1. 近年来，生物学领域在处理能力的指数级增长、高级计算以及全球信息共享兴起的推动下，取得了巨大的技术进步。低成本单板计算机有望成为进一步彻底改变该领域的关键技术进步之一。
2. 到目前为止，尚缺乏对这些设备当前应用情况的全面概述以及帮助研究人员将其集成到工作中的一般性指南。本文重点介绍最广泛使用的单板计算机——树莓派，并回顾其在生物领域的广泛应用和用途。
3. 自2012年发布以来，树莓派在实验室、野外和教室中，以及在众多学科领域内，被生物学家越来越多地采用。目前已存在大量应用，从简单的解决方案到专用的定制设备，包括巢箱监测、野生动物相机陷阱、高通量行为记录、大规模植物表型分析、水下视频监控、闭环操作性学习实验以及自主生态系统监测。尽管树莓派的应用范围广泛，但其在科学界中的深入应用仍然有限。
4. 树莓派具备广泛的功能，结合其低成本、易于使用和庞大的用户社区，使其成为几乎所有项目的优秀研究工具。为了帮助科学界更快地采用树莓派，我在专用配套网站（http://raspberrypi‐guide.github.io）上提供了详细的指南、建议和注意事项，以及30+分步指导。我希望本文能够提高科学家们对树莓派的认知，从而推动科学的普及，并最终从微观到宏观尺度促进我们对生物学的理解。

K E Y W O R D S


自动化、计算、电子学、开源电子、树莓派、单板计算机、技术、工具

过去几十年来，技术进步迅猛，彻底改变了生物研究（Chave, 2013；Snaddon 等, 2013）。诸如基于图像的自动追踪、生物记录、基因条形码和遥感等技术的发展，使我们能够以前所未有的细节程度、更快速且更少干扰的方式研究植物、动物和生态系统（Anderson & Gaston, 2013；Dell 等, 2014；Hebert 等, 2003；Hughey 等, 2018；Kays 等, 2015）。在开放科学和全球信息共享发展的推动下，新技术和解决方案变得高度可及（Snaddon 等, 2013），而3D打印和低成本电子学的进步使得研究人员越来越能够自行构建实验室工具（Baden 等, 2015；Pearce, 2014）。

得益于计算能力的指数级增长和成本不断降低，以及传感器技术与电池效率的近期改进和物联网（IoT）的兴起，低成本单板计算机（SBCs）有望成为进一步推动生物学研究革新的关键技术之一（Allan等，2018年）。近年来的发展已催生出具备高度定制化和控制能力的设备，使科学家能够创建精确满足其需求的研究工具和装置（Kwok，2017；Ravindran，2020）。这些低成本设备还有助于提升科研节俭性，从而为发展中国家带来新的科学探索机遇（Reardon，2013；Whitesides，2011）。科研界对低成本计算机的广泛采纳和多样化应用将推动新方法的发展，促进跨学科研究并开拓新的研究方向（Freckleton & Iossa，2010）。最终，这将加速我们对生物学的理解（Allan等，2018年；Hughey等，2018），并有助于应对当前紧迫的生态与保护问题（Arts等，2015；Pimm等，2015）。

迄今为止，最受欢迎的单板计算机是树莓派，自2012年以来已售出超过3700万台，在线社区庞大（raspberrypi.org/forums 上有超过30万用户），教育工作者使用它向全球数百万年轻人教授计算知识（树莓派基金会，2020年）。这款低成本计算机基于开源原则，并以非营利性目标推动全球对计算和数字创作的普及，集成了外部硬件、传感器与控制器接口，具备用户友好的编程功能、高连接性和桌面功能（详见第2节）。它也是生物研究领域科研界使用最广泛的低成本计算机，被应用于跨越多种主题和研究领域的广泛项目中。尽管已有针对特定受众的详细应用描述，但截至目前，仍缺乏一篇全面概述树莓派广泛应用潜力以及为研究人员提供通用指南以帮助其决定是否、何时以及如何使用的综述文章。

在此，我详细介绍了树莓派，强调了其优缺点，通过回顾生物领域的相关论文讨论了其广泛的应用，并提供了详细的建议、指南和注意事项，以帮助研究人员将树莓派整合到他们的工作中。此外，配套网站（raspberrypi‐guide.github.io）上提供了分步教程（30+，概述见表S2）。我希望通过本研究提高人们对树莓派作为一种多功能、低成本研究工具的认识，使其几乎可在任何情境下应用，从而有助于从微观到宏观尺度提升我们对生物学的理解。

树莓派（图1）是由总部位于英国的慈善机构树莓派基金会（raspberrypi.org）开发的一款低成本单板计算机（SBC）。自2012年首次发布以来，已推出多代树莓派计算机，可分为三种主要型号：树莓派A型、B型和零型（第四种型号为计算模块，主要用于工业应用）。这三种型号（下文统称为“树莓派”）的基本架构高度相似（另见第5节），均配备了一块集成了中央处理器（CPU）和片上图形处理器（GPU）的系统级芯片、板载内存以及5伏直流电电源输入。

所有型号均配有专用摄像头连接端口，以及一组通用输入输出（GPIO）引脚，可用于与多种电子设备通信，包括发光二极管、按钮、伺服电机和马达、功率继电器以及大量传感器。连接到GPIO引脚的特殊扩展板，称为硬件附加层（HAT），可提供额外功能，如电源管理、射频识别（RFID）、电机控制器和高质量音频录制。大多数型号还具备以太网连接以及无线（无线网络和蓝牙）连接性，结合GPIO端口，使树莓派具有极高的灵活性。树莓派具备标准计算机的全部功能，因此无需任何配置即可连接鼠标、键盘和显示器，并可通过易于使用的Linux桌面环境或其他流行的操作系统进行操作。

树莓派还可以作为无头设备（不连接键盘、鼠标和显示器）使用，可通过多种计算机语言远程控制并编程以自主运行脚本。树莓派与微控制器（如 Arduino 或最近发布的树莓派 Pico）不同，后者可被编程以执行单一的用户编写的程序，并与传感器及其他电子学设备通信（详见表1中的详细比较）。

为什么使用树莓派？

树莓派被专门设计为一种高度灵活且功能强大的计算机，其成本仅为传统个人计算机的一小部分，可供任何人用于创造性地解决问题。它所具备的大量优势轻易超过了其局限性（见表2），使树莓派成为一种极为出色的研究工具，几乎可用于任何用途。这包括交互式和自主式的环境监测、实验室实验的视频记录、长期野外测量站，以及能够读取多种输入信号、触发其他操作（例如开关灯光或伺服电机）、自动处理数据并发送警告信息的高级闭环设备。

树莓派可能有助于科学家实现自动化数据收集，并获取更大、更广泛且更一致的数据集，从而帮助克服时间和空间上的采样不足问题。此外，其远程监控功能有助于减少潜在的实验误差，减轻人为观察者偏差，并最大限度地减少可能引起局部环境条件变化或实验动物产生（应激）反应的干扰（例如：古尔迪塔等人，2016；伦德瓦伊等人，2015；麦克布莱德和柯特，2019；辛格等人，2019）。树莓派拥有大量接口和广泛的连接性，能够开发出高度经济实惠的解决方案，替代许多研究人员因预算有限而无法负担的昂贵科研设备（多尔金，2018），例如操作性条件反射装置、植物表型分析系统以及共聚焦显微镜（玛雅·查加斯等人，2017；斯坦顿等人，2020；陶森等人，2020）。其低成本还使得可同时部署多个设备，使研究人员能够尝试新想法，为创造性与新颖性的解决方案打开大门。由于体积小巧，尤其是树莓派Zero型号，几乎可以集成到任何实验设置中，便于运输，并且凭借多样化的供电方式，可在野外长时间自主运行。最后，自行构建的树莓派系统具有高度适应性，因为其软件和硬件均可

TABLE 1 一些最受欢迎的树莓派和 Arduino型号的比较

在需要时可以轻松更新和重新利用。这与商业设备形成对比，后者可能会过时且不再积极维护，导致用户不得不继续使用旧设备或购买新设备。

除了树莓派之外，还存在多种其他单板计算机，包括奥德roid、贝格尔板、香蕉派和NVIDIA Jetson Nano。这些替代方案的主要缺点是用户支持有限，无法与庞大的树莓派社区以及广泛且最新的在线文档和教程（见raspberrypi.org）相比。此外，大多数树莓派替代产品的软件和硬件通常没有得到同样积极的维护，驱动程序支持和第三方附加组件也更为有限。然而，对于更高级的用户或特定应用场景，某些替代开发板可能是更优选择，例如具备更高计算能力或专为机器学习设计的型号。在某些应用中，可能更适合不使用单板计算机

除了微控制器之外的所有功能。尽管树莓派在处理能力、连接性、可用性和数据存储访问方面表现出色，但微控制器更适合运行不需要进一步用户干预的单一重复性任务（表1）。此外，微控制器仅消耗单板计算机所需能量的一小部分。还可以并行使用树莓派和微控制器，以结合二者的优势，例如使用Arduino轻松读取模拟传感器数据，同时利用树莓派实现客户端访问、自动化和在线媒体共享。一些潜在用户可能会因为树莓派并非即插即用设备而望而却步，确实可能需要一定的试错学习过程。但总体而言，其学习曲线相当平缓，用户可以依赖广泛的在线支持，无论是在设置、设计解决方案还是解决问题方面。

最终，使用树莓派不仅能带来诸多实际好处，还有助于提升计算技能并培养突破常规的思维方式，而这正是科学进步的关键所在。

为了确定树莓派在生物研究中的应用情况，我使用谷歌学术和科学网进行了系统性检索，以“Raspberry Pi”为主要关键词（2021年2月）。为了将搜索结果限制在生物领域应用范围内，我使用与学科（如“植物科学”、“野生动物保护”）、使用类型（如“自动化”、“远程监控”）以及具体应用（如“环境感知”、“射频识别”）相关的关键词进行了多次不同检索。我有意涵盖整个生物领域的论文，因为某些学科本质上更具技术导向性，而方法通常具有广泛的适用性。为了扩大检索结果，我仔细检查了所有纳入论文的参考文献，以查找更多相关研究。为了获得最新的研究成果，我还检索了相关预印本服务器（如生物预印本服务器）上的资料，并通过推特（至700+个关注者）公开征集研究人员分享与树莓派相关的研究工作。由于我的目标是调查现有树莓派应用的范围，因此我也纳入了未发表的研究成果。尽管如此，尽管进行了广泛而详尽的文献检索，所呈现的研究仍可能低估了树莓派的实际应用程度，因为论文并不总是明确提及树莓派的使用，或仅简要提及。然而，显然自发布以来，树莓派在生物领域社区中的应用日益增加（图2），并且已经存在极为多样的应用（见图3）。使用其他单板计算机（如Jetson Nano）进行的类似文献检索显示目前应用非常有限，因此不再进一步讨论。下文将按 broad categories 对树莓派的应用进行讨论。为了便于读者查阅当前和未来项目相关的研究工作，表S1提供了所有实证研究的详细表格，包括简要描述、关键词、所用组件和电子元件以及潜在的研究生物体。

TABLE 2 树莓派优缺点总结

优势


- 紧凑板上的强大处理能力

- 大量专用接口（UART、I2C、SPI、I2S、CSI、DSI）

- 连接各种传感器和电子组件

- 高连接性（HDMI、USB、以太网、无线网络、蓝牙）

- 价格低廉，低至5欧元（零型；RPi 4B为60欧元）

- 8 GB

- 易于使用，拥有庞大的用户群体和丰富的资源，并且提供了易于理解的教程（参见 raspb errypi.org）

- 既可无头运行，也可作为完整的桌面版计算机使用

- 无需 extensive 编程 经验，学习成本低

- 曲线，但需要一些尝试和错误

- 由于体积小巧，易于部署且高度便携

- 长期自动化的图像和视频录制具有高 定制化

- 内置支持HDMI的图形处理器（最新型号最高支持4K）

- 低功耗（但高于微控制器）且可以

- 可由多种外部电池和太阳能板供电

- 不含活动部件且静音

- 与商业产品相比，具有高度的可定制性和灵活性 解决方案

- 高可移植性和向后兼容性

缺点


- 以裸露的电路板形式提供（但有许多紧凑型外壳可供选择）

- 不如传统个人计算机强大

- 更高级的应用程序将需要具备一定的 编程和电子学知识，而大多数 商业解决方案并不需要这些知识，但可以快速学会

- 无内置模拟到数字转换功能（可外接添加）

- 无电源按钮或睡眠模式（可通过电源管理 HATS实 现）

- 自定义设置可能会使标准化和可复制性复杂化（但 可以通过详细的标准化在线文档来克服）

4.1 | 树莓派作为专用的图像和视频录制设备

树莓派最重要的用途之一是作为低成本的图像和（高清）视频录制设备。目前存在大量应用，其功能和复杂性差异广泛。普林茨等人（2016）使用由电池供电的树莓派录制系统拍摄了在洞穴巢穴中啄木鸟的行为。类似地，H. 沃森使用树莓派记录猫头鹰的哺育行为（个人通信，2020年12月）。巴洛和奥尼尔（2020）利用树莓派基于微小运动检测，在偏远野外地点自动记录了数千小时的传粉者访问情况；而涂等人（2016）、琼斯等人（2020）以及T. 兰德格拉夫（个人通信，2020年12月）则使用树莓派在蜂巢和糖饲喂器处自动记录并检测蜜蜂活动。艾等人（2017）使用树莓派对经过RFID标记的蜜蜂从初次蜕皮开始连续数周进行拍摄，以记录摇摆舞的发展过程。丘吉尔等人（2020）使用树莓派摄像头全天记录觅食果蝇之间的间距。比耶尔格等人（2021）将多个光源与树莓派摄像头结合，构建了一个自动化蛾类陷阱，用于监测夜行性昆虫。莱奇等（2020）也使用树莓派作为相机陷阱，但主要用于研究果蝇的扩散行为。纳齐尔等人（2017）更普遍地将树莓派描述为一种低成本、灵活的相机陷阱平台核心，可用于野生动物监测。芬克及其同事（P. 芬克，个人通信，2021年1月）使用树莓派跟踪帽贝在流动水中为期两周的觅食移动轨迹。约翰逊、阿罗瓦拉等人（2020）将树莓派与深度传感器结合，自动测量慈鲷筑巢行为持续数周。施皮勒等人（2021）将树莓派摄像头与光敏电阻结合，通过光照强度变化触发录制，以研究果蝇的攀爬行为。韦斯等人（2019）使用树莓派摄像头以每秒90帧的速度记录植物种子的终端速度，以了解

植物扩散，而约翰逊等人（2020）将其集成到一个定制的夹具系统中，以拍摄木质部的受控放大图像，研究植物的抗旱性。邦特帕特等人（2020）使用五个连接的树莓派摄像头创建了一幅高度详细的（拼接的）植物根系图像，用于分析根系发育。萨克塞纳等人（2018）也使用了一套连接的摄像头系统，但用于获取大开放空间中大鼠的视频数据，并通过连接的Arduino精确同步各个子单元。韦伯和费舍尔（2019）连续记录了多对圈养小鼠在多个生殖周期中的行为。马亚·查加斯等人（2017）开发了一种先进解决方案，结合树莓派、现成电子元件和3D打印机械部件，构建了一台基本的透射光和荧光显微镜（FlyPi），用于研究果蝇和线虫等小型动物的行为（另见努涅斯等人，2017）。温科特等人（2020）同样开发了一种经济实惠、便携且自动化的显微镜系统，使用树莓派专门用于教学与推广目的。波利纳等人（2020）提出了一种便携式流动显微镜，可用于远程野外地点研究浮游生物群落。塔德雷斯和路易斯（2020）利用树莓派创建了一个低成本虚拟现实平台（PiVR），可对自由移动的小型动物进行高达50 Hz的高分辨率、光遗传学闭环实验。卡尔迈尔等人（2019）和普里维泰拉等人（2020）使用近红外摄像头自动追踪小鼠呼吸和瞳孔扩张。最后，树莓派还常用于动物实验的远程监控，有助于尽量减少潜在干扰（例如A. 布瓦图瓦，个人通讯，2021年1月）。

4.2 | 高通量和长期动物行为记录

许多研究已使用树莓派阵列进行受控且自动化的高通量图像和视频录制。例如，托德等人（2017）使用了16台树莓派在小型游泳隧道中拍摄斑马鱼的趋流行为。贾伊梅等人（2018）使用多个树莓派摄像头集群，监测饲养在微型96孔板中的果蝇活动。盖斯曼等人（2017）将树莓派用于一种先进的3D打印设备（行为监测仪），结合机器学习实时追踪和分析果蝇行为，并报告通过70个并行设备同时监测了1,400只果蝇。辛格等人（2019）构建了一个持续的笼内监测系统，利用近红外摄像头自动分类啮齿类动物的睡眠‐觉醒周期，并监测饲养条件和福利状况。乔勒斯等人（2017, 2019, 2020）使用树莓派网络及自主开发的软件，在多种情境下对大量个体和鱼类群体的行为进行了长期自动记录。Martorell‐Barceló 等人（2021）连续多日对单条鱼类进行拍摄，以研究攻击性行为的重复性，并结合深度学习技术实现了长时间自动检测鱼类（西加诺利，2020）。

为进一步研究个体行为类型的出现，拉斯科夫斯基、乔勒斯等人（个人通讯，2020年12月）使用了24台树莓派阵列，从出生起连续以每秒为单位自动记录克隆鱼类直至4个月大。阿尔孔‐涅托等人（2018）和王等人（2021）在户外鸟舍中，将多台树莓派用于长期自动化记录和监测鸟类群体的系统。最后，霍伊舍勒等人（2020）利用一台树莓派配合电机控制的自动化平台，在一系列细胞培养瓶中连续自动拍摄桡足类。

4.3 | 植物表型分析

树莓派还越来越多地被用作低成本、高通量的植物表型分析解决方案，通常与开源图像处理工具和流程相结合。例如，多布雷斯库等人（2017）和巴列等人（2017）使用树莓派自动测量植物生长。米内尔维尼等人（2017）开发了一个系统，利用树莓派和自定义成像脚本实现莲座状植物的自动表型分析（表型提基）。类似地，托瓦尔等人（2018）使用树莓派对种子和幼苗进行自动成像，以量化植物的形状、面积和高度。和颜色。陶森等人（2020）扩展了这类表型分析解决方案的应用，实施了一个大规模自动化图像采集系统，共使用180台联网的树莓派，对1,800株单独的植物进行了持续数月的同步监测。最后，加吉翁等人（2020）使用一台树莓派和一个带有四个摄像头的多路复用板，记录了植物根系随时间的生长动态。

4.4 | 水下视频监控

许多研究已将树莓派应用于水下视频监控的定制解决方案中。珀瑟等人（2020）使用3D打印组件构建了一种廉价的海洋相机系统，可部署至150米深的水下。威廉姆斯等人（2014）开发了一种立体运动触发式相机陷阱，可部署于深达300米的水下。菲利普斯等人（2019）采用定制的3D打印耐压外壳，利用树莓派在深达5,500米的水下进行录像。通过将树莓派Zero与电源管理板和定制电池系统结合，穆伊等人（2020）实现了长达212小时的水下视频录制。莱尔特维莱（2020）设计了一种专用于野外自主浮游动物调查的自动录音设备。赫尔曼等人（2020）开发了

一个可以通过水面单元进行远程连接和查看的连续水下监测系统。

4.5 | 用于研究动物行为和生理的电子传感与控制

科学家已广泛将树莓派与电子传感器和执行器结合使用，特别是用于研究动物行为和生理。例如，隆利等（2017）和Pasquali等人（2017）分别使用红外运动探测器监测大鼠和北极无脊椎动物的活动水平。卡尔迈尔等人（2019）使用热成像相机监测小鼠体表温度，而 Vickers和Schwarzkopf（2016）则使用温度传感器直接估算小型蜥蜴的瞬时体温。Brem等人（2020）利用树莓派和热电偶探头研究草甸跳鼠的冬眠表型。Ardesch等人（2017）使用固定式触摸传感器研究啮齿类动物行走行为。A. Rathery（个人通讯，2021年1月）使用 CO2传感器测量蚂蚁在不同温度下挖掘巢穴时的代谢率。Dan Killam（个人通讯，2021年5月）使用磁性传感器和连接到树莓派的 Arduino原位测量蛤蜊阀门的开闭情况。Raab等人（2021）甚至使用树莓派监测电鱼的电行为，包括在哥伦比亚丛林偏远地区利用汽车电池供电进行监测。Noorshams等人（2017）通过树莓派控制特殊的称重传感器，实现对射频识别标记小鼠的自动称重测量（另见 Bolaños等人，2017）。Youngblood（2020）设置了带有RFID读取器的鸟食器，用于远程监测野生鸟类种群，而费雷拉等人（2020）则使用配备RFID的鸟食器自动生成大量带标签的鸟类照片数据集，用于机器学习。类似地，Meniri等人（2019）使用RFID读取器帮助自动捕捉带有pit标签的蝙蝠。Ripperger等人（2020）将树莓派描述为定制无线生物记录网络的核心组件，Marshall等人（2018）则将树莓派用作主要数据库服务器，在长期野外项目中与手持设备通信以研究环带獴。

许多研究在其定制应用程序中进一步实施了执行器或控制电子元件。例如，Charlton和Merritt（2020）使用触觉马达振动水族箱，以研究萤火虫幼虫的生物发光现象。Hol等（2020）将树莓派与帕尔贴元件连接，调节人工基质的温度，以研究蚊子叮咬行为。同样， M. Stockenreiter（个人通信，2020年12月）使用树莓派控制加热垫，研究温度升高对自然浮游群落中蓝藻的影响。Reemeyer和 Rees（2020）使用伽伐尼氧传感器控制水族箱中的氮气流，研究溶解氧对鱼类代谢的影响。M. King（个人通信，2020年12月）使用步进电机模拟潮汐，研究其对海洋节肢动物（社会）行为的影响。菲尔森等（2018）使用树莓派构建了一个自动化的鸟类当接近传感器检测到鸟类时，使用伺服控制器分配食物的喂食器。最后，M. 奥勒曼（个人通信，2021年1月）将树莓派用于穿梭箱系统中，根据动物的位置自动控制泵和加热器，以测量其热偏好。

4.6 | 自主学习实验

大量研究利用树莓派开发了专门用于促进受控和自主学习实验的设备。一些最先进的解决方案能够执行与高端商业系统类似的任务。例如，奥利里等（2018）构建了一个先进且低成本的触摸屏操作箱，其中显示器会呈现图像，当大鼠触摸该图像时，便会释放食物、播放特定音调并点亮LED灯，同时使用红外传感器检测食物获取行为（另见古尔利，2019）。布施尔等（2020）也利用树莓派构建了一个复杂的操作性条件反射箱系统，该系统具备电生理和光遗传学兼容性。隆利等（2017）使用电容式触摸传感器、注射泵和LED灯构建了一种啮齿动物舔舐装置，用于研究操作性条件反射。西拉西等（2018）则利用树莓派开发了一种前肢运动任务，并通过集成的射频识别标签读取器对群居饲养的小鼠进行自主且个体化的训练。

基门托等（2021）使用树莓派对解决益智盒的带 PIT 标签鸟类进行自动控制和监测。类似地，L. 赞德伯格等（个人通讯，2021年1月）在实验室和野外利用树莓派作为操作式喂食器，使群居鸟类能够基于听觉线索进行个体训练。斯坦顿等（2020）开发了一种自动化设备，可在无需大量训练或实验人员参与的情况下，对浣熊、臭鼬和郊狼进行逆转学习测试。阿尔塞和史蒂文斯（2020）将树莓派与自动狗粮分发器和触摸屏设备结合，创建了一个用于研究犬类认知的操作式系统。

多个研究团队还使用树莓派对鱼类开展自动化学习与辨别任务，包括在 LCD 屏幕上呈现光或图像，并通过改装的鱼类喂食器自动释放食物奖励（Lucon‐Xiccato 等，2019；华莱士等，2020；W. 图雷，个人通讯，2021年1月）。目前，树莓派也被用于螳螂虾的视觉学习任务，以研究其光谱敏感性（M. J. 豪，个人通讯，2021年1月）。最后，塞赫德夫等（2019）将树莓派与自动旋转平台结合，用于行走的果蝇的自动化学习与记忆检测。

4.7 | 生物声学

树莓派已被用作生物声学领域的专用音频记录设备，包括用于生物多样性和生境评估。惠托克和克里斯蒂（2017）开发了一套系统，由一个基于电池供电的树莓派、专用音频卡、外接麦克风和自定义脚本，长时间（>1个月）记录鸟类和蝙蝠在不同栖息地的叫声及发声行为。Bradfer‐Lawrence等（2019）成功利用这些设备获取了巴拿马117个地点的声学指数，类似方案也已应用于其他后续研究中，例如探究土地利用和有机农业对鸟类多样性及植被结构的影响（德勒格等，2021；迈尔斯等，2019）。此外，比森等（2019）将惠托克和克里斯蒂的系统与专用蝙蝠音频记录仪结合，用于自动记录超声波蝙蝠叫声。塞西等（2018）描述了一种基于树莓派的太阳能供电系统，可在婆罗洲偏远野外长期进行声音记录，并通过3G手机网络直接将数据传输至互联网，包括向公众开放的网站进行实时流媒体传输（Sethi等人，2020年）。类似地，奥卡声学项目使用树莓派和连接的水听器提供水下录音的实时直播，借助公民科学帮助识别虎鲸及其他水下声音。Caldas‐Morgan等（2015）将树莓派与自制水听器以及置于防水外壳中的USB音频编解码器相结合，实现自主水下录音。伦德瓦伊等（2015）通过将树莓派与RFID读取器结合，构建了一个低成本的自动化播放与录音系统，用于测量树燕在野外对乞食叫声的反应。最后，威尔希特等（2020）使用树莓派、放大器和户外扬声器在野外播放鸟类叫声，以评估声学录音设备如何帮助量化鸟类种群数量。

4.8 | 环境监测

许多研究团队已使用树莓派对实验室（例如Gurdita等人，2016；Longley 等，2017；威尔申等，2018）以及温室和植物生长室（例如卡巴坎等，2017；格林德斯塔夫等，2019；沙和巴特，2017）中的环境条件进行（长期）监测，包括对环境温度、湿度、气压和光照强度的精确检测。特别是结合自动消息服务，可在变量超出范围时通知实验人员（例如格林德斯塔夫等，2019；Gurdita等人，2016；陶森等人，2020），这有助于最大限度地减少可能影响实验或动物行为的环境因素波动，从而提高实验的准确性和可重复性。在这些功能的基础上，戈什等（2018）开发了一种特殊的植物生长柜（生长柜），利用树莓派帮助控制光质、光强和光周期，以优化快速育种参数。麦克布莱德和库尔特（2019）以及菲尔森等（2018）在野外自动采集了鸟食器周围微气候的温度、风速和湿度数据；而巴杜尼亚斯等（2020）则通过连接到树莓派的手动传感器，利用树莓派测量了纳米布沙漠中白蚁丘的湿度。莱奇等（2020）使用树莓派连接风速数据，通过相连的风速计。最后，格里菲斯等人（2017，2020）在皮划艇上安装了水下环境传感器和GPS传感器，用于声学环境的精细测绘以及艺术用途。

总体而言，尽管树莓派在自主环境监测方案中具有巨大潜力，但其应用似乎相对不足（参见例如塞西等，2018年）。

本节提供了实施树莓派的实用概述，为初学者和有经验的用户均提供了相关信息。有关详细的分步教程（30+），可在与本文配套的网站 raspberrypi‐guide.github.io上找到，其中的详细概览见表S2。

5.1 | 需要什么硬件？

最基本的要求（详见图4概览）仅包括一个树莓派、一张用于存储操作系统和用户数据的 microSD卡（至少8 GB）以及一个5伏直流电电源（至少2.5安培）。最适合您项目的型号取决于所需的处理能力和连接性（见下文）。通常建议初学者配备键盘、鼠标和电脑屏幕，市场上有许多小巧且价格低廉的版本可供选择；此外，出于灵活性和测试需要，建议准备备用设备，包括额外的树莓派、microSD卡和充电器。树莓派触摸屏是一个不错的故障排除工具，例如当您无法连接到树莓派时便可使用。大多数简单应用无需额外硬件，但在构建定制电子解决方案时，可能需要以下部分或全部工具：电工胶带、剪线钳、钳子、面包板、跳线、标准电线、焊接设备、热缩管和热风枪（见图4）。此外，焊接辅助支架和万用表也可能派上用场。这些工具和电子元件在在线商店和零售商店中均广泛可得。在构建定制解决方案时，铝型材（例如来自Makerbeam的产品）是创建坚固且有序系统的理想选择。最后，拥有3D打印机有助于制造定制结构和外壳，例如用于摄像头和其他传感器，以及将所有组件牢固地固定到位。

不同型号的树莓派在功能上基本相同，但在处理速度、功耗和连接性方面存在显著差异。在撰写本文时，树莓派4B是性能最快的型号，无论是在计算能力（四核1.5 GHz；2–8 GB内存）还是连接性方面都表现突出，其具备USB 3.0接口（读写速度高达300兆比特每秒）、高速千兆以太网（900+ Mbps）以及无线局域网（最高100兆比特每秒）。然而，它也是功耗最高的型号（平均功耗~3.4瓦；茨茨洛特，2019年）。树莓派Zero（W）体积仅为一半，缺少大量连接功能（见表1），处理能力也低得多（单核1 GHz；512MB内存），但在空闲状态仅需0.8瓦，因此非常适合较简单的电池供电解决方案。树莓派3A+是为那些希望在性能与功耗之间取得平衡的用户设计的中间型号。树莓派400将树莓派4B集成于键盘之中，缺少摄像头端口，因此最适合桌面使用。虽然更强大的树莓派型号可以支持机器学习，但要实现实时目标检测仍需专用的神经计算棒。

5.2 | 安装和配置操作系统

如今，在树莓派上安装和配置操作系统非常简单。使用另一台计算机，只需下载树莓派镜像工具（raspberrypi.org/downloads/），插入 microSD卡，然后选择所需的操作系统即可。建议使用带有桌面版的最新版本树莓派操作系统（以前称为Raspbian）。写入SD卡后，将其插入树莓派，并通过连接电源启动（有关详细教程及其他选项，请参见表S2）。另一种选择是购买预装可安装操作系统版本的SD卡（例如带有“NOOBS”的SD卡）。为了能够连接操作，您需要连接显示器、键盘和鼠标。然而，只需几个简单的额外步骤，也可以在没有这些外设的情况下立即运行新安装的SD卡（参见表S2中的教程）。首次启动进入树莓派操作系统桌面环境时，系统会引导您完成一系列简短步骤，以帮助配置和更新您的系统，但仍建议进行一些额外的配置步骤和安全设置（参见表S2中的教程）。此外，克隆SD卡也非常简便，这样在需要创建相同设备（或设备网络）时，就无需再次重复所有设备设置步骤（见下文）。请务必在断开电源前始终正常关闭树莓派，以避免数据丢失或系统损坏。

5.3 | 控制树莓派

树莓派可以像其他桌面版计算机一样通过键盘、鼠标和显示器进行控制，但也有多种方式可以远程操控树莓派。安全外壳协议（Secure Shell）

可以从同一网络中的另一台设备通过命令行进行控制。它预装在 Linux、Mac以及部分Windows操作系统中，也可以安装在移动设备上（教程参见表S2）。还可以使用单个终端窗口同时控制多个树莓派，例如使用csshX。如果您需要使用图形桌面界面，或不熟悉使用命令行，则虚拟网络计算（VNC；图5）是一个很好的替代方案。它允许您从任何位置远程控制树莓派的桌面界面，而无需连接显示器（教程参见表S2）。树莓派操作系统自带RealVNC Connect软件，您只需在要连接的其他设备上安装VNC查看器软件即可。除了在私有网络上的直接连接外，还支持端到端加密的云连接（非商业用途免费）。为了帮助您以其他方式安全地远程访问树莓派，例如连接终端或搭建本地Web服务器，还存在多种其他服务，包括remote.it、ngrok和 dataplicity。

5.4 | 有线和无线连接

树莓派型号在连接性方面有所不同，有些型号缺少以太网端口和/或无线网络功能。使用以太网还是无线连接取决于项目的具体需求。无线连接的主要优势在于可以更灵活地放置树莓派，且无需使用以太网电缆。然而，无线网络可能受到干扰，且在稳定性和带宽方面不如有线连接。此外，当使用PoE HAT配合以太网连接时，无需专用电源（见下文），便于（室内）设备布置。

默认情况下，树莓派在连接到（本地）网络时将获得一个动态 IP地址，这使其易于连接。尽管这种动态地址在大多数情况下已经足够，但在某些情况下，建议创建一个静态IP地址以确保连接的稳定性（教程见表S2）。

在使用多个树莓派组成的阵列时，最好设置一个具有特定子网的专用局域网，以便轻松添加各个树莓派。然后可以使用一台中央计算机来控制所有树莓派节点，并通过互联网实现通信（教程参见表S2）。该系统已成功应用于多达180个单元的系统（陶森等人，2020），并可编程以分布式可扩展方式执行硬件密集型实验（例如， Sanders & Wehr, 2020）。当您的树莓派主要连接到互联网时，建议安装防火墙以确保树莓派的安全（教程参见表S2）。

在某些情况下，用户可能希望与树莓派建立更直接的连接，例如在没有无线或有线网络可用时。第一种选择是使用以太网电缆配置计算机到计算机的直接连接（教程见表S2）。第二种选择是将树莓派设置为接入点，使其生成自己的无线网络，主机设备可以连接该网络。这对于远程野外系统非常理想，但需要通过终端进行一些配置（教程见表S2）。长距离高增益无线网络适配器可以帮助扩展树莓派的网络覆盖范围，在无障碍物的情况下传输距离可超过150米（个人观察）。还可以通过移动网络适配器（如华为E8372）将树莓派连接到互联网。您需要向电信运营商申请SIM卡和数据套餐，之后基本可实现即插即用。这是一个极佳的选择，只要存在手机网络信号，即可让树莓派从任何地点发送数据，例如从婆罗洲雨林中传输数据（参见Sethi等人，2020年）。对于某些项目而言，远距离射频技术（如LoRa）也可能非常有用，此类技术能够实现小量数据在更远距离上的传输。

5.5 | 为树莓派供电

5.5.1 | 电源

为树莓派供电有多种方式。对于大多数用途，建议使用树莓派基金会提供的标准充电器，但只要充电器能提供至少2.5安培的5伏直流电，任何充电器都应可用，具体需求取决于所连接的外设。在实验室中，尤其是使用多个树莓派时，一个很好的替代方案是以太网供电（PoE）。PoE通过以太网电缆提供电力，并允许远程自动开启和关闭联网设备。由于无需专用充电器，因此在设备布放上更具灵活性，无需靠近电源插座，同时减少了线缆杂乱。然而，这需要配备PoE HAT以及支持PoE的网络交换机/注入器。树莓派还可以通过大多数 USB充电宝供电，或通过DC/DC降压转换器使用12伏电池供电。相比标准的铅酸电池，AGM和锂离子电池因其体积更小且可任意方向放置而更为理想。

但应注意，电池在实际使用中的供电容量通常低于其标称容量，且容量会随着电池寿命逐渐下降，同时电池只能放电至一定水平。树莓派也可以利用太阳能运行。小型的5伏6瓦太阳能板即可满足最基本的需求，而更大、更持久的系统则是许多野外系统的理想解决方案，例如配备12伏/18伏50瓦太阳能板、太阳能充电器和12伏电池的系统（参见普罗珀等，2020年；塞西等，2018年）。

5.5.2 | 电源管理

树莓派没有原生的电源管理程序来实现电源监控和自动化。这意味着当提供的直流电源过低时（例如使用不可靠的电源），或电源完全中断时，树莓派会突然关闭，可能导致数据丢失和SD卡损坏。目前存在一些HAT，例如PiJuice、Sleepy Pi和WittyPi，它们提供了电源管理工具。这些HAT可以通过电池增强直流电源，从而有效利用不稳定的直流电源（如连接的太阳能板）。它们还可以帮助构建不间断电源（UPS），在断电情况下自动切换到电池供电。电源管理HAT还支持智能唤醒模式以及用户定义脚本的自动启动（参见教程，表S2），结合真正的低功耗深度睡眠状态（<1 mA），可显著降低功耗。

5.5.3 | 功耗

总体而言，树莓派的功耗很低，功能最强大的型号（目前为RPi 4B）在负载下消耗的电量与LED灯泡相当（5.5 W）。然而，对于电池供电的项目来说，这仍然可能迅速耗尽电量。在尝试降低功耗时，首先应考虑所使用的型号（见上文）。尽管速度更快的型号可能会消耗更多能量，但它们也能更快地完成任务，因此最佳型号最终取决于任务类型及其执行频率。除了使用电源管理HAT以减少运行时间外，还有多种方法可进一步降低功耗（参见教程，见表S2）。

要估算您的树莓派项目所需的电量，并帮助确定电池和太阳能板的合适尺寸，首先应根据所使用的型号、添加的外设以及预期的处理能力来确定预计的平均功耗。同时，在能量传输过程中需考虑功率损耗。例如，一台用于录制视频的树莓派3A+约需要350 mA电流（约为4B型号的一半）。一块12,000 mAh、效率为80%的电池可为该设备供电约27小时。如果您每天仅需使用几个小时，并利用电源管理硬件附加层在其余时间将其置于深度睡眠状态，则可以使用同一块电池为设备供电长达9天。

为了估算为项目供电所需的太阳能电池板的最小尺寸，首先计算每天预期的功耗（单位为瓦时）。然后根据每天预期的日照小时数、系统在无日照情况下应能运行的天数以及系统中的功率损耗，计算系统的最小容量。例如，当每天有5小时的预期日照时，系统应能在无日照的情况下运行3天，且能量效率为70%时，则太阳能电池板的功率至少应为6 W（(0.35 A × 3 hr × 5 V) × 4 day/0.7/5）。建议在使用前对系统进行实际功耗测试（更多信息请参见普罗珀等，2020年）。

5.6 | 录制图像和视频

5.6.1 | 官方相机模组

所有树莓派型号（除400外）均配备摄像头串行接口，可通过带状电缆将摄像头模块连接到主板。树莓派基金会提供了两款摄像头：v2摄像头板（取代了v1 500万像素摄像头板），配备800万像素传感器；以及价格贵一倍的高质量（HQ）摄像头，配备1200万像素传感器。HQ摄像头支持C型和CS型卡口可换镜头，并且通过镜头转接环，甚至可以使用单反镜头。这使得在视场范围以及相机位置设置上具有极大的灵活性（有关相机最佳定位的教程，请参见表S2），并便于精确调节相机焦距，而这一点在小型的v2摄像头中较难实现。后一款模型的优点在于不易产生冷凝，因此对环境条件更具鲁棒性。v2摄像头板还提供红外型号（Pi Noir），可捕捉高达1000纳米的近红外波长。尽管HQ摄像头没有红外版本，但其红外滤光片（IR Filter）可以拆除。

HQ摄像头可以拍摄比v2型号（3,280 × 2,464像素）更高分辨率的静态图像（4,056 × 3,040像素）。然而，由于视频录制限制由 GPU硬件而非摄像头决定，因此这些摄像头的视频录制能力实际上是相同的，均为1080p 30帧每秒、720p 60帧每秒和640p 90帧每秒。尽管HQ摄像头的图像质量通常更高，但详细测试表明，经过一些调整后，v2摄像头拍摄的图像也可以达到类似的清晰度（个人观察），并且足够清晰以追踪移动的鸟类和鱼类身上的小型条形码（例如 Alarcón‐Nieto等，2018年；个人观察）。两个相机模组都可以连接到显微镜，并且通过使用定制的3D解决方案，可以实现全玻片成像（参见例如github.com/python‐friends/auto‐scope），从而在微观尺度上进行图像和视频录制。

5.6.2 | 替代相机选项

除了官方的树莓派摄像头模块外，还存在多种第三方相机模组，其中一些甚至自带红外灯。最先进的摄像头来自Arducam，它提供了一系列摄像头，其中一些可录制高达16百万像素的图像，但可能需要特殊软件。大多数第三方替代产品仅提供5兆像素分辨率，如果用于录制视频（见上文），这可能不是问题。此外，还有一系列与 v1.5/v2相机型号相当的相机，但配备了C(S)卡口以及更便宜的M12卡口。尽管相机模组通常附带标准的15厘米带状电缆，但也提供5厘米至200厘米长度的电缆，从而提高了摄像头定位的灵活性。除了使用相机模组外，还可以使用标准USB网络摄像头（教程参见表S2）。但需要注意的是，在撰写本文时，相机模组的可配置性优于USB网络摄像头，其图像质量也更高。最后，还可以通过树莓派连接并控制单反相机，例如使用gphoto2库，这可能有助于提高图像质量，但在灵活性和可配置性方面有所限制。

5.6.3 | 录制软件

有多种软件解决方案可用于树莓派的录制。首先，用户可以直接通过命令行使用原生的 raspicam 命令行工具来控制摄像头模块，其中包括用于拍摄静态图像的 raspistill 和用于录制视频的 raspivid。这些工具提供了广泛的录制选项，包括预览摄像头视频流、调整摄像头设置（如对比度、亮度、饱和度、ISO、快门速度），以及设置曝光模式和白平衡。录制命令需写在单行中，但可以集成到 bash 脚本中以实现自动图像和视频录制。picamera（ picamera.readthedocs.io；琼斯，2018年）为树莓派摄像头模块提供了一个纯 Python 接口，极大地方便了用户编写自己的录制脚本，包括录制和流式传输视频、捕获一致的图像和延时摄影，或将数据录制成 NumPy数组 以进行即时处理。pirecorder（ jolle.github.io/pirecorder/；乔勒斯，2020年）基于 picamera 开发，专为科学家设计，提供了一种简单易用的解决方案，可通过最佳设置运行受控且自动的图像和视频录制。它借助交互式视频流功能帮助用户设置和配置树莓派摄像头，并支持通过简单命令启动、调度和转换多种类型的录制内容。Motion（motion‐project.github.io）是一款高度可定制的命令行工具，用于通过运动检测监控视频信号，而 MotionEye 则为其提供了用户友好的网页前端，使用户可以通过浏览器控制 motion 软件（另见 github.com/billw2/pikrellcam）。最后，RPi Cam Web界面（elinux.org/ RPi‐Cam‐Web‐Interface）是另一个针对树莓派摄像头模块的网页前端，具有高可配置性，适用于各种应用程序。

5.7 | 录制和播放音频

越来越多的树莓派被用作声学监测系统的一部分，用于持续录音或响应声学触发进行录音。以及音频播放设备。树莓派没有任何模拟输入端口。为解决此问题，可以使用专用USB音频卡（例如创新声霸卡）或音频HAT扩展板（例如IQaudio DAC+、Pisound），以连接多种麦克风并录制和播放最高24位和196千赫兹的音频。也可以直接将USB或蓝牙麦克风连接到树莓派。音频可以通过HDMI端口或耳机插孔进行播放，并通过放大器（HAT扩展板），如IQaudio DigiAMP+，连接无源立体声扬声器。为了实现高质量播放，建议使用专用音频卡或HAT扩展板。作为基于树莓派系统的替代方案，存在一些专用的开源声学设备，例如 Audiomoth（希尔等人，2018）。

5.8 | 使用电子传感器和控制器

树莓派可以通过其GPIO引脚连接并控制大量电子设备。可连接的传感器能够测量多种变量，包括温度、运动、声音、触摸、光、湿度、水分和CO2, ；控制器则从小型按钮、开关和操纵杆，到可控的发光二极管、步进电机、伺服电机、帕尔贴元件以及蠕动泵等。树莓派仅能通过其GPIO端口为外部设备提供非常有限的低压电流。继电器使得控制其他需要更高电压和电流（包括直流电和交流电）的电子设备的供电成为可能（详见表S2中的详细指南）。例如，可以使用树莓派监控水温，并在温度低于某一阈值时启动帕尔贴元件对水加热。尽管连接和使用传感器与控制器需要一些电子学知识，但使用面包板和跳线即可轻松入门，网上也有大量在线教程可供参考（有关温度监控教程，请参见表S2）。一个更简便的解决方案是使用Seeedstudio的 GrovePi HAT扩展板，它使传感器的连接几乎变得像即插即用一样简单。

也可以使用树莓派读取RFID标签。尽管市面上有多种商用动物 RFID标签和读取器，但由于其专有性质，这些设备难以轻松集成到自定义应用程序中。然而，包括Loligo Systems、Cogniot、Eccel 和Sparkfun在内的多家供应商已生产出适用于树莓派的RFID HAT扩展板，能够读取用于动物识别的ISO 11784认证PIT标签（支持125千赫兹和134.2千赫兹），且每标签成本已低于每标签1欧元。这为各种实验操作提供了广泛的可能性，其中个体识别可被自动检测，并可通过编程使这些检测触发特定动作，包括播放音频或视觉刺激、控制伺服电机以及向外部设备发送指令（参见Bolaños等人，2017；Chimento 等，2021；Noorshams等人，2017；Silasi等人，2018；Youngblood，2020）。

5.9 | 使用树莓派进行编程

通过编写自定义脚本来帮助控制和自动化任务，可以最大限度地发挥树莓派的性能。尽管树莓派操作系统提供了易于使用的桌面界面，但用户很可能会主要通过终端来操作树莓派。虽然终端使用起来稍显复杂，但它能提供对树莓派及其功能更全面的控制（有关基本命令的概述，请参见表S2）。树莓派操作系统还内置了多种编程和脚本语言，例如Python，便于轻松实现对各种传感器和设备的自动控制。用户因此可以让脚本在开机时自动启动并在后台运行（教程请参见表S2）。树莓派还可以被编程以发送自动电子邮件、短信、推特和Slack消息（相关教程请参见表S2），这对于获取每日更新或特定警告信息（例如系统故障时）非常有帮助。具备一定的编程知识后，还可以创建图形用户界面（GUI），以便对树莓派及连接的电子设备进行个性化控制。这可以包括非常简单的界面，例如打开或关闭灯光、启动计时器，也可以是更高级的功能，例如配置记录参数、显示传感器数据或控制实验（见图6）。最佳起点是使用Python以及TKinter、PyQt或 OpenCV库之一。

5.10 | 数据存储与传输

用于存储树莓派操作系统的microSD卡同时也存储所有用户数据。在撰写本文时，容量高达256 GB的microSD卡售价已低于50欧元。这使其成为数据存储的简单解决方案，例如适用于野外应用。然而，在 Mac和Windows操作系统上读取SD卡数据需要额外步骤。树莓派还可以将数据写入连接到USB端口的外接硬盘或U盘（相关教程见表 S2）。但请注意，这会消耗电流，因此不适合依赖电池供电的解决方案。当处于同一网络中时，您还可以通过将树莓派挂载为网络驱动器来访问其数据（文件共享教程详见表S2）。事实上，树莓派同样可以设置为NAS服务器，为商用产品提供一种廉价的替代方案。树莓派还可以挂载网络驱动器，该驱动器可以是专用的NAS服务器，也可以是另一台联网计算机上的文件夹，可用于实现自动存储和备份解决方案。当使用多个互联的树莓派时，这种集中式存储单元尤为有用。rsync是一种出色的工具，可通过安全外壳协议（SSH）在网络中帮助自动传输文件；而rclone（rclone.org）则可以从命令行与云存储服务（如谷歌云盘、Dropbox）进行交互，并通过自定义脚本自动发送数据（教程参见表S2）。这对于仍能访问互联网的远程记录设备也非常有益，例如通过移动网络上网卡连接的设备。

5.11 | 其他注意事项

刚开始使用树莓派的人应考虑在处理电子学时可能存在的危险。当构建定制电子电路以及使用继电器（特别是连接高压设备时）尤其需要注意。树莓派本身作为一块裸露的电路板，在电气和机械方面都相当坚固，但仍容易损坏或发生短路。因此，强烈建议使用合适的外壳对其进行保护。同时，务必确保树莓派能够有效散发其产生的热量。这对于更新、更强大的型号尤为重要，但也需考虑外部环境条件。例如，不应将树莓派放置在会积聚热量并暴露于大量直射阳光下的保护外壳或盒子中。可使用专用的散热片和小型风扇模块来帮助防止过热。即使进水，只要设备未通电并在事后彻底干燥，树莓派仍可能正常工作。外壳内放置硅胶袋也有助于减少潜在的水损害，例如由冷凝引起的损害。树莓派可以持续不间断地运行（24/7），但请始终确保使用高质量的电源，提供足够的电流。树莓派的一个缺点是它没有实时时钟（RTC），仅在联网时才会更新时间。

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互联网。因此，对于没有互联网连接的项目，建议使用RTC模块（教程见表S2）。应用程序的说明和代码可以轻松共享，这将极大地提高其可访问性，并有助于提升研究的重复性和可再现性。多年来，树莓派基金会投入大量努力，使树莓派能够被任何人使用，包括没有任何编程或电子学经验的人。但用户需要做好付出一定努力并通过试错学习来正确设置系统的准备。幸运的是，有大量的在线教程可供入门，包括本文相关网站（raspberrypi‐guide.github.io；见表S2）上的 30+。当遇到困难时，可以求助于一个庞大且专注的在线社区，其中包括教育工作者、业余爱好者和其他研究人员，以解决故障问题。最好的方法是在线搜索你遇到的具体问题，查看