Java 學習之路
Java Embedded （7）Raspberry Pi GPIO 的基礎應用與實作（上）
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Java Embedded（6）認識 Raspberry Pi 的 GPIO << 前情 7-1 認識GPIO的針腳與應用Raspberry Pi的GPIO每一個針腳都提供不同的用途，Model B有26個針腳，Model B+與Pi 2 Model B有40個針腳，有提供電源和其它的應用，可以分為四類：
Raspberry Pi這類單板電腦，跟一般個人電腦在應用上最大的差異，就是可以連接各種需要的設備與零件到GPIO，撰寫程式碼讀取需要的資訊與控制設備。像這個用來偵測物體距離的超音波感應器（左側），還有用來控制機器人或其它裝置的伺服馬達（右側），這兩種設備可以連接到Raspberry Pi GPIO的一般用途針腳：
這兩個設備連接到GPIO的I²C針腳，是可以用來讀取氣溫的感應器（左側），還有讀取環境光源亮度與物體接近的感應器（右側）：
這個長得像IC的零件，用途是把類比訊號轉換為數位訊號，它會連接到GPIO的SPI針腳。因為Raspberry Pi的GPIO只能傳送與接收數位的訊號，目前仍有很多設備傳送與接收類比訊號，如果需要讀取設備傳送的類比訊號，就需要這類零件執行轉換的工作，例如某些溫、濕度感應器：
瞭解Raspbeery Pi提供的GPIO針腳以後，目前會先討論電源和一般用途這兩種針腳的應用與實作，完成這一篇討論的內容後，你就可以使用程式控制LED。 7-2 WiringPi與Pi4J在一般個人電腦上運作的應用程式，可以讀取鍵盤、滑鼠和一般設備的輸入資訊，也可以控制螢幕的顯示，使用圖形使用者介面提供使用者操作的功能。像Raspberry Pi這類單板電腦，與個人電腦最大的差異，就是提供一些輸出與輸入的介面，讓應用程式控制連接到電腦的設備，也可以讀取設備傳輸的資訊，例如控制伺服馬達（Servo Motor）的運轉，或是讀取感應器傳輸的氣溫資訊。 在Raspberry Pi上運作的應用程式，需要透過GPIO針腳與各種的設備與零件互動，就需要特別的程式庫，而且通常是採用C語言撰寫的。Raspberry Pi有一套很常見的GPIO程式庫「WiringPi」，WiringPi是由一位在英格蘭的Gordon Henderson使用C語言撰寫的，採用GNU LGPLv3授權、http://www.gnu.org/licenses/lgpl.html。WiringPi的網站是http://wiringpi.com/。 Java技術需要透過JNI與使用C語言撰寫的程式庫互動，目前Raspberry Pi有一套Pi4J程式庫，可以讓你直接使用Java程式語言，透過WiringPi與GPIO執行互動。Pi4J是目前最常用的Java GPIO類別庫，由Robert Savage與Chris Walzl開發，他們也為這個專案申請一個網域名稱，官方網站是http://pi4j.com/。 Pi4J在2015/04/18發表1.0正式版本。從之前的0.0.5版本，就已經有很多人使用它來開發一些專案。目前支援與提供的功能都非常穩定。Pi4J有這些主要的功能與特性：
Java應用程式使用Pi4J的Java類別庫，用法就跟一般的Java類別庫一樣，可以很方便的使用Java技術，開發控制各種硬體設備的應用程式。這是Java應用程式、Pi4J類別庫與WiringPi程式庫的架構圖型：
Pi4J採用WiringPi為控制GPIO的底層程式庫，WiringPi另外為Raspberry Pi的針腳編製一組編號，從GPIO00到GPIO17，可以控制18個針腳，在板子上看到的這一組GPIO針腳編號是「P1」，在Raspberry Pi Model B Revision 2的板子上，多了一組編號為「P5的針腳」，額外提供電源與四個GPIO針腳，不過這一組針腳只是八個電路板上的洞，還要自已焊接針腳才可以使用。所以Revision 2多了GPIO28到GPIO31四個針腳：
不同的技術採用的GPIO針腳編號會不太一樣，以針腳編號12來說，一般會採用GPIO18的編號，不過WiringPi把它定義為GPIO_00，在使用Pi4J開發應用程式的時候要特別留意。這個圖型是完成的針腳對照表，接下來使用的是Pi4J欄位的編號：
Raspberry Pi Model B Rev 2、Model B+與Raspberry Pi 2 Model B，都有40個針腳。Pi4J 1.0都有完整的支援：
7-3 在工作電腦與Raspberry Pi安裝Pi4J開始撰寫控制GPIO的應用程式，就會使用到Pi4J提供的類別庫，因為通常還是會在一般的個人電腦執行開發的工作，所以還是需要在工作的電腦下載Pi4J類別庫。依照下列的步驟設定工作電腦的開發環境：
撰寫好的應用程式在Raspberry Pi運作的時候，也需要用到Pi4J提供的類別庫，Pi4J準備好一個Linux的套件，裡面已經包含WiringPi程式庫。接下來為Raspberry Pi下載與安裝Pi4J套件：
7-4 第一個GPIO應用程式在開始撰寫程式之前，先瞭解目前要完成的工作，把需要的零件連接好。這個範例程式在執行以後，可以點亮連接好的LED，經過三秒以後，關閉LED並結束應用程式。這個範例需要這些零件：
你可以選擇其它針腳來控制LED，不過現在先使用針腳編號12，也就是Pi4J的GPIO_00。依照下面的線路圖，連接好所有需要的零件，建議在連接線路之前，先關閉Raspberry Pi的電源：
現在可以開始撰寫第一個控制GPIO的Java應用程式，依照下面的步驟完成撰寫程式的工作：
把「MyGPIO.java」改為下面的程式碼： package mygpio;
import com.pi4j.io.gpio.GpioController;
import com.pi4j.io.gpio.GpioFactory;
import com.pi4j.io.gpio.GpioPinDigitalOutput;
import com.pi4j.io.gpio.PinState;
import com.pi4j.io.gpio.RaspiPin;
public class MyGPIO {
public static void main(String[] args) {
// 建立GPIO控制物件
final GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();
// 建立控制GPIO_01輸出的物件
final GpioPinDigitalOutput pin = gpio.provisionDigitalOutputPin(
RaspiPin.GPIO_01, "My LED", PinState.LOW);
System.out.println("LED ON...");
// 設定GPIO_01的狀態，設定為true表示這個針腳會輸出3.3V的電壓
pin.setState(true);
delay(3000);
System.out.println("LED OFF...");
// 設定GPIO_01的狀態，設定為fasle表示這個針腳不會輸出電壓
pin.setState(false);
System.out.println("Bye...");
// 最後記的要關閉GPIO
gpio.shutdown();
}
private static void delay(int ms) {
try {
Thread.sleep(ms);
}
catch (InterruptedException e) {
System.out.println(e.toString());
}
}
}
儲存程式碼以後，在專案目錄上按滑鼠右鍵選擇「Clean and Build」，NetBeans會幫你編譯並包裝好這個應用程式。接下來啟動Raspberry Pi電源，開機完成後，依照下列的步驟，為這個加入專案遠端執行的設定：
完成這個專案的遠端執行設定以後，在專案名稱「MyGPIO」上按滑鼠右鍵選擇「Run」，NetBeans自動把應用程式上傳到Raspberry Pi並執行。執行以後會看到下面的錯誤訊息： wiringPiSetup: Unable to open /dev/mem: Permission denied
Exception in thread "main"
java.lang.RuntimeException: Unable to open GPIO direction interface for pin [11]: Permission denied
at com.pi4j.wiringpi.GpioUtil.export(Native Method)
at com.pi4j.io.gpio.RaspiGpioProvider.export(RaspiGpioProvider.java:67)
at com.pi4j.io.gpio.impl.GpioPinImpl.export(GpioPinImpl.java:165)
at com.pi4j.io.gpio.impl.GpioControllerImpl.provisionPin(GpioControllerImpl.java:520)
at com.pi4j.io.gpio.impl.GpioControllerImpl.provisionDigitalOutputPin(GpioControllerImpl.java:645)
at com.pi4j.io.gpio.impl.GpioControllerImpl.provisionDigitalOutputPin(GpioControllerImpl.java:672)
at com.pi4j.io.gpio.impl.GpioControllerImpl.provisionDigitalOutputPin(GpioControllerImpl.java:684)
at pi4jdemo.Pi4JDemo.main(Pi4JDemo.java:14)
之前討論的內容也是採用這樣的作法，在遠端執行應用程式，不過現在卻出現一些錯誤訊息，LED當然也沒有被程式點亮。這是因為這個應用程式執行以後，需要控制Raspberry Pi的硬體設備，所以需要系統管理員的權限。你可以在登入Raspberry Pi以後，試著執行已經上傳的應用程式： cd /home/pi/NetBeansProjects/MyGPIO/dist java -jar MyGPIO.jar 執行程式以後會看到同樣的錯誤訊息。再試著使用下列的指令執行應用程式： sudo java -jar MyGPIO.jar 執行程式以後就會正確的點亮LED，三秒鐘後關閉LED並結束應用程式。所以在執行這類應用程式的時候，必須在最前面加上「sudo」以管理員的權限執行。 瞭解執行GPIO應用程式的作法以後，再回來執行NetBeans的相關設定。先看看你的NetBeans視窗標題顯示的版本，如果還是「NetBeans 8.0」的話，選擇功能表「Help -> Check for Updates」，執行所有的更新。如果已經是「NetBeans 8.0.1」的話，就不用執行更新。 確認NetBeans的版本是8.0.1以後，選擇功能表「Tools -> Java Platrofms」，選擇剛才使用的遠端執行設定檔，參考下面的圖型加入「sudo」的設定，然後選擇「Close」：
在專案名稱「MyGPIO」上按滑鼠右鍵選擇「Run」執行這個應用程式，就可以正確的點亮與關閉LED。你可以參考下面的程式片段，讓LED持續閃爍一段時間： for (int i = 0; i < 10; i++) {
pin.setState(true);
delay(500);
pin.setState(false);
delay(500);
}
7-5 控制更多的GPIO完成第一個GPIO應用程式了，雖然只是簡單的控制LED，不過使用Java應用程式控制硬體設備，應該是以前沒有的經驗。現在你可以試試控制兩個LED，這個實作需要這些零件：
這個實作準備透過GPIO01與GPIO02控制兩個LED，參考下面的線路圖，連接所有零件：
你可以參考前面討論的作法，建立一個新的應用程式，程式碼的部份就讓你自己發揮，試試讓兩棵LED同時點亮與關閉，或是讓兩棵LED輪流點亮與關閉。 課程相關的檔案都可以GitHub瀏覽與下載。 |
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10/31想請問各位前輩～raspberry pi 3執行java後出現：unable to determine hardware version. I see : hardware :BCM2835,請問該如何解決？謝謝！