Learning Objectives
- 在樹莓派的終端機裡建立資料夾、查看檔案、用 python3 執行程式並用 Ctrl+C 中斷
- 用 apt 更新系統與安裝 python3-xxx 套件
- 說明為什麼直接 pip install 會出現 externally-managed-environment，並改用虛擬環境
- 建立看得到系統套件的虛擬環境（--system-site-packages），在裡面安裝套件、執行程式
在樹莓派上寫程式的工作環境
上一課從筆電 SSH 進了樹莓派。之後每一課的程式都在這個終端機裡建立、執行、除錯， 所以這一課先把工作環境準備好：會管理檔案、會安裝軟體、知道 Python 套件該怎麼裝。
Raspberry Pi OS 以 Debian 為基礎，和 Ubuntu 同屬 Debian 家族，終端機指令幾乎完全相同。 本平台的「Linux（Ubuntu）」軌有完整的指令教學，這一課只挑寫程式最常用的部分。
這一課要回答：
- 怎麼在終端機裡建立資料夾、寫程式、執行程式？
- 系統的軟體用
apt安裝，Python 的套件用pip安裝，兩者有什麼不同？ - 為什麼在樹莓派上直接
pip install會被拒絕？虛擬環境是什麼？
操作：終端機、檔案與執行程式
以下的帳號 student、主機名稱 mypi 是範例。提示字元 student@mypi:~ $ 的 ~ 代表目前在家目錄（/home/student）。
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1
看看自己在哪裡
pwd印出目前的目錄，ls列出裡面的檔案與資料夾。剛裝好的系統，家目錄裡幾乎是空的。 -
2
建立專題資料夾
mkdir -p建立資料夾（-p會順便建立中間的資料夾，已經存在也不會出錯），cd進去。每個專題放在自己的資料夾，之後比較好管理。 -
3
用 nano 寫程式
nano hello.py打開終端機裡的文字編輯器。輸入程式後按 Ctrl+O、Enter 存檔，Ctrl+X 離開。cat可以印出檔案內容確認。也可以在筆電上用支援 SSH 遠端的編輯器（例如 VS Code 的 Remote - SSH 擴充功能）直接編輯樹莓派上的檔案。
-
4
執行程式
用
python3 檔名.py執行。Raspberry Pi OS 內建 Python 3，指令名稱是python3（撰寫時的版本是 Python 3.13）。 -
5
用 Ctrl+C 中斷永遠不結束的程式
控制硬體的程式常常是
while True迴圈或停在pause()，不會自己結束。按 Ctrl+C 送出中斷，Python 會丟出KeyboardInterrupt並停止，回到提示字元。
兩種套件：apt 與 pip
樹莓派上安裝軟體有兩個管道，要分清楚：
| apt | pip | |
|---|---|---|
| 管理什麼 | 整個系統的軟體，包括很多 Python 套件（名稱是 python3-xxx） |
Python 套件（來自 PyPI） |
| 誰維護 | Raspberry Pi OS／Debian | 套件作者 |
| 需要 sudo | 是，安裝到系統 | 在虛擬環境裡不需要 |
| 例子 | sudo apt install python3-gpiozero |
pip install paho-mqtt |
更新系統：先 sudo apt update 下載最新的套件清單，再 sudo apt full-upgrade 升級。官方文件建議用 full-upgrade，
因為 Raspberry Pi OS 的套件相依關係變動得比 Debian 頻繁。gpiozero 在 Raspberry Pi OS 已經內建，不用另外安裝。
為什麼不能直接 pip install：從 Raspberry Pi OS Bookworm 起，在系統的 Python 直接 pip install 會出現 externally-managed-environment 錯誤。
原因是系統本身的工具也用 Python，用 pip 改掉系統裡的套件版本，可能讓 apt 管理的程式壞掉。官方的做法有兩個：
- 套件有
python3-xxx版本時，用sudo apt install python3-xxx安裝到系統。 - 否則建立虛擬環境（virtual environment），在裡面用 pip 安裝。
虛擬環境是一個資料夾，裡面有自己的 Python 與套件，和系統的套件分開；不同專題可以用不同版本的套件，裝壞了刪掉資料夾重來就好。
python3 -m venv --system-site-packages ~/env 建立虛擬環境 env（看得到 gpiozero 等系統套件）
source ~/env/bin/activate 啟用：提示字元前面出現 (env)
pip install 套件名稱 安裝到這個虛擬環境
deactivate 離開虛擬環境
樹莓派上建議加 --system-site-packages：gpiozero 等硬體相關套件是用 apt 裝在系統裡的，加了這個選項，虛擬環境才看得到它們。
操作：更新系統、建立虛擬環境、安裝套件
輸出經過簡化，版本號依安裝當時而定。下一個區塊的模擬器可以自己把這些步驟做一遍。
-
1
更新系統
剛裝好系統、或很久沒用時先更新。
full-upgrade會列出要升級的套件並詢問是否繼續，輸入Y。 -
2
直接 pip install 會被拒絕
錯誤訊息本身就說明了兩個解法：用 apt 安裝 python3-xyz，或建立虛擬環境。
-
3
建立並啟用虛擬環境
在家目錄建立名為
env的虛擬環境，啟用後提示字元前面會出現(env)，這時的python、pip都是虛擬環境裡的。 -
4
在虛擬環境裡安裝套件
paho-mqtt是第 16 課會用到的 MQTT 套件。裝在虛擬環境裡，不影響系統。 -
5
離開與下次再用
deactivate離開虛擬環境。之後每次登入要執行用到這些套件的程式，先source ~/env/bin/activate再執行。
在樹莓派上執行第一支硬體程式
環境準備好之後，寫硬體程式的流程就是：
- 在專題資料夾裡用編輯器寫
.py檔 - 需要額外套件時，啟用虛擬環境（或用 apt 安裝
python3-xxx） python3 檔名.py執行；永遠不結束的程式用 Ctrl+C 停止
下面的範例不用接任何零件：gpiozero 的 CPUTemperature 從作業系統讀取 CPU 溫度。真的樹莓派上也可以用 vcgencmd measure_temp 指令看溫度。
模擬器裡的溫度是示意值，會慢慢升高。
逐步看：每秒讀一次 CPU 溫度
注意 f-string 的 {t:.1f}：把溫度格式化成小數一位。每次 sleep(1) 讓時間前進 1 秒，溫度也跟著變；第 4 次超過 50°C，狀態變成「偏高」。
小測驗：終端機與套件
在 Raspberry Pi OS 的系統 Python 直接執行 pip install requests，會出現什麼？
要更新樹莓派上所有系統軟體，官方建議的指令順序是？
執行一個 while True 迴圈的程式，要怎麼讓它停下來回到提示字元？
小測驗：虛擬環境與程式
用 python3 -m venv ~/plain（沒有 --system-site-packages）建立並啟用虛擬環境後，執行 from gpiozero import LED 會怎樣？
下面的程式會印出什麼？
t = 49.96
LIMIT = 50.0
status = "偏高" if t > LIMIT else "正常"
print(f"{t:.1f} °C，{status}")
重點整理
- 終端機常用：
pwd、ls、mkdir -p、cd、cat、nano（Ctrl+O 存檔、Ctrl+X 離開）；python3 檔名.py執行，Ctrl+C 中斷。 - 系統軟體用 apt：
sudo apt update再sudo apt full-upgrade；Python 套件有python3-xxx時可以用 apt 安裝。 - 系統的 Python 直接
pip install會出現 externally-managed-environment；改用虛擬環境。 python3 -m venv --system-site-packages ~/env建立、source ~/env/bin/activate啟用、deactivate離開；加了--system-site-packages才看得到 gpiozero 等系統套件。
下一課接上 LED，用 gpiozero 控制第一個零件。