简介
Raspberry Pi 中文名为树莓派，原本是为学习计算机编程教育而设计的只有卡片大小的微型电脑，上面可以运行 Linux 甚至 Windows 10 loT 系统。树莓派虽小，却五脏俱全，而且拥有丰富的拓展接口，是学习Linux、嵌入式、物联网的利器。
开始使用
准备工具
- 树莓派，当前最新版本是 这里使用的是树莓派3B
- 读卡器，给树莓派烧录系统用，因为树莓派的系统安装在内存卡。
- 最好 8G 或以上的 Micro SD 卡，但是也不用太大，否则可能不稳定甚至不支持。
- 最好 5V 2.5A 电源（普通安卓充电器也可以），如果需要为树莓派扩展硬件的话，电源需要比较给力。
- 鼠标、键盘、HDMI转VGA线还有显示器，不过这些并不是必须的，看情况使用。
安装系统
下载镜像包
镜像包可以选择官方的镜像，或者第三方的镜像
官方下载：https://www.raspberrypi.org/downloads/
Ubuntu：https://wiki.ubuntu.com/ARM/RaspberryPi
这里下载官方系统的Lite版，点此下载。
解压和烧录
可以在Linux下和Windows下进行烧录，Windows下需要下载 Win32 Disk IMager 工具进行烧录，linux下可以直接使用dd命令。
Linux下烧录
将内存卡插入到读卡器，然后读卡器插入电脑，读卡器设备被系统映射为了 /dev/sdc。
注意：Linux需要看看读卡器被系统映射为了哪个设备文件，如果指定错了设备文件，后果可能不堪设想。
1 | # 先卸载一下 确保系统没有主动挂载这个设备，如果存在多个分区，需要卸载多个 |
Windows下烧录
先将下载的xz镜像解压为img文件，然后使用 Win32 Disk IMager 工具烧录到内存卡。
需要注意的是，选择SD卡的设备，然后选择好解压后的img镜像后点击 write 开始写入。
启动树莓派
正常来说，插入内存卡，插入网线就可以开机了，树莓派默认会DHCP获取IP地址，但是如果局域网不存在DHCP服务，那启动后会在获取DHCP地址过程中等待五六分钟，而且这种情况没有显示器就没法操作树莓派了。
配置静态IP
但是对于不存在DHCP服务的局域网，可以在启动树莓派之前就配置好树莓派的IP地址，这样启动后就会自动应用配置的IP，连显示器和键盘也不需要了。
以下操作在 Linux 上进行。
1 | mount /dev/sdc2 /mnt # 烧录后树莓派的rootfs在sdc的第二个分区上 |
# This file describes the network interfaces available on your system
# and how to activate them. For more information, see interfaces(5).
# The loopback network interface
auto lo
iface lo inet loopback
# Source interfaces
# Please check /etc/network/interfaces.d before changing this file
# as interfaces may have been defined in /etc/network/interfaces.d
# See LP: #1262951
# source /etc/network/interfaces.d/*.cfg
auto eth0
iface eth0 inet static
address 192.168.2.220
netmask 255.255.255.0
network 192.168.2.0
broadcast 192.168.2.255
gateway 192.168.2.254
# dns-* options are implemented by the resolvconf package, if installed
dns-nameservers 119.29.29.29
dns-nameservers 223.5.5.5
自动启动SSH服务
系统默认启动是不启动SSH服务的，所以还要修改下 rc.local 文件，将 SSH服务 在系统启动后也跟着起来。
编辑 /mnt/etc/rc.local 添加内容：systemctl start ssh.servic
开机启动
插入内存卡，连接网线，连接电源的那一刻树莓派就自动启动了。默认用户名：pi 默认密码：raspberry，ssh连接下试试吧。
系统定制
定制只能在 Linux 环境下进行，这里使用 ubuntu 16.04 64位系统。
对原始的img镜像文件进行修改定制，这样如果以后需要频繁重装系统，或者用于商业目的时，可能就有这种需求了。
安装需要的包
1 | apt-get update |
将镜像挂在到系统目录
需要先将系统镜像映射到loop设备文件，才能正常挂载镜像文件中的分区
1 | losetup /dev/loop0 2018-04-18-raspbian-stretch-lite.img |
这样就将镜像的 rootfs 挂载到了 /mnt 下，系统镜像有两个分区，分别被映射为了 /dev/mapper/loop0p1 和 loop0p2， 其中loop0p1是内核存放分区，暂时是不需要的。
修改镜像中的数据
qemu 提供了一个非常有意思的功能，可以 chroot 到异构CPU的二进制组成的根文件系统中，这样就可以在 x86 上对 ARM 的根文件系统的程序做调式了。
1 | modprobe binfmt_misc |
执行了 chroot 之后，如果没有报错就切换到树莓派的根文件系统了，可以看看当前根的二进制文件是不是 ARM 架构的了 file /bin/bash，或者执行 uname -a 可以看到 内核也被模拟成了 ARM 架构的。
接下来就可以进行一些安装配置和修改文件等操作了，比如修改网卡的配置文件配置一个静态的IP地址，这样启动树莓派后就可以直接连接了。接下来修改 apt 源为阿里云源，加快软件下载速度。
修改：/etc/apt/sources.list
deb http://mirrors.aliyun.com/raspbian/raspbian stretch main contrib non-free rpi
之后可以 apt-get update 然后安装需要的软件了。这时候就可以执行 systemctl enable ssh.service 命令，将SSH服务加入开机自启了。
修改完后退出了 chroot 环境，然后对 /mnt 目录进行卸载。
1 | exit # 执行exit命令或者 Ctrl + d 就可以退出了 |
刷入内存卡进行开机验证
一些不当的修改可能导致无法开机，而且一些特殊的软件包会对内核进行更改，这种情况下就无法使用这种方式定制了。建议每次修改完系统镜像后都进行一次归档保存，并且记录每次归档的修改信息，这样如果某次修改出现了问题导致无法开机，就可以回退到上一次归档的镜像而不是重头再来了。
功能和拓展
连接WiFi
树莓派3B默认是包含了WiFi和蓝牙模块的，配置连接WiFi路由器也很简单。
首先安装连接WiFi使用的程序1
apt install wpasupplicant
连接WPA加密的WiFi
创建配置文件: /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
network={
ssid="SSID"
key_mgmt=WPA-PSK
psk="PASSWORD"
}
将 SSID 和 PASSWORD 替换成要连接的用户名和密码就可以了。
然后执行 wpa_supplicant 命令手动连接到WiFi
1 | wpa_supplicant -i wlan0 -c /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf |
这种方式连接WiFi 如果有错误会打印错误信息，适合手动调试WiFi，等连接无误后，ifconfig 命令可以看到 wlan0 这块网卡。这个时候还是没有IP地址的，需要手动配置一个IP地址或者使用 dhclient wlan0 命令来自动获取IP地址。
还可以让系统 networking 服务来开机自动连接，修改网卡配置文件：/etc/network/interfaces 添加以下内容
auto wlan0
iface wlan0 inet dhcp
wpa-conf /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
或者配置为静态IP地址
auto wlan0
iface wlan0 inet static
address 192.168.0.2
netmask 255.255.255.0
gateway 192.168.0.1
dns-nameservers 119.29.29.29
dns-nameservers 114.114.114.114
wpa-conf /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
注意: 使用 systemctl restart networking.service 时，如果长时间没有反应，千万不要强行停止，否则可能会各种问题
连接隐藏的WiFi
修改配置文件：/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf 为以下内容
network={
ssid="SSID"
scan_ssid=1
psk="PASSWORD"
}
同理，将 SSID 和 PASSWORD 替换为自己实际的，其他步骤和上面的一致。
连接没密码的WiFi
修改配置文件：/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf 为以下内容
network={
ssid="SSID"
key_mgmt=NONE
}
添加多个WiFi
可以在配置文件中添加多个 network 配置块来添加多个WiFi配置，wpa_supplicant 将会自动连接可以连接的WiFi，也可以手动配置优先级来偏重连接某个WiFi。
network={
ssid="SSID1"
psk="PASSWORD1"
priority=1
id_str="homeOne"
}
network={
ssid="SSID2"
psk="PASSWORD2"
priority=2
id_str="homeTwo"
}
使用4G上网
由于树莓派3B并没有自带4G模块，所以想使用SIM卡拨号上网就需要另外买一个4G模块。树莓派3B也没有适用于4G模块的 Mini PCI-e 接口，所以还需要买一个 Mini PCI-e 转 USB 的4G模块专用开发板。
这里4G模块使用 华为ME909s-821，SIM卡使用联通实名制的4G卡，需要先保证4G卡可以正常上网。
安装4G拨号软件1
apt install wvdial
修改配置文件：/etc/wvdial.conf 添加如下内容
[Dialer wcdma]
Init1 = ATZ
Init2 = ATQ0 V1 E1 S0=0
Init3 = AT+CGDCONT=1,"IP","3gnet"
Modem Type = Analog Modem
Baud = 9600
New PPPD = yes
Modem = /dev/ttyUSB0
ISDN = 0
Phone = *99#
Password = guest
Username = guest
需要注意的地方是 Modem = /dev/ttyUSB0 ，需要找到4G模块的设备文件，如果不确定4G模块的设备文件是啥，可以先记录下 /dev/ 目录下的所有文件名，然后插上后看看多出来了哪些，4G模块会多出来5个设备文件，一般第一个 ttyUSB* 设备文件是 Modem 的设备文件，也就是 /dev/ttyUSB0，但是如果已经存在了其它的 ttyUSB* 文件，则4G模块的设备文件会依次往后排。
将4G模块插入 Mini PCI-e 接口将SIM卡插入到卡槽，天线最好接上，否则信号可能太差导致拨号失败。
使用 wvdial wcdma 命令开始拨号，当出现如下信息时，则拨号成功了
--> local IP address 10.90.80.32
--> pppd: XE[01]
--> remote IP address 10.64.64.64
--> pppd: XE[01]
--> primary DNS address 123.123.123.123
--> pppd: XE[01]
--> secondary DNS address 123.123.123.124
--> pppd: XE[01]
这时候使用 ifconfig 可以看到 ppp0 接口已经连接
ppp0 Link encap:Point-to-Point Protocol
inet addr:10.90.80.32 P-t-P:10.64.64.64 Mask:255.255.255.255
UP POINTOPOINT RUNNING NOARP MULTICAST MTU:1500 Metric:1
RX packets:6 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
TX packets:7 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
collisions:0 txqueuelen:3
RX bytes:66 (66.0 B) TX bytes:129 (129.0 B)
然后替换默认路由到点对点拨号的对端IP就可以使用4G上网了
1 | ip ro replace default via 10.64.64.6 |
root@raspberrypi:~# ip ro replace default via 10.64.64.64
root@raspberrypi:~# ping www.baidu.com -c 4
PING www.a.shifen.com (61.135.169.121) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 61.135.169.121: icmp_seq=1 ttl=54 time=36.2 ms
64 bytes from 61.135.169.121: icmp_seq=2 ttl=54 time=25.9 ms
64 bytes from 61.135.169.121: icmp_seq=3 ttl=54 time=21.9 ms
64 bytes from 61.135.169.121: icmp_seq=4 ttl=54 time=19.8 ms
--- www.a.shifen.com ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 received, 0% packet loss, time 3003ms
rtt min/avg/max/mdev = 19.859/25.984/36.220/6.300 ms
root@raspberrypi:~#
还有一些需要注意的地方，如果使用物联网卡，需要确保物联网卡是否支持4G，是否支持数据业务，以及4G模块支持的网络和运营商。
将 wvdial 程序 Ctrl + c 后4G就自动断开了。
使用GPS模块
如果想用树莓派做行车记录仪之类的东西，GPS模块就必不可少了，这里使用 NEO-7N-0-002 GPS模块。
这款GPS模块支持通过USB连接到树莓派，也支持和树莓派直接进行串口连接。
USB连接
直接使用普通的数据线连接，自带陶瓷天线，但是最好外接天线。使用自带的陶瓷天线定位时最好将GPS模块放到靠窗的位置，户外效果最佳，否则将无法定位。
连接如下，通过USB连接后设备被映射为 /dev/ttyACM0
当橘红色的灯按频率闪灭，而不是常亮时就定位成功了，使用 cat /dev/ttyACM0 命令查看GPS模块的输出只需要关心 $GPGGA 的内容就可以，定位成功的信息是这样子的
root@raspberrypi:~# cat /dev/ttyACM0 |grep GPGGA
$GPGGA,025456.00,?955.49947,N,?1619.28218,E,2,08,1.52,98.4,M,-8.7,M,,0000*74
$GPGGA,025457.00,?955.49948,N,?1619.28211,E,2,08,1.52,98.5,M,-8.7,M,,0000*72
$GPGGA,025458.00,?955.49960,N,?1619.28209,E,2,08,1.52,98.4,M,-8.7,M,,0000*7F
$GPGGA,025459.00,?955.49967,N,?1619.28204,E,2,08,1.52,98.3,M,-8.7,M,,0000*73
其中 ?955.49947,N,?1619.28218,E N前面的浮点数表示北纬，E前面的浮点数表示东经，为了防止位置信息泄露，所以其中有一位数字用 ? 代替了，想了解 $GPGGA 的更多详细信息，可以翻阅 GPGGA 卫星数据格式。
串口连接
由于树莓派3B自带的串口被用于蓝牙了，所以最省事的方法就是使用USB转TTL线，将TTL线的 +5V 接到GPS模块的 VCC 引脚， GND 接到GPS模块的 GND，TXD 接到GPS模块的 RXD，RXD 接到GPS模块的 TXD，也就是说TTL线的输入输出要和GPS模块的输入输出交叉接。
但是不知道是不是这款GPS模块板子上印刷错了，导致TTL线的 RXD 必须和 GPS模块上印刷的 RXD 引脚相接才能正常接收数据，由于只需要从GPS模块上接收数据，所以TTL线的 TXD 也可以不和GPS模块相接。
接线图如下
使用 minicom -D /dev/ttyUSB0 -b 9600 命令就可以获取GPS数据了。如果要处理GPS数据，可以用程序直连串口获取。摁下 Ctrl + a 松开后摁 x 然后敲下回车就退出 minicom 了。
设备和设备文件绑定
前面的4G模块使用的是 /dev/ttyUSB0 设备文件，TTL线使用的也是 /dev/ttyUSB0，如果同时使用这两个模块，重启后谁也无法确定当前的 /dev/ttyUSB0 是哪个模块，这种情况可以使用 udev 规则来绑定设备和设备文件。
使用 udevadm info --attribute-walk --name=/dev/ttyUSB0 可以查看当前 /dev/ttyUSB0 设备的详细信息，然后通过这些信息匹配来为设备文件建立一个软连接，这样每次可以通过软连接来访问设备了。
添加文件：/etc/udev/rules.d/mydevice.rules
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{idVendor}=="1a86", ATTRS{idProduct}=="7523", MODE:="0666", GROUP:="dialout", SYMLINK+="ttl0"
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{bInterfaceNumber}=="02", MODE:="0666", GROUP:="dialout", SYMLINK+="hw4g0"
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{bInterfaceNumber}=="03", MODE:="0666", GROUP:="dialout", SYMLINK+="hw4g1"
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{bInterfaceNumber}=="04", MODE:="0666", GROUP:="dialout", SYMLINK+="hw4g2"
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{bInterfaceNumber}=="05", MODE:="0666", GROUP:="dialout", SYMLINK+="hw4g3"
KERNEL=="ttyUSB*", ATTRS{bInterfaceNumber}=="06", MODE:="0666", GROUP:="dialout", SYMLINK+="hw4g4"
这样同时使用GPS和4G模块就可以通过访问 /dev/ttl0 和 /dev/hw4g0 来实现了。udev 规则的编写可以执行 man udev 获取。
附录
资料参考：