）。

3.樹莓派的40Pin引腳樹莓派主板一側有兩排引腳，共40Pin（物理引腳BOARD編碼是從1依次到40）。在樹莓派的命令行窗口（通過遠程桌面連接）中輸入“gpioreadall”命令，可顯示出所有的引腳編號及功能對應關系（如圖2所示）。

圖2

通常情況下，Python語言編程庫都是使用BCM編碼（WiringPi編碼一般應用于C++等編程平臺），這種編碼依據是BCM2835芯片的GPIO寄存器編號。如果按照功能來分類，除了8個GND（接地）端、3.3V和5V的電源正極各兩個之外，最為主要的部分就是17個可編程的GPIO（GeneralPurposeInput/Output：“通用型輸入輸出接口”），其BCM編碼分別是0-7、21-29兩組（物理引腳位置并非連續分布），可以用來驅動傳感器、舵機等各種外設。使用樹莓派GPIO引腳與外設連接時必須要仔細，在確定好待用的BCM編碼號后再與物理引腳一一對應。本次實驗所使用的紅、黃、綠三只LED燈的長引腳（正極）BCM編碼分別設置為5、6和13，所對應的物理引腳BOARD編碼是29、31和33，分別用母對母杜邦線連接好；短引腳（負極）同樣使用杜邦線與三個GND連接，比如物理引腳BOARD編碼為25、30和39（如圖3所示）。

圖3

三、在樹莓派中使用Python編程實現對LED燈的控制

1.測試控制一只紅色LED燈的亮與滅連接好實驗設備后給樹莓派通電開機，稍后在聯網電腦的遠程桌面連接中進入命令行模式（出現“pi@raspberrypi：~$”提示符），輸入“python”后回車進入Python界面（命令提示符變為“》》》”）；接著再輸入“importRPi.GPIOasGPIO”命令，作用是以GPIO為名導入RPi.GPIO庫，無錯誤提示的話就代表Python已經成功加載了RPi.GHIO庫（出現錯誤提示就必須按照提示進行更新或安裝）；值得一提的是，RPi.GPIO本身是Python的一個庫模塊，樹莓派官方系統默認已經安裝，共作用就是允許用戶從代碼中控制各GPIO引腳。接著，輸入“GPIO.setmode（GPIO.BCM）”命令，意思是“通知”Python準備使用樹莓派的BCM編碼模式來對各引腳進行控制。由于紅色LED燈正極是接在BCM編碼5號上，因此在使用Python編程控制時就必須通過數字“5”來控制（而不是其對應的物理引腳BOARD編碼25）。輸入命令“GPIO.setup（5，GPIO.OUT）”，意思是設置5號GPIO為輸出端（GPIO.OUT）；接著輸入“GPIO.output（5，GPIO.HIGH）”命令，設置5號GPIO輸出高電平（GPIO.HIGH）。此時回車執行該命令后，樹莓派上的紅色LED燈就會瞬間被“點亮”（如圖4所示）。

圖4

發光測試成功后，接著再發一條“GPIO.output（5，GPIO.LOW）”命令，設置5號GPIO輸出低電平（GPIO.LOW）；回車，紅色LED燈熄滅，測試工作完成。2.編寫完整的Python程序在聯網電腦的Windows系統中使用PyCharm程序編輯器來編寫TrafficLED.py（或者可以直接遠程進入樹莓派系統中調用“編程”-“ThonnyPythonIDE”來編寫），程序的主體內容就是控制三個LED燈依次點亮和熄滅（如圖5），以綠燈亮10秒為例，其命令語句為：GPIO.output（13，GPIO.HIGH）time.sleep（10.0）GPIO.output（13，GPIO.LOW）值得注意的地方：一是程序的最開始語句“#！/usr/bin/python3”的作用是指定由哪個Python解釋器來執行腳本，因為有的操作系統同時安裝了Python2和Python3（二者并不兼容）；二是需要通過“importtime”命令來導入時間庫，因為程序中使用了sleep語句來控制燈亮、滅的持續時間，其中的數值參數單位為秒；三是程序的主體需要一直循環，可使用語句“while1：”（條件永遠為真）；四是分別設置print語句用來顯示提示當前LED燈的狀態，比如“黃燈閃3s”。所有命令語句均輸入完成后，將其保存為Python文件TrafficLED.py（如圖5所示），并通過遠程桌面復制粘貼到樹莓派的用戶目錄中（/home/pi/）。

圖53.調試運行Python程序，控制LED燈實現紅綠燈效果在遠程桌面窗口中雙擊從Windows中傳遞過來的TrafficLED.py程序文件，調用樹莓派中已經安裝的ThonnyPythonIDE來打開；接著點擊上方的“Run”按鈕，程序就開始運行：IDE窗口下方的Shell區域先是顯示“綠燈亮10s”的提示，此時連接在樹莓派上的綠色LED燈開始發光；10秒鐘后，提示信息變為“黃燈閃3s”，綠色LED燈熄滅，黃色LED燈閃爍3秒；之后，提示信息變為“紅燈亮10s”，綠色和黃色LED燈都為熄滅狀態，紅色LED燈發光（如圖6所示）；10秒之后，提示信息變為“本輪結束，進行下一輪”、“綠燈亮10s”，綠色LED燈又會再次亮起……

圖6
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