基于单板计算机的Python开发入门：简单项目实践与代码示例

在物联网与边缘计算兴起的今天，单板计算机(如树莓派、Jetson Nano等)凭借其低功耗、高集成度的特性，成为开发者探索硬件编程的理想平台。而Python凭借其简洁的语法和丰富的库支持，成为单板计算机开发的首选语言。本文将通过三个从入门到进阶的实践项目，带你快速掌握基于单板计算机的Python开发技巧。

一、环境感知小助手：温湿度监测系统

项目背景

在智能家居或农业大棚场景中，实时监测环境温湿度是基础需求。本项目使用DHT11温湿度传感器与树莓派，通过Python读取传感器数据并显示在LCD屏幕上，同时将数据上传至云端进行可视化分析。

硬件准备

树莓派4B(或其他单板计算机)

DHT11温湿度传感器

1602 LCD显示屏(I2C接口)

面包板与杜邦线

代码实现

# 安装依赖库

# sudo apt-get install python3-pip

# pip3 install Adafruit_DHT smbus RPi.GPIO

import Adafruit_DHT

import smbus

import time

from RPi import GPIO

# 初始化DHT11传感器（GPIO4引脚）

sensor = Adafruit_DHT.DHT11

pin = 4

# 初始化I2C LCD（地址0x27）

bus = smbus.SMBus(1)

LCD_ADDR = 0x27

def read_sensor():

humidity, temperature = Adafruit_DHT.read_retry(sensor, pin)

if humidity is not None and temperature is not None:

return round(temperature, 1), round(humidity, 1)

return None, None

def display_lcd(temp, hum):

# 实际项目中需根据LCD驱动协议实现显示逻辑

# 此处简化为打印到终端

print(f"温度: {temp}℃ | 湿度: {hum}%")

try:

while True:

temp, hum = read_sensor()

if temp is not None:

display_lcd(temp, hum)

# 实际项目可添加MQTT上传代码

# mqtt_publish(temp, hum)

time.sleep(2)

except KeyboardInterrupt:

print("程序终止")

关键点解析

传感器驱动：Adafruit_DHT库封装了传感器通信协议，read_retry方法会自动重试失败读取

I2C通信：通过smbus库与LCD进行字节级通信，需根据具体显示屏型号调整地址与指令集

异常处理：传感器可能因接触不良返回None，需添加判断避免程序崩溃

扩展功能

添加蜂鸣器报警：当温湿度超出阈值时触发

集成MQTT协议：将数据上传至阿里云/腾讯云IoT平台

制作Web仪表盘：使用Flask框架搭建本地监控页面

二、智能安防卫士：人体感应报警器

项目背景

家庭安防场景中，低成本的人体感应方案需求旺盛。本项目使用HC-SR501红外传感器与树莓派，检测到人体移动时触发摄像头拍照，并将照片发送至邮箱。

硬件准备

HC-SR501红外传感器

USB摄像头

树莓派(需安装picamera库)

代码实现

# 安装依赖库

# pip3 install picamera yagmail

import RPi.GPIO as GPIO

import time

import picamera

import yagmail

# 初始化GPIO（BCM编号模式）

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

PIR_PIN = 17

GPIO.setup(PIR_PIN, GPIO.IN)

# 邮箱配置（需开启SMTP服务）

yag = yagmail.SMTP('your_email@gmail.com', 'your_password')

def capture_image():

with picamera.PiCamera() as camera:

camera.resolution = (640, 480)

timestamp = time.strftime("%Y%m%d-%H%M%S")

filename = f"/home/pi/alert_{timestamp}.jpg"

camera.capture(filename)

return filename

try:

print("等待人体感应...（Ctrl+C退出）")

while True:

if GPIO.input(PIR_PIN):

print("检测到人体移动！")

img_path = capture_image()

# 发送带附件的邮件

yag.send('recipient@example.com', '安防警报', '检测到异常移动！', [img_path])

time.sleep(10) # 防重复触发

except KeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()

print("程序已停止")

关键点解析

传感器特性：HC-SR501输出数字信号，高电平表示检测到人体，需调整延时与灵敏度电位器

摄像头操作：picamera库专为树莓派摄像头设计，支持分辨率、曝光等参数调整

邮件发送：yagmail库简化了SMTP配置，实际使用时需开启邮箱的"允许不够安全的应用"选项

安全优化

添加密码保护：通过Flask制作Web登录界面

双重验证：结合门窗传感器实现多条件触发

加密传输：使用SSL加密邮件内容

三、自动化种植管家：植物浇水系统

项目背景

精准农业场景中，自动化灌溉可节约水资源30%以上。本项目使用土壤湿度传感器与继电器模块，构建闭环控制系统，根据土壤湿度自动启停水泵。

硬件准备

土壤湿度传感器(模拟输出型)

5V继电器模块

小型水泵

树莓派

代码实现

# 安装依赖库

# pip3 install RPi.GPIO

import RPi.GPIO as GPIO

import time

# 引脚定义

SOIL_PIN = 0 # 使用ADC芯片时对应的通道

RELAY_PIN = 21

THRESHOLD = 300 # 土壤湿度阈值（需根据实际校准）

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(RELAY_PIN, GPIO.OUT)

# 模拟读取土壤湿度（实际项目需连接ADC芯片）

def read_soil_moisture():

# 此处简化为随机值模拟，实际应读取ADC转换结果

import random

return random.randint(200, 800)

def control_pump(moisture):

if moisture < THRESHOLD:

print("土壤过干，启动水泵")

GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.HIGH)

else:

print("土壤湿度正常，停止水泵")

GPIO.output(RELAY_PIN, GPIO.LOW)

try:

while True:

moisture = read_soil_moisture()

print(f"当前土壤湿度: {moisture}")

control_pump(moisture)

time.sleep(5)

except KeyboardInterrupt:

GPIO.cleanup()

关键点解析

模拟信号处理：土壤传感器输出0-3.3V模拟信号，需通过ADS1115等ADC芯片转换为数字量

继电器控制：树莓派GPIO输出电流较小，需通过继电器驱动水泵等大功率设备

PID控制(进阶)：可引入PID算法实现更精准的湿度控制，避免水泵频繁启停

硬件连接图

1土壤传感器 → ADC芯片 → 树莓派GPIO → 继电器 → 水泵

开发建议

虚拟环境管理：使用venv创建隔离的Python环境，避免库版本冲突

日志记录：添加logging模块记录系统运行状态，便于故障排查

远程调试：通过SSH或VNC连接树莓派，实现无线开发

性能优化：对于实时性要求高的项目，可考虑使用Cython加速关键代码

从温湿度监测到智能安防，再到自动化种植，这三个项目覆盖了单板计算机Python开发的典型场景。通过实践这些案例，你将掌握GPIO控制、传感器数据采集、网络通信等核心技能，为开发更复杂的物联网应用打下坚实基础。现在，不妨选择一个项目开始动手实践吧!