开源硬件、创客与创新活动

创客、开源硬件 与基于树莓派的创新活动 樊 磊 首都师范大学 教育技术系 北京师范大学 教育信息技术协同创新中心（CICET） fanlei.cnu@gmail.com

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创客的含义  使用数字桌面工具设计新产品并制作出模型的 样品（数字 DIY）。  在开源社区分享设计成果、进行合作成为一种文 化规范。  创客可以使用桌面工具自行制造其本人或其他 创客设计的产品。  也可以将其设计文件传给专业制造服务商，生产 任意数量的的产品。  美国复兴其制造业的杀手锏，未来工业的雏形。  成功的例子：云计算、物联网、3D 打印工业、 电动汽车（特斯拉）等等。

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创客的本质就是创新

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创新过程的基本步骤 1. 发现及叙述问题。 2. 获取与问题相关联的知识。 3. 汇集宽泛的潜在相关的信息。 4. 花时间进行孵化。 5. 产生大量多样的思想。 6. 将思想以非预期的方式进行结合。 7. 选择最佳思想、应用相关准则。 8. 通过物化和表征将思想外化。

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开源硬件  高科技行业继开源软件运动后最具革命性变革。  乐高（Lego）积木的理念成为经典。  公开设计方案、授权生产、允许自行更改及创新。  完整的共享、设计、自造、发布、融资、生产、销售体系。  与开源软件结合成为新工业革命的引擎。  成功的例子：3D 打印机、谷歌 Chrome 电脑、Arduino、可穿戴设备、 体感设备、… …、树莓派。

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树莓派的出现背景  “数字土著”一代被数字产品所包围，但与技术的交互基本限于“图形 用户界面”(GUI)。  计算机技术要保持高速发展，需要大量熟练掌握编程技巧的硬件工程 师， “数字土著”一代在这方面的训练严重缺乏，不少人甚至是硬件盲， 有成为“数字野人”的危险。  计算机软硬件技术的快速发展、系统封闭、集成化和消费产品化等趋势 以及信息技术教育界的惯性思维模式，严重阻碍了学校中信息技术学习 和基于信息技术的各项创新。  树莓派及开源硬件类产品的出现是业界对信息技术教育转向朴素的编 程和硬件创客回归的一种全新尝试。  基于树莓派的计算机与信息技术教学和科技制作的尝试已在世界多个 国家展开。 9

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树莓派的硬件特性  基于高通 BCM2835 多媒体处理芯片，低功耗的 ARM 架构。

RPi 的高通处理芯片及 ARM 架构，低功耗供电。 10

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RPi 的 RCA 视频接口和音频接口

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RPi 的 HDMI 接口，支持 Full HD 19201080 视频输出。 12

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RPi Model B 的 USB 接口和有线 LAN 接口。 13

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RPi 的 SD 卡插槽。 14

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做好基本连接的 RPi。 15

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软件特性  多数桌面及笔记本电脑使用两种操作系统之一：Microsoft Windows 和 Apple OS X，两者都是封闭式软件。  RPi 运行 GNU/Linux，Linux 是开源的操作系统。  Linux 有很多“方言”（发行版），如：Debian, Fedora Remix, Arch Linux, 这 些方言是为满足不同需求而发布的，但也都是开源及相互兼容的。  树莓派的官方操作系统为 Rasbian。  将 Linux 称为一种操作系统有点贬低了，它是很多操作系统，事实上是 数百种。

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树莓派的应用  Raspberry Pi 的原始设计目的是“吸引更多的儿童学习计算机编程”，但 其在教育中的应用范围没有限制，应用潜力几乎是无限的。  普通电脑  学习编程  电子制作  媒体中心  裸机开发  创客平台  ……

树莓派的应用仅局限于你的想象力。 17

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彩色 Pi 盒及扩展接口板。 18

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面向初学者的各种 Pi 套件。

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Pi 的各种专用扩展板及附件。 20

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用 Pi 升级改造的各种照相机。 21

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利用树莓派将普通电视改造成智能网络电视。

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（左）自动监控摄像头。 （右）iPad 远程控制界面。 23

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监控鱼缸环境的系统

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利用树莓派手工制作的“平板电脑” 25

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Raspberry Pi 控制的乐高机器人。

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Raspberry Pi 控制的机械手臂。

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可捕捉并追踪眼球活动的“智能眼镜”（Pi 版的谷歌眼镜）。 28

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基于 Pi 的自动跟踪太阳能电池板。 29

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用 64 台 Pi 搭建的超级计算机。

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（左）基于 Pi 的打造的“街机” （右）乐高积木拼成的树莓派外壳 31

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（上）使用树莓派及面包板做电子实验 （下）用电池给 Pi 供电。 32

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基于 Pi 的室外气象站。 33

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Pi 连接触控液晶屏成为“平板电脑”。 34

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基于树莓派的卡拉 OK 点歌器 35

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基于 Pi 的航拍器。

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Debian + Raspberry = Rasbian

 Debian 是最古老的发行版之一，其 Raspberry Pi 的定制版为官方推荐给 初学者的操作系统。  Rasbian 只是 Debian 的一个子集，包括了 Web 浏览器、一个轻量级 GUI 桌面环境 LXDE（Lightweight X11 Desktop Environment） 。  LXDE 提供了类似于 Windows 或 OS X 等基于 GUI 操作系统的操作模 式，任何人都可以立即掌握。

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Rasbian 的 LXDE 桌面。 38

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启动 Pi 1. 下载系统软件 SD 卡格式化软件：Win32DiskImager.exe 或 SDFormatter.exe 官方发行包：NOOBS 1.3.7(http://www.raspberrypi.org/downloads) 2. 创建 SD 卡像 3. 连接并加电 4. 初始化配置 5. 改变缺省密码 6. 启动到桌面（LXDE） 7. 配置网络：sudo nano /etc/network/interfaces 8. 查看及测试网络连接：ipconfig

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Pi 软件管理 1. 更新软件库 sudo apt-get update 2. 更新软件 sudo apt-get upgrade 3. 更新发行包 sudo apt-get dist-upgrade 4. 安装开源中文字体（新版的 Debian 已经自动安装） sudo apt-get install ttf-wqy-zenhei 5. 安装中文拼音输入法 sudo apt-get install scim-pinyin

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最佳 Pi 软件举例 1. LibreOffice – 免费 Office 软件。 2. VirtualHere – 跨网络共享 USB 设备。 3. BarracudaDrive – 将 Pi 转换为云存储器。 4. Pi-Web-Agent – 从 Web 上控制 Pi。 5. Code::Blocks IDE – 专业程序开发环境。 6. Schism Tracker – 音序器（可制作电子合成乐） 。 7. NetPy – 一个拖拽式 Web 站点生成器。 8. GeoGebra – 数学软件，擅长做几何图形，功能类似但强于几何画板。 9. Mathematica – 功能强大的商业化计算引擎与数学环境，PC、Mac 及 Linux 版的价格均在一万元以上，唯有 Pi 全功能版的为官方免费。 41

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Pi 初级项目举例 1. 便携机或台式机 2. 媒体中心（网络智能机顶盒） 3. 网络文件服务器、下载机 4. Web 视频监控器 5. 照相与录像 6. 流式音乐播放器 7. 使用 Pi 控制 LED 灯（基本电子制作） 8. 便携式无线 AP

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使用 Pi 进行编程教学 1. Scratch – 积木式结构的编程语言，非常适合儿童学习与创意，可编写 动画、游戏、场景及故事讲述等应用。可通过 PicoBoard 连接传感器。 2. Python – 通用编程语言，同时具有解释型及编译型语言的特点。功能 强大，易学易用，可以直接操控硬件（如 Arduino 板、GPIO 等） 。有大 量现成的专业应用模块（子程序库），涉及数值计算、云服务、网络应 用、GIS、数据分析、可视化等等。 3. SonicPi – Ruby 风格的音乐编程，适合儿童及音乐爱好者。 4. SimpleCV – 基于 Python 的准专业水准计算机视觉编程模块，是专业软 件包 OpenCV 的一个简化版。 5. 其它语言（BASIC, C）。 43

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Pi 高级项目举例 1. 使用 Python 控制 Arduino: 伺服马达 2. 速度传感器 3. Pi 遥控汽车 4. Pi 航拍器 5. 基于 Pi 的 3D 扫描仪 6. 基于 PicoBoard 的传感器项目 7. 基于 GertBoard 的电子项目

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