树莓派超声波测距代码

牟东

在开源的硬件编程中，我们都是实时获取测量产生的实验数据，比如温湿度传感器监测环境温湿度产生的数据。通常我们会先把这些实验数据写入一个文件(比如CSV格式的文件)，然后整理数据，再绘制拟合图像，最后得出实验结论。其实对于一些非常直观的测量数据，我们可以“跳过”数据整理，直接“画”出来，以动态曲线的形式显示出来。以超声波传感器的“测距值”为例，我们在Raspberry Pi中利用Python代码编程和Goodmicro“积木”图形化编程，实现了超声波测距轨迹曲线的动态绘制。

实验器材包括树莓派3B+和古德微扩展板各一块，HC-SR04超声波传感器一个，移动电源一个。首先，将超声波传感器的四个引脚（VCC、Trig、Echo和GND）对应插入扩展板的20和21号引脚，方向朝外;然后，通过数据线将树莓派与移动电源连接，通电，启动操作系统（如图1）。

实验设备包括树莓皮3B+和古德微扩展板、HC-SR04超声波传感器和移动电源。首先将超声波传感器的四个引脚(VCC、三角、回声、GND)插入扩展板的20号和21号引脚，朝外；然后，通过数据线将树莓Pi与移动电源连接，开机，启动操作系统(如图1)。

1.编写Python代码绘制超声波测距轨迹曲线

1.远程登录Raspberry Pi，导入要使用的库模块。

运行Windows的“远程桌面连接”，输入树莓派的IP地址（比如192.168.1.116），登录成功后点击“编程”-“Thonny Python IDE”菜单，启动Python编辑器，导入库模块：“import numpy as np”、“import matplotlib.pyplot as plt”、“from matplotlib import animation”、“from gpiozero import DistanceSensor”和“import time”（如图2），其中的numpy、matplotlib.pyplot和animation是负责数据生成和绘制曲线图像的，gpiozero库中DistanceSensor类是用来控制超声波传感器的。

运行Windows的“远程桌面连接”，输入Raspberry Pi的IP地址(如192.168.1.116)，成功登录后点击“编程”-“T honny Python IDE”菜单，启动Python编辑器。导入库模块:导入numpy为np，导入matplotlib.pyplot为plt，从matplotlib导入动画，“从gpiozero导入DistanceSensor”和“导入时间”(如图2)，其中numpy、matplotlib.pyplot和animation负责数据生成和曲线图像绘制，gpio zero库中的距离传感器类用于控制超声波传感器。

2.初始化和数据采集

首先建立变量sensor实例化超声波传感器的类:“sensor = DistanceSensor(echo=21，trigger=20，max_distance=4)”。注意“echo=21”和“trigger=20”分别对应超声波传感器的信号恢复和传输引脚号21和20。“max_distance=4”的作用是将超声波传感器的最大探测距离设置为4(单位为“米”)。如果没有设置，最多只能测量1米的极限值(HC-SR04超声波传感器可以提供2cm-400cm的非接触式距离感应功能)。

接着，进行图像绘制前的数据准备，横坐标x是通过numpy库中的linspace（）来生成，范围为从0至100：“x = np.linspace（0，100，100）”;纵坐标y先设置为一个“空列表”：“y = []”，建立变量dis，作用是保存超声波传感器的“测距”值，初值为0：“dis = 0”;然后建立一个for循环结构（for i in range（100）：），其中的第一行语句“dis = round（sensor.distance，2）”作用是为变量dis赋值，通过round（）函数来保留两位小数;第二行语句“print（dis）”是将dis保存的测距值在屏幕上同步输出显示;第三行语句“y.append（dis）”作用是将测距值追加至列表y中;第四行语句“time.sleep（0.1）”是控制程序暂停0.1秒钟，然后进入下一次循环，获取下一个测距值（如图3）。

然后，在绘制图像之前准备数据。横坐标X由numpy库中的linspace()生成，范围从0到100:“X = NP。Linspace (0，100，100)”；y坐标先设置为“空list”:“y =[]”，建立一个变量dis，用来保存超声波传感器的“测距”值，初始值为0:“DIS = 0”；然后建立一个for循环结构(对于range(100)中的I):，其中第一行语句“dis = round(sensor.distance，2)”用来给变量dis赋值，round()函数用来保留两位小数；第二行语句“print(dis)”是将dis保存的测距值同步输出并显示在屏幕上；语句“y.append(dis)”的第三行用于将测距值附加到列表Y；第四行语句“time.sleep(0.1)”是指控制程序暂停0.1秒，然后进入下一个循环，获取下一个测距值(如图3)。

3.画出“测距值”轨迹的动态曲线。

绘制动态(包括静态)曲线需要创建画布和子图:“fig，ax = plt.subplots(dpi=200)”，其中“dpi=200”用于设置显示分辨率，可以根据情况设置；然后，画出曲线:“line，= ax.plot(x，y，ls='-'，lw=1，color =' color='cornflowerblue ')”，其中参数表示横坐标值x，纵坐标值y，所画线条的类型和宽度，线条的颜色；然后定义一个帧画布的更新函数update()，其中第一条语句是“line.set _ data (x [:i]，y [:i])”，用来切片动态检测生成的每组数据(横坐标的x值和纵坐标的y值)，然后提供给下面的动画。FuncAnimation作为数据源。第二个语句“返回行”，是返回行值。

然后，生成曲线动画，建立变量ani，动画。调用FuncAnimation()，设置相关参数，包括:语句“fig=fig”用于设置绘制动态图形的画布名称；语句“func=update”，用来调用自定义动画函数update()。注意不要带括号；语句“fargs=(line，)”，作为需要传递给func的参数，frames除外；语句“frames=len(x)”用于控制生成的动画长度(一个周期包含的帧数)；语句“interval=50”，用于设置更新的频率。单位为ms(毫秒)；语句“blit=True”用于选择是更新所有点还是只更新已经改变的点；最后，通过语句“plt.show()”显示图像(如图4所示)。

4.程序的运行测试

将程序保存为“超声波测距轨迹曲线”后点击“运行”按钮，然后控制树莓派带动超声波传感器转动，或朝向墙面等障碍物靠近与远离，大约持续10秒钟后（程序的循环结构：100×0.1=10），此时，就会在屏幕上看到有超声波传感器“测距值”数据不断出现：0.46、0.49……接着，就会弹出一个名为“Figure 1”的图片窗口，绘制的正是动态的超声波测距轨迹曲线，而且会不断循环播放之前程序所监测获取的100个数据（如图5）。

将程序保存为“超声波测距轨迹曲线”并点击“运行”按钮，然后控制树莓Pi驱动超声波传感器旋转，或者朝向和远离墙壁等障碍物移动。大约10秒钟后(程序的循环结构:100×0.1=10)，此时你会看到屏幕上不断出现超声波传感器的“测距值”数据:0.46，0.49 …会弹出一个名为“图1”的画面窗口，绘制动态超声波测距轨迹曲线，连续循环播放前一个程序监测采集的100个数据(如图5)。

该程序可以重复运行，以获得对应于不同动态轨迹曲线的不同超声波测距值。而且我们还可以修改程序中的循环次数(比如300)，或者修改曲线绘制的速度(在变量ani调用动画中设置为“interval=50”)。FuncAnimation())。当然也可以试试曲线的颜色和宽度。其次，利用图形编程绘制超声波测距轨迹曲线。

1.登录古德微机器人平台，完成“积木”图形化编程

访问Goodmicro Robot网站(http://www.gdwrobot.cn)，登录账号，点击“设备控制”进入“积木”界面。

首先，进行物联网服务器的设置，从左侧“物联网”-“常用”中将“设置物联网服务器”功能模块拖动至主界面，保持其默认的服务器“www.gdwrobot.top”和端口“1883”不变，下方的用户名和密码均保持为空;接着，建立一个重复执行100次的循环结构，建立名为“超声波测距”的变量，为其赋值为“智能硬件”-“常用”中的“超声波测距”项，并进行保留两位小数的四舍五入处理;然后通过“输出调试信息‘超声波测距”，在LOG调试信息区将超声波传感器每次获取的“测距”值进行显示输出;接着，从“物联网”-“常用”中拖动出“发送主题”功能模块，并且设置好对应的信息：“向‘luke007发送主题‘distance的数据‘超声波测距”，其中的“luke007”对应自己的登录账号，主题名为“distance”;最后，添加一条“等待0.3秒”的循环间隔时间，点击“保存”按钮将程序保存为“绘制超声波测距轨迹曲线”（如图6）。

首先设置物联网服务器，将“设置物联网服务器”功能模块从左侧的“物联网”-“常用”中拖动到主界面，保持其默认服务器“www.gdwrobot.top”和端口“1883”不变，底部用户名和密码保持为空；然后建立一个重复100次的循环结构，建立一个名为“超声波测距”的变量，赋为“智能硬件”中的“超声波测距”项——“常用”，四舍五入到小数点后两位。然后通过“输出调试信息‘超声波测距’”，在日志调试信息区显示输出超声波传感器每次获得的“测距”值；然后，从物联网-常用中拖动“发送主题”功能模块，设置相应信息:“发送主题“距离”的数据到“luke007”，其中“Luke 007”对应他的登录账号，主题名称为“距离”；最后，添加一个“等待0.3秒”的循环间隔，点击“保存”按钮，将程序保存为“绘制超声波测距轨迹曲线”(如图6)。

2.设置动态曲线绘制参数。

点击“更多功能”按钮后再点击“采集数据”按钮，进行动态曲线绘制的相关设置：將“采集标题”设置为“绘制超声波测距轨迹曲线”;第二行的服务器地址和端口号同样均保持默认不变（与“积木”图形化编程一致），可尝试点击后面的“测试连接”按钮进行测试，正常的话会出现“连接成功”的提示;第三行的“功能描述”设置为“使用超声波传感器进行绘图”（可自定义），“树莓派编号”处填写为“luke007”、“主题”填写为“distance”，同样是与图形化编程一一对应，后面的数值单位设置为“厘米”;最后，点击“保存”按钮，将本次的数据采集参数设置项目保存（如图7）。

点击“更多功能”按钮，然后点击“采集数据”按钮，设置动态曲线绘制的相关设置:将“采集标题”设置为“绘制超声波测距轨迹曲线”；第二行中的服务器地址和端口号也默认保持不变(与“构建块”的图形化编程一致)。可以尝试点击后面的“测试连接”按钮进行测试。如果正常，会出现“连接成功”提示；第三行，功能描述设置为“用超声波传感器画图”(可定制)，树莓派数量填写为“luke007”，主题填写为“距离”，同样对应图形化编程，后面的数值单位设置为“cm”；最后，点击“保存”按钮保存当前的数据采集参数设置(如图7)。

3.程序的运行测试

点击“开始采集”按钮后再次返回到“积木”区，点击“连接设备”按钮再点击“运行”按钮，同时再移动树莓派带动超声波传感器做各种转向和移动操作;LOG调试显示区每隔0.3秒钟就会出现一个“测距值”，同时在“图表展示”窗口就会出现一个名为“绘制超声波测距轨迹曲线”在动态变化，描绘的正是超声波传感器所测量的与障碍物间的距离值（如图8）。

点击“开始采集”按钮，再次返回“构建模块”区域。单击“连接设备”按钮，然后单击“运行”按钮。同时移动树莓Pi带动超声波传感器做各种转向和移动操作。调试显示区每隔0.3秒就会出现一个“测距值”，在“图表显示”窗口会动态变化一个“绘制超声波测距轨迹曲线”，该曲线描绘了超声波传感器与障碍物之间的距离(如图8所示)。

升级和改进计划的建议:

如果舵机接树莓派，同时超声波传感器的连接线借助滑环与扩展板“切换”；然后在程序中添加控制舵机进行360度旋转，或者以圆形“摆头”的方式来回旋转，带动超声波传感器半自动扫描周围障碍物，这样就可以相应生成更有趣的超声波测距轨迹曲线动态图。如果在Python代码中使用matplotlib.pyplot，则不是折线图绘制，而是极坐标图像，这样就可以得到类似影视剧中雷达扫描的实时监控画面。你不妨试一试。