Python“库”在树莓派中的应用解析

一、何谓Python语言的“库”？

与其它编程语言类似，Python语言中也提供有内置的或用户可自定义编写的“函数”（Function），即能够完成某具体功能的一段程序代码，可在程序中通过参数调用和返回值来使用函数；在Python中，“模块”（Module）则是包含对象定义和可执行代码的Python源文件（扩展名为py），在模块内可以定义变量和函数，它相当于规模更大的“函数”群；比模块更为强大的是“库”（Library），它是Python的特色之一，是具有相关联功能的模块集合，包括标准库和第三方扩展库，可用于文件读写、网络抓取和解析、数据计算和统计分析、图像和视频处理、数据可视化和交互学习等，功能非常强大。

Python的标准库不需要安装，只要通过import命令导入程序中即可调用，比如os模块库提供了与操作系统交互的函数，编写程序时可以在源文件开始部分写入“importos”语句进行整体导入。Python标准库的具体内容可到其官网进行查看，比如3版本系列的官网标准库对应的地址是https://docs.python.org/3/library/index.html。另外，常见的使用方法还有部分导入，比如用于访问互联网及处理网络通信协议的urllib.request，可使用语句“from urllib.requestimport urlopen”来进行urllib.request中urlopen（类）的导入。Python的第三方扩展库必须要先进行安装及配置才能使用，比如NumPy库为Python提供了很多高级的数学方法，SciPy库则是Python的算法和数学工具库，而BeautifulSoup库提供了对xml和html的解析（一般用于编写爬虫程序）等等。第三方扩展库的导入方法同标准库完全一样，比如“from bs4 import BeautifulSoup”。无论是Python标准库还是第三方扩展库，我们用户都不必关心其内部编程结构及算法是如何实现的，只需按照其语法规则（包括变量名）来调用并完成相关功能即可。

值得一提的是，在Python的命令行模式中可以通过“dir”命令简单地查看库模块信息，以“os”为例：首先打开CMD窗口输入“pyhton”回车，在“>>>”Python命令提示符后输入“dir(‘os’)”，回车后就会显示os的属性；如果想更详细地查看其属性，输入“help(‘os’)”命令来进行查看——按空格键可向下翻页（如图1所示）。

图1

二、Python第三方扩展库的杰出代表：GPIOZERO库

在树莓派中使用Python语言进行编程开发的过程中，自然少不了对GPIO（General Purpose Input/Output）通用型输入输出引脚的控制。最初，大家都是引用RPi.GPIO库来进行编程——RPi.GPIO库允许用户使用代码来控制树莓派的GPIO引脚，功能非常强大，以至于在很多Python程序的开头部分都能看到“import RPi.GPIO as GPIO”（以GPIO为名导入RPi.GPIO库）引用语句。

以GPIOZERO库为例，它是构建于RPi.GPIO库之上的“前端语言包装器”，面向Python的最初级用户，代码十分精简且更通俗易懂。与RPi.GPIO库相比，GPIOZERO库并不要求用户使用语句进行引脚模式的设置（默认即为BCM编码模式），对各引脚的控制模块均遵循“易读、尽可能短”的引用原则，比如以下三行代码即可实现点亮一只LED灯的功能：

from gpiozeroimport LED

led = LED(27)

led.on()

第一行代码的作用是导入GPIOZERO库的LED类模块，第二行代码是将BCM编码为27（物理引脚BOARD编码为13）的引脚赋值给变量led，第三行代码是设置该引脚为“打开”状态（高电平）。

GPIOZERO库的安装比较简单，首先在Windows的远程桌面连接中登录树莓派，接着点击运行“LX终端”并且在“pi@raspberrypi:~$”命令提示符后输入“sudo apt update”命令，其作用是更新存储列表，完成后会提示“所有软件包均为最新”；接着，再输入命令“sudo apt install python-gpiozero”进行GPIOZERO库的安装，完成后会提示“python-gpiozero已经是最新版”（如图2所示）。

图2

如果不习惯使用命令行操作的话，我们还可以在本地已经安装好的Python编辑器（比如PyCharm）中进行安装，具体步骤为：首先打开PyCharm，点击执行“File”-“Settings”菜单命令，在弹出的Settings设置窗口的左侧点击“Project:1_1code_of_video”-“Project Interpreter”项；接着点击右侧上方的小加号图标，在弹出“AvailablePackages”（获取包）窗口搜索框内输入待安装的第三方扩展库名称“GPIOZERO”，PyCharm就会显示出该项的多个下载源，点击选中后再点击左下角的“InstallPackage”（安装包）按钮，安装结束后就会有“Package ‘gpiozero’ installedsuccessfully”的成功提示（如图3所示）。

图3

三、应用GPIOZERO库简单快速实现三种LED灯光效果

准备一只LED灯和两根母对母杜邦线，将红色杜邦线一端连接LED灯长脚（正极），另一端连接树莓派11号物理引脚——BCM编码为17；白色杜邦线一端连接LED灯短脚（负极），另一端连接树莓派39号物理引脚（GND接地端）。闪烁灯和呼吸灯的硬件连接准备工作便完成，按钮灯需要再使用一只按钮和两根母对母杜邦线，将其VCC（电源端）、OUT（输出端）分别接至树莓派3号（BCM编码为2）和6号物理引脚。在本地的Windows环境中使用PyCharm新建三个Python文件，分别命名为Sparkle_LED.py、Breath_LED.py和Button_LED.py，对应于闪烁灯、呼吸灯和按钮灯程序（内容如下），保存后通过远程桌面程序复制粘贴到树莓派系统的home/pi文件夹中。

1.实现闪烁灯效果的Python程序：Sparkle_LED.py

双击home/pi/Sparkle_LED.py文件，调用Thonny Python IDE打开，其有效执行代码共8行（加2行库导入语句），如下：

from gpiozeroimport LED

from time importsleep

red = LED(17)

while True:

    red.on()

    sleep(0.2)

    red.off()

    sleep(0.2)

解析：第一行“fromgpiozero import LED”是从GPIOZERO库中导入类LED，第二行“from time import sleep”是从TIME库中导入类sleep；第三行“red= LED(17)”是将BCM编码为17的LED灯的引脚赋值给变量red；接下来就是一个循环，条件永远为真（True），“red.on()”是控制LED灯发光，而“red.off()”则是控制其熄灭，后面各接一条“sleep(0.2)”语句的作用是等待0.2秒。

点击“Run”运行按钮执行该程序，红色LED灯就开始闪烁起来：亮0.2秒、灭0.2秒，再亮0.2秒、灭0.2秒……（如图4所示）。

图4

2.实现呼吸灯效果的Python程序：Breath_LED.py

打开home/pi/Breath_LED.py文件，有效执行代码共5行（加2行库导入语句），如下：

from gpiozeroimport PWMLED

from signal importpause

led = PWMLED(17)

led.pulse()

pause()

解析：与闪烁灯程序类似，第一行“from gpiozero import PWMLED”是从GPIOZERO库中导入类PWMLED，第二行“from signal import pause”是从signal库中导入类pause；第三行“led = PWMLED(17)”将PWM（脉冲宽度调制）赋值给变量led，结合第四行“led.pulse()”就相当于连续地进行淡入和淡出值的设置，最后一行“pause()”的作用是暂停。

点击“Run”运行按钮执行该程序，红色LED灯的亮度就会非常均匀地开始逐渐从暗变亮、再从亮变暗，然后一直这样“呼吸”起来……（如图5所示）。

图5

3.实现按钮灯效果的Python程序：Button_LED.py

打开home/pi/Button_LED.py文件，有效执行代码共7行（加2行库导入语句），如下：

from gpiozeroimport Button,LED

from signal importpause

led = LED(17)

button = Button(2)

button.when_pressed= led.on

button.when_released= led.off

pause()

解析：与上面两种灯光效果的程序类似，不同之处在于：一个是在第四行“button = Button(2)”，作用是将连接在BCM编码为2引脚的按钮赋值给变量button来控制；第二个是第五行“button.when_pressed = led.on”，作用是当检测到按钮被按下（Press）时控制LED灯发光（led.on）；第三个是第六行“button.when_released = led.off”，作用是当检测到按钮被松开（Release）时控制LED灯熄灭（led.off）。

点击“Run”运行按钮执行该程序，LED灯先是处于熄灭状态；当按下按钮时，LED灯发光；当松开按钮时，LED灯熄灭（如图6所示）。

图6