NanoPI 部署指南

本文档介绍如何在 NanoPI 嵌入式开发板上部署和运行 LeBot 控制系统。NanoPI 是 LeBot 的主要硬件平台，具有良好的性能和成本比。

1. NanoPI 硬件介绍

1.1 NanoPI 系列概览

NanoPI 是友善电子推出的开源硬件平台，专为嵌入式应用优化。

常见型号对比：

型号	CPU	RAM	存储	网络	推荐用途
NanoPI Neo	ARM Cortex-A7	512MB	8GB	100M	轻量应用
NanoPI Neo2	Cortex-A53	512MB/1GB	8GB	100M	一般应用
NanoPI Neo Plus2	Cortex-A53	1GB	8GB/16GB	100M/WiFi	中等应用
NanoPI M1	Cortex-A7×4	1GB	8GB	100M	多任务
NanoPI M4	Cortex-A72×2+A53×4	2GB/4GB	16GB/32GB	1000M	高性能

LeBot 推荐配置：

基础版：NanoPI Neo Plus2（512MB RAM，WiFi）
标准版：NanoPI M4（2GB RAM，1000M 网络）
高性能版：NanoPI M4V2（4GB RAM）

1.2 NanoPI 的引脚分布

NanoPI Neo Plus2 引脚图：

┌─────────────────────────────┐
│ USB    UART   GPIO  GND    │
│ (5V)   (RX)   (D+)  (0V)   │
│ (GND)  (TX)   (D-)        │
│ (D+)          (D+)        │
│ (D-)   BOOT   (D-)        │
│              POWER        │
└─────────────────────────────┘

主要接口：
- USB 供电：5V 2A
- UART 串口：115200 波特率
- GPIO：多个通用 IO 引脚
- I2C/SPI：用于传感器

1.3 性能指标

指标	NanoPI M4	备注
CPU 主频	2.0 GHz	可超频至 2.4 GHz
内存带宽	12.8 GB/s	支持 LPDDR4
性能	~40 GFLOPS	单精度浮点
TDP	5-10W	正常工作功耗
启动时间	~20-30s	从上电到系统就绪

2. 系统安装与配置

2.1 准备工作

需要的工具和材料：

硬件
- NanoPI 开发板
- 电源适配器（5V 2A 或以上）
- MicroSD 卡（≥8GB，推荐 Class 10）
- USB 转串口模块（调试用）
- 网线或 WiFi（联网用）
软件
- 刻录工具：Etcher、dd 或 Win32DiskImager
- 系统镜像：官方 Debian/Ubuntu 镜像
- SSH 客户端：PuTTY、OpenSSH 等

2.2 系统镜像下载

访问友善电子官网下载最新镜像：

bash

# 下载 NanoPI M4 Debian 10 镜像
wget http://download.friendlyarm.com/nanopi-m4/images-for-eflasher/nanopi-m4-debian-10.3-cd-focal-arm64-20200610.zip

# 解压镜像
unzip nanopi-m4-debian-10.3-cd-focal-arm64-20200610.zip

# 得到 .img 文件

2.3 刻录系统镜像

在 Linux 上刻录：

bash

# 查看 SD 卡设备
lsblk

# 假设 SD 卡为 /dev/sdb（注意不要选错！）
sudo dd if=nanopi-m4-debian-10.3.img of=/dev/sdb bs=4M
sudo sync

# 弹出 SD 卡
sudo eject /dev/sdb

在 Windows 上刻录：

下载 Win32DiskImager
选择镜像文件
选择 SD 卡驱动器
点击 Write（写入）

在 macOS 上刻录：

bash

# 查找 SD 卡
diskutil list

# 卸载 SD 卡（假设为 /dev/disk2）
diskutil unmountDisk /dev/disk2

# 写入镜像
sudo dd if=nanopi-m4-debian-10.3.img of=/dev/rdisk2 bs=4m

# 弹出
diskutil eject /dev/disk2

2.4 首次启动配置

硬件连接：

将 MicroSD 卡插入 NanoPI
连接电源（系统会自动启动）
连接网线或 WiFi
连接 HDMI 显示器（可选）

通过串口连接：

bash

# 使用 minicom 或 screen
screen /dev/ttyUSB0 115200

# 或使用 minicom
minicom -s

# 默认用户名：root，密码：root

首次启动脚本：

bash

# 系统首次启动会运行配置脚本
# 按照提示完成设置：
# 1. 设置新用户密码
# 2. 配置时区
# 3. 配置网络
# 4. 设置 root 密码

2.5 网络配置

查看网络状态：

bash

# 查看网络接口
ifconfig

# 查看 IP 地址
ip addr

# 查看路由
route -n

配置静态 IP（编辑 /etc/network/interfaces）：

bash

sudo nano /etc/network/interfaces

# 配置示例：
auto eth0
iface eth0 inet static
    address 192.168.1.100
    netmask 255.255.255.0
    gateway 192.168.1.1
    dns-nameservers 8.8.8.8 8.8.4.4

# 重启网络
sudo systemctl restart networking

配置 WiFi（如果有 WiFi 模块）：

bash

# 编辑 wpa_supplicant 配置
sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

# 添加网络配置：
network={
    ssid="YourSSID"
    psk="YourPassword"
    key_mgmt=WPA-PSK
}

# 启用 WiFi
sudo ifup wlan0

3. 系统优化与配置

3.1 系统更新

bash

# 更新软件包列表
sudo apt-get update

# 升级系统
sudo apt-get upgrade

# 安装必要工具
sudo apt-get install -y \
    build-essential \
    git \
    wget \
    curl \
    vim \
    htop \
    gcc \
    g++ \
    cmake

3.2 性能优化

超频配置（谨慎操作）：

bash

# 编辑 U-Boot 环境
sudo fw_setenv cpufreq 2400

# 查看当前频率
cat /proc/cpuinfo | grep "cpu MHz"

# 调整 CPU 频率
echo userspace > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_governor
echo 2000000 > /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpufreq/scaling_setspeed

内存优化：

bash

# 清理缓存
sudo sh -c 'echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches'

# 查看内存使用
free -h

# 查看交换分区
swapon -s

# 增加交换分区
sudo fallocate -l 1G /swapfile
sudo chmod 600 /swapfile
sudo mkswap /swapfile
sudo swapon /swapfile

磁盘优化：

bash

# 查看磁盘使用情况
df -h

# 扩展文件系统（第一次启动通常自动扩展）
sudo resize2fs /dev/mmcblk0p2

# 优化 SD 卡性能
sudo sh -c 'echo 16 > /sys/block/mmcblk0/queue/read_ahead_kb'

3.3 GPIO 和硬件接口

GPIO 访问（使用 sysfs）：

bash

# 导出 GPIO 脚
echo 97 > /sys/class/gpio/export

# 设置方向
echo out > /sys/class/gpio/gpio97/direction

# 写入高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio97/value

# 读取引脚状态
cat /sys/class/gpio/gpio97/value

# 取消导出
echo 97 > /sys/class/gpio/unexport

使用 Python 访问 GPIO：

python

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 使用 BCM 编号
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 设置 GPIO 17 为输出
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)

# 输出高电平
GPIO.output(17, GPIO.HIGH)

# 等待 1 秒
time.sleep(1)

# 输出低电平
GPIO.output(17, GPIO.LOW)

# 清理
GPIO.cleanup()

I2C 通信：

bash

# 检测 I2C 设备
sudo i2cdetect -y 0

# 使用 i2ctools 与 I2C 设备通信
sudo i2cget -y 0 0x50 0x00  # 读取地址
sudo i2cset -y 0 0x50 0x00 0xFF  # 写入数据

3.4 系统服务配置

创建 LeBot 服务（自动启动控制程序）：

bash

# 创建服务文件
sudo nano /etc/systemd/system/lebot.service

服务文件内容：

ini

[Unit]
Description=LeBot Robot Control System
After=network.target
Wants=network-online.target

[Service]
Type=simple
User=root
WorkingDirectory=/home/lebot
ExecStart=/usr/bin/python3 /home/lebot/control_system.py
Restart=always
RestartSec=5

[Install]
WantedBy=multi-user.target

启用和管理服务：

bash

# 启用开机自启动
sudo systemctl enable lebot

# 启动服务
sudo systemctl start lebot

# 查看服务状态
sudo systemctl status lebot

# 查看服务日志
sudo journalctl -u lebot -f

# 停止服务
sudo systemctl stop lebot

4. LeBot 软件部署

4.1 安装依赖

bash

# 安装 Python 3 和 pip
sudo apt-get install -y \
    python3 \
    python3-dev \
    python3-pip

# 升级 pip
sudo pip3 install --upgrade pip

# 安装 ROS（可选，用于高级功能）
# 详见 ROS 官方文档

# 安装常用 Python 库
sudo pip3 install \
    numpy \
    scipy \
    opencv-python \
    paramiko \
    requests

4.2 部署控制程序

bash

# 创建应用目录
mkdir -p /home/lebot/lebot_control
cd /home/lebot/lebot_control

# 从 Git 克隆源代码
git clone https://github.com/yourusername/lebot_control.git .

# 或者上传本地文件
scp -r ./lebot_control root@192.168.1.100:/home/lebot/

控制程序结构：

/home/lebot/lebot_control/
├── main.py                 # 主程序入口
├── config.yaml            # 配置文件
├── motor_control.py       # 电机控制模块
├── sensor_fusion.py       # 传感器融合
├── path_planning.py       # 路径规划
├── trajectory_control.py  # 轨迹跟踪
├── communication.py       # 通信模块
├── logs/                  # 日志目录
└── data/                  # 数据目录

4.3 配置文件示例

config.yaml：

yaml

# LeBot 控制系统配置文件

robot:
  name: "LeBot-001"
  type: "wheeled_legged"
  wheelbase: 0.5
  track: 0.4

hardware:
  motor_count: 4
  motor_type: "brushless_dc"

  motors:
    - id: 0
      port: "/dev/ttyUSB0"
      baudrate: 115200
    - id: 1
      port: "/dev/ttyUSB1"
      baudrate: 115200
    - id: 2
      port: "/dev/ttyUSB2"
      baudrate: 115200
    - id: 3
      port: "/dev/ttyUSB3"
      baudrate: 115200

sensors:
  imu:
    type: "MPU6050"
    i2c_bus: 0
    i2c_address: 0x68

  camera:
    type: "USB"
    device: "/dev/video0"
    resolution: [640, 480]
    fps: 30

control:
  loop_rate: 50  # Hz
  max_velocity: 2.0  # m/s
  max_angular_velocity: 3.0  # rad/s

network:
  ros_master: "localhost"
  ros_port: 11311
  mqtt_broker: "192.168.1.1"
  mqtt_port: 1883

4.4 运行和测试

bash

# 进入应用目录
cd /home/lebot/lebot_control

# 运行主程序
python3 main.py

# 或者使用 nohup 后台运行
nohup python3 main.py > lebot.log 2>&1 &

# 查看运行日志
tail -f lebot.log

5. 交叉编译部署

对于 C/C++ 程序，使用交叉编译提高效率。

5.1 设置交叉编译工具链

bash

# 安装 ARM 交叉编译工具
sudo apt-get install -y arm-linux-gnueabihf-gcc arm-linux-gnueabihf-g++

# 或者 64 位
sudo apt-get install -y aarch64-linux-gnu-gcc aarch64-linux-gnu-g++

# 验证安装
arm-linux-gnueabihf-gcc --version

5.2 CMake 交叉编译配置

创建 toolchain.cmake：

cmake

# NanoPI M4 交叉编译工具链配置

set(CMAKE_SYSTEM_NAME Linux)
set(CMAKE_SYSTEM_PROCESSOR aarch64)

# 交叉编译器路径
set(CMAKE_C_COMPILER aarch64-linux-gnu-gcc)
set(CMAKE_CXX_COMPILER aarch64-linux-gnu-g++)

# 查找库和头文件的路径
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH /usr/aarch64-linux-gnu)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_LIBRARY ONLY)
set(CMAKE_FIND_ROOT_PATH_MODE_INCLUDE ONLY)

# 编译优化
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-O2 -march=armv8-a")

构建示例：

bash

# 创建构建目录
mkdir build
cd build

# 使用工具链进行交叉编译
cmake -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=../toolchain.cmake ..
make

# 部署到 NanoPI
scp lebot_control root@192.168.1.100:/home/lebot/

5.3 使用 cargo-zigbuild 编译 Rust

bash

# 安装 zigbuild
cargo install cargo-zigbuild

# 设置目标
rustup target add aarch64-unknown-linux-gnu

# 交叉编译
cargo zigbuild --release --target aarch64-unknown-linux-gnu

# 二进制文件位于
# target/aarch64-unknown-linux-gnu/release/lebot_control

6. 调试与故障排除

6.1 常见问题

问题 1：系统启动慢

bash

# 查看启动时间
systemd-analyze

# 查看各服务启动时间
systemd-analyze blame

# 禁用不必要的服务
sudo systemctl disable service_name

问题 2：内存不足

bash

# 查看内存使用
free -h

# 查看进程内存占用
ps aux --sort=-%mem | head -20

# 增加交换分区（见 3.2）

问题 3：GPIO 无法访问

bash

# 检查 GPIO 导出
ls /sys/class/gpio/

# 重新导出
echo 97 > /sys/class/gpio/export

# 检查权限
ls -la /sys/class/gpio/gpio97/

问题 4：无法连接 NanoPI

bash

# 检查网络连接
ping 192.168.1.100

# 查看 SSH 状态
sudo systemctl status ssh

# 启用 SSH
sudo systemctl start ssh
sudo systemctl enable ssh

6.2 性能监控

bash

# 监控 CPU 和内存
htop

# 查看实时进程信息
top

# 查看磁盘 IO
iostat -x 1

# 查看网络流量
iftop

# 查看温度（如果支持）
cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp

6.3 日志分析

bash

# 查看系统日志
journalctl -n 100

# 查看特定服务日志
journalctl -u lebot.service -n 50

# 实时查看日志
journalctl -f

# 查看启动日志
dmesg | tail -20

7. 安全加固

7.1 用户管理

bash

# 创建专用用户
sudo useradd -m -s /bin/bash lebot

# 设置密码
sudo passwd lebot

# 给予 sudo 权限
sudo usermod -aG sudo lebot

# 删除默认 root 密码登录
sudo usermod -L root

7.2 防火墙配置

bash

# 安装防火墙
sudo apt-get install -y ufw

# 启用防火墙
sudo ufw enable

# 允许 SSH
sudo ufw allow 22/tcp

# 允许特定端口
sudo ufw allow 8080/tcp

# 查看规则
sudo ufw status

7.3 SSH 安全

bash

# 编辑 SSH 配置
sudo nano /etc/ssh/sshd_config

# 修改项：
# Port 2222              # 改变 SSH 端口
# PermitRootLogin no     # 禁止 root 登录
# PasswordAuthentication no  # 禁用密码认证
# PubkeyAuthentication yes   # 启用密钥认证

# 重启 SSH
sudo systemctl restart ssh

# 生成密钥对（客户端）
ssh-keygen -t rsa -b 4096

# 上传公钥到 NanoPI
ssh-copy-id -i ~/.ssh/id_rsa.pub lebot@192.168.1.100

8. 定期维护

8.1 备份和恢复

bash

# 备份系统
sudo dd if=/dev/mmcblk0 of=nanopi-backup.img bs=4M

# 恢复系统
sudo dd if=nanopi-backup.img of=/dev/sdb bs=4M

# 增量备份
rsync -avz lebot@192.168.1.100:/home/lebot ./backup/

8.2 定期更新

bash

# 创建定期更新脚本
cat > update.sh << 'EOF'
#!/bin/bash
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade -y
sudo apt-get autoremove -y
EOF

# 设置 cron 任务（每周更新）
crontab -e

# 添加行：
0 2 * * 0 /home/lebot/update.sh

8.3 监控和告警

bash

# 监控磁盘空间
df -h / | tail -1

# 监控温度
cat /sys/class/thermal/thermal_zone*/temp

# 创建监控脚本
cat > monitor.py << 'EOF'
#!/usr/bin/env python3
import os
import subprocess

def check_disk():
    result = os.popen("df -h / | tail -1").read()
    usage = float(result.split()[4].rstrip('%'))
    if usage > 80:
        print("Warning: Disk usage is high!")

def check_cpu():
    result = os.popen("top -bn1 | grep 'Cpu'").read()
    print(f"CPU: {result}")

check_disk()
check_cpu()
EOF

9. 参考资源

官方文档：http://wiki.friendlyarm.com/
NanoPI M4 文档：http://wiki.friendlyarm.com/wiki/index.php/NanoPI_M4
U-Boot 文档：http://wiki.friendlyarm.com/wiki/index.php/U-Boot
Debian 文档：https://www.debian.org/doc/
ARM 交叉编译：https://developer.arm.com/

10. 快速参考

操作	命令
连接 SSH	`ssh root@192.168.1.100`
查看温度	`cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp`
查看频率	`cat /proc/cpuinfo \| grep MHz`
重启系统	`sudo reboot`
关机	`sudo shutdown -h now`
文件传输	`scp file root@192.168.1.100:/path/`

NanoPI 部署指南 ​

1. NanoPI 硬件介绍 ​

1.1 NanoPI 系列概览 ​

1.2 NanoPI 的引脚分布 ​

1.3 性能指标 ​

2. 系统安装与配置 ​

2.1 准备工作 ​

2.2 系统镜像下载 ​

2.3 刻录系统镜像 ​

2.4 首次启动配置 ​

2.5 网络配置 ​

3. 系统优化与配置 ​

3.1 系统更新 ​

3.2 性能优化 ​

3.3 GPIO 和硬件接口 ​

3.4 系统服务配置 ​

4. LeBot 软件部署 ​

4.1 安装依赖 ​

4.2 部署控制程序 ​

4.3 配置文件示例 ​

4.4 运行和测试 ​

5. 交叉编译部署 ​

5.1 设置交叉编译工具链 ​

5.2 CMake 交叉编译配置 ​

5.3 使用 cargo-zigbuild 编译 Rust ​

6. 调试与故障排除 ​

6.1 常见问题 ​

6.2 性能监控 ​

6.3 日志分析 ​

7. 安全加固 ​

7.1 用户管理 ​

7.2 防火墙配置 ​

7.3 SSH 安全 ​

8. 定期维护 ​

8.1 备份和恢复 ​

8.2 定期更新 ​

8.3 监控和告警 ​

9. 参考资源 ​

10. 快速参考 ​

NanoPI 部署指南

1. NanoPI 硬件介绍

1.1 NanoPI 系列概览

1.2 NanoPI 的引脚分布

1.3 性能指标

2. 系统安装与配置

2.1 准备工作

2.2 系统镜像下载

2.3 刻录系统镜像

2.4 首次启动配置

2.5 网络配置

3. 系统优化与配置

3.1 系统更新

3.2 性能优化

3.3 GPIO 和硬件接口

3.4 系统服务配置

4. LeBot 软件部署

4.1 安装依赖

4.2 部署控制程序

4.3 配置文件示例

4.4 运行和测试

5. 交叉编译部署

5.1 设置交叉编译工具链

5.2 CMake 交叉编译配置

5.3 使用 cargo-zigbuild 编译 Rust

6. 调试与故障排除

6.1 常见问题

6.2 性能监控

6.3 日志分析

7. 安全加固

7.1 用户管理

7.2 防火墙配置

7.3 SSH 安全

8. 定期维护

8.1 备份和恢复

8.2 定期更新

8.3 监控和告警

9. 参考资源

10. 快速参考