Raspberry Pi – jaki projekt zaplanować jako pierwszy?

Raspberry Pi to rodzina niewielkich komputerów jednopłytkowych stworzona w 2012 roku przez edukacyjną fundację Raspberry Pi Foundation. Komputery te zaprojektowano z myślą o zastosowaniu w edukacji i hobbystycznych projektach. Są one niewiele większe od karty kredytowej, jednakże mogą być wykorzystywane do wielu zadań, do których normalnie używa się dużo większych komputerów – Raspberry Pi nadaje się do wielu starszych gier, uruchamiania edytorów tekstu, arkuszów kalkulacyjnych czy jako odtwarzacz multimedialny. W ten sposób Raspberry Pi 4 jako komputer domowy może być także wykorzystywany.

Dodatkowo ten jednopłytkowy komputer jest idealną bazą dla systemów automatyki domowej, robotów i wielu innych. Omawiane komputery jednopłytkowe wykorzystują procesory z rdzeniem ARM. Najnowsza wersja Raspberry Pi – model 4 – wyposażony jest w czterordzeniowy procesor z rdzeniami ARM Cortex-A72 taktowany zegarem o częstotliwości równej 1,5 Ghz. Raspberry Pi 4 B wyposażone może być w do 4 GB pamięci RAM. Komputer posiada liczne zintegrowane interfejsy sieciowe – Wi-Fi (802.11ac) oraz kablowy interfejs Ethernet o prędkości 1 Gb na sekundę. Dodatkowo wyposażony jest w dwa porty USB 2.0, dwa porty USB 3.0 oraz trzy wyjścia wideo w postaci portów microHDMI. Co więcej, komputery z rodziny Raspberry Pi mają możliwość interakcji ze światem zewnętrznym za pomocą portu GPIO. Jest to 40-pinowe złącze, na którym wyprowadzone są niskopoziomowe interfejsy procesora – cyfrowe linie wejścia i wyjścia, I²C, SPI i inne. Pozwalają one na podłączanie dodatkowych modułów rozszerzeń w postaci na przykład tak zwanych nakładek HAT, które dopina się od góry do komputera jednopłytkowego. Mogą one być wyposażone w dodatkowe wejścia i wyjścia, a także sterowniki silników, sensory etc.

Systemy operacyjne do każdego zastosowania

Komputer jednopłytkowy Raspberry Pi został zoptymalizowany do pracy pod opieką systemu operacyjnego Linux. Na rynku jest jednak wiele dystrybucji tego systemu operacyjnego, które dostosowane są do konkretnych aplikacji. Najbardziej ogólną dystrybucją przygotowaną z myślą o Raspberry Pi jest Raspbian – oparta na Debianie i zaprojektowana specjalnie dla tego komputera. Jest to systemem ogólnego przeznaczenia dla użytkowników ‘Maliny’. Raspbian wykorzystuje menedżera okien Openbox i poprawione środowisko Pi Xwindows Lightweight. Dodatkowo wstępnie zainstalowano w nim oprogramowania takie jak Minecraft Pi, Java, Mathematica oraz Chromium. To oficjalny i w pełni wspierany przez producenta modułów system operacyjny. Może i Raspbian jest w stanie wykonać każde zadanie, które mu powierzysz, jednakże dostępnych jest także wiele dystrybucji przeznaczonych do węższych zastosowań. Najczęściej są one wyposażone w dodatkowe biblioteki i preinstalowane oprogramowanie potrzebne do wykonania danego zadania.

1. OSMC (Open Source Media Center) to darmowy, prosty, otwarty i łatwy w użyciu system operacyjny dla odtwarzacza Kodi. Oprogramowanie to może odtwarzać praktycznie każdy format multimediów, posiada nowoczesny, minimalistyczny interfejs użytkownika i jest w pełni konfigurowalne. OSMC Raspberry Pi 4 będzie dobrym wyborem, jeśli chcemy zbudować z Raspberry Pi domowe centrum multimedialne. Raspberry Pi Zero Media Center jest dodawany wraz z bazowym Kodi.
2. OpenELEC (Open Embedded Linux Entertainment Center) to mały, oparty na systemie Linux JeOS opracowany od podstaw system operacyjny również dedykowany do obsługi Kodi. OpenELEC jest doskonałą alternatywą dla OSMC, jeśli ten nie zaoferuje nam tego, czego szukamy. Linux Media Center pozwoli na stworzenie takiego centrum multimedialnego, jakiego potrzebujesz.
3. Lakka to darmowa, lekka i otwarta dystrybucja, dzięki której możesz zmienić dowolny komputer w pełnoprawną konsolę do gier bez konieczności podpinania klawiatury lub myszy. Lakka posiada piękny interfejs użytkownika i wiele opcji dostosowywania. Idealnie nadaje się dla graczy.
4. RetroPie jest dystrybucją opartą na Debianie przeznaczoną do emulowania gier retro na platformie Raspberry Pi, ODroid. Obecnie jest to najpopularniejsza dystrybucja do tego zadania. RetroPie wykorzystuje EmulationStation, aby zaoferować użytkownikom doznania w stylu retro komputerów dowolnego rodzaju.
5. Ubuntu Core to wersja systemu operacyjnego Ubuntu (jednej z dystrybucji Linuxa) przeznaczona do aplikacji Internetu Rzeczy. Ubuntu jest najpopularniejszym systemem operacyjnym opartym na Linuxie na świecie z ponad 20 pochodnymi dystrybucjami. Dzięki temu, że ma aktywne i przyjazne forum, każdemu łatwo będzie rozpocząć pracę z Ubuntu Snappy Core na swoim Raspberry Pi.
6. Linutop OS to bezpieczny, oparty na Raspbianie system dla info-kiosków i odtwarzaczy dedykowanych do systemów identyfikacji wizualnej. Jest dedykowany profesjonalistom, którzy chcą tworzyć publiczne stoiska internetowe i rozwiązania digital signage przy użyciu popularnej i niedrogiej ‘Maliny’. Ten system jest idealny, jeśli nasza aplikacja pracuje w hotelu, restauracji, sklepie czy nawet urzędzie miasta lub muzeum.
7. RaspBSD to darmowy obraz FreeBSD 11, który został wstępnie skonfigurowany dla komputerów Raspberry Pi. FreeBSD nie jest dystrybucją Linuxa – to zupełnie inny system operacyjny, jednakże podobnie jak on, jest on oparty na Unixie oraz w pełni otwarty i darmowy. Należy do najpopularniejszych obecnie systemów operacyjnych – jest podstawą systemu operacyjnego konsol PlayStation 3 i 4, a także popularnego macOSa i innych systemów firmy Apple.
8. RISC OS to unikatowy system operacyjny. Został on zaprojektowany specjalnie dla procesorów ARM przez twórców oryginalnego, pierwszego rdzenia ARM. Nie jest oparty ani na Unixie, ani Linuxie, ani Windowsie. Jest zupełnie niezależny i utrzymywany przez społeczność wolontariuszy. RISC OS znacznie różni się od jakiejkolwiek dystrybucji Linuxa czy systemu operacyjnego Windows, więc nauka korzystania z niego może zająć trochę czasu.
9. Windows IoT to system operacyjny Windows skompilowany specjalnie dla Raspberry Pi. Jest to głównie platforma programistyczna dla programistów, którzy chcą używać Raspberry Pi do budowy prototypów urządzeń Internetu Rzeczy przy użyciu komputerów jednopłytkowych Raspberry Pi i Windows 10.

   

Retro-konsole do gier

RetroPie pozwala zmienić komputer jednopłytkowy Raspberry Pi w kompletny emulator gier retro. Umożliwia on grę w niemalże każdą ulubioną starą grę z automatów, klasycznych konsol czy komputerów. Zaawansowanym użytkownikom system ten udostępnia także wiele różnych narzędzi konfiguracyjnych umożliwiających dostosowanie systemu do własnych potrzeb. System RetroPie pracuje na normalnym systemie operacyjnym, więc można zainstalować go na istniejącym systemie lub wykorzystać gotowy obraz instalacyjny z RetroPie, by od razu cieszyć się skonfigurowaną platformą do emulacji starych gier. Jeśli chcemy stworzyć kompletną konsolę do emulacji klasycznych gier, sam system operacyjny z zainstalowanym emulatorem nie wystarczy. Możemy zbudować z naszego Raspberry stacjonarną konsolę do gier. W takim wypadku wystarczy nam odpowiednia obudowa – nie zapominajmy o zapewnieniu chłodzenia, szczególnie jeżeli wybieramy Raspberry Pi 3 lub 4, które znane są z grzania się. Do większości zastosowań wystarczą radiatory, jednakże jeżeli planujemy spędzać na graniu więcej czasu, dobrze jest zaopatrzyć się w taką obudowę, w której można zainstalować wentylator.

Jeżeli planujemy budowę przenośnej konsoli, to oprócz odpowiedniej obudowy, musimy zaopatrzyć się w kilka dodatkowych modułów do podłączenia do Raspberry Pi. W przypadku przenośnej, kompaktowej konsoli dobrze jest wykorzystać Raspberry Pi Zero z uwagi na niewielki wymiar tego komputera jednopłytkowego. Dodatkowo dokupić musimy odpowiedni moduł zasilania – istnieją dedykowane nakładki HAT itp. z miejscem do zainstalowania ogniwa litowo-jonowego oraz uniwersalne przetwornice stabilizujące 5 V do zasilania komputera. Potrzebny będzie nam również wyświetlacz – dostępnych jest wiele wyświetlaczy o różnej wielkości, które da się podłączyć do komputerów Raspberry Pi.

Konsolę możemy uzupełnić o kontrolery. Dostępne są ich różne rodzaje – od padów, które można podłączyć do USB, po mechaniczne joysticki z wyjściami cyfrowymi. Wybierając kontroler, który chcemy zintegrować z naszą konsolą, pamiętajmy, aby sprawdzić, czy dla danego urządzenia dostępne jest oprogramowanie i sterowniki dla systemu operacyjnego Raspbian.

Raspberry Pi – projekty przydatne w domu

Komputer jednopłytkowy Raspberry Pi można wykorzystać w domu do wielu rzeczy. Zależnie od wybranego zastosowania komputer należy uzupełnić o odpowiednie peryferia i moduły rozszerzeń, aby umożliwić mu pracę w danej roli. Niektóre z domowych aplikacji Raspberry Pi wymagają jedynie niewielkiej rozbudowy, inne z kolei wielu dodatkowych akcesoriów. Niezależnie jednak od poziomu skomplikowania, wszystkie przedstawione poniżej domowe projekty na Raspberry Pi są idealnymi projektami “na początek”, które pozwolą zapoznać się z zasadami działania tego komputera jednopłytkowego i sposobem jego obsługi.

NAS

NAS (Network Attached Storage), czyli sieciowo dołączona przestrzeń dyskowa to nic innego jak prosty dysk sieciowy. Aby stworzyć takie urządzenie w oparciu o Raspberry Pi, musimy dołączyć do naszego komputera jednopłytkowego magazyn danych – możemy w tym celu wykorzystać kartę SD (microSD), pendrive lub dysk zewnętrzny podłączony do komputera poprzez USB. Zwłaszcza w tym ostatnim przypadku warto sięgnąć po Raspberry Pi 4 z uwagi na wyposażenie tego komputera jednopłytkowego w dwa porty USB 3.0. Pozwoli to przyspieszyć działanie całego systemu.

NAS wyposażyć należy w estetyczną obudowę – zazwyczaj urządzenie takie znajduje się na wierzchu, np. stoi na komodzie lub szafce RTV. Przy wykorzystaniu większej liczby dysków twardych podłączonych do komputera pobór prądu całego urządzenia może być znacznie wyższy, niż typowego komputera jednopłytkowego z Raspberry Pi. Aby oszacować całkowity pobór prądu systemu, należy zsumować pobór prądu wszystkich urządzeń peryferyjnych (w przypadku dysków twardych 2,5” założyć można średni pobór na poziomie 1 A na dysk). Uzyskaną wartość zwiększamy o 2,5 A, które potrzebować może w pełni obciążone Raspberry Pi.

Raspberry Pi Multimedia-center

Raspberry Pi to jedno z najbardziej wszechstronnych urządzeń, z jakimi kiedykolwiek się spotkałeś. Jest również energooszczędną opcją do wykorzystania jako centrum multimedialne. Aby zmienić komputer w media-center, należy zainstalować na nim oprogramowanie Kodi. Instalacja Kodi Raspberry Pi 4 jest prosta i pozwala na obsługę wielu strumieni wideo – treści zarówno z osobistej biblioteki na dysku (lokalnym bądź sieciowym), jak i z internetu. Najprostszym sposobem na instalację Kodi jest wykorzystanie dowolnej dystrybucji Linuxa, która jest domyślnie w niego wyposażona. 

Raspberry Pi Zero – Netflix

Dostępne są dwie dystrybucje systemów dedykowanych media-center: LibreELEC i OSMC. Są one dosyć podobne do siebie, z tym że OSMC zachowuje większą ilość bazowego systemu operacyjnego Linux dostępnego dla użytkownika, aby pozwolić na większą elastyczność podczas konfiguracji – ułatwia to instalację katalogów sieciowych i dodatkowego oprogramowania potrzebnego dla niektórych dodatków Kodi, takich jak Netflix.

Do zestawienia media-center będziesz potrzebował kilku podstawowych rzeczy. Można nieco zmodyfikować tę listę, aby lepiej odpowiadała konkretnej aplikacji, ale większość z tych elementów jest absolutnie niezbędna. Potrzebny jest komputer jednopłytkowy Raspberry Pi 3 B+ lub 4 (z uwagi na wymaganą moc obliczeniową), zasilacz USB (microUSB w przypadku Modelu 3, USB-C w przypadku Modelu 4) oraz stosowna obudowa. W komputerze należy zainstalować kartę microSD o pojemności co najmniej 16 GB, a do komputera dołączyć klawiaturę i mysz bezprzewodowe (np. na Bluetooth). Finalni, zaopatrzyć musimy się w odpowiedniej długości kabel HDMI, aby podłączyć nasz telewizor lub projektor do Raspberry Pi – należy pamiętać, że najnowszy moduł Raspberry Pi (Model 4) wyposażony jest w złącza miniHDMI, więc konieczna jest odpowiednia przejściówka.

System automatyki domowej

W dużym uproszczeniu tego rodzaju system jest zintegrowanym urządzeniem, które steruje wieloma urządzeniami w naszym domu, pozwalając na daleko idącą automatyzację wielu procesów. Typowo systemy tego rodzaju stosuje się do sterowania oświetleniem, ogrzewaniem, a także coraz częściej zamkami oraz innymi, bardziej skomplikowanymi urządzeniami: lodówkami, pralkami, suszarkami czy ekspresami do kawy. Do zestawienia podstawowego systemu automatyki domowej potrzebować będziemy samego komputera Raspberry Pi w dowolnej wersji oraz zasilacza. Po skonfigurowaniu systemu nasz komputer może połączyć się z wszystkimi urządzeniami w domu, które umożliwiają zewnętrzne sterowanie (np. poprzez Wi-Fi lub Bluetooth) i je kontrolować. Dodatkowo komputer może łączyć się z internetem, aby np. pobierać informacje z serwisów meteorologicznych – co jest niezwykle istotne w przypadku na przykład sterowania systemem ogrzewania. Dodatkowo możliwe jest uzupełnienie komputera jednopłytkowego o zewnętrzne karty rozszerzeń pozwalające na sterowanie urządzeniami zasilanymi z sieci (230 V). Najczęściej wykorzystują one przekaźniki (elektromechaniczne bądź elektroniczne) do sterowania tego rodzaju obciążeniami z zachowaniem izolacji galwanicznej pomiędzy systemem sterowania a siecią wysokiego napięcia. Do sterowania tego rodzaju systemami dostępnych jest wiele gotowych, otwartych platform, które można pobrać za darmo z sieci i zainstalować na Raspberry Pi. 

Raspberry Pi Zero – Domoticz

Najpopularniejsze platformy do tworzenia własnych systemów automatyki domowej to Home Assistant i Domoticz. Home Assistant przez wielu określany jest jako najlepszy wybór do inteligentnej automatyki domowej. To inteligentny system operacyjny dla Raspberry Pi, który obsługuje wszystko – od kompletnej instalacji systemu po zarządzanie interfejsem użytkownika. Istnieje wiele dodatków do tego systemu, w tym Let’s Encrypt do wsparcia dla Amazon Alexa i Google Assistant. Z kolei Domoticz to platforma inteligentnej automatyki domowej, która zapewnia kompatybilność z wieloma urządzeniami – można podłączyć do tego systemu wiele gadżetów, takich jak piloty, zdalnie sterowane włączniki światła czy termostaty na Wi-Fi. Z systemem Domoticz projekty możesz wykonywać bez najmniejszego problemu. Niezależnie od tego, czy jest to projekt amatorski, czy profesjonalny.

Biorąc pod uwagę jego szeroką integrację, w tym z MQTT i Apple HomeKit, Domoticz jest doskonałym wyborem do uruchamiania na Raspberry Pi – dzięki swoim niewielkim wymaganiom będzie idealnie pracował na komputerze jednopłytkowym. Dodatkową zaletą tej platformy jest wspaniała dokumentacja, w tym obszerna strona Wiki poświęcona Raspberry Pi i szerokie wsparcie społeczeństwa użytkowników i deweloperów. Postaw na Raspberry Pi – projekty, które możesz stworzyć z wykorzystaniem tego minikomputera, są naprawde różnorodne. Od Ciebie zależy, który z nich wybierzesz.

Roboty

Pod tym hasłem kryje się wiele różnych konstrukcji. To, co łączy je wszystkie, to ruch. Wszystkie roboty, jakie konstruować można w oparciu o komputery jednopłytkowe Raspberry P,i to maszyny posiadające co najmniej jedną oś swobody, w której jakieś ich elementy mogą się poruszać. Najprostszym robotem może być np. szkatułka z zamkiem elektromagnetycznym, który będzie poruszać ryglem zamykającym pudełko. Tego rodzaju konstrukcja będzie idealna dla osób początkujących. Do zestawienia tego rodzaju systemu potrzebny będzie nam solenoid – liniowy siłownik elektromagnetyczny, w którym cewka elektromagnesu przesuwa stalowy bolec. Cewka taka pobiera znaczny prąd, więc nie można jej zasilać bezpośrednio z wyjścia GPIO Raspberry Pi. W tym celu dokupić należy odpowiednią kartę z tranzystorami mocy, przekaźnikami lub scalonym mostkiem H (ten ostatni pozwoli nam przepuszczać prąd przez uzwojenie cewki w dwie strony, co pozwoli także na odwracanie kierunku pola magnetycznego). Szkatułkę z zamkiem elektromagnetycznym uzupełnić można dodatkowo o np. czytnik RFID do otwierania jej kartą tego typu lub o moduł Bluetooth, aby możliwe było otwieranie zamka z aplikacji na smartfonie.

Zaawansowane roboty posiadają więcej osi swobody oraz bardziej skomplikowane układy napędowe. Na przykład wykorzystując dwa silniki prądu stałego i odpowiednie podwozie, zestawić można prostego robota gąsienicowego lub kołowego. Silniki te sterować najlepiej przez mostki H, aby dowolnie zmieniać kierunek ich obrotu. W ten sposób robot może poruszać się do przodu i tyłu, ale także dowolnie skręcać. Jeżeli uzupełni się go o chociażby podstawowe sensory, stworzyć można autonomiczną platformę poruszającą się według zadanego algorytmu. Jeśli dodamy do takiego pojazdu prosty transoptor odbiciowy, skonstruować można robota podążającego za linią narysowaną na podłożu. Z kolei po wyposażeniu konstrukcji w ultradźwiękowe sensory odległości z łatwością można skonstruować robota omijającego przeszkody.

Jeśli czujemy się na siłach, by stworzyć naprawdę zaawansowaną konstrukcję, możemy sięgnąć po bardziej złożone platformy. Doskonałym przykładem takich urządzeń są robotyczne ramiona sterowane silnikami krokowymi, które wykorzystują wiele stopni swobody. Silniki krokowe to precyzyjnie obracające się silniki, które mogą przemieszczać się o zadany kąt. Do ich sterowania potrzebne są dedykowane drivery i dwie linie cyfrowe GPIO z Raspberry Pi – jedna steruje kierunkiem obrotów, a druga jest zegarem, którego każde ‘tyknięcie’ powoduje wykonanie przez silnik jednego kroku (ruchu o kąt zależny od konstrukcji silnika, wykorzystania mikrokroku przez sterownik silnika etc). Dzięki temu do pojedynczego modułu Raspberry Pi podłączyć można wiele silników krokowych, a co za tym idzie – stworzyć bardzo złożoną, ruchomą konstrukcję o wielu stopniach swobody.

Stacje meteorologiczne

Komputer Jednopłytkowy Raspberry Pi jest doskonałą bazą do budowy bezprzewodowej stacji meteorologicznej. Dzięki temu, że komputer taki – zwłaszcza moduły z rodziny Raspberry Pi Zero – pobiera niewiele prądu, może być zasilany bateryjnie, np. z powerbanku. W ten sposób konstrukcja stacji pogodowej może być w 100% bezprzewodowa – nie potrzebuje ona kabli ani do zasilania, ani do komunikacji, gdyż może wykorzystywać sieć Wi-Fi. Wystarczy uzupełnić komputer o odpowiedni zestaw sensorów, aby mierzyć wiele parametrów otoczenia.

Dostępne są różne sensory służące do monitorowania pogody, jakości powietrza itp. Najprostsza stacja meteorologiczna zawierać powinna sensor temperatury – cyfrowy termometr, który można podłączyć do Raspberry Pi za pomocą interfejsu cyfrowego I²C. Za pomocą tego samego interfejsu do układu podłączyć można np. higrometr (sensor mierzący poziom wilgotności powietrza) czy różne układy służące do pomiaru jakości powietrza. Dodatkowo stacja meteo powinna posiadać czujnik mierzący kierunek i siłę wiatru (anemometr) oraz detektor deszczu.