配置与准备

本章将带你完成 Raspberry Pi Zero 2 W（简称 Raspi-Zero）和 Raspberry Pi 5（简称 Raspi-5）的基础配置。内容涵盖硬件准备、操作系统安装、初始配置与测试，帮助你为后续的机器学习项目打下坚实基础。

Raspi-5 的通用配置方法同样适用于旧款 Raspberry Pi，如 Raspi-3 和 Raspi-4。

概述

Raspberry Pi 是一款功能强大且灵活的单板计算机，已成为各类工程师不可或缺的工具。由 Raspberry Pi 基金会 推出，这些小巧设备兼具低成本、高算力和丰富的 GPIO（通用输入输出）接口，非常适合原型开发、嵌入式系统设计及各类工程项目。

主要特性

• 计算能力强：体积虽小，但最新型号配备多核 ARM 处理器和最高 8 GB 内存，性能不俗。
• GPIO 接口丰富：40 针 GPIO 排针可直接连接各类传感器、执行器，便于软硬件协同开发。
• 连接性强：内置 Wi-Fi、蓝牙、以太网和多个 USB 接口，支持多种通信与联网场景。
• 底层硬件访问：支持 I2C、SPI、UART 等接口，便于与外部设备深度交互。
• 软实时能力：合理配置后可用于软实时应用，适合控制系统与信号处理。
• 能耗低：低功耗设计，尤其是 Pi Zero 系列，适合电池供电和节能场景。

本书涉及的 Raspberry Pi 型号

• Raspberry Pi Zero 2 W（Raspi-Zero）

  • 适用场景：紧凑型嵌入式系统
  • 主要参数：1 GHz 四核 ARM Cortex-A53，512 MB 内存，极低功耗

• Raspberry Pi 5（Raspi-5）

  • 适用场景：边缘计算、计算机视觉、边缘 AI（如 LLM）等高性能需求
  • 主要参数：2.4 GHz 四核 ARM Cortex-A76，最高 8 GB 内存，支持 PCIe 扩展

工程应用场景

• 嵌入式系统设计
• 物联网与网络设备开发（支持 MQTT、CoAP、HTTP/HTTPS 等协议）
• 控制系统（如 PID 控制、执行器接口）
• 计算机视觉与 AI（支持 OpenCV、TensorFlow Lite 等库）
• 数据采集与分析（实时数据采集与日志系统）
• 机器人控制与运动规划
• 信号处理（实时信号分析与滤波）
• 网络安全（VPN、防火墙、渗透测试等）

本教程将带你完成主流 Raspberry Pi 型号的配置，助你快速开启机器学习项目。内容聚焦硬件准备、操作系统安装与初始配置，重点为 ML 应用做好环境准备。

硬件简介

Raspberry Pi Zero 2 W

• 处理器：1 GHz 四核 64 位 ARM Cortex-A53
• 内存：512 MB SDRAM
• 无线：2.4 GHz 802.11 b/g/n 无线局域网，蓝牙 4.2，BLE
• 接口：Mini HDMI、micro USB OTG、CSI-2 摄像头接口
• 供电：5V（micro USB）

Raspberry Pi 5

• 处理器：
  • Pi 5：四核 64 位 ARM Cortex-A76 @ 2.4 GHz
  • Pi 4：四核 Cortex-A72 (ARM v8) 64 位 SoC @ 1.5 GHz
• 内存：2 GB、4 GB 或 8 GB（AI 推荐 8 GB）
• 无线：双频 802.11ac，无线蓝牙 5.0
• 接口：2 个 micro HDMI、2 个 USB 3.0、2 个 USB 2.0、CSI 摄像头、DSI 显示接口
• 供电：5V DC（USB-C，3A）

实验中会用 Raspi、Raspi-5、Raspi-Zero 等不同名称指代树莓派。若无特殊说明，Raspi 泛指所有型号通用的操作。

安装操作系统

操作系统简介

操作系统（OS）是管理计算机硬件与软件资源的基础软件，为应用程序提供标准服务。它是计算机运行的核心，负责内存、进程、驱动、文件与安全等管理。

• 主要功能：

  • 进程管理：分配 CPU 资源
  • 内存管理：动态分配与回收内存
  • 文件系统管理：组织文件与目录
  • 设备管理：与硬件设备通信
  • 用户界面：提供交互方式

• 核心组件：

  • 内核（Kernel）：硬件资源管理核心
  • Shell：用户与系统交互界面
  • 文件系统：数据存储与管理
  • 设备驱动：软硬件通信桥梁

Raspberry Pi 运行专为嵌入式优化的 Linux 发行版，通常为基于 Debian 的 Raspberry Pi OS（原 Raspbian），针对 ARM 架构和有限资源做了优化。

最新 Raspberry Pi OS 基于 Debian Bookworm 。

主要特性：

• 轻量高效，适配树莓派硬件
• 支持多种应用与编程语言
• 开源可定制，社区活跃
• 原生支持 GPIO，便于硬件交互
• 持续更新，安全性与性能不断提升

嵌入式 Linux 让树莓派成为从简单 IoT 到复杂边缘 ML 应用的理想平台，兼容标准 Linux 工具与库，开发与实验极为便利。

安装步骤

树莓派需通过 SD 卡启动操作系统。推荐使用 Raspberry Pi Imager 工具在 macOS、Windows 或 Linux 上下载并写入系统镜像，并可预设账号、WiFi、SSH 等参数。

操作步骤如下：

1. 下载 并安装 Raspberry Pi Imager。

2. 插入 microSD 卡（建议 32GB）。

3. 打开 Imager，选择你的树莓派型号。

4. 选择合适的操作系统：

   • Raspi-Zero 推荐选择 Raspberry Pi OS Lite (64-bit)。

     

     由于 Raspi-Zero 内存仅 512 MB，建议用 32 位系统。但如需运行 YOLOv8 等模型，建议用 64 位。为节省内存，选择无桌面的 LITE 版。

   • Raspi-5 可选完整 64 位桌面版 Raspberry Pi OS (64-bit)。

     

5. 选择 microSD 卡作为存储设备。

6. 点击 Next，再点齿轮图标进入高级选项。

7. 设置主机名、用户名与密码、WiFi、启用 SSH（非常重要）。

   

8. 写入镜像到 microSD 卡。

示例中主机名会因设备不同而变化，如 raspi、raspi-5、raspi-zero 等，请根据实际情况替换。

初始配置

1. 将 microSD 卡插入树莓派。
2. 连接电源启动。
3. 等待首次启动完成（需几分钟）。

常用 Linux 命令可参考 命令速查表 1 或 命令速查表 2 。

远程访问

SSH 远程登录

最便捷的方式是通过 SSH（无头模式）远程操作。可用终端（Mac/Linux）、 PuTTy （Windows）等工具。

1. 查找树莓派 IP 地址（可在路由器管理界面查看）。

2. 在电脑终端输入：

   ssh 用户名@[树莓派 IP 地址]
   

   若无 IP，可尝试：

   ssh 用户名@主机名.local
   

   例如：ssh [email protected]、ssh [email protected] 等。

   

   出现如下提示即表示已远程连接：

   mjrovai@rpi-5:~ $
   

   建议定期更新系统：

   sudo apt-get update
   sudo apt upgrade
   

   查询当前 IP：

   hostname -I
   

   

远程关机

切勿直接断电关机，以免数据丢失或 SD 卡损坏。请使用命令：

sudo shutdown -h now

关机后等待 LED 熄灭再断电，确保数据安全。

文件传输

可用 U 盘、终端（scp）、FTP 工具等方式在树莓派与主机间传文件。

使用 scp 协议

上传文件到树莓派

假设主机有 test.txt 文件，终端执行：

scp test.txt <用户名>@<树莓派IP>:~/

~/ 表示树莓派主目录。若需传到其他目录，需提前创建。

例如：

scp test.txt [email protected]:~/

登录树莓派后可用 ls 查看文件：

从树莓派下载文件

主机终端执行：

scp <用户名>@<树莓派IP>:myfile.txt .

例如：

树莓派上复制一份文件：

cp test.txt test_2.txt

主机下载：

scp [email protected]:test_2.txt .

使用 FTP 工具

可用 FileZilla 等 FTP 客户端，主机名填树莓派 IP：

sftp://192.168.4.210

输入用户名与密码，点击 Quickconnect，即可在左右窗口分别浏览主机与树莓派文件。

增加 SWAP 内存

htop 是跨平台进程与资源监控工具，可实时查看进程、CPU、内存等。安装后输入：

htop

Raspi-Zero 内存仅 512 MB，远低于 Raspi 4/5 的 2~8 GB。可通过增加 SWAP（交换分区）提升可用内存，便于运行如 YOLO 等大模型。

默认 SWAP 仅 100 MB，建议增至 2 GB。操作如下：

1. 关闭 swap：

   sudo dphys-swapfile swapoff
   

2. 编辑配置文件：

   sudo nano /etc/dphys-swapfile
   

   找到 CONF_SWAPSIZE，将默认值（如 200）改为 2000：

   CONF_SWAPSIZE=2000
   

   保存退出。

3. 重新启用 swap 并重启：

   sudo dphys-swapfile setup
   sudo dphys-swapfile swapon
   sudo reboot
   

重启后，htop 显示 swap 已接近 2 GB。

建议另开终端窗口运行 htop，便于持续监控。

安装摄像头

树莓派非常适合计算机视觉应用。可通过 USB 摄像头（需 OTG 转接）或 CSI 摄像头模块实现。

USB 摄像头画质通常不及 CSI 模块，且无法用 raspistill、raspivid 或 Python 的 picamera 控制。但如需多摄像头、长线缆或手头仅有 USB 摄像头时也可选用。

安装 USB 摄像头

1. 关机：

   sudo shutdown -h now
   

2. 连接 USB 摄像头（如 30fps，1280×720），本例以 Raspi-Zero 为例，其他型号同理。

   

3. 开机并 SSH 登录。

4. 检查摄像头识别情况：

   lsusb
   

   应能看到摄像头设备。

   

5. 拍摄测试照片：

   fswebcam test_image.jpg
   

   当前目录下生成 test_image.jpg。

   

6. 用 scp 或 FileZilla 将图片传回主机查看：

   scp [email protected]:~/test_image.jpg .
   

   替换用户名与主机名。

   

7. 若画质不佳，可调整分辨率（如 YOLO 推荐 640x640）：

   fswebcam -r 640x640 --no-banner test_image_yolo.jpg
   

   

   普通 USB 摄像头同样适用：

   

   用 lsusb 验证：

   

视频流推送

如需视频流（资源消耗较大），可安装 mjpg-streamer：

1. 安装 Git：

   sudo apt install git
   

2. 安装依赖、克隆仓库并编译：

   sudo apt install cmake libjpeg62-turbo-dev
   git clone https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer.git
   cd mjpg-streamer/mjpg-streamer-experimental
   make
   sudo make install
   

3. 启动视频流：

   mjpg_streamer -i "input_uvc.so" -o "output_http.so -w ./www"
   

4. 浏览器访问：

   http://<树莓派IP>:8080
   

   例如：http://192.168.4.210:8080

   或直接访问流：

   http://<树莓派IP>:8080/?action=stream
   

   

安装 CSI 摄像头模块

树莓派官方摄像头有多代产品，最新为 12MP Camera Module 3 。

5MP（Arducam OV5647）已停产，但第三方仍有销售：

8MP（Sony IMX219）为 v2 模块：

使用 CSI 摄像头需修改配置文件：

sudo nano /boot/firmware/config.txt

底部添加对应摄像头型号：

• 5MP OV5647:

  dtoverlay=ov5647,cam0
  

• 8MP IMX219:

  dtoverlay=imx219,cam0
  

保存并重启：

sudo reboot

重启后检测摄像头：

libcamera-hello --list-cameras

libcamera 是树莓派官方推荐的开源摄像头库，直接支持 ARM Linux 系统，减少了专有代码依赖。

拍摄一张 640×480 的 jpeg 测试图像：

rpicam-jpeg --output test_cli_camera.jpg --width 640 --height 480

用 ls -f 查看文件，再用 scp 下载查看：

远程访问桌面环境

如安装了完整桌面版 Raspberry Pi OS，可通过 VNC 远程访问图形界面，适合需要可视化操作的场景。配置步骤如下：

1. 启用 VNC 服务：

   • SSH 登录树莓派

   • 执行：

     sudo raspi-config
     

   • 选择 Interface Options，启用 VNC

     

     

     

2. 主机安装 VNC Viewer（如 RealVNC Viewer ）。

3. 查询树莓派 IP：

   hostname -I
   

   

4. 打开 VNC Viewer，输入 IP 与主机名，登录账号密码。

   

   

5. 成功后即可在主机上看到树莓派桌面。

   

6. 如需调整分辨率，可在桌面设置或 config.txt 中修改。推荐在桌面菜单（左上角树莓图标）选择最适合显示器的分辨率。

   

系统更新与软件安装

1. 更新系统：

   sudo apt update && sudo apt upgrade -y
   

2. 安装常用软件：

   sudo apt install python3-pip -y
   

3. 启用 pip（如遇权限问题）：

   sudo rm /usr/lib/python3.11/EXTERNALLY-MANAGED
   

不同型号的注意事项

Raspberry Pi Zero (Raspi-Zero)

• 性能有限，适合轻量级项目
• 推荐无头（SSH）模式节省资源
• 内存密集型任务建议增加 swap
• 可用于图像分类、目标检测实验，不适合 LLM（SLM）

Raspberry Pi 4/5（Raspi-4 或 Raspi-5）

• 性能强劲，适合 AI 与机器学习
• 可流畅运行桌面环境
• Raspi-4 适合图像分类与目标检测，不适合 LLM（SLM）
• Raspi-5 跑 LLM（SLM）建议加装主动散热器

请根据实际型号调整项目需求。Raspi-Zero 适合低功耗、空间受限场景，Raspi-4/5 更适合高算力任务。