在物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算興起的今天，單板計算機(如樹莓派、Jetson Nano等)憑借其低功耗、高集成度的特性，成為開發(fā)者探索硬件編程的理想平臺。而Python憑借其簡潔的語法和豐富的庫支持，成為單板計算機開發(fā)的首選語言。本文將通過三個從入門到進階的實踐項目，帶你快速掌握基于單板計算機的Python開發(fā)技巧。

一、環(huán)境感知小助手：溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

項目背景

在智能家居或農(nóng)業(yè)大棚場景中，實時監(jiān)測環(huán)境溫濕度是基礎(chǔ)需求。本項目使用DHT11溫濕度傳感器與樹莓派，通過Python讀取傳感器數(shù)據(jù)并顯示在LCD屏幕上，同時將數(shù)據(jù)上傳至云端進行可視化分析。

硬件準(zhǔn)備

樹莓派4B(或其他單板計算機)

DHT11溫濕度傳感器

1602 LCD顯示屏(I2C接口)

面包板與杜邦線

代碼實現(xiàn)

# 安裝依賴庫

# sudo apt-get install python3-pip

# pip3 install Adafruit_DHT smbus RPi.GPIO

import Adafruit_DHT

import smbus

import time

from RPi import GPIO

# 初始化DHT11傳感器（GPIO4引腳）

sensor = Adafruit_DHT.DHT11

pin = 4

# 初始化I2C LCD（地址0x27）

bus = smbus.SMBus(1)

LCD_ADDR = 0x27

def read_sensor():

humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(sensor, pin)

if humidity is not None and temperature is not None:

return round(temperature, 1), round(humidity, 1)

return None, None

def display_lcd(temp, hum):

# 實際項目中需根據(jù)LCD驅(qū)動協(xié)議實現(xiàn)顯示邏輯

# 此處簡化為打印到終端

print(f"溫度: {temp}℃ | 濕度: {hum}%")

try:

while True:

temp, hum = read_sensor()

if temp is not None:

display_lcd(temp, hum)

# 實際項目可添加MQTT上傳代碼

# mqtt_publish(temp, hum)

time.sleep(2)

except KeyboardInterrupt:

print("程序終止")

關(guān)鍵點解析

傳感器驅(qū)動：Adafruit_DHT庫封裝了傳感器通信協(xié)議，read_retry方法會自動重試失敗讀取

I2C通信：通過smbus庫與LCD進行字節(jié)級通信，需根據(jù)具體顯示屏型號調(diào)整地址與指令集

異常處理：傳感器可能因接觸不良返回None，需添加判斷避免程序崩潰

擴展功能

添加蜂鳴器報警：當(dāng)溫濕度超出閾值時觸發(fā)

集成MQTT協(xié)議：將數(shù)據(jù)上傳至阿里云/騰訊云IoT平臺

制作Web儀表盤：使用Flask框架搭建本地監(jiān)控頁面

二、智能安防衛(wèi)士：人體感應(yīng)報警器

項目背景

家庭安防場景中，低成本的人體感應(yīng)方案需求旺盛。本項目使用HC-SR501紅外傳感器與樹莓派，檢測到人體移動時觸發(fā)攝像頭拍照，并將照片發(fā)送至郵箱。

硬件準(zhǔn)備

HC-SR501紅外傳感器

USB攝像頭

樹莓派(需安裝picamera庫)

代碼實現(xiàn)

# 安裝依賴庫

# pip3 install picamera yagmail

import RPi.GPIO as GPIO

import time

import picamera

import yagmail

# 初始化GPIO（BCM編號模式）

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

PIR_PIN = 17

GPIO.setup(PIR_PIN, GPIO.IN)

# 郵箱配置（需開啟SMTP服務(wù)）

yag = yagmail.SMTP('your_email@gmail.com', 'your_password')

def capture_image():

with picamera.PiCamera() as camera:

camera.resolution = (640, 480)

timestamp = time.strftime("%Y%m%d-%H%M%S")

filename = f"/home/pi/alert_{timestamp}.jpg"

camera.capture(filename)

return filename

try:

print("等待人體感應(yīng)...（Ctrl+C退出）")

while True:

if GPIO.input(PIR_PIN):

print("檢測到人體移動！")

img_path = capture_image()

# 發(fā)送帶附件的郵件

yag.send('recipient@example.com', '安防警報', '檢測到異常移動！', [img_path])

time.sleep(10) # 防重復(fù)觸發(fā)

except KeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()

print("程序已停止")

關(guān)鍵點解析

傳感器特性：HC-SR501輸出數(shù)字信號，高電平表示檢測到人體，需調(diào)整延時與靈敏度電位器

攝像頭操作：picamera庫專為樹莓派攝像頭設(shè)計，支持分辨率、曝光等參數(shù)調(diào)整

郵件發(fā)送：yagmail庫簡化了SMTP配置，實際使用時需開啟郵箱的"允許不夠安全的應(yīng)用"選項

安全優(yōu)化

添加密碼保護：通過Flask制作Web登錄界面

雙重驗證：結(jié)合門窗傳感器實現(xiàn)多條件觸發(fā)

加密傳輸：使用SSL加密郵件內(nèi)容

三、自動化種植管家：植物澆水系統(tǒng)

項目背景

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)場景中，自動化灌溉可節(jié)約水資源30%以上。本項目使用土壤濕度傳感器與繼電器模塊，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)土壤濕度自動啟停水泵。

硬件準(zhǔn)備

土壤濕度傳感器(模擬輸出型)

5V繼電器模塊

小型水泵

樹莓派

代碼實現(xiàn)

# 安裝依賴庫

# pip3 install RPi.GPIO

import RPi.GPIO as GPIO

import time

# 引腳定義

SOIL_PIN = 0 # 使用ADC芯片時對應(yīng)的通道

RELAY_PIN = 21

THRESHOLD = 300 # 土壤濕度閾值（需根據(jù)實際校準(zhǔn)）

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(RELAY_PIN, GPIO.OUT)

# 模擬讀取土壤濕度（實際項目需連接ADC芯片）

def read_soil_moisture():

# 此處簡化為隨機值模擬，實際應(yīng)讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果

import random

return random.randint(200, 800)

def control_pump(moisture):

if moisture < THRESHOLD:

print("土壤過干，啟動水泵")

GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.HIGH)

else:

print("土壤濕度正常，停止水泵")

GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.LOW)

try:

while True:

moisture = read_soil_moisture()

print(f"當(dāng)前土壤濕度: {moisture}")

control_pump(moisture)

time.sleep(5)

except KeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()

關(guān)鍵點解析

模擬信號處理：土壤傳感器輸出0-3.3V模擬信號，需通過ADS1115等ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量

繼電器控制：樹莓派GPIO輸出電流較小，需通過繼電器驅(qū)動水泵等大功率設(shè)備

PID控制(進階)：可引入PID算法實現(xiàn)更精準(zhǔn)的濕度控制，避免水泵頻繁啟停

硬件連接圖

1土壤傳感器 → ADC芯片 → 樹莓派GPIO → 繼電器 → 水泵

開發(fā)建議

虛擬環(huán)境管理：使用venv創(chuàng)建隔離的Python環(huán)境，避免庫版本沖突

日志記錄：添加logging模塊記錄系統(tǒng)運行狀態(tài)，便于故障排查

遠(yuǎn)程調(diào)試：通過SSH或VNC連接樹莓派，實現(xiàn)無線開發(fā)

性能優(yōu)化：對于實時性要求高的項目，可考慮使用Cython加速關(guān)鍵代碼

從溫濕度監(jiān)測到智能安防，再到自動化種植，這三個項目覆蓋了單板計算機Python開發(fā)的典型場景。通過實踐這些案例，你將掌握GPIO控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信等核心技能，為開發(fā)更復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，不妨選擇一個項目開始動手實踐吧!