1、书 书 书书 书 书总 主 编?李晓明副总主编?赵?健本册主编?方向忠本册副主编?杨晓哲编写人员?按姓氏笔画排序? ?方向忠?朱兰娟?苏宇彤?杨晓哲?吴俊杰?徐?雄?奚?骏?曾?贇责任编辑?高?烨美术设计?储?平普通高中教科书?信息技术?选择性必修? ?开源硬件项目设计上海市中小学?幼儿园?课程改革委员会组织编写出版发行?华东师范大学出版社?上海市中山北路? ? ? ?号?印?刷?上海华顿书刊印刷有限公司版?次? ? ? ? ?年?月第?版印?次? ? ? ? ?年?月第?次开?本? ? ? ?毫米? ? ? ? ?毫米? ? ?印?张? ? ? ? ?字?数? ? ? ?千字书?号? ? ?
2、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?定?价? ? ? ? ? ?元版权所有?未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分?违者必究如发现内容质量问题?请拨打电话? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?如发现印?装质量问题?影响阅读?请与华东师范大学出版社联系?电话? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?全国物价举报电话? ? ? ? ?声明?按照?中华人民共和国著作权法?第二十五条有关规定?我们已尽量寻找著作权人支付报酬?著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系?本册教材图片提供信息?本册教材中的部分图片由全景网?视觉中国等图片网站提供?飞速发展的信息技术
3、不断改变人们的思维与交往模式?身处科技发展日新月异的时代?在熟练使用信息技术工具的基础上? ?如何学习? ?如何参与? ?如何创造?是我们需要认真思考的问题?当有一天?你不再满足于仅仅作为一个产品的使用者?你想知道它是怎样被设计和制造出来的?或者想为它添加新的功能?又或者想为他人设计新产品?你将如何开始?比如?你想设计一个智能水杯?用来提醒自己和家人多喝水?你想打造一个机器伙伴?以帮助自己养成良好的学习习惯?你想开发一个运动助手?通过它来更好地达成运动目标?你想尝试搭建一辆可以自动驾驶的无人小车?你可能还想到很多很多?你甚至想改造整个世界?然而?你想到的这些与众不同的一切?可能没法直接找到现成
4、的产品?你需要拥有一种全新的思维方式?开源硬件项目设计?可以帮助你用开源的视角重新审视与发现?哪些开源硬件可以支持你的创意?哪些开源代码可以支持你的构想?哪些开源系统可以支持你的设计?你需要运用开源社区?开展合作?获得支持?不断优化和迭代自己的作品?你也需要将自己新的发现?新的作品分享到开源社区?不仅仅为了展示自己?也为了方便其他人进行创造?按照?普通高中信息技术课程标准? ? ? ?年版? ? ? ?开源硬件项目设计?是选择性必修课程中的一个模块?在内容的呈现方面?教材按照开源硬件项目设计的流程?呈现从需求分析到发布共享的全过程?在案例的选择方面?从制作简单作品开始?逐渐实现作品之间的互联和
5、综合制作?在学习的过程中?同学们不仅要学习?怎么做? ?更要综合运用科学?技术?工程?数学?艺术等多学科知识?理解?为什么? ?感?受动脑思考?动手制作?合作参与和创造作品的乐趣?践行开源与知识共享的理念?提升计算思维与创新能力?拓宽视野?为实现创新驱动发展的目标努力奋斗? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?书 书 书第 一 章开源文化与开源硬件本章学习目标?了解开源文化? 开源协议和开源社区? 认识开源硬件的特征? 理解开源的理念与知识共享的精神? 理解知识产权保护的意义?了解计算机信息处理过程? 知道开源和闭源的区别?知道常用开源硬件
6、的种类? 功能和基本组成结构?掌握开源硬件开发环境的基本使用方法?理解开源硬件项目的开发流程? 初步掌握开源硬件项目的需求分析? 方案设计? 系统制作? 调试优化? 作品发布等的方法?开源硬件项目设计广泛应用的信息系统、 不断扩增的数据以及不断迭代优化的算法, 提高了采集、 传输、 存储、 加工和使用信息的效率, 深刻影响着人们的生活、 工作和学习, 推进着我国向信息社会发展。由硬件、 软件、 数据和人等要素组成的信息系统, 既可以用“ 闭源” 的方式也可以用“ 开源”的方式建设和开发。日常生活中, 很多互联网网站是基于开源的操作系统、 W EB 服务器和数据库开发出来的,一些智能手机中的 A
7、 n d r o i d操作系统源于开源的 Li n u x , 可以说, 只要上网或者使用智能手机, 我们就在不知不觉中使用了开源软件。在本章的学习中, 同学们将初步感受以“ 自由、 开放和共享” 为宗旨的开源文化, 从信息处理过程的角度, 了解开源硬件的起源和发展, 尝试使用开源硬件和图形化编程软件进行简单的系统搭建和编程控制, 理解开源硬件的结构和功能。在学习和认识开源世界、 享受开源产品所带来的丰富多彩的生活、 感受科技所创造的价值的同时, 同学们要进一步思考: 开源是为了什么? 开源能创造什么? 开源要遵守什么?本章知识结构#-4#-M,K(#-#.#D#-)24+L!AA#-#7*
8、)DD8 S E V JO P2华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件项目主题初探智能水杯项目情境开源硬件为我们提供了一个全新的、 可以不断进行创造的学习空间, 生活中很多产品都可以使用开源硬件设计制作。从不起眼的烟雾报警器, 到炫酷的呼吸灯,再到造型新颖独特的智能水杯, 人们不断创造新的产品, 让生活、 工作和学习更便捷。我们每天需要补充充足的水分, 饮水不足会引发很多健康隐患, 然而我们在忙碌的学习工作中常常忘记喝水。设想这样一个按时提醒饮水的智能水杯: 早上起来洗漱完毕后, 智能水杯提醒饮水, 并显示水量和水温, 饮水完毕, 自动补水, 间隔一段时间再次提醒饮水如果将这样的智能水杯制
9、作出来, 我们就能很大程度上避免饮水不足的问题。如何运用开源软硬件实现智能水杯的提醒功能和显示功能? 对于一些特殊人群, 比如老人, 智能水杯又该如何设计以满足他们的需求?在这一章中, 我们将围绕智能水杯的制作, 学习开源硬件系统编程调试方法和开源硬件项目设计流程, 完成智能水杯设计方案。项目任务任务 1任务 2任务 3 分析常见的信息处理系统中的信息流向, 从信息处理过程的角度, 完成智能水杯的结构描述。 探索典型的开源硬件组成结构和开发环境, 选择合适的控制器及开发环境来设计智能水杯的电子控制系统。 按照开源硬件项目的开发流程, 完成智能水杯的项目设计。3 华东师范大学出版社开源硬件项目设
10、计第一节开源文化开源(o p e n s o u r c e) , 即开放源代码, 最初指的是一种软件的发布模式。软件作者遵循“ 自由、 开放和共享” 的精神, 在一定的协议规则约束下将软件源代码公开, 让大家共享使用。这是起始于计算机科学领域的一种文化现象, 知识成果的开放、 共享激发了源源不断的创意。随着开源理念的不断深入和推广, “ 开源” 的内涵和外延不断丰富和扩展, 形成了一种更广义的开源文化。体验思考开源文化发展至今已经过数十年的历程, 产生了许多开源软硬件成果。随着互联网的发展, 开源更是渗透到了信息、 教育、 经济、 生活等多个领域, 它不只限于软件, 还逐步涉及硬件, 成为信
11、息技术发展的重要推动力。你了解开源文化吗? 在你生活的周遭, 你接触到的事物中有哪些体现了“ 自由、 开放和共享” 的精神?图 1 . 1 开源软件标识一、 开源的起源和宗旨“ 开源” 一词来源于“ 自由软件” (f r e e s o f t w a r e) , 自由软件是指倡导尊重用户“ 自由” , 将源代码公开, 让用户可以自由使用、 复制、 修改和分发源代码的软件。但由于“f r e e” 在英文中有“ 自由” 和“ 免费” 双重含义,f r e e s o f t w a r e容易被人误解为免费软件, 再加上自由软件的反商业信条也让企业和公司对其敬而远之, 因此在1 9 9 7年
12、的一个战略研讨会上, 一批很有影响力的自由软件创始人决定改用开源软件(o p e n s o u r c e s o f t w a r e) 来描述自由、 开放的理念。开源软件的标识如图1 . 1所示。开源以“ 自由、 开放和共享” 为宗旨, 以协议和合作的创新方式促进开源同商业的结合, 即在提倡开放和知识共享的同时, 允许人们以协议维护产权, 以专利形式从产品中获取利益。在它的推进下, 网景公司正式宣布将他们的旗舰产品网景浏览器的源代码免费开放, 这一举动为开源运动的发展迎来了转机。4华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件知识延伸自由软件和免费软件的区别自由软件与免费软件不同, “ f
13、 r e e ” 虽有“ 免费” 之意, 但“ 免费” 不等于“ 自由” 。首先, 免费软件只是免费提供给用户使用, 并不公开源代码。其次, 我们虽然可以免费使用某些软件, 但却不能自由地使用, 因为这些软件使用了数字版权管理( d i g i t a l r i g h t s ma n a g e me n t , 缩写为 D RM ) 技术后, 便可以合法地追踪用户的使用行为。作业练习开源也为同学们学习编程提供了很好的机会, 许多工程师都是从开源中开始学习和汲取灵感的。想知道你最喜欢的网页是如何运作的吗? 在 W e b浏览器中点击“ 查看源代码” , 尝试阅读网页的源代码, 通过查阅资
14、料了解一些代码的含义, 思考源代码与网页效果之间的对应关系。二、 开源协议的作用探究活动开源的基本理念是追求“ 自由、 开放和共享” 。但是, 任何开源都不是简单地、 无条件地、 无理由地完全开放, 而是要遵循一定的规则, 即协议。在开源领域的协议被统称为开源协议或开源许可证( o p e n s o u r c e li c e n s e ) , 是指为了保护开源软件原作者的相关知识产权, 在软件所有者与软件使用者之间设立的一种具有法律性质的虚拟合同, 它也可被视为一种授权方式。1. 通过网络搜索引擎, 找一找有多少种开源协议。2. 试着对不同的开源协议进行分类, 说明为什么要有如此多不同
15、的开源协议。开源软件就是在开源许可证下发布的开放源代码的软件。开源许可证是授权使用、 分享开源软件和其他产品的源代码、 源设计等的条款, 它提供了一种独特的产权模式, 使得开源软件与专有软件一样,也受版权法保护。例如, 它可以要求用户在所使用或修改的源代码中保留原作者名字和版权声明, 或者要求用户再发布时必须遵循同一个许可证等。开源许可证的意义就在于对运行、 复制、 修改、 发布受版权保护的软件等行为进行规范, 保障原作者的合法权益, 保护软件开发者共享合作的积极性, 保障开源文化健康持续地发展。5 华东师范大学出版社开源硬件项目设计通常开源许可证主要分为两大类: 左版版权(c o p y l
16、 e f t) 许可证和宽松式(p e r m i s s i v e) 许可证。c o p y l e f t是作为c o p y r i g h t( 著作权) 字面意义上的反义词而被发明出来的词汇, 其含义是“ 给予任何人运行、 复制、 修改以及发布改变后程序的许可, 但前提是发布的条款不能被改变” , 也就是说任何人都可以自由使用左版版权源代码, 但修改后的代码也必须采用左版版权许可证发布, 不能闭源, 而宽松式许可证则对用户几乎没有限制, 用户可以修改开源代码后选择闭源。目前国际公认的开源许可证有上百种, 最常用的有G P L、 L G P L、 B S D、 M I T、 M o
17、z i l l a、 A p a c h e、 C C等。不同的开源许可证规定了不同的自由度和不同的商业模式, 比如, 是否允许商用, 是否允许修改,修改后是否需要继续开源, 开源是否必须继续使用相同协议授权等。图1 . 2描述了部分开源许可证之间的区别和适用情况。图 1 . 2 部分开源许可证之间的区别及适用情况知识延伸开源许可证的比较表 1. 1中所列的是部分开源许可证之间的比较, 出于不同的考虑, 可以对开源的内容选取不同的许可证来保护。6华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件表 1 . 1 部分开源许可证之间的比较许可证版本是否包含源代码是否允许链接是否允许商业使用是否允许私人使用
18、是否允许发布是否允许修改是否有专利许可是否有转售许可有无担保责任有无商标A p a c h e许可证2 . 0是是是是有有有有3句版 BS D 许可证是是是是有有有2句版 BS D 许可证是是是是有有G NU 通用公共许可证2 . 0是是是是是有无有G NU 通用公共许可证3 . 0是是是是是有有有G NU 宽通用公共许可证2 . 1是是是是是是有有有G NU 宽通用公共许可证3 . 0是是是是是是有有有M I T 许可证是是是是有有M o z i lla公共许可证2 . 0是是是是是有有有有Ec lip s e公共许可证1. 0是是是是是有有有A f f e r o通用公共许可证是是是是是有
19、有一般的著作权是是否否无作业练习在开源运动中, 关于版权保护一直争议不断。很多开发者由于不了解开源许可证的内容, 在开放源代码的时候不知如何选择; 也有的开发者在使用别人的开源代码时未遵循其原始许可证, 由此带来了许多不必要的法律纠纷。1. 拥有 G PL 许可证的开源软件 M y S Q L 是一个常用的数据库软件, 其所属的公司于 2 0 0 9年被收购, 有人担心新公司会将 M y S Q L 同其他产品合并而不再开源。你认为这种情况会发生吗? 为什么?2. 如果你希望将自己开发的项目开源, 并允许别人使用和修改你的代码,但要求使用者也必须公开源代码, 那么你在发布项目时可以选用哪些许可
20、证?三、 开源社区开源文化的另一个重要标志是催生了一种新的组织结构 开源社区。所谓开源社区指的是在互联网上针对某个或某些开源代码而形成的一个共享学习与交流的平台。7 华东师范大学出版社开源硬件项目设计探究活动开源社区一般由开源技术的核心团队、 领导者用户或者知名的企业搭建, 由全世界的编程爱好者自发参与, 比较著名的开源社区有开源中国社区、 Li n u x社区、 码云社区、 G i t Hu b社区等。在社区中, 大家遵循相应的开源许可证, 通过论坛、 博客、 跟帖、 推送等方式发布源代码、 探讨问题、 分享成果、 合作创新, 对开源软硬件的开发、 完善和发展起到了巨大的推动作用。试着进入开
21、源中国社区的技术问答栏目, 查看最新提问和最新回答的内容, 探究开源社区能为我们提供怎样的平台。在开源社区兴起之前, 绝大多数商业软件公司采用的都是传统的开发模式, 在过去高度集中、 严密的封闭式管理下, 开发过程艰难而缓慢。与之相反, 开源社区采用扁平化、 开放式的集市模式, 不仅软件的发明者, 互联网上众多的志愿者都可以自由地参与开发, 就如同一个开放的集市, 所有的社区成员好比集市中的一个个商户, 大家遵守既定规则, 相互监督, 共同增进和维护社区的繁荣。L i n u x就是典型的集市模式的例子。1 9 9 2年L i n u x的第一个G P L版本在网上发布, 立刻吸引了众多软件人
22、才的介入, 迅速推动了L i n u x的发展。到1 9 9 3年第一批发行版S l a c k w a r e和D e b i a n出现时,L i n u x社区上已有1 0 0多位开发人员。开发者们自由地修改和发布程序版本, 能很快发现错误代码并加以修复。在这种快速漏洞响应机制的作用下,L i n u x不断地完善, 社区的规模迅速扩大, 软件质量、工作效率和品牌影响力也得到很大的提升。四、 从开源软件到开源硬件探究活动随着开源文化的快速推进, 开源的理念逐渐从软件领域拓展到了硬件领域, 开源硬件( o p e n s o u r c e h a r d w a r e , 缩写为 O
23、S HW ) 应运而生。开源硬件是已公开的硬件设计, 包括电子设计图、 机械设计图、 电路原理图和材料清单等。1. 收集与开源软件和开源硬件相关的资料, 了解从开源软件拓展到开源硬件的缘由和过程;2. 分析开源硬件对开源文化发展的作用, 以及它在许可证方面的特殊性。1 . 开源硬件的概念开源硬件是指“ 可以通过公开渠道获得的硬件设计, 任何人可以对8华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件已有的设计进行学习、 修改、 发布、 制作和销售” 。需要指出的是, 开源硬件并不是可免费使用的硬件产品, 而是由开发者公开的硬件的所有设计信息, 以及与开源硬件相关的驱动程序源代码, 可供使用者学习及进一
24、步开发。因此, 开源硬件除了秉承开源文化的开放、 共享之外, 还在成本低、 可二次开发、 可裁剪等方面对开源文化的内涵作了延伸。开源硬件对开源理念的延伸还体现在把开源软件惯用的开源协议规范带到了硬件共享领域, 衍生出开源硬件许可证(o p e n s o u r c e h a r d w a r e l i c e n s e) , 如基于G P L 2 . 0的T A P R和C E R N开源硬件许可证, 基于A p a c h e 2 . 0的S o l d e r p a d开源硬件许可证等。不过开源硬件许可证的普及度不高, 更多的人还是直接使用开源软件许可证,例如G P L/L G
25、 P L、 C C等协议就常被运用于开源硬件领域。相对于开源软件, 开源硬件涉及的对象比较特殊, 不仅包括硬件产品的设计信息( 如设计文件、 源代码等) , 还包括硬件产品的实物本身。从知识产权的角度来看, 硬件产品的设计信息受到开源许可证的保护, 但由此制造出来的实物产品则只受专利权的保护。因此除非开发者拥有硬件实物的产品专利, 否则其他人还是可以在未经许可的情况下复制硬件产品而不会侵犯硬件设计文件的许可证。2 . 开源硬件的特征开源硬件源于开源软件, 并扩展了开源的适用范围, 因此开源硬件具备开源软件某些基本特点( 如源代码开放、 遵循一定的协议规范等) , 其特征可归纳如下: (1) 开
26、放共享性。开源硬件的设计图、 原理图、 材料清单等资料都是公开的, 而且往往具有标准化的接口和完善的文档, 任何人都可以方便地获取和使用, 并可以在对已有的设计进行学习、 修改或扩展的基础上, 再予以发布, 进而形成更高层次的分享。(2) 二次开发性。开源硬件允许在开放的原始设计信息基础上进行二次开发。使用者可以复用别人的开发成果, 对开源硬件进行裁剪和选择, 通过修改、 再造, 形成满足用户个体需要的相应产品设备。(3) 迭代创新性。开源可以使开发者很好地利用已有的类似产品或者基础产品进行迭代, 避免低价值的重复工作。同时更多开发者的参与也有助于硬件项目的完善和更新, 当开发者不再受专利授权
27、所困, 越来越多地公开分享他们的创新时, 他们便能在充满智慧和创造力的开源平台上, 获得更多的免费帮助, 从而改进自己的发明, 拓展硬件产品的外延, 实现快速的迭代与创新。9 华东师范大学出版社开源硬件项目设计事实上, 开源硬件不仅仅是硬件设计方法的开放, 更是一种创新理念的开放。知识延伸开源硬件的起源与发展图 1 . 3 开源硬件标识开源硬件的概念最早由国际业余无线电爱好者在项目实践中形成。1997年,为了让硬件制造商能够自行认证他们开放的硬件产品, 这些无线电爱好者首次发起了“ 开源硬件认证计划” , 正式确立了“ 开源硬件” 的概念, 开源硬件正式成为了开源文化中的一个重要成员。开源硬件
28、的标识如图 1. 3所示。然而开源硬件项目的发展并不是一帆风顺的。由于半导体产业的特殊性和过高的生产成本, 开源硬件曾一度陷入难以维持的困境。进入 2 1 世纪后, 随着FPG A和 S o C( 片上系统) 设计在嵌入式系统( e mb e d d e d s y s t e m) 应用中异军突起, 原先阻碍开源硬件发展的生产成本过高等问题得以解决, 加之国际知名企业在开源项目上取得巨大的商业成功, 开源硬件又迎来了新的发展契机, 开源硬件项目也如雨后春笋般涌现, 出现了如虚谷号、 掌控板、 A r d u i n o 、 树莓派( Ra s p b e r r y Pi ) 、 Be a
29、g le Bo n e 、 mi c r o : b i t 、 Ed i s o n可穿戴设备平台、 M a k e r Bo t 3 D 打印等一大批项目。此外, 2 0 17年发射升空的立方体卫星U PS a t 几乎没有使用商用元件, 全部采用开源软件和开源硬件, 是第一颗发射到轨道上的开源卫星。随着开源硬件思想渗透至硬件设计的各个层面, 开源硬件作为产业正式走上成熟的发展道路。3 . 开源硬件与创客文化随着硬件成本的逐渐降低和互联网、 物联网的蓬勃发展, 开源硬件得到广泛的应用。在开源文化的熏陶下, 特别是在A r d u i n o、 树莓派等开源硬件项目的影响下, 出现了一批不以
30、营利为主要目的, 热衷于整合资源将创意变为实际产品的创新之人, 他们被称为“ 创客” (m a k e r) 。开源硬件为创客提供了实现创意的工具和开放的创造空间, 随着当今世界产业链生态圈的不断完善, 开源资源变得触手可及, 创客队伍也不断壮大, 由此萌生出很多有趣和有创意的开源项目。秉承着开放、 合作、 分享的理念, 创客文化也从以兴趣为主导的亚文化逐渐演变成主流文化, 融入到开源文化之中。创客文化一般有三个特点: 首先, 创客使用数字化工具和电子元器件设计产品并制作模型样品, 创客的一部分工作是通过添加传感器、 编写控制程序、 连接互联网等, 使实物变得更加智能; 其次, 对于在开源社区
31、上分享成果、 开展合作创客们已经形成一定的规范, 他们在网上发布成果后, 数以百计的人可以共享他的设计创意和代码, 协助进行错误修正, 这对创客改进自己的产品大有裨益; 再者, 在遵守开源协议的前提下, 可以通过一定的标准将开源硬件设计文件直接提供给商业制造服务商, 用于制造所1 0华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件设计的产品, 这就大大缩短了从创意到产品的时间, 尤其是随着制造行业信息化程度的提高, 一些行业逐渐产生了自动化、 智能化、 定制化、 个性化的生产方式, 将创意和发明实物化和商业化的效率也大大提高了。创客文化对教育也产生了较大的影响, 许多开源硬件已进入学校课堂, 便利的
32、设计、 多种多样的元件、 开放的文化这三个特点得到充分发挥, 创客教育应运而生, 它旨在培养青少年综合学习和动手实践的能力, 同时为科技创新注入了新的活力。然而要成为一名创客并非易事, 首先, 创客要用与众不同和充满创意的方式思考问题, 同时要考虑这个创意的价值何在, 它解决了什么问题, 它能为他人或社区作出怎样的贡献等。其次, 创意只是一个开始, 如何实现创意则更为重要, 创客需要具备用开源硬件将创意转化为实体物品的能力以及一定的编程能力, 在设计和制作作品的过程中要反复调试, 这意味着创客还需要学习更多的“ 造物工具” 。高质量的创造是每位创客的追求, 开发有用的实体物品、 简洁优美的程序
33、和信息资源, 并把它们贡献给社会, 创客从这样的挑战中获得创造的乐趣。最后, 创客还应是怀有热情的志愿者, 以开源的方式在社区中共享成果、 创造价值。知识延伸开源硬件的典型应用Re p Ra pRe p Ra p是世界上首个多功能、 可自我复制、 能打印塑料实物的 3 D 打印机原型机。Re p Ra p最初的设计是为了实现自我复制。Re p Ra p的许多部件可以由自身打印和生产, 人们只要愿意花一些时间收集足够的材料, 就可以通过复制和组装 Re p Ra p自身的部件来实现 Re p Ra p的自我复制。因此, 从某种意义上说 Re p Ra p也是一台“ 技术免费” 的 3 D 打印机
34、。Re p Ra p遵循开源协议, 从软件到硬件各种资料都在 G PL 许可证下发布。这意味着任何人都能够自由地改进和制造 Re p Ra p , 并无偿地分享给大家。Re p Ra p的开源特性充分体现了开源文化“ 自由、 开放和共享” 的精神。因此, 凡是在最初的 Re p Ra p机型的基础上制作, 在技术层面上能实现自我复制, 并无偿地提供给大家使用的机型, 都可以被称为“ 基于 Re p Ra p ” 的项目。作业练习基于对开源软件、 开源硬件的了解与认识, 你和你的团队打算创建一个开源硬件项目。为此小组成员决定先明确一个成功的开源硬件项目通常具备什么样的共性特点, 以及应该选择什么
35、样的硬件许可证。1. 找出几个成功的开源硬件项目案例, 了解项目的团队构成和项目所有更新的版本, 并尝试分析、 归纳出成功的开源硬件项目的共性特点。2. 搜集有关开源硬件许可证 TA PR、 CERN、 S o ld e r p a d的内容, 对照图 1. 2的部分开源许可证之间的区别及适用情况, 试着将它们归入相应的类别, 必要时可加以扩充。1 1 华东师范大学出版社开源硬件项目设计第二节开源硬件平台及其结构我们在日常生活、 工作、 娱乐和消费等过程中, 往往有意识或无意识地接触到各种各样具有不同功能、 不同规模的信息系统。信息系统的构建和运行离不开计算机硬件系统的承载, 涉及的硬件平台有
36、开源、 部分开源和闭源之分。从开发者的角度来看, 选择一个开源的硬件平台意味着你是站在前人的肩膀上开始设计的, 这不仅能够降低前期的开发成本, 还能使你摆脱低价值的重复工作而投入到高价值的创新工作; 从开发过程的角度来看, 由于世界各地的优秀程序员参与代码错误或安全漏洞检查, 开源项目的代码会有更高的灵活性和稳健性, 能产生更多的创意。体验思考每天早晨 6点电子闹钟准时响起, 小申同学起床, 感应台灯自动点亮。吃早饭时, 小申同学通过语音智能音箱了解当天的新闻和天气, 然后刷交通卡乘坐地铁去学校, 在学校门口刷校园卡后进校, 中午使用校园卡支付午餐费用, 然后到学校图书馆通过检索系统查找一本科
37、普读物, 并使用校园卡登记借阅。小申同学上述这段经历中用到了哪些信息系统? 它们分别是什么? 生活中还有哪些常用的信息系统?一、 基于微控制器的信息处理系统随着计算机的广泛应用、 网络的普及以及大数据等技术的日渐成熟, 信息时代已然到来。对信息资源的充分利用是信息社会的重要特点, 而构建各种各样的信息系统是开发、 利用和管理信息资源的重要方式。信息系统的运行不仅需要计算机承载, 也越来越离不开网络。信息系统处理能力和系统规模等不同, 所需要的计算机和网络也有区别。此处的“ 计算机” 是一个宽泛的概念, 它不仅可以指日常使用的P C、 笔记本电脑, 还可以是其他形式的计算机, 小到只有指甲盖大小
38、的微控制器, 大到体型庞大的超级计算机。比如处理飞机机票和铁路车票预订的大型系统通常由高性能服务器、 云计算资源等支持, 需要较高的数据传输能力、 处理能力和存储能力作保障; 与之相比, 家用的电子闹钟和小型扫地机器人等系统, 所需要的计算能力就会小很多,如果系统在使用上有轻巧、 低功耗、 低成本、 高可靠性等要求, 则可以采用集成在单个芯片上的计算机( 单片机) 来实现。这类为实现特定1 2华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件的功能而专门优化设计的特殊计算机被称为微控制器。与通用计算机的明显不同之处在于, 微控制器一般不连接显示器、 键盘等常见的输入 / 输出设备, 用户也不能够随意改
39、动在其上运行的用来驱动特定设备的软件, 因此这类软件也被称为固件(f i r mw a r e) 。1 . 信息处理系统的组成信息系统的运行平台无论采用哪些硬件或采用何种互连方式, 一般都具有相同的工作过程, 即都能够按照一定的目标和规则, 从外部世界获取信息, 再对获取到的信息进行处理, 然后将处理后的结果反图 1 . 4 信息处理系统的工作过程馈给信息接收方并作出响应。一般可将实现以上三个主要过程的模块作为一个整体, 统称为信息处理系统, 也就是说它由三个模块组成, 即信息输入、 信息处理和信息输出, 如图1 . 4所示。信息输入： 通过键盘、 鼠标、 传感器等输入设备, 检测、 识别和采
40、集系统外部的信号源, 根据采集到的信息的类型进行相应的转换和格式化等, 完成信息的获取。信息处理： 在中央处理器或微控制器的控制下, 依照一定的算法规则对采集到的信息进行转换、 判断、 计算、 加工、 存储等, 并根据信息接收者的要求作出相应的决策, 完成输出信息的内容准备。信息输出： 对信息处理得到的结果进行格式化、 压缩、 转换等, 通过输出设备实现信息的定向传输和响应。用来完成特定任务的输出设备也被称为执行器或响应输出器件。信息处理系统受益于计算机技术和设备, 特别是开源软硬件设备, 它们由于在性能、 种类、 价格和效率等方面的优势, 正逐渐深入到我们的科研、 教育、 工业、 农业、 国
41、防、 日常生活等方方面面, 由此涌现出许许多多为特定应用而设计的专用信息处理系统, 这些信息处理系统在各个应用领域辅助或代替人类进行信息活动, 已成为我们生产和生活的得力助手。知识延伸嵌入式系统嵌入式系统是一类具有一个或多个特定功能的信息处理系统, 一般都可进行实时计算, 往往被用作某个设备的一个部件。这类系统一般都具有低功耗、 高可靠性、 可扩展等特点。而我们常见的个人电脑等通 1 3 华东师范大学出版社开源硬件项目设计用计算机用起来比较灵活, 比如可替换硬盘、 增加内存等, 这样能满足更多用户的需求。用在嵌入式系统中的处理器和微控制器发展很快, 从最初的 4位处理器( 用于电饭煲等家电)
42、, 到之后的 8 位处理器( 用于游戏机、 遥控器等) 、 16位处理器( 用于机顶盒、 路由器等) 、 3 2位处理器( 用于网络设备、 机器人等) 等, 其处理能力在不断增加, 处理速度也从 0 . 1M I PS ( millio n in s t r u c t i o n s p e r s e c o n d , 即每秒百万条指令) 发展到超过 10 0 0M I PS 。图 1 . 5 烟雾报警器2 . 信息处理系统实例分析 烟雾报警器在各种各样的公共场所, 比如教室、 图书馆、 博物馆、 咖啡厅等, 都可以看到烟雾报警器的身影。它虽然是一个很小的装置, 却成为现代安全设施的标配
43、, 默默地保障着人们的人身安全和财产安全。图 1 . 6 烟雾报警器内部器件如图1 . 5和1 . 6所示的烟雾报警器可视作小型的专用信息处理系统, 它采用专门的烟雾检测装置, 即烟雾传感器作为系统的输入模块, 用集成度高、 功耗小、成本低的微控制器作为烟雾信号处理模块, 用蜂鸣器、W i - F i模块等作为输出模块, 构成如图1 . 7所示的烟雾报警信息处理系统。图 1 . 7 烟雾报警信息处理系统的组成（1 ） 输入模块传感器能感知外界信息, 并能将得到的信息按一定规则变换成电信号或其他所需形式的信号。图1 . 8中的烟雾传感器的内部是如图1 . 9所示的一对侧斜向安装的红外光敏发射、
44、接收对管。黑的为接收管, 透明的是发射管。图 1 . 8 烟雾传感器图 1 . 9 红外对管由于发射管和接收管是侧斜向安装的, 而光沿直线传播, 没有烟雾时接收管是无法接收到发射管发出的红外信号的; 当有烟雾进入烟雾传感器内部时, 由于烟雾颗粒的作用, 发射管发出的红外光发生散射, 接收管便接收到了红外信号。这个信号的强度与烟雾的浓度相关, 因此在将该信号由电流转换成电压时, 电压值的大小直接反映了外界烟雾浓度的大小。1 4华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件烟雾传感器构成了信息处理系统的输入模块, 它将得到的电压信号传送到微控制器后便完成了信息的获取。（2 ） 处理模块烟雾报警器的电路
45、板上连接有一块微控制器芯片, 它对接收到的烟雾信号进行处理。输入模块传送来的电压信号是一个在一定范围内( 如在0 3 . 3V之间) 的模拟信号, 而微控制器是数字信息处理器件, 无法直接处理烟雾传感器传入的模拟信号, 因此需要先把输入模图 1 . 1 0 微控制器输入接口示意图块传送来的模拟信号转换成数字信号, 这个通常由模数转换器件(a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r, 简写为A D C, 或称为A/D转换器) 完成, 如图1 . 1 0所示。为方便用户使用, 现今很多微控制器中都集成有A D C, 模拟信号可直接传入到微控制器的
46、一些输入 / 输出接口(I/O接口) , 再由这些接口传送进A D C。图 1 . 1 1 微控制器A D C的转换精度由它的二进制位数决定, 若其二进制位数为1 0位, 则表明它能将一定范围内的电压信号转换为十进制数0(21 0-1) , 即0 1 0 2 3之间的数值。烟雾浓度越高, 电压信号就越大, 转换后的数值也越大, 所以根据转换后的数值就能判断周边环境的烟雾情况, 如果该数值超出一定的阈值就可以判定为有险情, 需要采取相应的措施。图 1 . 1 2 蜂鸣器微控制器( 如图1 . 1 1所示) 一般根据所要实现的功能来选型。烟雾报警器所需的控制功能简单, 即判断烟雾浓度对应的电压值是
47、否超出阈值, 因此, 它对整体运算能力和处理能力的要求不高, 一般8位的微控制器就可以完成。图 1 . 1 3 W i-Fi 模块（3 ） 输出模块输出模块根据微控制器的指令完成相应的操作或动作。烟雾报警系统的输出由蜂鸣器( 如图1 . 1 2所示) 和W i - F i模块( 如图1 . 1 3所示) 构成, 当烟雾浓度超标时, 蜂鸣器将报警, 同时W i - F i模块会通知管理员。图 1 . 1 4 微控制器输出接口示意图微控制器输出的都是数字信号, 常用的输出模块多为数字器件( 如蜂鸣器、W i - F i模块等) , 可以直接接收微控制器传送来的数据。但当其输出信号用于驱动一些模拟端
48、口的模块( 如电机设备等) 时, 则需先将数字信号转换为模拟信号, 一般由数模转换器件(d i g i t a l t o a n a l o g c o n v e r t e r, 简写为D A C, 或称为D/A转换器) 进行转换后再输出, 如图1 . 1 4所示。1 5 华东师范大学出版社开源硬件项目设计烟雾报警器中的烟雾传感器、 微控制器, 以及蜂鸣器、W i - F i模块,是构成信息输入、 信息处理和信息输出三个模块的实体, 它们通过相应的接口连接成一个有机的整体, 组成烟雾报警信息处理系统。烟雾报警器的信息处理过程为: 当周边环境的烟雾浓度较高时, 烟雾传感器将这些数据传送到微
49、控制器, 微控制器将其与设定的阈值比较, 若高于设定值则表示烟雾浓度超标, 不超过该值则表示正常; 微控制器根据判断结果控制输出模块, 一旦烟雾超标, 蜂鸣器便立刻发出报警声, 同时W i - F i模块提醒管理人员采取措施。烟雾报警器还可以设计成更加复杂的信息处理系统, 如整合报警和处理功能, 当烟雾浓度超标时, 烟雾报警器不仅发出报警声, 还能自动启动由微控制器控制的喷水装置, 及时处理险情。体验思考若烟雾报警器是在一栋大楼中使用, 如何将各个房间的报警信息汇总, 实现集中管控?作业练习分析你周边的系统中哪些具备信息处理系统的构成要素。利用“ 信息输入 信息处理 信息输出” 这根主线, 将
50、它们的各模块描述出来, 填入表 1. 2 。表 1 . 2 生活中信息处理系统的组成器件信息处理系统信息输入信息处理信息输出智能手环运动传感器、脉搏传感器、触摸按键微控制器震动电机、显示屏、指示灯1 6华东师范大学出版社第一章开源文化与开源硬件二、 常见的开源硬件开发平台信息处理系统的运行依赖于有承载运行功能的硬件平台和相应的控制软件。开放性是基于开源平台的信息处理系统的特点之一, 即允许用户在协议限制范围之内, 从开源的核心硬件和应用于该硬件平台的软件出发, 依据需要对系统进行二次开发, 在已有的共享资源的基础上进行学习、 改造、 调试, 甚至重新发布, 从而搭建起功能更强大或更能适应特定环
