物联网 - 将 Raspberry Pi 与 Windows 10 结合使用

我一直与软件打交道，却还从未与硬件直接打过交道。尽管我开发了许多工作方式与硬件接近的软件，但从未用过可以完全控制的物理电路板。因此，当我有机会使用 Raspberry Pi 时，尤其是在使用 Windows 10 和 Visual Studio 时，我抓住了这个机会。

Raspberry Pi 版本 2 和 3 可以将 Windows 10 用作 OS（尽管并非完整版，但仍可以通过执行通用 Windows 平台 [UWP] 应用来控制其设备）。它很便宜，每台售价不到 35 美元，但功能非常强大。Raspberry Pi 3 具备 4 核、64 位 ARM 处理器、HDMI 视频设备、以太网和 Wi-Fi 网络、蓝牙以及四个 USB 端口。使用它，一定可以做很多事情。

开始使用时，可以单独使用 Raspberry Pi 电路板，但会有些受到限制。如果只使用电路板，则与为计算机或智能手机开发项目一样。还需要使用其他一些硬件。一些制造商推出了附属工具包：原型板、电阻器、LED 指示灯、电位计、传感器和内存卡。可以购买计算机外壳盒，但没有必要这么做，因为应始终打开计算机以方便连接。

拥有电路板和工具包后，是时候开始了解硬件了。首先，应研究一下 Raspberry Pi，了解它包含哪些部件。 图 1 展示了电路板。

图 1：包含 GPIO 的 Raspberry Pi 3 机型 B

在 图 1 中电路板的右侧，可以看到四个 USB 端口 (1) 和一个以太网连接器 (2)。在底部，从左向右依次是迷你 USB 形式的电源连接器 (3)、HDMI 视频设备 (4)、摄像头端口 (5) 和声音输出设备 (6)。在电路板的左侧，可以看到 micro SD 卡槽 (7) 和 LCD 显示屏连接器 (8)。还可以看到 Wi-Fi 和蓝牙无线收发器 (9)。在电路板的中间，可以看到处理器 (10) 和网络控制器 (11)。顶部为通用输入/输出 (GPIO) 块 (12)，可以在这里进行所有连接。每个插针的用途各异，如图顶部所示。

Raspberry Pi 使用两种电源电压： 5V 和 3.3V。黑色插针是接地的，黄色插针是在编程时使用的 GPIO 插针。请注意，插针编号是无序的。因此，除非记性很好，否则手边应留着插针编号图（ bit.ly/1WcBUS2 中提供了一个示例图）。

第二步是了解工具包。我不会介绍所有内含物，因为这会因制造商（或你计划购买的产品）而差异很大。对于此项目，需要使用试验电路板、三个 LED 指示灯、电阻器和电线。若要详细了解这些组件及其交互方式，请参阅 Frank La Vigne 在 2016 年 4 月的“新式应用”专栏中发表的“编写适用于物联网的 UWP 应用”一文，网址是 msdn.com/magazine/mt694090 。

安装第一个电路

了解了电路板和这些简单组件后，就可以安装第一个电路了。通常情况下，此类系统的“Hello World”程序可以让 LED 指示灯闪烁。若要进一步简化操作，可以先创建一个让 LED 指示灯亮起（而不是闪烁）的电路。这种时候，无需运行任何程序，只需了解要构建的电路即可。

如果将 LED 指示灯直接连到 Raspberry Pi 的 3.3V 插针，可能会烧坏 LED 指示灯，因为它无法承受流经它的电流。根据欧姆定律 (V = R*I)，需要在电路中添加 220 Ω（红/红/黑）电阻器。如果没有 220 Ω 电阻器，可以使用更大的电阻器。使用更大的电阻器后，电路中的电流变小，就不会烧坏 LED 指示灯了。电阻器不能过大，因为如果电流过小，LED 指示灯就无法亮起。以我为例，我使用了 330 Ω 电阻器，没有出现任何问题。

若要查看试验电路板中的蒙太奇布局，请参阅 图 2 。图像是使用“Fritzing”开放源代码程序进行创建，可以从 fritzing.org 下载此程序。

图 2：安装的电路

安装完电路后（安装时，应关闭 Raspberry Pi 电源，以免烧坏任何组件），连接电源。如果安装正确，LED 指示灯应亮起。如果 LED 指示灯没有亮起，请检查 LED 指示灯的电极放置是否正确，即正极（较长电线）应与 Raspberry Pi 中的 3.3V 插针相连。负极和电阻器（在此示例中，没有极化）必须处于同一线路。电阻器的第二根电线必须与 Raspberry Pi 中的接地插针相连。如果一切都没有问题，请检查 LED 指示灯是否已烧坏。如果是，请予以更换。如果 LED 亮起，可以执行下一步：创建控制 LED 指示灯的程序。

安装并使用 Windows 10

在此之前，不需要使用 OS，因为不需要对 Raspberry Pi 进行编程，但之后将需要进行一些编程。这种时候就需要使用 Windows 10。可以免费下载和安装适用于 Raspberry Pi 的 Windows 10，尽管这与在台式机和平板电脑上运行的版本不完全一样，但仍可以借助它来执行 UWP 程序，而无需进行任何更改。

第一步是在 SD 卡中下载并安装 Windows 10。为此，请从 bit.ly/2lPXrRc 下载并安装 Windows 10 物联网 (IoT) 核心版仪表板工具。

若要在 Raspberry Pi 上安装 Windows 10，必须拥有一个至少为 8GB 的兼容 micro SD 卡。接下来，在仪表板中选择“安装新设备”选项，在 SD 卡中下载并安装 Windows 10。必须能够通过某种方式在计算机上写入此卡。如果没有读卡器，可以购买一个 USB 读卡器。

选择设备类型、OS 以及 SD 卡所在的驱动器。为计算机命名，然后选择管理员密码。单击选中框，接受许可条款，然后单击“安装”按钮。在卡中下载并记录数据后，Windows 10 便已安装，可供使用。将此卡从计算机读卡器中取出，然后放入 Raspberry Pi 的卡槽中。使用以太网线缆或 Wi-Fi（如果使用的是含有 Wi-Fi Dongle 的 Raspberry Pi 3 或 2）连接网络。打开设备。

Windows 10 启动后，可以在 IoT 核心版仪表板中的“我的设备”下看到连接的设备。

可以使用已连接设备的 IP 地址（在端口 8080 上）在浏览器中打开设备门户。以我为例，我可以使用地址 http://192.168.1.199:8080 打开设备门户。必须提供之前设置的管理员密码，才能打开门户，如 图 3 中所示。

图 3：设备门户

在此门户中，可以配置设备、检查已安装的应用，并能验证其性能和存储空间。使用最后一个选项“远程”，可以远程控制设备。如果设备没有连接监视器，此选项就非常有用，因为可以从你的计算机进行远程控制。选中“启用 Windows IoT 远程服务器”框后，可以在设备上启用远程控制，并能从应用商店中下载适用于 Windows 10 的远程控制应用。

安装并运行 Windows IoT 远程控制应用后，即可远程控制设备并与之交互。

现在，可以开始使用 Windows 10 为 Raspberry Pi 开发项目。

使用 Visual Studio 为 Raspberry Pi 开发项目

若要使用 Visual Studio 为 Raspberry Pi 开发项目，必须确保你已安装了工具。可以选择“自定义安装”并检查“功能”选项中是否有“通用 Windows 应用开发工具”，检查是否已安装工具。

执行此操作后，即表明你已安装工具，便可以开始使用 Windows 10 为 Raspberry Pi 开发项目。创建新项目，然后选择“空”UWP 应用。

这会创建一个空应用，你将创建在主屏幕中显示当前计算机的名称的应用。在 MainPage.xaml 中，添加下面的代码：

<Grid Background="{ThemeResource ApplicationPageBackgroundThemeBrush}">
  <TextBlock FontSize="32" x:Name="MachineText"
    HorizontalAlignment="Center"
    VerticalAlignment="Center"/>
</Grid>
然后，在 MainPage.xaml.cs 中添加下面的代码，以获取并显示计算机名称：
public MainPage()
  this.InitializeComponent();
  Windows.Security.ExchangeActiveSyncProvisioning.EasClientDeviceInformation eas =
    new Windows.Security.ExchangeActiveSyncProvisioning.EasClientDeviceInformation();
  MachineText.Text = eas.FriendlyName;
如果在本地计算机上运行此应用，它将在一个窗口中显示计算机名称。
然后，运行 Raspberry Pi。选择“解决方案平台”下拉菜单中的“ARM”，然后选择“设备”下拉菜单中的“远程计算机”。此时，系统会打开用于选择远程计算机的对话框。
选择 Raspberry Pi 设备，然后运行应用。应用会部署到 Raspberry Pi，可以在远程控制窗口中查看它的运行情况。请注意，窗口中显示的计算机名称应是你在格式化 SD 卡并在其上安装 Windows 10 时设置的计算机名称。
可以对此应用进行调试，方法与调试本地应用相同，即设置断点、分析变量等。如果在 Visual Studio 中终止应用，应用会关闭，Raspberry Pi 中会显示主屏幕。如果转到浏览器门户，则会发现应用仍已安装，可使用“运行”按钮运行应用，如图 4 中所示。
图 4：显示已安装应用的应用门户
我对 UWP 应用所能实现的兼容性级别深为叹服。为了展示潜力有多大，我将使用并非针对 Raspberry Pi 而开发的应用。我将使用 UWP 社区工具包的示例应用，这个工具包中的组件由 Microsoft 和社区进行开发（bit.ly/2b1PAJY 绝对值得访问）。
下载并编译程序包后，可以将它部署到 Raspberry Pi 并运行（是的，程序运行方式与在桌面设备上完全相同）。顺便说一下，应尝试使用设备中的控件，它们很好用。
与电路板交互
运行程序后，就必须开始与电路板交互。将创建交通信号灯控制器。其中包含三个 LED 指示灯（红色、黄色和绿色），每个指示灯的亮起时间可能不同。
若要在电路板中控制 LED 指示灯，必须获取 GPIO 控制器，并打开要控制的插针，然后根据需要进行设置。在图 1 中，可以看到 GPIO 块中的第八个插针（第二行）是插针 22。将使用插针 22、9 和 19，生成的电路如图 5 中所示。
图 5：交通信号灯的电路
在此电路就绪后，新建一个空 UWP 应用。在 MainPage.xaml 中，输入图 6 中的代码。
图 6：显示交通信号灯的 MainPage.xaml 代码
<Grid Background="{ThemeResource ApplicationPageBackgroundThemeBrush}">
  <Border BorderBrush="Black" BorderThickness="3" HorizontalAlignment="Center"
      VerticalAlignment="Center" CornerRadius="5">
    <StackPanel HorizontalAlignment="Center" VerticalAlignment="Center">
      <Ellipse Width="50" Height="50" Fill="Red" Opacity="0.5"
        Margin="20,20,20,10" x:Name="RedLed" Stroke="Black"
        StrokeThickness="1"/>
      <Ellipse Width="50" Height="50" Fill="Yellow" Opacity="0.5"
        Margin="20,10,20,10" x:Name="YellowLed" Stroke="Black"
        StrokeThickness="1"/>
      <Ellipse Width="50" Height="50" Fill="LimeGreen" Opacity="0.5"
         Margin="20,10,20,20" x:Name="GreenLed" Stroke="Black"
         StrokeThickness="1"/>
    </StackPanel>
  </Border>
</Grid>
在电路板和显示屏上都可以看到交通信号灯，因此还可以通过查看远程显示屏来了解发生的一切。Mainpage.xaml.cs 中的源代码如图 7 中所示。
图 7：按指定时间间隔打开交通信号灯的源代码
private int _currentLight;
private DispatcherTimer _timer;
private int[] _pinNumbers = new[] { 22, 9, 19 };
private GpioPin[] _pins = new GpioPin[3];
public MainPage()
  this.InitializeComponent();
  if (InitGPIO())
    InitTimer();
private void InitTimer()
  var intervals = new[] { 6000, 2000, 6000 };
  var lights = new[] { RedLed, YellowLed, GreenLed };
  _currentLight = 2;
  _timer = new DispatcherTimer { Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(500) };
  _timer.Tick += (s, e) =>
    _timer.Stop();
    lights[_currentLight].Opacity = 0.5;
    _pins[_currentLight].Write(GpioPinValue.High);
    _currentLight = _currentLight == 2 ? 0 : _currentLight + 1;
    lights[_currentLight].Opacity = 1.0;
    _pins[_currentLight].Write(GpioPinValue.Low);
    _timer.Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(intervals[_currentLight]);
    _timer.Start();
  _timer.Start();
必须添加对 IoT 扩展的引用，才能运行此代码。右键单击解决方案资源管理器中的“引用”节点，单击“添加引用”，然后转到“扩展”，为 UWP 添加 Windows IoT 扩展。
将创建一个计时器，用于按时间间隔数组设定的时间间隔（在此示例中，为 6 秒、2 秒和 6 秒）打开每个 LED 指示灯。屏幕中椭圆的不透明度设为 0.5，因此它们看起来比较暗，而当指示灯亮起时，每个椭圆的不透明度设为 1。只有在 InitGPIO 函数中为电路板设置 GPIO（如图 8 中所示）后，才能设置计时器。
图 8：初始化 GPIO 和为输出设置 LED 指示灯插针的代码
private bool InitGPIO()
  var gpio = GpioController.GetDefault();
  if (gpio == null)
    return false;
  for (int i = 0; i < 3; i++)
    _pins[i] = gpio.OpenPin(_pinNumbers[i]);
    _pins[i].Write(GpioPinValue.High);
    _pins[i].SetDriveMode(GpioPinDriveMode.Output);
  return true;
为输出打开三个插针，将它们设置为“高”即关闭 LED 指示灯。将插针设置为“低”时，电路中有电流，LED 指示灯亮起。运行程序时，将看到显示交通信号灯的屏幕，其中指示灯的打开和关闭与实际情况一样，电路板如图 9 中的照片所示。
图 9：运行程序的交通信号灯电路板
如你所见，创建与 Raspberry Pi 交互的程序很简单。如果了解 Windows 10 编程，就等于掌握了对 Raspberry Pi 进行编程所需的全部知识（是的，虽然与电路板交互又是另外一回事，但已完成了一半）。程序的创建方法与任何 Windows 10 程序相同（事实上，无需在 Raspberry Pi 中进行任何更改，即可运行 UWP 程序）。唯一的区别是，需要使用 GPIO 控制器来设置和获取数据。如果要拓展知识并尝试其他项目，可以尝试 bit.ly/2llecFZ 中提供的许多示例。这将为你提供众多机会，以便你能够将功能强大的硬件与卓越高效的软件相结合。这是无与伦比的组合。
Bruno Sonnino自 2007 年起被评为 Microsoft MVP。他是开发者、顾问和作者，著有许多与 Windows 开发相关的书籍和文章。可以关注他的 Twitter @bsonnino，也可以阅读他的博客 blogs.msmvps.com/bsonnino。
衷心感谢以下 Microsoft 技术专家对本文的审阅： Rachel Appel