Python 物联网入门指南（四）（2）

Python 物联网入门指南（四）（1）https://developer.aliyun.com/article/1507227

缩进

注意for循环块中的缩进：

for i in range(10, 1, -1): 
       print("Count down no: ", i)

Python 执行for循环语句下的代码块。这是 Python 编程语言的一个特性。只要缩进级别相同，它就会执行for循环下的任何代码块：

for i in range(0,10): 
       #start of block 
       print("Hello") 
       #end of block

缩进有以下两个用途：

• 它使代码可读性更强
  
• 它帮助我们识别要在循环中执行的代码块
  

在 Python 中，要注意缩进，因为它直接影响代码的执行方式。

嵌套循环

在 Python 中，可以实现循环内的循环。例如，假设我们需要打印地图的x和y坐标。我们可以使用嵌套循环来实现这个：

for x in range(0,3): 
   for y in range(0,3): 
         print(x,y)

预期输出是：

在嵌套循环中要小心代码缩进，因为它可能会引发错误。考虑以下例子：

for x in range(0,10): 
   for y in range(0,10): 
   print(x,y)

Python 解释器会抛出以下错误：

SyntaxError: expected an indented block

这在以下截图中可见：

因此，在 Python 中要注意缩进是很重要的（特别是嵌套循环），以成功执行代码。IDLE 的文本编辑器会在你编写代码时自动缩进。这应该有助于理解 Python 中的缩进。

一个 while 循环

当特定任务需要执行直到满足特定条件时，会使用while循环。while循环通常用于执行无限循环中的代码。让我们看一个具体的例子，我们想要打印i的值从0到9：

i=0 
while i<10: 
  print("The value of i is ",i) 
  i+=1

在while循环内，我们每次迭代都会将i增加1。i的值增加如下：

i += 1

这等同于i = i+1。

这个例子会执行代码，直到i的值小于 10。也可以执行无限循环中的某些操作：

i=0 
while True: 
  print("The value of i is ",i) 
  i+=1

可以通过在键盘上按下Ctrl + C来停止这个无限循环的执行。

也可以有嵌套的while循环：

i=0 
j=0 
while i<10: 
  while j<10: 
    print("The value of i,j is ",i,",",j) 
    i+=1 
    j+=1

与for循环类似，while循环也依赖于缩进的代码块来执行一段代码。

Python 可以打印字符串和整数的组合，只要它们作为print函数的参数呈现，并用逗号分隔。在前面提到的示例中，i，j 的值是，i是print函数的参数。您将在下一章中了解更多关于函数和参数的内容。此功能使得格式化输出字符串以满足我们的需求成为可能。

树莓派的 GPIO

树莓派 Zero 配备了一个 40 针的 GPIO 引脚标头。在这 40 个引脚中，我们可以使用 26 个引脚来读取输入（来自传感器）或控制输出。其他引脚是电源引脚（5V，3.3V和Ground引脚）：

树莓派 Zero GPIO 映射（来源：https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio-plus-and-raspi2/README.md）

我们可以使用树莓派的 GPIO 最多 26 个引脚来接口设备并控制它们。但是，有一些引脚具有替代功能。

较早的图像显示了树莓派的 GPIO 引脚的映射。圆圈中的数字对应于树莓派处理器上的引脚编号。例如，GPIO 引脚2（底部行左侧的第二个引脚）对应于树莓派处理器上的 GPIO 引脚2，而不是 GPIO 引脚标头上的物理引脚位置。

一开始，尝试理解引脚映射可能会令人困惑。保留 GPIO 引脚手册（可与本章一起下载）以供参考。需要一些时间来适应树莓派 Zero 的 GPIO 引脚映射。

树莓派 Zero 的 GPIO 引脚是 3.3V 兼容的，也就是说，如果将大于 3.3V 的电压应用到引脚上，可能会永久损坏引脚。当设置为高时，引脚被设置为 3.3V，当引脚被设置为低时，电压为 0V。

闪烁灯

让我们讨论一个例子，我们将使用树莓派 Zero 的 GPIO。我们将把 LED 接口到树莓派 Zero，并使其以 1 秒的间隔闪烁开和关。

让我们接线树莓派 Zero 开始：

使用 Fritzing 生成的 Blinky 原理图

在前面的原理图中，GPIO 引脚 2 连接到 LED 的阳极（最长的腿）。LED 的阴极连接到树莓派 Zero 的地引脚。还使用了 330 欧姆的限流电阻来限制电流的流动。

）。Raspbian Jessie操作系统映像带有预安装的库。这是一个非常简单易用的库，对于初学者来说是最好的选择。它支持一套标准设备，帮助我们轻松入门。

例如，为了接口 LED，我们需要从gpiozero库中导入LED类：

from gpiozero import LED

我们将在 1 秒的间隔内打开和关闭 LED。为了做到这一点，我们将导入time库。在 Python 中，我们需要导入一个库来使用它。由于我们将 LED 接口到 GPIO 引脚 2，让我们在我们的代码中提到这一点：

import time 
led = LED(2)

我们刚刚创建了一个名为led的变量，并定义我们将在LED类中使用 GPIO 引脚 2。让我们使用while循环来打开和关闭 LED，间隔为 1 秒。

gpiozero库的 LED 类带有名为on()和off()的函数，分别将 GPIO 引脚 2 设置为高电平和低电平：

while True: 
    led.on() 
    time.sleep(1) 
    led.off() 
    time.sleep(1)

在 Python 的时间库中，有一个sleep函数，可以在打开/关闭 LED 之间引入 1 秒的延迟。这在一个无限循环中执行！我们刚刚使用树莓派 Zero 构建了一个实际的例子。

将所有代码放在名为blinky.py的文件中（可与本书一起下载），从命令行终端运行代码（或者，您也可以使用 IDLE3）：

python3 blinky.py

GPIO 控制的应用

现在我们已经实施了我们的第一个示例，让我们讨论一些能够控制 GPIO 的可能应用。我们可以使用树莓派的 GPIO 来控制家中的灯光。我们将使用相同的示例来控制台灯！

有一个名为PowerSwitch Tail II的产品（www.powerswitchtail.com/Pages/default.aspx），可以将交流家电（如台灯）与树莓派连接起来。PowerSwitch Tail 配有控制引脚（可以接收 3.3V 高电平信号），可用于打开/关闭灯。开关配有必要的电路/保护，可直接与树莓派 Zero 接口：

树莓派 Zero 与 PowerSwitch Tail II 接口

让我们从上一节中使用相同的示例，将 GPIO 引脚 2 连接到 PowerSwitch Tail 的**+in引脚。让我们将树莓派 Zero 的 GPIO 引脚的地线连接到 PowerSwitch Tail 的-in**引脚。PowerSwitch Tail 应连接到交流电源。灯应连接到开关的交流输出。如果我们使用相同的代码并将灯连接到 PowerSwitch Tail，我们应该能够以 1 秒的间隔打开/关闭。

连接到树莓派 Zero 的 PowerSwitch Tail II 使用 LED 闪烁代码进行家电控制只是一个例子。不建议在如此短的时间间隔内打开/关闭台灯。

总结

在本章中，我们回顾了 Python 中的整数、布尔和字符串数据类型，以及算术运算和逻辑运算符。我们还讨论了接受用户输入和循环。我们介绍了树莓派 Zero 的 GPIO，并讨论了 LED 闪烁示例。我们使用相同的示例来控制台灯！

您听说过名为Slack的聊天应用程序吗？您是否尝试过在工作时从笔记本电脑控制家里的台灯？如果这引起了您的兴趣，请在接下来的几章中与我们一起工作。

第十一章：条件语句、函数和列表

在本章中，我们将在前一章学到的基础上进行扩展。您将学习有关条件语句以及如何使用逻辑运算符来检查条件的使用。接下来，您将学习如何在 Python 中编写简单的函数，并讨论如何使用触摸开关（瞬时按键）将输入接口到树莓派的 GPIO 引脚。我们还将讨论使用树莓派 Zero 进行电机控制（这是最终项目的预演），并使用开关输入来控制电机。让我们开始吧！

在本章中，我们将讨论以下主题：

• Python 中的条件语句
  
• 使用条件输入根据 GPIO 引脚状态采取行动
  
• 使用条件语句跳出循环
  
• Python 中的函数
  
• GPIO 回调函数
  
• Python 中的电机控制
  

条件语句

在 Python 中，条件语句用于确定特定条件是否满足，通过测试条件是true还是false。条件语句用于确定程序的执行方式。例如，条件语句可以用于确定是否是开灯的时间。语法如下：

if condition_is_true:
  do_something()

通常使用逻辑运算符来测试条件，并执行缩进块下的任务集。让我们考虑一个例子，check_address_if_statement.py（可在本章下载）中，程序需要使用yes或no问题来验证用户输入：

check_address = input("Is your address correct(yes/no)? ") 
if check_address == "yes": 
  print("Thanks. Your address has been saved") 
if check_address == "no": 
  del(address) 
  print("Your address has been deleted. Try again")

在这个例子中，程序期望输入yes或no。如果用户提供了输入yes，条件if check_address == "yes"为true，则在屏幕上打印消息Your address has been saved。

同样，如果用户输入是no，程序将执行在逻辑测试条件if check_address == "no"下的缩进代码块，并删除变量address。

if-else 语句

在前面的例子中，我们使用if语句测试每个条件。在 Python 中，还有一种名为if-else语句的替代选项。if-else语句使得在主条件不为true时测试替代条件成为可能：

check_address = input("Is your address correct(yes/no)? ") 
if check_address == "yes": 
  print("Thanks. Your address has been saved") 
else: 
  del(address) 
  print("Your address has been deleted. Try again")

在这个例子中，如果用户输入是yes，则在if下的缩进代码块将被执行。否则，将执行else下的代码块。

if-elif-else 语句

在前面的例子中，对于除yes之外的任何用户输入，程序执行else块下的任何代码。也就是说，如果用户按下回车键而没有提供任何输入，或者提供了no而不是no，则if-elif-else语句的工作如下：

check_address = input("Is your address correct(yes/no)? ") 
if check_address == "yes": 
  print("Thanks. Your address has been saved") 
elif check_address == "no": 
  del(address) 
  print("Your address has been deleted. Try again") 
else: 
  print("Invalid input. Try again")

如果用户输入是yes，则在if语句下的缩进代码块将被执行。如果用户输入是no，则在elif（else-if）下的缩进代码块将被执行。如果用户输入是其他内容，则程序打印消息：Invalid input. Try again。

重要的是要注意，代码块的缩进决定了在满足特定条件时需要执行的代码块。我们建议修改条件语句块的缩进，并找出程序执行的结果。这将有助于理解 Python 中缩进的重要性。

到目前为止，我们讨论的三个例子中，可以注意到if语句不需要由else语句补充。else和elif语句需要有一个前置的if语句，否则程序执行将导致错误。

跳出循环

条件语句可以用于跳出循环执行（for循环和while循环）。当满足特定条件时，可以使用if语句来跳出循环：

i = 0 
while True: 
  print("The value of i is ", i) 
  i += 1 
  if i > 100: 
    break

在前面的例子中，while循环在一个无限循环中执行。i的值递增并打印在屏幕上。当i的值大于100时，程序会跳出while循环，并且i的值从 1 打印到 100。

条件语句的应用：使用 GPIO 执行任务

在上一章中，我们讨论了将输出接口到树莓派的 GPIO。让我们讨论一个简单的按键按下的例子。通过读取 GPIO 引脚状态来检测按钮按下。我们将使用条件语句来根据 GPIO 引脚状态执行任务。

让我们将一个按钮连接到树莓派的 GPIO。你需要准备一个按钮、上拉电阻和几根跳线。稍后给出的图示展示了如何将按键连接到树莓派 Zero。按键的一个端子连接到树莓派 Zero 的 GPIO 引脚的地线。

按键接口的原理图如下：

树莓派 GPIO 原理图

按键的另一个端子通过 10K 电阻上拉到 3.3V。按键端子和 10K 电阻的交点连接到 GPIO 引脚 2（参考前一章中分享的 BCM GPIO 引脚图）。

将按键接口到树莓派 Zero 的 GPIO - 使用 Fritzing 生成的图像

让我们回顾一下需要查看按钮状态的代码。我们利用循环和条件语句来使用树莓派 Zero 读取按钮输入。

我们将使用在上一章介绍的gpiozero库。本节的代码示例是GPIO_button_test.py，可与本章一起下载。

在后面的章节中，我们将讨论面向对象编程（OOP）。现在，让我们简要讨论类的概念。在 Python 中，类是一个包含定义对象的所有属性的蓝图。例如，gpiozero库的Button类包含了将按钮接口到树莓派 Zero 的 GPIO 接口所需的所有属性。这些属性包括按钮状态和检查按钮状态所需的函数等。为了接口一个按钮并读取其状态，我们需要使用这个蓝图。创建这个蓝图的副本的过程称为实例化。

让我们开始导入gpiozero库，并实例化gpiozero库的Button类（我们将在后面的章节中讨论 Python 的类、对象及其属性）。按钮接口到 GPIO 引脚 2。我们需要在实例化时传递引脚号作为参数：

from gpiozero import Button 
#button is interfaced to GPIO 2 
button = Button(2)

gpiozero库的文档可在gpiozero.readthedocs.io/en/v1.2.0/api_input.html找到。根据文档，Button类中有一个名为is_pressed的变量，可以使用条件语句进行测试，以确定按钮是否被按下：

if button.is_pressed: 
    print("Button pressed")

每当按下按钮时，屏幕上会打印出消息Button pressed。让我们将这段代码片段放在一个无限循环中：

from gpiozero import Button 
#button is interfaced to GPIO 2 
button = Button(2)
while True: 
  if button.is_pressed: 
    print("Button pressed")

在无限的while循环中，程序不断检查按钮是否被按下，并在按钮被按下时打印消息。一旦按钮被释放，它就会回到检查按钮是否被按下的状态。

通过计算按钮按下次数来中断循环

让我们再看一个例子，我们想要计算按钮按下的次数，并在按钮接收到预定数量的按下时中断无限循环：

i = 0 
while True: 
  if button.is_pressed: 
    button.wait_for_release() 
    i += 1 
    print("Button pressed") 
  if i >= 10: 
    break

前面的例子可与本章一起下载，文件名为GPIO_button_loop_break.py。

在这个例子中，程序检查is_pressed变量的状态。在接收到按钮按下时，程序可以使用wait_for_release方法暂停，直到按钮被释放。当按钮被释放时，用于存储按下次数的变量会增加一次。

当按钮接收到 10 次按下时，程序会跳出无限循环。

连接到树莓派 Zero GPIO 引脚 2 的红色瞬时按钮

Python 中的函数

我们简要讨论了 Python 中的函数。函数执行一组预定义的任务。print是 Python 中函数的一个例子。它可以将一些东西打印到屏幕上。让我们讨论在 Python 中编写我们自己的函数。

可以使用def关键字在 Python 中声明函数。函数可以定义如下：

def my_func(): 
   print("This is a simple function")

在这个函数my_func中，print语句是在一个缩进的代码块下编写的。在函数定义下缩进的任何代码块在代码执行期间调用函数时执行。函数可以被执行为my_func()。

向函数传递参数：

函数总是用括号定义的。括号用于向函数传递任何必要的参数。参数是执行函数所需的参数。在前面的例子中，没有向函数传递参数。

让我们回顾一个例子，我们向函数传递一个参数：

def add_function(a, b): 
  c = a + b 
  print("The sum of a and b is ", c)

在这个例子中，a和b是函数的参数。函数将a和b相加，并在屏幕上打印总和。当通过传递参数3和2调用函数add_function时，add_function(3,2)，其中a为3，b为2。

因此，执行函数需要参数a和b，或者在没有参数的情况下调用函数会导致错误。可以通过为参数设置默认值来避免与缺少参数相关的错误：

def add_function(a=0, b=0): 
  c = a + b 
  print("The sum of a and b is ", c)

前面的函数需要两个参数。如果我们只向这个函数传递一个参数，另一个参数默认为零。例如，add_function(a=3)，b默认为0，或者add_function(b=2)，a默认为0。当在调用函数时未提供参数时，它默认为零（在函数中声明）。

同样，print函数打印传递的任何变量。如果调用print函数时没有传递任何参数，则会打印一个空行。

从函数返回值

函数可以执行一组定义的操作，并最终在结束时返回一个值。让我们考虑以下例子：

def square(a): 
   return a**2

在这个例子中，函数返回参数的平方。在 Python 中，return关键字用于在执行完成后返回请求的值。

函数中变量的作用域

Python 程序中有两种类型的变量：局部变量和全局变量。局部变量是函数内部的变量，即在函数内部声明的变量只能在该函数内部访问。例子如下：

def add_function(): 
  a = 3 
  b = 2 
  c = a + b 
  print("The sum of a and b is ", c)

在这个例子中，变量a和b是函数add_function的局部变量。让我们考虑一个全局变量的例子：

a = 3 
b = 2 
def add_function(): 
  c = a + b 
  print("The sum of a and b is ", c) 
add_function()

在这种情况下，变量a和b在 Python 脚本的主体中声明。它们可以在整个程序中访问。现在，让我们考虑这个例子：

a = 3 
def my_function(): 
  a = 5 
  print("The value of a is ", a)
my_function() 
print("The value of a is ", a)

程序输出为：

The value of a is
      5
      The value of a is
      3

在这种情况下，当调用my_function时，a的值为5，在脚本主体的print语句中a的值为3。在 Python 中，不可能在函数内部显式修改全局变量的值。为了修改全局变量的值，我们需要使用global关键字：

a = 3 
def my_function(): 
  global a 
  a = 5 
  print("The value of a is ", a)
my_function() 
print("The value of a is ", a)

一般来说，不建议在函数内修改变量，因为这不是一个很安全的修改变量的做法。最佳做法是将变量作为参数传递并返回修改后的值。考虑以下例子：

a = 3 
def my_function(a): 
  a = 5 
  print("The value of a is ", a) 
  return a 
a = my_function(a) 
print("The value of a is ", a)

在上述程序中，a的值为3。它作为参数传递给my_function。函数返回5，保存到a中。我们能够安全地修改a的值。

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