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Java Embedded（1）從 Raspberry Pi 開始

閲讀次數：55203 發表時間：2014/07/31

tags: Java JDK8 Java Embedded Raspberry Pi Mindstorms EV3

你可以在Google Play圖書或Pubu購買「Java嵌入式程式設計-Raspberry Pi」電子書，採用ePub格式重新編排，在GitHub公開所有範例程式、高解析度彩色插圖與線路圖。或是購買Raspberry Pi嵌入式應用程式開發：使用Java。

2015/04/30：改版。支援Raspberry Pi 2 Model B與Pi4J 1.0

1-1 Hello! Java Embedded!

任何一種技術的初學者，總會問這樣的問題：「它可以做什麼？」。Java可以做什麼？官方網站不斷的告訴我們「Java is Everywhere」，也就是說Java已經佔領地球了。不過我在回答別人這個問題的時候，通常會比較務實一些：Java技術使用單一程式設計語言，可以開發桌面、網頁、伺服器和行動裝置應用程式，而且還可以跨平台，對開發人員來說，的確是一種不錯而且划算的技術。可是它在嵌入式與工業控制上的應用，就比較不行了，這也是Java技術人員一直無法進入的領域。

Java技術從SE 7開始，出現一個以前沒有看過的名詞：「Embedded」，這個名詞通常會稱為「嵌入式」。慢慢的，開始有人使用它來開發一些很不一樣的應用程式，像是樂高機器人系列（Lego Mindstorms）。樂高一直在發展機器人系列的「玩具」，Mindstorms到目前為止已經發展到第三代，從前一代NXT開始，以Java SE Embedded 7為主要技術，使用Java程式語言控制機器人。

到了Java SE 8，Java嵌入式產品已經非常完整，比起之前的架構，可以達到大部份實務應用的要求，例如內嵌在各種電器，或是在各種工業自動控制上的應用，開發人員可以量身打造適合的執行環境，讓Java應用程式可以在各種裝置上順利的運作，而且穩定性與效率都讓大家覺得很滿意。對Java技術開發人員來說，應該是一個非常棒的演化，你可以繼續使用Java程式設計語言，讓技術領域延伸到嵌入式應用程式。

Java 8因為加入Embedded以後，產品線已經非常完整，在Embedded的部份，根據不同類型的裝置與不從的應用，可以分為Java Card、Java ME Embedded與Java SE Embedded三種，這是它們運作的環境與硬體圖型：

這個系列的文章以Java SE Embedded 8的技術為主，Java SE Embedded 8最大的變化與特性，就是可以根據硬體與應用程式的需求，建立專用的Java執行時期環境。它採用「Compact Profile」的架構，這個圖型表示三種Compact Profile包含的執行環境內容：

這種架構的概念在嵌入式應用程式特別重要，如果一個不需要使用者介面的嵌入式應用程式，例如在冷氣機裡面的應用程式，它就不需要java.awt、javax.swing或JavaFX的執行環境，這樣就可以節省很多執行環境的空間。

1-2 Hello! Raspberry Pi!

一般嵌入式與自動控制系統，使用的硬體設備都非常特殊，大部份設備都需要自己設計與製作，開發人員使用比較低階的程式語言，例如組合語言或C語言，開發控制硬體設備的應用程式。進入的門檻比較高是這個行業的特性，需要的技能包含電子、電機與比較低階的程式設計語言技術，就算是為了完成一個不太複雜的設備，如果沒有具備完整的基礎技能，就很難完成一個可以運作的專案。

資訊電子設備的發展，已經超過一般人的想像，各種功能強大的設備，不斷的被廠商製造出來，而且還越來越便宜，Raspberry Pi是一個很明顯的例子。Raspberry Pi是只有一張名片大小的單板電腦，由英國的Raspberry Pi基金會開發，板子上有ARM中央處理器，使用Micro SD記憶卡當作儲存設備，Ethernet網路、USB、HDMI與RCA介面，目前有Model A、Model B、Model B+和Raspberry Pi 2 Model B幾種型號，售價分別是25與35美元，差異是256MB與512MB的記憶體。這是Model B的外關與功能說明：

Raspberry Pi在2014年7月14日發表Raspberry Pi Model B+，針對Model B做了一些改良：

Raspberry Pi在2015年2月2日推出全新的「Raspberry Pi 2 Model B」（以下簡稱Pi 2）。下列是它與Model B+主要的差異：

架構由「BCM2835」改為「BCM2836」。
中央處理器改為「900MHz的quad-core ARM Cortex-A7」。
記憶體由512MB（Model B與B+）昇級為「1GB LPDDR2 SDRAM」。

下列是Raspberry Pi 2 Model B與本書介紹的Model B+相同的部份：

外型、尺寸與固定螺絲孔。
USB、Ethernet、A/V、Micro SD與Micro USB電源供應的數量與位置。
照相機與顯示介面，還有40個針腳的GPIO。

這是Raspberry Pi 2 Model B的外觀，跟Model B+很相似，只有部份的晶片不一樣：

你可以在這個網址參考Raspberry Pi 2 Model B官方的產品發佈說明：http://www.raspberrypi.org/raspberry-pi-2-on-sale/。

Raspberry Pi可以在Micro SD記憶卡安裝Linux作業系統，包含Debian、Fedora、Arch、RISC OS、FeeeBSD和Plan 9。就跟一般的個人電腦一樣，作業系統支援大部份的周邊設備，你可以在Raspberry Pi的USB接上滑鼠、鍵盤、無線網卡。安裝好Raspberry Pi基金會開放的RASPBIAN作業系統，還內建Java SE 8的開發與執行環境，在Raspberry Pi執行Java應用程式，是完全沒有問題的。

1-3 Java Embedded與Raspberry Pi

或許你已經開始想像，Java技術延伸到嵌入式應用程式以後，可以讓系統有哪些不一樣的應用？用一個比較實際的專案來說明，例如一個在無線網路環境運作的餐廳點餐系統，由Java網頁應用程式負責管與查詢理餐廳的資料，例如餐點與訂單，使用行動裝置提供服務生與客人點菜、換桌與結帳的功能，還有在個人電腦上運作的Java桌面應用程式，在廚房與吧台顯示目前最新的訂單資訊：

以目前的系統架構來說，如果採用Android平台的行動裝置，整個系統應用程式全部都是採用Java程式語言開發的，開發人員的工作就會比較單純一些。現在的焦點會放在桌面應用程式的部份，它用來顯示目前最新的訂單狀態，讓廚師可以很清楚的知道要準備哪一些餐點：

這個Java SE應用程式，使用JavaFX建立使用者介面，透過RMI通訊協定與伺服器執行互動的工作。如果使用一般的設計方式，它必需要安裝在一台個人電腦上執行，可是如果把它安裝在建立好Java執行環境的Raspberry Pi上運作，好處應該非常明顯。對開發人員來說，還是使用Java技術開發這個應用程式，對客戶來說，他們可以節省一些硬體設備上的費用。

在瞭解這個實際的應用以後，這個餐廳點餐系統還有一些可以繼續討論的部份，例如類似網路點餐與得來速的功能。客戶在配備NFC設備的行動裝置上，透過網際網路點餐，在預約的時間到餐廳以後，使用行動裝置在餐廳的NFC設備上感應，伺服器就可以在接收到資料後處理後續的工作，例如通知廚房開始準備餐點。

1-4 Java Embedded與樂高機器人

或許你在知道Java技術已經進入嵌入式應用程式的領域後，可能會有一個想法：Java程式可以控制機器人嗎？一直在做積木的樂高，很早就使用Java技術控制它的機器人產品Mindstorms，目前最新的第三代Mindstorms EV3、http://mindstorms.lego.com，採用Java SE Embedded 7為基礎，所以在Oracle的官方網站http://goo.gl/h5LfTi可以看到這個有趣的畫面：

雖然大部份的人應該都會認為，樂高機器人只是一種比較「具有科技感的玩具」，不過它的確發展成一套很適合用來學習Java程式設計的玩具，而且複雜的工業用機器人，也是從這些基本的概念進化而來的。樂高為Mindstorms EV3發展一套開放的開發工具，可以在Eclipse上開發控制機器人的應用程式，透過傳輸線或無線網路，可以把應用程式傳送到機器人執行。這套工具的名稱是「leJOS」，如果你對這個產品有興趣的話，可以參考建立leJOS開發環境的專欄，有適用Mac OS的http://www.codedata.com.tw/?p=10802，與適用Windows的http://www.codedata.com.tw/?p=11022。

使用一般的樂高積木搭配Mindstorms EV3，再使用leJOS開發控制機器人的應用程式，可以讓Duke變成「Java Robot Duke」：

我在YouTube上傳一些影片，有紅外線追蹤和光線感應的應用程式示範：

Duke機器人（紅外線感應器）

Duke機器人（光線感應器）

這裡介紹樂高機器人的用意，是讓你可以認識Java技術更多不一樣的應用，後續的內容並不會介紹leJOS的開發技術，因為你必需有一套Lego Mindstorm EV3機器人套件，才可以執行寫好的應用程式，它的花費就會比較多一些了。

1-5 準備進入Java Embedded的世界

目前的Java技術人員大都是以開發網頁應用程式為主，所以想法也比較放在框架、HTTP和一些會在網頁應用程式遇到的技術。Java技術在JavaFX出現以後，可以在桌面應用程式有很棒的發展，不論是商業或遊戲應用程式，都可以擁有容易開發與滿意的效率。在Java Embedded正式上場以後，Java技術人員可以把應用程式延伸到完全不一樣的領域。

想要跟著這個系列的專欄文章學習Java嵌入式應用程式，除了基本的個人電腦外，還需要一些其它的設備，有一些設備雖然不會馬上用到，不過建議你可以先認識它們，或是根據自己的需求狀況，準備好這些必要的設備就可以了：