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RaspberryPi-Learning

项目介绍

这个项目旨在展示如何在树莓派（Raspberry Pi）上进行各种人工智能和嵌入式系统的学习和实践。以下是项目中包含的各种示例和演示：

序号 名称 进度
1 串口自发自收 已完成
2 串口间通信 已完成
3 模拟单片机-树莓派通信 已完成
4 脚本发送邮件 已完成
5 录波文件解析与构建 已完成
6 开机自启动 已完成
7 模拟单片机-树莓派通信v2 已完成
8 通信冗余设计 已完成
9 多进程通信 已完成
10 树莓派看门狗 已完成
11 树莓派开启串口 已完成
12 树莓派固定IP 已完成
13 Python文件转化为Share Object文件 已完成
14 树莓派系统压备份(镜像文件) 已完成

01-串口自发自收

案例介绍

本案例展示如何使用树莓派通过串口实现数据的自发送和自接收。这对于测试和验证树莓派串口功能非常有用，尤其是在开发需要串口通信的应用时。

功能特点

  • 自发自收测试：通过树莓派的串口发送数据，并通过同一串口接收，验证串口的发送和接收功能。
  • 速度显示：计算并显示数据传输的速度，包括bps、kbps和Mbps。
  • 实时数据处理：接收到的数据会实时显示，包括数据长度和接收时间。

环境要求

  • 树莓派 4B
  • Raspbian OS
  • Python 3.9.2
  • PySerial 库

硬件连接

请确保树莓派的TXD和RXD引脚正确连接，以便实现自发自收。下图展示了GPIO引脚的示意图：

树莓派GPIO到串口设备映射表

  • UART0： GPIO14 = TXD0 -> ttyAMA0 GPIO15 = RXD0 -> ttyAMA0
  • UART1： ttyS0
  • UART2： GPIO0 = TXD2 -> ttyAMA1 GPIO1 = RXD2 -> ttyAMA1
  • UART3： GPIO4 = TXD3 -> ttyAMA2 GPIO5 = RXD3 -> ttyAMA2
  • UART4： GPIO8 = TXD4 -> ttyAMA3 GPIO9 = RXD4 -> ttyAMA3
  • UART5： GPIO12 = TXD5 -> ttyAMA4 GPIO13 = RXD5 -> ttyAMA4

树莓派串口测试结果

树莓派信息 分类 黑壳Pi 220120E 211128E
UART0 TX Normal Normal Normal
UART0 RX Normal Error Normal
UART2 TX Normal Normal Normal
UART2 RX Normal Normal Normal
UART3 TX Normal Normal Normal
UART3 RX Normal Error Normal
UART4 TX Error Normal Normal
UART4 RX Error Error Normal
UART5 TX Error Normal Normal
UART5 RX Error Error Normal

使用说明(在Demo-1目录中的终端执行)

python Serial-self-send-self-receive.py

02-串口间通信

案例介绍

本案例展示如何使用树莓派通过不同串口实现数据的发送和接收。

功能特点

  • 设备间直接通信：展示了如何设置树莓派串口，实现两台设备之间的直接数据传输。
  • 数据传输与反馈：发送端将数据包发送至接收端，接收端收到数据后，能够对接收到的数据进行处理并反馈。
  • 通信性能测量：通过计算数据传输的速度（kbps），可以评估串口通信的性能。

环境要求

  • 至少两台树莓派 4B 或一台树莓派支持多个串口通信。
  • Raspbian OS
  • Python 3.9.2
  • PySerial 库

硬件连接

进行串口间通信时，确保将发送端的TX（发送）引脚连接到接收端的RX（接收）引脚，反之亦然。同时，两台设备的GND（地）引脚也需要连接。这样的硬件连接确保了数据能够正确从一个设备传输到另一个设备。

注意事项

  • 在连接硬件之前，请确保所有设备都已关闭电源，以避免损坏。
  • 根据实际的设备和需求，可能需要调整脚本中的串口配置参数，如波特率和串口设备文件。
  • 在进行长时间的通信测试时，监控设备温度和电源状况，确保设备运行在安全的环境中。

使用说明(在Demo-2目录中的终端执行)

python Serial-between-UART.py

03-模拟单片机-树莓派通信

案例介绍

本案例通过模拟单片机（MCU）与树莓派（RPI）之间的串口通信，展示了如何在不同硬件平台间进行数据的发送与接收。案例中的MCU部分负责定时发送数据包，而RPI部分则接收这些数据包并进行处理。

功能特点

  • 双向通信：展示了MCU与RPI之间如何通过串口进行双向数据传输。
  • 数据处理与显示：RPI接收到数据后，对数据进行处理并显示相关信息，如数据长度、传输速度及接收时间。
  • 模拟数据发送：MCU部分通过定时器模拟数据的生成与发送，展现了在实际应用中可能的数据交互场景。

环境要求

-树莓派 4B 或其他版本，作为接收端使用。 -任意支持串口通信的单片机或开发板，作为发送端模拟。 -Raspbian OS -Python 3.9.2 -PySerial库，用于在Python中实现串口通信

硬件连接

  1. 将MCU的TX（发送）引脚连接到RPI的RX（接收）引脚。
  2. 将MCU的RX（接收）引脚连接到RPI的TX（发送）引脚。
  3. 确保MCU与RPI的GND（地）引脚相连，以共享公共电位。

使用说明

  • 在MCU端，运行模拟数据发送脚本。
python Simulation-mcu.py
  • 在RPI端，启动数据接收脚本。
python Simulation-rpi.py
  • 观察RPI端接收到的数据，并通过日志或终端输出验证通信是否成功。

注意事项

  • 在这个demo中，两台树莓派分别模拟MCU和RPI端。一台运行发送数据的脚本，另一台运行接收数据的脚本。
  • 需要确保两台树莓派之间通过串口线（TX到RX，RX到TX，GND到GND）正确连接。虽然代码示例中使用了ttyAMA0，但实际使用的端口应根据你的硬件连接和配置进行选择。务必确保选用的端口的TXD和RXD引脚已正确连接并可以使用。

04-脚本发送邮件

案例介绍

通过Python脚本向指定邮箱发送指定内容的邮件

使用说明

在Demo-4目录中的终端执行以下命令：

python send_email.py

05-录波文件解析与构建

案例介绍

本案例涉及到录波文件的解析与构建。通过comtrade_generate.py脚本，用户可以生成COMTRADE格式的录波文件，模拟实际电力系统中的电压和电流波形。comtrade_parse.py脚本则用于读取和解析这些录波文件，以便进一步分析

使用说明

  • 解析录波文件： 首先确保已经通过comtrade_generate.py生成了录波文件。然后，在comtrade_parse.py中指定录波文件的路径，该脚本将解析录波文件，并提供有关其内容的信息。
recordings=r'./output_comtrade/single_channel'
comtrade_reader = read_comtrade(recordings)
print(dir(comtrade_reader))
  • 构建录波文件：使用comtrade_generate.py脚本，用户可以定义电压和电流信号的参数（例如频率、幅度等），以及采样率等信息，生成COMTRADE格式的录波文件。这些文件可以用于测试或教学目的。

06-开机自启动

案例介绍

本案例演示如何在树莓派开机时自动启动Python脚本或服务。这在需要树莓派进行自动化操作，如环境监测、数据采集或远程控制时非常有用。

功能特点

  • 自动服务配置：通过 setup_service.py，轻松设置服务在树莓派开机时自动运行。
  • 邮件通知：利用 email_sender.py 实现开机时自动发送电子邮件，用于系统状态通知或报告。

环境要求

  • 树莓派4B或其他型号
  • Raspbian OS或其他兼容Linux操作系统
  • Python 3.9.2或以上版本
  • 有效的网络连接以发送电子邮件

配置步骤

  1. 根据需要配置 email_sender.py，包括设置收件人地址和邮件内容。
  2. 执行 setup_service.py 创建并启动新的系统服务，以实现开机自启动。
python setup_service.py

注意事项

  • 在运行 setup_service.py 前，请确保具备相应的系统权限。
  • 对于 email_sender.py 脚本，需提供SMTP服务器的详细配置信息。
  • 配置服务后，重启树莓派验证开机自启动功能是否正常工作。

07-模拟单片机-树莓派通信v2

案例介绍

本案例是模拟单片机与树莓派间通信的进阶版本，通过更加复杂的示例演示了串口通信、数据处理和记录的自动化。案例包含从基础的串口通信到高级的数据记录和分析等多个方面。

功能特点

  • 高级串口通信：演示了树莓派和单片机之间的高级通信策略，包括错误处理和数据流控制。
  • COMTRADE录波文件生成与解析：通过自动生成和解析COMTRADE格式的文件，模拟电力系统中的电压和电流波形，便于分析和教学。
  • 数据处理与记录：介绍了如何使用Python脚本处理接收到的数据，并记录在日志文件中，以便后续分析。

环境要求

  • 树莓派 4B 或其他型号
  • Raspbian OS 或其他兼容的操作系统
  • Python 3.9.2 或更高版本
  • PySerial 库，用于串口通信
  • 其他依赖库，具体参见各脚本的导入部分

硬件连接

  • 确保树莓派的TX和RX引脚与模拟单片机相连，以实现串口通信。
  • 根据需要连接其他相关硬件，如电源和网络连接。

使用说明

  • MCU端：运行 Simulation-mcu.py 脚本模拟数据发送。
  • RPI端：运行 Simulation-rpi.py 或 Simulation-rpi-v7.0.py 脚本接收和处理数据。
  • 数据记录：使用 comtrade_generate.py 和 comtrade_parse.py 脚本进行COMTRADE文件的生成和解析。

注意事项

  • 请根据实际硬件配置调整串口连接设置。
  • 确保所有依赖库都已安装。
  • 在进行硬件连接之前，务必断电以避免损坏设备。

08-通信冗余设计

案例介绍

本案例基于Demo-7代码的基础上，进一步考虑实际应用场景中可能会出现的通信问题，并增加冗余设计。通过对报文解析逻辑的优化，提高系统对于数据传输错误、数据丢失或损坏的鲁棒性，确保数据通信的可靠性和稳定性。 在单片机发给树莓派的报文中增加了校验位，为不计溢出的校验位，长度为1位字节。

原始报文解析逻辑

  1. 初始化和配置串口通信：设置串口通信的基本参数，如端口名称、波特率，以及必要的超时设置。初始化时，尝试打开串口并清空输入缓冲区，以准备数据接收。
  2. 定义报文格式：明确报文的开始和结束标志（头部和尾部），以及预期的数据段长度。这些参数对于后续的报文识别和提取至关重要。
  3. 持续监听和数据缓冲：在一个后台线程中持续读取串口数据，将接收到的数据累积到动态缓冲区中。这一过程确保了即使数据分多次到达，也能被完整地收集和处理。
  4. 报文识别和提取：循环检查缓冲区数据，寻找定义好的报文头部。一旦找到头部，根据预设的数据长度和尾部标志来确定报文的完整性。如果确认报文完整，则从缓冲区中提取出报文数据进行进一步处理。
  5. 数据处理：对每个提取的报文计算接收时间间隔，并记录相关信息，如数据长度和处理时间。这些信息对于监控通信性能和诊断问题非常有用。

冗余设计分析

  1. 多报文处理：为了确保在一次读取操作中接收到的所有报文都能得到正确处理，实施循环检测和处理机制至关重要。该策略通过持续监测输入缓冲区，识别和处理每一个到达的报文，确保数据的完整性和准确性，避免因漏读报文而导致的信息丢失或错误。
  2. 通信异常场景：在MCU与树莓派的通信过程中，报文丢失是一个常见的问题，特别是在通信中断恢复之后。报文丢失的情况多样，包括：
  • 单一报文头丢失：影响报文的识别和处理。
  • 单一数据点丢失：可能导致接收到的信息不完整或误解。
  • 单一报文尾丢失：可能会导致报文解析错误，影响后续报文的处理。
  • 报文头和部分数据丢失：同时影响报文的识别和内容的完整性。
  • 部分数据和报文尾丢失：影响报文完整性和正确解析尾部信息。
  • 报文头和报文尾丢失：整个报文的开始和结束都无法识别，造成严重的数据接收问题。
  1. 故障记录与分析：系统设计中必须包括故障记录与分析机制，以便于后续的问题诊断和系统优化。通过详细记录通信中断及恢复的事件，包括故障发生的时间、持续时长、恢复尝试次数等信息，可以为系统的持续改进提供宝贵的数据支持。这些记录不仅帮助技术团队快速定位问题原因，还能促进对系统薄弱环节的认识，从而采取有效措施防止未来的故障发生。

内部程序执行问题

  1. 内部程序执行问题：对于内部程序执行过程中可能出现的问题，如程序死锁、资源竞争、异常崩溃等，需要通过代码优化、多线程管理和异常捕获机制来确保程序的稳定运行。此外，实施定期的代码审查和性能测试，可以帮助识别潜在的风险点，并在问题发生前预防或修复，从而提高系统的整体稳定性和可靠性。

09-多进程通信

案例介绍

本案例演示了如何在树莓派上实现多进程通信，特别是在涉及实时数据采集、数据处理、故障检测和告警通知的应用场景中。通过四个独立的进程，模拟了一个完整的数据流和处理流程，从数据的实时采集到最终的告警通知。

功能特点

  • 实时数据采集：通过串口从单片机实时采集数据。
  • 数据处理与算法启动：根据采集到的数据判断是否启动特定算法。
  • 故障选段：对数据应用选段算法，确定故障区段。
  • 告警通信：当检测到故障时，通过特定的通道发送告警信息。
  • 心跳包交互：通过独立的线程在告警进程中实现心跳包发送，以监控进程健康状态。

环境要求

  • 树莓派4B或其他型号。
  • Raspbian OS或其他兼容的操作系统。
  • Python 3.7或更高版本。
  • 必要的Python库，如multiprocessing和queue。

实现策略

  • 使用multiprocessing模块创建进程，并通过Queue实现进程间的通信。
  • 在告警进程中，使用threading模块创建一个心跳包发送线程，以定期向监控系统或日志记录心跳信息。
  • 每个进程都专注于一个特定的任务，确保了程序的模块化和易于维护。

使用说明

  1. 初始化和启动进程：在项目的主脚本中，初始化所有必要的队列和事件，然后创建并启动每个进程。
  2. 数据采集与处理：数据采集进程负责从硬件接口（如串口）实时读取数据，并将其发送到处理队列中。处理进程监听队列，接收并处理数据，根据逻辑判断是否将数据传递给下一个进程。
  3. 故障检测与告警：当选段进程检测到故障时，它会将故障信息发送到告警队列。告警进程负责从队列中读取这些信息并执行告警动作，同时通过心跳线程向外部系统或日志记录其运行状态。

注意事项

  • 在实际部署前，请确保树莓派的硬件接口（如串口）已正确配置，并且与单片机等外部设备的连接正确无误。
  • 根据应用场景的需求调整每个进程的具体实现逻辑。
  • 确保心跳线程的间隔适当，以避免过多的网络流量或日志记录。 通过这种设计，该案例不仅展示了多进程通信的实现方式，还通过心跳包机制增加了系统的健壮性和可监控性，适用于需要高可靠性和实时性的嵌入式系统和物联网应用。

10-看门狗配置

手动执行一些步骤来测试和观察看门狗功能

  1. 检查看门狗硬件是否启用

首先，检查/boot/config.txt文件，确保看门狗硬件已经启用。

grep 'dtparam=watchdog=on' /boot/config.txt

如果这条命令没有返回任何内容，你需要编辑/boot/config.txt文件，并添加下面这行

dtparam=watchdog=on

然后重启树莓派：

sudo reboot
  1. 安装看门狗服务（如果尚未安装）
sudo apt-get update
sudo apt-get install watchdog
  1. 配置看门狗
    编辑/etc/watchdog.conf文件，设置你想要的配置。例如，你可以设置：
watchdog-device = /dev/watchdog
max-load-1 = 24

使用你喜欢的文本编辑器编辑这个文件，如nano：

sudo nano /etc/watchdog.conf
  1. 启用并启动看门狗服务
sudo systemctl enable watchdog
sudo systemctl start watchdog
  1. 检查看门狗服务状态
    确认看门狗服务已经启动并且处于活动状态。
sudo systemctl status watchdog
  1. 手动增加系统负载
    你可以通过执行资源密集型任务来增加系统负载，例如：
yes > /dev/null &

这个命令会在后台运行，并尽可能快地输出到/dev/null，从而增加CPU负载。根据你的系统，你可能需要运行多个这样的命令来显著增加负载 7. 监控系统负载
你可以使用top或htop（如果安装了的话）来监控系统负载。

top

或者

htop
  1. 检查是否触发重启 根据你的/etc/watchdog.conf配置，如果系统负载超过了设置的阈值，看门狗应该会在一定时间后重启系统。确保你已经保存所有重要工作，因为当看门狗触发时，系统将会立即重启。

11-树莓派串口开启

案例介绍

本案例用于开启树莓派串口。默认情况下UART2~UART5禁用，使用本案例将所有串口开启。

设备名称映射：

  • UART0: /dev/ttyAMA0
  • UART2: /dev/ttyAMA1
  • UART3: /dev/ttyAMA2
  • UART4: /dev/ttyAMA3
  • UART5: /dev/ttyAMA4

使用说明

  • 本案例需要使用终端命令来授权运行，具体操作如下，在终端输入命令：
cd Desktop （进入代码所在文件夹，以防找不到代码，此处Desktop为举例文件夹名）
sudo python3 main.py
  • 然后等待树莓派重启使操作生效
  • 可以在终端输入命令查看串口是否开启：ls /dev/ttyAMA*
  • 结果应显示如下：/dev/ttyAMA0 /dev/ttyAMA1 /dev/ttyAMA2 /dev/ttyAMA3 /dev/ttyAMA4

12-树莓派固定IP

案例介绍

本案例用于设置树莓派的固定IP，将固定IP设置为110.110.110.110。(192.168.3.130)

配置流程

  • 首先在网线连接下查看自己局域网的IP网段，树莓派终端上运行指令：ifconfig，如下图所示：
  • 然后修改网络配置文件/dhcpcd.conf：

1- 树莓派终端上运行指令：

sudo nano /etc/dhcpcd.conf

2- 找到#interface eth0，在其注释下方，填写相关信息如下图所示。其中需要将IP地址和routers分别修改为110.110.110.110/24 与 110.110.110.1。 添加内容为：

interface eth0
static ip_address=110.110.110.110/24
static routers=110.110.110.1
static domain_name_servers=223.5.5.5

or

interface eth0
static ip_address=192.168.3.130/24
static routers=192.168.3.1
static domain_name_servers=223.5.5.5

3- 填写IP信息完成后保存并重启树莓派：

  • 完成后检查是否设置成功：

1- 物理连接：将树莓派通过网线直接连接笔记本电脑，若笔记本电脑已经使用有线方式连接互联网，占用了网口，则需要使用usb网口转换器拓展笔记本网口。若笔记本连接的是无线网，则直接连接即可。
2- PC端：网络设置：打开网络适配器设置，此时我们可以看到已经连接互联网的网络和与树莓派连接的网络，如下图所示。

① 右键点击“未识别的网络”，选择右键菜单中的属性栏：
② 在以太网属性窗口选择“Internet协议版本4（TCP/IPv4）”
③ 选中“Internet协议版本4（TCP/IPv4）”，属性按钮被激活，选中；
操作如下图所示。

④ 在Internet协议版本4（TCP/IPv4）属性窗口中选中“使用下面的IP地址” ⑤ IP地址和子网掩码分别填写：110.110.110.1和255.255.255.0 ⑥ 完成操作4和5后，点击确认； 操作如下图所示。

3、 PC端：远程桌面连接：
① 登入远程桌面连接；
② 填写信息如下图所示；

③ 若初次连接，会出现确认安全菜单，全部选择确认，然后再次输入账号密码即可登入；非初次连接，会出现账户密码输入选项，如下图所示，输入默认密码（pi），输入完成后即可登入。

④ 点击确认后，出现远程连接桌面，如下图所示。至此，树莓派网线直连操作已完成。

13-Python文件转化为Share Object文件

案例介绍

这个工具提供了一种简便的方式来编译Python文件为C扩展，并将生成的文件移动到指定的输出目录

功能

  • 编译Python文件：使用Cython将单个Python文件编译为C扩展（.so或.pyd文件，取决于操作系统）。
  • 自动移动：将编译生成的C扩展自动移动到指定的输出目录。
  • 清理临时文件：在编译和移动操作完成后，自动清理临时生成的文件和目录，包括Cython生成的.c文件和build目录

使用方法

  1. 安装依赖：确保你的环境中安装了Cython和setuptools。如果还未安装，可以使用以下命令安装：
pip install Cython setuptools

  1. 编写Python脚本：创建一个Python脚本并导入compile_and_move_extension函数。指定你想要编译的Python文件路径、目标输出目录以及生成文件的扩展名。

  2. 执行脚本：运行你的Python脚本来编译并移动生成的C扩展。

示例代码：

from utils_deploy.compile_and_deploy import compile_and_move_extension
if __name__ == "__main__":
    python_file = "path/to/your/python_file.py"
    output_dir = "path/to/your/output_directory"
    compile_and_move_extension(python_file, output_dir)

确保替换path/to/your/python_file.py和path/to/your/output_directory为你自己的路径。

注意事项

  • 生成的文件扩展名（.so或.pyd）取决于你的操作系统。默认情况下，Windows上为.pyd，Linux和macOS上为.so。

  • 这个工具假定build目录是编译过程的默认输出目录。如果你的项目配置修改了这一默认行为，请相应调整代码中的build_lib_path变量

14-树莓派系统压备份(镜像文件)

案例介绍

本案例介绍将配置好的树莓派系统进行压缩备份，存储为镜像文件(.image)

环境要求

如果电脑是windows系统,需要提前安装虚拟机。 1.Ubuntu 64位 版本号：18.04; 2.FileZila软件

操作步骤

  1. 将配置好环境的树莓派sd使用读卡器插入电脑，连接虚拟机；
  2. 先用lsblk命令查看SD卡的盘符
lsblk
  1. 备份
sudo  dd  if=/dev/sdb  of=./rpi-tw-0322.img  bs=8M
  1. 压缩
sudo pishrink.sh -s rpi-tw-0322.img rpi-tw-0322-compressed.img
  1. 文件转移 使用FileZila,连接上虚拟机的IP
  1. 首先，filezilla与虚拟机之间是通过ssh连接，所以需在虚拟机上安装ssh-server
apt-get install openssh-server
  1. 查看虚拟机的IP
ip addr
  1. 连接FileZila，选择image文件传输
  1. 烧写系统