Введение в Raspberry Pi
С помощью Raspberry Pi можно сделать умного робота, распознающего своего хозяина или домашний сервер умного дома, передающего по WiFi или Ethernet. Вы можете подключить к микрокомпьютеру датчики, двигатели, реле и многое другое. Таким образом, сферы применения Raspberry и Arduino в DIY проектах сильно пересекаются.
Что такое одноплатные микрокомпьютеры?
Микрокомпьютер – это устройство, имеющего архитектуру полноценного компьютера, но отличающееся своими размерами. Сегодня на рынке представлены сотни(!) различных моделей (включая клоны Raspberry) от десятков производителей и этим рынок одноплатников существенно отличается от рынка обычных компьютеров, на котором между лидерами давно уже распределены все доли рынка.
Микрокомпьютеры чаще всего создаются под конкретные задачи, они не могут конкурировать с обычными компьютерами, уступая им в мощности и удобстве. Но зато они более дешевы, просты, имеют компактный размер и потребляют меньше энергии. Это делает микрокомпьютер важным элементом мобильных автоматизированных систем.
Raspberry Pi является сегодня наиболее известным представителем семейства одноплатных микрокомпьютеров. Это достаточно дешевая и доступная плата начального уровня, которую можно купить во множестве интернет-магазинов. Азиатские производители создали большое количество клонов (Orange Pi, Banana Pi и другие), которые можно использовать в своих проектах. И другим очень важным преимуществом “малинки” является огромное сообщество разработчиков, занимающихся развитием архитектуры и программного обеспечения. Выпущено множество книг, учебных пособий, операционных систем и удобных инструментов, существенно облегчающих начинающим начало работы с системой. Поэтому именно с этим микроконтроллером рекомендуется начинать работу тем, кому уже стал “мелковат” ардуино.
Что такое Raspberry Pi?
Raspberry Pi представляет собой недорогой компьютер размером с кредитную карту, который присоединяется к монитору ПК или телевизору и использует стандартную клавиатуру и мышь. Внешне компьютер представляет собой небольшую четырехслойную печатную плату с USB, HDMI и другими разъемами, слотом для Micro SD, а также гребенкой контактов GPIO. Корпус, карту памяти, клавиатуру, мышь, монитор, блок питания нужно приобретать дополнительно.
При помощи “малинки” можно научиться программировать на языках Scratch и Python. Изначально микрокомпьютер разрабатывался с целью применения для обучения в школах и университетах, поэтому для него существует множество программных пакетов и даже специальная операционная система для детей.
Ключевой особенностью Raspberry является возможность присоединения к нему внешних устройств и управления ими с помощью различных программных пакетов (наиболее популярным является Python). Всевозможные датчики, светодиоды, двигатели, реле и другие электронные компоненты могут подключаться через GPIO контакты так же, как к Arduino. Поэтому мы можем существенно расширять функционал микрокомпьютера, создавая из него рабочую станции для каждого конкретного проекта.
Но даже без внешних устройств этот микрокомпьютер выполняет все функции обычного настольного ПК, пусть даже не очень быстрого. С его помощью работать в интернете, воспроизводить видео и аудиофайлы, обрабатывать тексты, создавать таблицы. Естественно, микрокомпьютер не может на равных конкурировать с обычным ПК – он всегда работает медленнее. Но с определенными не слишком тяжелыми приложениями микрокомпьютер справляется отлично. В качестве базовой операционной системы для Raspberry Pi используется Linux, есть множество клонов, адаптированных конкретно для этого микроконтроллера. У нас на сайте вы можете найти статью с обзором операционных систем для Raspberry Pi.
История появления Raspberry
Разработчиком прибора является британская фирма Raspberry Pi Foundation. Первый образец был представлен Дэвидом Брэбеном в мае 2011 года. Начало производства первой партии модели В датируется январем 2012 годом. С тех пор ежегодно компьютер модернизировался, и в продажу поступали более совершенные компьютеры.
История выпуска моделей:
- 29 февраля 2012 года – старт продаж Model В.
- 14 декабря 2012 года – начало производства модели Raspberry Pi «A».
- 14 июля 2014 года – выпуск третей версии Raspberry Pi «B+».
- 2 февраля 2020 года – выпуск Raspberry Pi «2B».
- 26 ноября 2020 года – выпуск нового микрокомпьютера Raspberry Pi Zero, оснащенного несмонтированным разъемом GPIO.
- 29 февраля 2020 года – выпуск модели Raspberry Pi 3, отличающейся 64-битным процессором, наличием WI-FI и Bluetooth.
- 28 февраля 2020 года – модернизированная версия Raspberry Pi Zero W с WI-FI и Bluetooth.
Принцип работы
Умный дом на базе Raspberry Pi 3 популярен, благодаря легкости сборки, в том числе для людей без специального опыта. Основой всей системы является небольшая материнская плата, в которую производитель заложил огромный потенциал.
Первоначально компания продавала две комплектации прибора — модели А и В. Первая отличалась объем памяти размером в 256 МБ, а вторая в два раза большим ее размером.
Модель А какое-то время была в продаже, благодаря наличию доступа к глобальной сети, но после обновления до версии «В» в первом варианте отпала необходимость. Новая версия отличалась компактностью и наличием четырех портов USB.
Построение умного дома на основе Raspberry Pi 3 зависит от предпочтений владельца. Вне зависимости от этого, принцип работы остается неизменным:
- Главную функцию выполняет сервер. Это центральное устройство, собирающее информацию и производящее необходимые вычисления. Роль главного сервера играет материнская плата Raspberry Pi, на которую инсталлируется WEB-интерфейс. Его особенность заключается в возможности связи с планшетом, ноутбуком или телефоном.
- Сервер находится во взаимосвязи с окружающими его модулями. Контакт осуществляется с помощью RS-485. Для обеспечения слаженного функционирования системы в каждой комнате устанавливается специальный контроллер. Его задача заключается в приеме и анализе поступающей информации с последующей отправкой команд на исполняющие устройства (изделия бытовой техники).
- Связь модуля Raspberry Pi с контроллерами обеспечивается с помощью UART-порта. К последнему подключается специальный проводник на интерфейс RS-485. Стоит учесть, что в последних моделях устройства уже предусмотрен такой интерфейс (он идет уже в базе).
- В роли операционной системы выступает Raspberry. В комплексе с ней работает одно из доступных расширений, к примеру, Pimatic.
При желании система умный дом может быть собрана на платформе «открытого» типа, к примеру, Fhem, openHAB, SHC. Не менее востребованный вариант — применение платформы wiBulter.
Распиновка платы Raspberry Pi model A+
Model A+ является бюджетной версией платы Raspberry Pi. Устройство выпущено в 2014 году на замену оригинальной Model A. Плата представлена на рисунке ниже.
В отличие от предыдущей модели А+ обладает следующими характеристиками:
- Большим количеством выходов GPIO – теперь их стало 40.
- Micro SD-разъемом.
- Пониженное потребление энергии – линейные регуляторы напряжения были заменены на переключающиеся регуляторы, и это позволило сэкономить энергию.
- Усовершенствованная аудиосистема – в плате присутствует отдельный источник питания с пониженным шумовым уровнем.
- Уменьшенный форм-фактор – композитный аудиовыход встроен 3,5-мм аудиовыход, наличие крепежных отверстий, USB-разъем расположен на краю платы.
Распиновка представлена на рисунке
1, 17 контакты – питание 3,3 В.
2, 4 контакты – напряжение питания 5 В. Подключено напрямую к входному напряжению платы.
3 – выход SDA (один из I2C-пинов на плате).
5 – SCl (также одни из I2C-выходов на плате).
6, 9, 14, 20, 25,30, 34, 39 – Земля. Все заземляющие контакты соединены, можно использовать любой выход, который ближе к оставшимся элементам.
7 – GPCLK0.
8 – TXD, один из 2 UART-выходов, отвечающий за передачу данных. UART-контакты обычно используют для взаимосвязи Ардуино и Raspberry Pi. Важно правильно соединять платы, так как Pi питается от напряжения 3,3 В, а ардуино – от 5 В.
10 – RXD, выход для UART, отвечающий за прием данных.
11, 13, 15, 16, 18, 22, 29, 3, 32, 33, 36, 37 – зарезервированные контакты.
12 – PCM_C вывод, который используется совместно со специальным ШИМ-методом. Обеспечивает прямой доступ к памяти.
19, 38 – MOSI-контакты.
21, 35 – MISO-контакты.
23, 40 – SCLK-контакты.
24, 26 – CS0 и CS1 выходы.
27,28 – ID_SD, зарезервированы для I2C коммуникации с энергонезависимой памятью.
Плата Raspberry Pi Model A+ используется в проектах, в которых важно поддерживать низкое энергопотребление и где не требуется наличие интерфейса Ethernet.
Питающая часть и размеры
На изделие подается напряжение 5 В, поступающее от специального адаптера через питающие пины или microUSB-разъем. Для надежности лучше применять источник, имеющий I от 2-х ампер и более. В этом случае появляется возможность для подключения к портам USB более мощных изделий.
ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Нагревательные кабели для трубопроводов
Аппаратного выключателя, обеспечивающего подачу напряжения, на плате нет. Активация мини ПК происходит посредством включения шнура в розетку, а для отключения используются базовые функции ОС.
Размеры платы всего 8,5*5,4 см. В ней помещаются необходимые порты, часть из которых слегка выступает за общие габариты (на несколько миллиметров).
Плата Raspberry Pi 3 model B
Raspberry Pi model B является наиболее распространенной платой. По сравнению со своим предшественником Pi 2 Model B обладает 64-битным процессором ARM Cortex-A53 и встроенным Wi-Fi и Bluetooth. Плата имеет 1 ГБ оперативной памяти, которая делится с графической системой. Способов применения платы множество – с их помощью можно создавать игровые приставки, охранные системы, планшеты и прочие электронные устройства.
Для подключения наушников и колонок имеется 3,5-миллимитровый разъем. Также имеется 4 USB-выхода, к которым можно присоединять периферию. Подключение различных модулей осуществляется через 15-пиновые слоты:
- DSI – предназначен для присоединения дисплея;
- CSI-2 – присоеднинение камеры через интерфейс MIPI.
Для низкоуровневых интерфейсов используются выходы:
- Общего назначения – 40 портов ввода/вывода;
- UART;
- I2C;
- SPI;
- Входы питания и земля.
Для коммуникации используются интерфейсы Ethernet, Wi-Fi 802.11n и Bluetooth 4.1. В качестве жесткого диска плата использует microSD-карту с установленной на ней операционной системой. Карту памяти лучше использовать объемом в 8 ГБ. Raspberry Pi model B использует операционную систему Linux.
Питание устройства осуществляется адаптером на 5 В через USB разъем или выходы питания. Специальный выключатель питания отсутствует на Raspberry Pi, чтобы включить устройство, достаточно просто подключить кабель питания.
Медиацентр
Raspberry Pi отлично подходит для создания собственного медиацентра. Вам понадобится любой телевизор, поддерживающий HDMI. Причём необязательно, чтобы телевизор был новым или «умным».
Поставьте на Raspberry Pi любой дистрибутив Linux на выбор. Затем загрузите и установите в него Kodi. Это великолепная программа для медиасервера, с удобным и стильным интерфейсом, кучей возможностей, плагинов и тем оформления. И к тому же бесплатная.
А если докупить ещё какой-нибудь пульт, подключающийся по Bluetooth, можно с удобством управлять программой прямо с дивана.
Kodi привносит на Raspberry Pi множество функций. С ним вы можете смотреть любые фильмы и сериалы, слушать музыку и любоваться фотографиями, подключаться практически к любым стриминговым сервисам, скачивать торренты, сёрфить по сети.
А если вам чего-то не хватает, загляните в репозиторий расширений Kodi — найдёте там ещё уйму всяких интересных штуковин.
Плата Raspberry Pi model Zero
Серия плат model Zero отличается от своих предшественников меньшими размерами. Существует 2 вида плат этого вида – model Zero и новая версия Zero W. Вторая отличается только наличием Wi-fi и Bluetooth на борту.
Технические характеристики Raspberry Zero:
- 512 МБ оперативной памяти;
- Одноядерный процессор ARMv6Z ARM1176JZF-S с тактовой частотой 1 ГГц;
- Мини HDMI порт;
- 2 микро USB порта, один для подключения к компьютеру;
- Wi-Fi 802.11n;
- Bluetooth 4.1
Расположение выходов и распиновка представлены на рисунке. Плата оснащена 40 портами входа-выхода общего назначения, UART, I2C, SPI, выходами питания 3,3 В и 5 В и землей. Важно отметить, что разъем не припаян и требуется самостоятельный монтаж.
Новая модель Zero W использует microSD, в отличие от старшей модели, которая использует miniSD для работы. Флеш-карта используется в качестве носителя, ее объем должен быть не менее 2 ГБ. Питание платы осуществляется при помощи 5-вольтового адапрета через пины питания или микро-USB вход.
Из недостатков можно отметить малую скорость выполнения по сравнению с Raspberry Pi 3 model B. Но по сравнению с B Zero обладает меньшими размерами, что позволяет использовать его в миниатюрных разработках. Используется Raspberry Pi model Zero в тех же сферах, что и остальные компьютеры этого семейства. Плата может быть оснащена периферийными устройствами, блоком питания, экраном. С помощью этих микрокомпьютеров создаются системы видеонаблюдения, игровые системы, бытовые приборы. Наличие Wi-Fi и Bluetooth позволяет расширить диапазон применения. Одновременно с выпуском Raspberry Pi model Zero W компания представила линейку корпусов для компьютера. Корпусы оснащены отверстием для разъема GPIO и установки камеры.
Маршрутизатор
Из Rasbperry Pi можно сделать нечто вроде роутера, который будет блокировать рекламу на всех устройствах в вашей домашней сети. Установите на одноплатный компьютер специальное приложение под названием Pi-Hole, настройте, затем переведите Raspberry Pi в режим раздачи Wi-Fi. Возможно, вам придётся докупить внешний модуль Wi-Fi для Pi, если качество сигнала покажется неудовлетворительным.
Когда все ваши гаджеты будут подключаться к интернету через Pi-Hole, на них перестанет отображаться реклама. Баннеры в браузерах, всплывающие окна в приложениях на смартфонах или умных телевизорах — всё это будет заботливо вырезано.
Кроме того, Pi-Hole может блокировать нежелательные для вас сайты и показывать подробную статистику по расходам интернет-трафика.
А если немного поковыряться с настройкой, то с Raspberry Pi можно пропускать весь ваш трафик через VPN или TOR. Тогда вы забудете о постоянных блокировках.
Сравнение моделей Raspberry Pi
Оперативная память
Платы Model A и Model A+ обладают наименьшим объемом памяти – всего 256 МБ. Model B до октября 2012 года также обладала объемом в 256 МБ, после объем был увеличен до 512 МБ, как и у Model B+. В плате Raspberry Pi 3 – наибольший размер памяти, 1 ГБ.
USB порты
Платы Model A и Model A+ оснащены одним портом USB 2.0, в версии Model B количество портов увеличено до двух, а в Model B+ и Pi 3 до четырех. Наиболее заметные изменения у Raspberry Pi Zero – в ней появился один разъем 1 Micro USB OTG.
Аудиовыходы
По этому параметру также отличается модель Raspberry Pi Zero – в этой плате 3,5-миллиметровый джэк, HDMI заменен на многоканальный HD звук через HDMI.
Формат карты памяти
Для моделей A и B использовались карты памяти SD / MMC / SDIO. Все последующие модели используют MicroSD карту.
Количество портов
Модели A и B оснащены 26-выводным GPIO разъёмом, в следующих моделях это число увеличено до 40.
Потребление энергии
Самым энергосберегающим устройством является Raspberry Pi Zero – она использует всего 160 мА. Наибольшее потребление энергии – у платы Raspberry Pi 3 (800 мА-2.5 мА,4 Вт). Первая модель А потребляет 300 мА (1,5 Вт), модели B, A+, B+ требуют порядка 600-700 мА.
Размеры
Самое миниатюрное устройство – Raspberry Pi Zero, его габариты 65.0 x 30.0 мм x 5мм. Немного больше модель А+, у которой размеры равны 65.0 x 56.0 мм x 12мм. Остальные платы обладают примерно одинаковым размером 85.0 x 56.0 мм x 17мм.
Веб-сервер
У вас есть собственный сайт, блог или что-то в этом духе, и вам надоело постоянно платить за хостинг? Почему бы не разместить своё творение на Raspberry Pi? Конечно, одноплатник вряд ли потянет огромный ресурс с миллионами посетителей, но если сайт у вас небольшой, устройство с ним справится.
Можете установить на Raspberry Pi Apache, PHP, MySQL, WordPress — любые инструменты, которые вам понадобятся, и миниатюрный компьютер станет вполне неплохим веб-сервером. Остаётся только приобрести у интернет-провайдера статический IP. Или даже обойтись без этого, воспользовавшись сервисом No-IP.com.
Где купить Raspberry Pi
Благодаря огромной популярности микрокомпьютеров Raspberry Pi их можно приобрести в любой точке мира в любом магазине. Но официальными продавцами считаются только 2 европейские и «Element 14». Обе фирмы поставляют мини-компьютеры в упаковках с различным дизайном, но товары от обоих поставщиков сделаны в Англии.
Со временем появились и китайские аналоги, которые можно купить на AliExpress. Сразу же возникает вопрос о подлинности этих гаджетов. Анализ китайской и английской версии можно провести, сравнив их рабочие характеристики, производительность процессора, памяти.
Процессор в оригинальной английской версии работает немного быстрее китайского аналога, то же самое касается и оперативной памяти. Отличия в работе минимальны, из чего можно сделать вывод, что китайская версия Raspberry Pi не хуже по своим рабочим параметрам.
Собственное облако
Итак, у вас появилось собственное сетевое хранилище. Почему бы не пойти дальше и не создать своё личное облако? Зачем зависеть от Google и Dropbox, которые просят денег за каждый лишний мегабайт?
Чтобы развернуть на Raspberry Pi свой облачный сервер, вам понадобится дистрибутив вроде Raspbian или Debian и специальное приложение ownCloud либо его аналог Nextcloud. У них есть и десктопные клиенты для всех платформ, и мобильные приложения.
Создав на Raspberry Pi облако, вы получите огромный простор для действий. Автоматическая синхронизация файлов на всех платформах, точно настраиваемая и очень быстрая. Хранилище для контактов и почты (прощай, Gmail). Хранилище для заметок (прощай, жадный Evernote). Вы можете даже развернуть свой сервис для управления задачами и работать на Raspberry Pi командой, как в каком-нибудь Trello.
Примеры проектов с Raspberry Pi
Управление портативной метеостанцией. При помощи Raspberry Pi можно реализовать устройство, которое будет записывать все метеоданные – скорость ветра, температуру, осадки. Можно запрограммировать устройство на автообновление сайта с погодными условиями.
Цифровая фоторамка. При помощи Raspberry P можно самостоятельно изготовить рамку для фотографий, сэкономив при этом примерно половину стоимости. Фоторамка – это медиа-панель, которая управляется Raspberry P. Рамку можно модернизировать – она будет показывать не только фотоснимки, но и дату и время, воспроизводить аудиозаписи, показывать прогноз погоды.
Система автоматизации в доме. Если совместить Raspberry Pi с Ардуино и программой Node.js, можно создать эффективный способ управления всеми электронными устройствами в доме. Вариантов работы много – автоматическое включение и выключение света при помощи датчика освещения, включение/выключение телевизора, регулирование температурного режима в доме.
При помощи платы Raspberry Pi можно реализовывать самые разные проекты – от музыкальных инструментов до фотоаппаратов и планшетов. Причем использование этой платы может существенно снизить стоимость самодельного прибора.
Загрузчик торрентов
Те, кто любит скачивать разные вещи с трекеров, могут превратить Raspberry Pi в универсальный загрузчик торрентов. Для этого понадобится, собственно, сам одноплатный компьютер, и один или несколько жёстких дисков, подключённых по USB либо SATA.
Установите на Raspberry Pi систему и торрент-клиент. Например, лёгкий Transmission или функциональный qBittorrent. Управлять ими можно с любого компьютера в домашней сети через веб-интерфейс в браузере.
Либо можно настроить клиент так, чтобы он автоматически забирал torrent-файлы из папки какого-нибудь облачного хранилища вроде Dropbox. Скидываете torrent-файл с любого устройства в папку, и устройство автоматически начнёт загрузку.
Кроме того, Raspberry Pi можно научить следить за изменениями раздач по RSS. Так что, когда выйдет новая серия какой-нибудь «Игры престолов», устройство самостоятельно скачает её, не дожидаясь вашей команды.
Первые настройки и подготовка к работе
Для начала стоит ознакомиться с инструкцией и рекомендацией производителя относительно применения устройства. Стоит убедиться в наличии необходимых датчиков и спланировать их подключение. Плата установлена в специальной коробке, защищающей изделие от механических воздействий. Устройство не люфтит и выглядит весьма солидно.
После снятия верхней крышки можно получить доступ к плате. Единственная трудность заключается в подключении бокового разъема. Для удобства рекомендуется покупать угловой шлейф.
Дополнительно покупается два радиатора, предназначенные для охлаждения контроллера Ethernet и основного чипа.
Есть и другие решения.
Для первого пуска потребуется карта памяти, с установленной на нее операционной системой. Минимальный размер флешки должен быть от 4 Гб и более. Образ ОС доступен в Интернете (ссылка на скачивание ниже). Также потребуется программа Win32 Disc Imager.
После скачивания образа на ноутбук его необходимо распаковать из архива, после чего вставить карту памяти в кардридер. Далее запускается уже установленная программа Win32 Disc Imager.
Как только работа завершена, с помощью программы выбирается образ и записывается на флеш-накопитель.
Далее достается карту памяти с образом и вставляется в устройство Raspberry Pi 3 Model B. После этого подключается клавиатура, дисплей и мышка. При желании можно использовать беспроводную клавиатуру.
