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物联网专业教学中树莓派的应用

2021-08-06 49 上传者：管理员

摘要：随着物联网技术的飞速发展，市场上对物联网专业人才的需求日益增大，很多高校都开设了物联网工程及应用专业。然而在实施物联网技术教学实验环境过程中，会存在一些困难。物联网实践教学是整个物联网专业培养体系的关键。本文结合树莓派、传感器和Python等技术，探索适合学生特点的物联网实验教学环境，以提高学生对物联网的应用能力，夯实基础，增强实践与应用能力，培养厚基础、宽口径、强能力的综合性人才。

关键词：
python
传感器
感知层
树莓派
物联网
计算机教学
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1、引言

树莓派（RaspberryPi）是一款基于Linux的单片机电脑。它由英国的树莓派基金会研发，目的是以可负担的价格和自由的软件促进学校的基础计算机教学。树莓派的初衷是为了用更低的价格让所有学校普及计算机基础教育。但由于其作为信号处理器强大的性能和较低的价格，被广泛地应用到物联网的设计中。在物联网教学的应用中，树莓派的优势可分为两个方面：硬件方面和软件方面[1]。

硬件设备是基础。硬件作为物联网系统中重要的一部分，近年来得到了迅速发展。作为“开源硬件”的树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，强大的处理器性能使得它具有很强的数据处理能力，能够很流畅地执行多线程任务，满足用户的多种需求。同时拥有多种多样的接口，具备所有PC的基本功能，且价格便宜，因此能够胜任物联网硬件平台这一任务。

从软件的支持上，树莓派基金会提供了基于ARM的Debian和ArchLinux的发行版供大众下载。到目前为止，树莓派社区中发布的操作系统版本多达几十种，包括WindowsIoT、UbuntuMate、Fedora等。作为其官方默认推荐的操作系统Raspbian则是开源Linux操作系统的发行版Debian的分支。其中包括对Python、C、Java等语言的支持，为后续的物联网软件开发提供了便利。

2、物联网教学讨论

2.1 物联网架构

物联网的架构可以分为感知层、网络层、平台层和应用层，各有各的功能[2]，具体如表1所示。对于一个物联网来说，感知层经常用来指感知类智能设备或装置。这类装置能够通过传感器来感知各种环境参数，数据经过自身所携带的处理器处理后存储在设备里，并可随时向外界传输。网络层就是将存储在感知类智能设备内的数据，通过固定网络或无线网络方式，传输到设备管理平台层。当采集的数据（数字、声音、图像、视频等）通过网络层集中传输到达设备管理平台层时，设备管理平台层开始发挥存储、处理和管理这些数据的作用。

2.2 物联网感知处理

感知层是位于物联网四层结构中的最底层，也是最为重要的核心结构，是信息采集的关键部分，用于解决人类世界和物理世界的数据获取问题。感知层由感应器件（如各类传感器、RFID标签和读写器、GPS、摄像头、二维码标签和识读器等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（如传感器网络、RFID网络等）两大部分组成。该层的核心技术包括新兴传感技术、射频识别技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS）等，涉及的核心产品包括传感器、传感器节点、电子标签、无线路由器、无线网关等[3]。

3、树莓派感知层处理器

3.1 感知层传感器

此次设计中，感知层是由放置在各个位置的控制器（树莓派）和传感器组成，通过网络层的Wi-Fi、有线连接、蜂窝数据连接，将数据通过特定信道发送到物联网平台进行处理和展示。台式机、笔记本电脑、手持移动设备可以通过互联网访问处理后的实时与历史数据。

感知层传感器有：DHT11数字温湿度传感器、PPD42NS粉尘传感器、COZIR二氧化碳传感器、MQ131臭氧传感器、噪声传感器、模数转换器。

3.2 基于面包板的电路架构

3.2.1 面包板的作用

面包板是一块长方形的塑料板，表面有很多孔洞，这些孔洞被导线以图的方式连接。

面包板的最上面部分有一条水平蓝线和一条水平红线，对应蓝线的孔洞全部被导线相连，对应红线的孔洞也全部被导线相连。红线所代表的孔洞用来给外部设备提供电源，蓝线所代表的孔洞用来给外部设备接地。最下面部分的蓝线和红线的意义与最上面部分的蓝线和红线的意义相同。每五个垂直的孔洞被导线相连，可以用来连接各种硬件。需要指出的是，被导线相连的孔洞都是等价的，连接线插入任何相连的孔洞的效果都一样。

使用面包板的好处是可以带来非常大的便利。按照设计完成电路连接后，还可以非常方便地按需要修改设计来完善项目原型。

3.2.2 GPIO引脚

GPIO是通用型输入输出引脚，可以连接信号处理器和外部的电子元器件，如LED信号灯或其他传感器。GPIO引脚可以用来接收来自电子元器件的信息，也可以发送信息给外部的电子元器件。这样，信号处理器就可以和世界互动互联。

3.3 基于Python的信息采集编程

树莓派的Raspbian系统提供了一个非常友善的Python3的集成开发环境，可以在这个软件里编写、调试、修改程序。

4、基于树莓派的应用实例

4.1 入侵者警报设计

入侵者警报项目运用红外线传感器（PIRmotionsensor），红外线传感器在它的视角范围内测量物体释放的红外线。当物体移动时，物体释放的红外线的分布就会变化，此时红外线传感器就能捕捉到这种变化。对运动的物体进行探测，当探测到移动物体时，系统通过电子邮件向用户发出警报。

红外线传感器如图1所示有三个引脚，两侧的引脚分别为电源引脚（VCC）和接地引脚（GND），中间的输出引脚（OUT）用来传递数据。当数据传输引脚状态为HIGH时，表示探测到移动，当数据传输引脚为LOW时，表示没有探测到移动物体。

红外线传感器的接地引脚通过导线和面包板的蓝色接地插口连接，电源引脚连接到树莓派4号引脚，中间的数据引脚连接到树莓派的7号引脚。

按钮的一个引脚连接到蓝色接地插口，另一个引脚连接到树莓派3号引脚。

绿色的LED灯的正引脚通过一个330欧姆的电阻连接到树莓派的12号引脚，另一个引脚和面包板上的蓝色接地插口连接。