第3章 让树莓派运行起来

 　　前面章节我们已经对树莓派进行了简单的介绍，使用树莓派作为机器人的控制系统是一个非常不错的选择，本章我们将进一步介绍如何安装、配置和使用树莓派，主要内容如下。

• 所需材料，介绍运行树莓派所需的软、硬件材料及其注意事项和建议。
• 安装操作系统，介绍一种安装树莓派官方操作系统Raspbian的方法。
• 登录树莓派，介绍在无显示器条件下使用SSH方式远程登陆树莓派的方法和技巧，包含启用SSH、WiFi配置、XShell使用等内容。
• 配置操作系统，介绍Raspbian系统的配置工具raspi-config，以及系统的语言和区域、默认语言环境等基本配置的配置方法。
• 升级软件包，介绍使用Raspbian系统的软件包管理工具apt进行系统升级的相关知识和技巧。
• 关机和重启，介绍几个关闭和重启树莓派的基本命令。

3.1 所需材料

3.1.1 硬件

• 树莓派3B+型主板
   　　树莓派3B+型主板是当前的最新版本，提供了最为丰富的功能，可以很方便的作为机器人的控制系统。
• 电源
   　　树莓派3B+型主板的额定电压为5V稳压直流电，额定电流为2.5A，可采用micro USB、GPIO和PoE三种方式供电，本章使用micro USB方式供电。在低负载运行的情况下，2A的电流也可以让树莓派正常运行，目前许多安卓智能手机的充电器（2A电流）都是可以使用的。当高负载运行时，我们应该使用能提供更大电流的电源，否则可能导致充电器过热甚至报废，也可能引起树莓派重启。另外，由于树莓派本身没有电源开关，为方便开关机，同时避免拔插电源线对树莓派造成损伤，建议使用带有开关的micro USB电源。
• MicroSD卡
   　　树莓派使用MicroSD卡安装系统和存储数据，对性能要求较高，因此建议选择大容量（16GB以上）的高速（Class10以上）的MicroSD卡。您还可以准备多一张MicroSD卡用于安装不同的操作系统。
• 读卡器（可选）
   　　如果您的计算机没有自带MicroSD卡读卡器，那么您需要准备一个，安装系统的时候需要用到。
• 网线（可选）
   　　用于将树莓派接入网络，由于树莓派3B+提供了千兆的以太网口，使用千兆超6类网线可能获得更快的网速。当然了，使用百兆的超5类网线也是可以的。
• 树莓派外壳（可选）
   　　树莓派本主板身是不带外壳的，主板外面裸露许多连接部件，当把接触到金属的时候非常容易发生短路，甚至造成损坏。所以，为树莓派配备一个合适的外壳进行保护是很有必要的。目前，市面上有很多类型的树莓派外壳，树莓派官方也出品有相应的外壳，您可以根据需要进行选择。

3.1.2 软件

• Raspbian Stretch Lite
   　　树莓派官网提供了NOOBS和Raspbian两个官方的操作系统镜像。NOOBS的全称为New Out Of Box System（全新开箱即用系统），实际上是一个图形化的操作系统安装工具，其中NOOBS自带完整版的Raspbian，而NOOBS Lite则仅仅是NOOBS本身，您只要在NOOBS中选择想要安装的系统，它就会自动下载安装。Raspbian才是树莓派官方真正的操作系统，基于Debian系统定制，官方提供了Raspbian Stretch with desktop and recommended software、Raspbian Stretch with desktop和Raspbian Stretch Lite三个版本的镜像，“Stretch”是Debian系统的版本代号，其中“Raspbian Stretch with desktop and recommended software”带有图形界面和一些推荐的应用软件，“Raspbian Stretch with desktop”仅提供图形界面，“Raspbian Stretch Lite”则仅提供命令行界面。由于NOOBS和系统安装包会占用一定的存储空间，且安装操作系统的时候需要外接显示器，因此NOOBS并不是最好的选择。另外，按照“简单”的原则，我们选择使用最为精简的Raspbian Stretch Lite版本，使用过程中再按需手工安装相应软件。
   　　下载地址：https://www.raspberrypi.org/downloads/

• Etcher
   　　Etcher是一款免费的U盘镜像制作工具，可以将镜像刻录到U盘，我们将用它将Raspbian系统安装到MicroSD卡上。类似的软件还有Win32 Disk Imager等，您可以根据习惯选择。
   　　下载地址：https://www.balena.io/etcher/

• SDFormatter（可选）
   　　SDFormatter是一个简单的SD卡修复工具，也是树莓派官网推荐的SD格式化工具。在安装树莓派后，您会发现MicroSD卡的容量与实际容量不符（只剩下很少的存储空间），如果你想恢复MicroSD卡的容量，就可以使用SDFormatter进行格式化。
   　　下载地址：https://www.sdcard.org/downloads/formatter_4/

• XShell
   　　XShell是一个强大的安全终端模拟软件，支持SSH1、SSH2、TELNET、Serial等多种协议，我们将用它远程登录树莓派。官方提供有免费版供个人和教育使用，相比专业版，免费版仅是限制最多只能打开四个标签页，但这并不影响我们的使用。与XShell类似的软件还有SecureCRT、Putty等，您可以根据习惯选择。
   　　下载地址：https://www.netsarang.com/en/

• Advanced IP Scanner（可选）
   　　Advanced IP Scanner是一个免费的网络扫描器，可以分析LAN，我们将用它来确定树莓派的IP地址。类似的网络扫描工具有很多，您也可以选择其他类似的工具。
   　　下载地址：http://www.advanced-ip-scanner.com/cn/

3.1 安装操作系统

 　　Raspbian系统的安装步骤如下：
 　　步骤 1： 将MicroSD卡插入到电脑上。
 　　步骤 2： 运行Etcher，点击“Select image”按钮选择要安装的系统镜像，选择要安装系统的驱动器，然后点击“Flash!”按钮开始安装系统，如图 3.1所示。整个过程大约需要几分钟的时间，请耐心等待。

图 3.1 安装操作系统

提示：

• Etcher通常能自动识别出要安装系统的驱动器，我们一般不需要进行额外设置。
• raspbian的镜像是一个zip格式的压缩文件，文件名一般为“发布时间-raspbian-stretch-lite.zip"，例如：2018-11-13-raspbian-stretch-lite.zip，Etcher支持直接使用zip格式压缩文件进行安装，所以我们不需要把镜像文件解压出来。
• 开始安装系统后，MicroSD卡原有的数据都会给格式化掉，因此我们应该非常谨慎。

 　　安装成功后，把MicroSD卡插入树莓派，同时给树莓派接上鼠标、键盘、显示器和电源，就可以和普通个人计算机一样使用。

3.2 登录树莓派（SSH方式）

 　　在使用树莓派时，尤其是作为机器人控制系统，很少会使用到显示器，更多是采用网络远程登录的方式。事实上，网络远程登录方式更为便捷，且几乎可以完成所有的工作。常见的远程登录树莓派的方法有SSH和VNC。其中，SSH是命令行界面的远程管理工具，也就是登录后只提供命令行界面，而VNC则是图形化的远程管理工具，提供图形化界面，前提是你的系统上安装了图形界面。以下是SSH方式登录树莓派的步骤和技巧：
 　　步骤 1： 开启SSH服务。将MicroSD卡插回计算机，在MicroSD卡的根目录下（也就是树莓派的/boot目录）新建一个空白的文件，并命名为ssh，注意文件名不要带有后缀。
 　　步骤 2： 接入网络。有线方式接入网络，仅需要用网线将树莓派和交换机（路由器）连接起来即可。若想在没有显示器的情况下通过WiFi接入网络，则可以通过在MicroSD卡的根目录下新建一个名为wpa_supplicant.conf的配置文件来实现，配置文件内容参考以下格式填写。

ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev  
update_config=1  
  
network={  
ssid="WiFi名称"  
psk="WiFi密码"  
key_mgmt=WPA-PSK  
priority=1  
scan_ssid=1  
}

 　　配置文件的前两行为固定写法，不需要改动。network字段的内容应根据WiFi的实际设置修改，配置文件中可以有多个network配置表示连接不同的WiFi。其中，ssid为WiFi名称；psk为WiFi密码；key_mgmt为WiFi加密方式；priority为WiFi连接优先级，为非负数，数字越大优先级越高；scan_ssid用于设置是否连接到隐藏ssid的WiFi，其值为1时表示连接。以下是几个常见的network配置：

• 连接没有密码的WiFi：

network={  
ssid="WiFi名称"  
key_mgmt=NONE  
}  

• 连接使用WEP加密的WiFi：

network={  
ssid="WiFi名称"  
key_mgmt=NONE  
wep_key0="wifi密码"  
}  

• 连接使用WPA/WPA2加密的WiFi

network={  
ssid="WiFi名称"  
key_mgmt=WPA-PSK  
psk="wifi密码"  
}  

 　　完成以上步骤后，就可以将MicroSD卡插回树莓派，接上电源启动树莓派。

提示：

• 建议尽量采用WiFi方式接入网络，这样可以减少树莓派的接线数量，增加灵活性，便于今后的使用。
• 不要同时使用有线和WIFi方式连接网络，很可能会造成你的树莓派无法访问。

 　　步骤 3： 确定IP地址。在没有显示器的情况下，我们很可能不知道树莓派的IP地址，而远程登陆到树莓派首先需要知道树莓派的IP地址，以下是两个解决这个问题的技巧。

• 网络扫描法
   　　如图3.2所示，运行Advanced IP Scanner设置要扫描的地址范围，软件会自动识别出您的电脑所在的网段，您也可以根据实际修改，然后点击扫描（Scan）开始扫描，根据网络的规模和速率的不同，扫描的时间也会有所不同。扫描结束后，我们从结果中要到制造商（Manufacturer）为“Raspberry Pi Foundation”就是您的树莓派的网络信息，从中可以找到树莓派的IP地址。
  

  图 3.2 获取树莓派网络信息

• 路由器查询法（DHCP）
   　　在局域网中，IP地址一般由DHCP服务器负责管理，对于家庭或中小型企业的局域网，DHCP服务器的功能通常由路由器承担。如果您拥有路由器的管理权限，那么可以登陆路由器管理界面查找树莓派的IP地址。树莓派Raspbian系统的默认主机名是raspberrypi，您只要在路由器里面找到该主机名对应IP地址即可，不同路由器的管理界面大同小异，请根据您的路由器说明书操作。

提示：
 　　路由器为树莓派动态分配的地址是有租期的，租期一到，树莓派的IP地址很可能会改变，因此不便于我们以后的使用。如果路由器具备管理功能，建议在路由器上把树莓派的MAC地址和IP地址绑定在一起，确保同一台树莓派的IP地址永远不会改变（即使更换了操作系统），让我们既能享受自动分配IP地址的方便，又能保证IP地址是固定的，方便今后的各种网络连接操作。

 　　步骤 4： 登录树莓派。如图3.3所示，运行XShell，新建一个会话（Sessions），并按图3.4填写连接（Connection）和用户身份验证（Authentication）。其中，名称（Name）字段为会话名称，可任意填写；主机（Host）字段为树莓派的IP地址，请根据实际填写；用户名（User Name）字段为树莓派的用户名，第一次登录树莓派使用pi用户即可，今后您可以根据实际新建其它的用户登录；密码（Password）为pi用户的密码，默认为raspberry。

图 3.3 XShell 新建会话（Session）
图 3.4 SSH登录配置信息

 　　XShell登录树莓派后的界面如图3.5所示，这是一个典型的Linux命令行界面，我们可以在这里使用各种命令来控制树莓派。

图 3.5 XShell登录树莓派

3.3 配置操作系统

 　　为了更好的使用树莓派，建议在第一次登录树莓派后进行一些基本的配置。Raspbian系统自带一个叫raspi-config的系统配置工具，可以对树莓派的CPU频率、内存分配、网络、接口等众多项目进行配置。
 　　运行raspi-config需要root权限，可以在终端输入以下命令运行。

sudo raspi-config  

 　　raspi-config的界面如图3.6所示。这个界面操作比较简单，用键盘上的上、下键进行菜单项目的选择，左右键进行确定和取消等按钮的选择，回车键进入，Esc键取消返回，空格键选定选项，改完后选择Finish退出（可能会重启）。

图 3.6 raspi-config

提示：

• 其他Linux系统一样，在Raspbian系统的命令行下仅需要输入命令、目录或文件的前几个字符，然后按Tab键就能自动补全，如有相重的，再按一下Tab键，系统会列出当前目录下所有以这几个字符开头的名字。例如：输入“raspi-”，再按Tab键，就能自动补全为“raspi-config”，而输入“raspi”，再按两下Tab键，则会列出以raspi为开头的命令。这种命令行自动补全的功能非常方便，极大的提升了输入命令的效率。
• sudo命令表示以系统管理员身份执行指令。例如：运行raspi-config需要管理员权限，而登录树莓派的pi用户是一个普通的用户，所以我们需要输入“sudo raspi-config”。这是Linux系统下一个非常常用的方法，后继章节中我们还会不断用到。

 　　Raspbian系统的语言、时区等国际化选项（Internationalisation Options）的默认值均为英国，为了适应本地化的需要，我们在这里重点介绍如何使用raspi-config设置语言和时区，让树莓派更好的支持中文，其余配置将在今后使用到的时候再进行介绍。

• 语言和区域设置
   　　运行raspi-config，进入Localisation Options->I1 Change Locale添加支持语言，如图3.7所示，用上下键和空格去掉“en_GB.UTF-8 UTF-8”，添加以下5项：

en_US.UTF-8 UTF-8
zh_CN GB2312
zh_CN.GB18030 GB18030
zh_CN.GBK GBK
zh_CN.UTF-8 UTF-8

图 3.7 添加支持语言

 　　添加完成后回车确认，在出现的菜单选择en_US.UTF-8为默认值并回车确认，如图3.8所示。

图 3.8 设置默认语言环境

 　　最后，退出raspi-config并运行以下命令重启系统，让设置生效。

sudo reboot  

提示：
在Raspbian系统中，并非所有的软件都能很好的支持中文，所以我们还是把系统的默认语言环境设置为en_US.UTF-8。

• 设置时区
   　　Raspbian系统的默认时区为格林威治时间 (GMT)，要比北京时间慢8小时。进入Localisation Options->I2 Change Timezone，选择Asia(亚洲)再选择shanghai(上海)即可更正时间问题。

3.4 升级软件包

 　　Raspbian系统默认安装的软件比较旧，安装完系统后，建议首先进行升级。Raspbian系统使用apt(Advanced Packaging Tool)管理软件包，可以使用apt命令升级软件，升级的速度受apt源的影响比较大，默认使用的apt源由树莓派基金会提供，服务器在国外，速度比较慢，因此建议先修改apt的配置文件，将apt源更换为国内的镜像以提高升级速度。
 　　Raspbian系统有两个apt源的配置文件，分别是 /etc/apt/sources.list 和 /etc/apt/sources.d/raspi.list。其中，/etc/apt/sources.list是Raspbian系统apt源的配置文件，包含了大部分的软件。/etc/apt/sources.list.d/raspi.list是树莓派基apt源的配置文件，由树莓派基金会单独提供维护，仅包含raspi-config、minecraftpi、树莓派桌面环境、内核固件驱动等少量软件，国内目前只有清华大学和中国科技大学提供有该apt源的镜像，且不是很稳定。因此，这里我们仅对/etc/apt/sources.list进行修改。
 　　已更换Raspbian系统apt源为例，首先使用管理员权限编辑/etc/apt/sources.list文件，参考命令行为：

sudo nano /etc/apt/sources.list  

 　　其次，如图3.9所示，使用#注释掉原来的内容，并更换相应的配置。

图 3.9 更换Raspbian系统apt源

 　　最后，使用 Ctrl+O 回车保存文件后，Ctrl+X 退出编辑器。

提示：
以下为国内主流的Raspbian系统apt源镜像（/etc/apt/sources.list）：
中国科技大学 http://mirrors.ustc.edu.cn/raspbian/raspbian/
清华大学 https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/
大连东软 http://mirrors.neusoft.edu.cn/raspbian/raspbian/
重庆大学 http://mirrors.cqu.edu.cn/raspbian/raspbian/
浙江大学 http://mirrors.zju.edu.cn/raspbian/raspbian/
阿里云 http://mirrors.aliyun.com/raspbian/raspbian/
搜狐 http://mirrors.sohu.com/raspbian/raspbian/

以下为国内主要的树莓派apt源镜像（/etc/apt/sources.list.d/raspi.list）：
中国科技大学 https://mirrors.ustc.edu.cn/archive.raspberrypi.org/
清华大学 https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspberrypi/

 　　修改完后，依次执行以下命令就可以完成升级，升级过程一般需要几十分钟甚至几个小时才能完成，请耐心等待。

sudo apt update # 更新apt源  
sudo apt upgrade # 更新已安装的软件包  
sudo apt dist-upgrade # 升级系统  

3.5 关机和重启

 　　树莓派本身没有开关机按钮，但我们不建议直接拔插电源来关机或重启，而是使用以下方法。

• 关机可以使用以下任一条命令：

sudo shutdown -P now  
sudo halt  
sudo poweroff  

• 重启可以使用以下任一条命令：

sudo reboot  
sudo shutdown -r now  

3.6 本章小结

 　　本章首先介绍了运行树莓派所需的硬件和软件，其次介绍了安装Raspbian系统的方法，然后介绍了在没有显示器的条件下采用ssh方式登录树莓派的方法和技巧，简单介绍了配置Raspbian系统的基本知识，讨论了升级Raspbian系统的方法，最后介绍了关机和重新系统的几个基本命令。