Raspberry Pi » Žepni računalnik z eno ploščo
Objavljeno: 31 . januar 2024 | Čas branja: 13 minut
Tako kot krmilnik Arduino® se tudi enoploščni računalniki pogosto uporabljajo pri razvoju kompleksnih nadzornih sistemov ali vezij. Verjetno najbolj znan in tudi najbolj priljubljen enoploščni računalnik je Raspberry Pi, ki je zdaj na voljo v najrazličnejših različicah.
Kakšne so razlike med obema sistemoma? V našem vodniku po krmilnikih Arduino smo na preprostem praktičnem primeru podrobno razložili tehnično strukturo in funkcionalnost. V tem članku bi zdaj radi podrobneje predstavili enoploščni računalnik Raspberry Pi in prikazali nekaj od številnih možnih aplikacij.
Računalniki, prenosniki, prenosniki in tablični računalniki so postali sestavni del našega življenja. Opravljajo najrazličnejše naloge in se med seboj spogledujejo z vedno novimi vrhunskimi zmogljivostmi v smislu hitrosti in zmogljivosti shranjevanja. In to je dobro, saj aplikacije postajajo vse bolj zapletene, še vedno pa jih je treba zagnati v nekaj sekundah.
Kaj pa, če je naloga, ki jo mora opraviti računalnik, precej vsakdanja? Tako je na primer, če je treba 3D tiskalniku neprekinjeno in dalj časa dostavljati podatke. Precej preproste naloge pa so tudi nadzor komponent pametnega doma ter prenos podatkov z vremenskih postaj in videokamer v internet. Tudi predvajanje filmov in videoposnetkov z zunanjega trdega diska je za sodobne namizne računalnike povsem preprosto. Ker je obremenitev računalnika za te aplikacije minimalna, so sodobni računalniki brezupno premalo zmogljivi ali popolnoma predimenzionirani. To pa ni nujno. Pametni računalniki z eno ploščo, kot je Raspberry Pi, so primerni prav za takšne primere.
Čeprav so velike le kot čekovna kartica, imajo te naprave vse, kar potrebuje računalnik. Poleg procesorja in pomnilnika RAM imajo enoploščni računalniki vse potrebne vmesnike za priključitev tipkovnice, miške, omrežja, monitorja in napajalnika.
Namesto trdega diska se za nalaganje operacijskega sistema in potrebnih aplikacij uporablja pomnilniška kartica. Načeloma je Raspberry Pi ali "Raspi", kot ga imenuje skupnost ljubiteljev, polnopravni računalnik, ki je bil preprosto zmanjšan. Zaradi tega je počasnejši od povprečnega osebnega računalnika, vendar še vedno dovolj hiter, da lahko brez težav opravlja naloge, ki so mu dodeljene.
Ker je Raspberry Pi tudi precej cenejši od običajnega računalnika in ga je mogoče prosto programirati, je idealen za igranje in eksperimentiranje ter tudi za izobraževanje.
Ime Raspberry Pi ne označuje posebnega računalnika z eno ploščo. To je ime celotne linije izdelkov ali družine izdelkov fundacije Raspberry Pi. Fundacija Raspberry Pi je neprofitna organizacija s sedežem v Združenem kraljestvu.
Prvi modeli Raspberry Pi so bili predstavljeni leta 2012 kot Raspberry Pi Model 1B. Dve leti pozneje se je pojavil Pi 1 Model B+. Hitrejši Raspberry Pi 2, ki je imel tudi ethernetni priključek, je bil na voljo od februarja 2015. Raspberry Pi 2 sta nadomestila modela Raspberry Pi 3, ki sta bila izdana februarja 2016. Te plošče so takrat prešle z 32-bitne arhitekture na 64-bitne procesorje, dodana pa sta bila tudi WLAN in Bluetooth. S tem so postali bistveno zmogljivejši.
Raspberry Pi 5 - najnovejši član priljubljene družine Raspberry Pi
Novi Raspberry Pi 5 je na voljo od septembra 2023. Zaradi zmogljivejšega procesorja je Raspberry Pi 5 približno dva- do trikrat hitrejši od svojih predhodnikov. To pomeni, da najnovejša različica ni primerna le za zahtevne računalniške ali pisarniške aplikacije. Z Raspberry Pi 5 je mogoče stroškovno in učinkovito izvajati tudi računalniško intenzivne procese v avtomatizaciji, kot so tisti, ki jih zahteva industrija 4.0 za krmiljenje kobotov.
Pregled trenutnih modelov in podatkov o njihovi zmogljivosti je prikazan v naslednji preglednici:
Pregledna tabela najpogostejših Raspberry Pi
| Raspberry Pi Zero 2 W | Raspberry Pi 3B+ | Raspberry Pi 4B | Raspberry Pi 5 | |
|---|---|---|---|---|
| SOC | BCM2710A1 | BCM2837 | BCM2711 | BCM2712 |
| CPU | ARM Cortex-A53 | ARM Cortex-A53 | ARM Cortex-A72 | ARM Cortex-A76 |
| CPU-Takt | 4 x 1000 MHz | 4x 1400 MHz | 4x 1500 MHz | 4 x 2400 MHz |
| RAM | 512 MB | 1 GB | 1 GB, 2 GB, 4 GB lub 8 GB | 4 GB oz. 8 GB |
| USB | 2 x USB 2.0 | 4 x USB 2.0 | 2 x USB 2.0 2 x USB 3.0 |
2 x USB 2.0 2 x USB 3.0 |
| GPIOs | 40 pinov | 40 pinov | 40 pinov | 40 pinov |
| Video | 1 x HDMI | 1 x HDMI | 2 x Micro-HDMI | 2 x Micro-HDMI |
| Avdio | HDMI (digital) | HDMI (digital) 3,5 mm priključek za kompozitni video in zvok |
HDMI (digital) 3,5 mm priključek za kompozitni video in zvok |
HDMI (digital) |
| Omrežje | ✗ | 10/100/1000 MBit(max. 300 MBit/s) | 10/100/1000 MBit | 10/100/1000 MBit |
| WLAN | 2,4 GHz | 2,4 GHz | 2,4 GHz | 2,4/5 GHz |
| Bluetooth | 4.2 | 4.2 | 5.0 | 5.0 |
| Napajanje | 5 V od Micro USB Min. 2,5 A |
5 V od Micro USB Min. 2,5 A |
5 V od USB-C Min. 3 A |
5 V od USB-C Min. 5 A |
| Velikost | 65 x 30 mm | 85,6 x 56 mm | 85,6 x 56 mm | 85,6 x 56 mm |
Naša priporočila
S primerom Raspberry Pi 3 želimo prikazati bistvene sestavne dele Raspberryja:
Pogled na Raspberry Pi od zgoraj
Pogled na Raspberry Pi od spodaj
1. Enota WLAN/Bluetooth
2. Vmesnik GPIO
3. Priključki za napajanje prek omrežja Ethernet (PoE)
4. Vrata USB 2.0 (4x)
5. Ethernetna povezava (LAN)
6. Krmilnik ethernet
7. Kompozitni video/avdio 3,5 mm
8. Vtičnica za ploščati kabel za kamere
9. Izhod HDMI
10. Procesor
11. Napajanje 5 V (microUSB)
12. LED diode (aktivnost in delovna napetost)
13. Ploščata kabelska vtičnica za zaslone
14. IC pomnilnika DRAM
15. Vtičnica za kartico MicroSD
Za delovanje računalnika mora biti poleg strojne opreme na voljo tudi programska oprema, tj. operacijski sistem. Operacijski sistem lahko nato uporabite za namestitev dodatnih aplikacij in programov. Pri računalniku Raspberry Pi, ki je pravzaprav okrnjen računalnik, je treba najprej namestiti operacijski sistem Raspberry Pi OS (Rasbian), ki temelji na LINUX-u. Za to potrebujete kartico microSD z najmanj 8 GB, 16 GB ali po možnosti 32 GB. Poleg pomnilniške zmogljivosti v GB je pomembna tudi hitrost zapisovanja kartice SD. Ta mora biti čim višja.
Za zagon plošče Raspberry Pi najprej potrebujete računalnik z dostopom do interneta in adapter za pomnilniško kartico. Operacijski sistem za Raspi lahko kot sliko Raspbian prenesete s spletne strani https://www.raspberrypi.org/downloads/. Preneseni program se nato namesti neposredno na formatirano pomnilniško kartico. V meniju lahko izberete tako različico programske opreme kot pomnilniško kartico.
Ko je namestitev končana, pomnilniško kartico odstranite iz adapterja računalnika in jo vstavite v režo za kartico v Raspi. Miška in tipkovnica (ključ ali kabelski priključek) ter monitor so nato s kablom HDMI priključeni na mini PC.
Ko priključite napajalnik, se sistem zažene in samodejno namesti vse potrebne gonilnike. Med začetnim zagonom se izberejo država, jezik in omrežje WLAN ter dodeli novo geslo. Ob koncu namestitve se prenesejo najnovejše posodobitve, tako da je operacijski sistem Raspberry Pi OS posodobljen.
Po uspešni namestitvi je na voljo začetni zaslon z menijsko vrstico na vrhu zaslona. Enoplaščni računalnik je zdaj pripravljen za delovanje in lahko opravite prve nastavitve.
Malina v zgornjem levem kotu je praktično enaka gumbu Start v sistemu Windows 10. S klikom na malino se odprejo dodatni meniji. Tudi druge funkcije, na primer upravitelj datotek ali ustvarjanje novih ikon na namizju, so zelo podobne funkcijam sistema Windows.
Programsko opremo Raspi je zato mogoče upravljati intuitivno in se je hitro naučiti.
Naš praktični nasvet: napajanje!
Ker je Raspberry Pi delujoč računalnik, vtiča med delovanjem ne smete preprosto odklopiti. Namesto tega je treba najprej izklopiti operacijski sistem. To storite tako, da v zgornjem levem kotu kliknete na malino, nato pa lahko operacijski sistem preprosto izklopite prek menijske postavke Odjava in izklop. Takoj ko ponovno priključite delovno napetost, se operacijski sistem samodejno zažene. Če želite določene uporabniške programe izvesti takoj, jih je treba kasneje vključiti v zagonsko rutino.
Daljinski nadzor Raspberry Pi prek VNC
Raspi za namestitev in nastavitev praviloma potrebuje le miško, tipkovnico in monitor. Za nadaljnja opravila niso več potrebni. Da pa bi lahko kadar koli dostopali do naprave Raspi, je smiselno nastaviti daljinsko upravljanje prek domačega omrežja. V tem primeru je dobra možnost "Virtual Networking Computing" ali krajše VNC. VNC je medplatformni omrežni protokol, ki deluje tako v operacijskih sistemih Windows kot v distribucijah Linux. VNC je tudi sestavni del programske opreme Raspian.
Če želite nastaviti daljinski upravljalnik, preprosto prikličite konfiguracijo Rasppberry Pi v razdelku Začetek → Nastavitve. VNC je treba nato aktivirati na področju Interfaces (Vmesniki) in potrditi z OK. Ikona VNC se nato prikaže v zgornjem desnem kotu.
Ko kliknete ikono, lahko v oknu VNC preberete naslov IP računalnika Raspberry Pi. V računalnik, ki se uporablja za daljinski nadzor, je treba namestiti samo pregledovalnik VNC.
Ob prvem priklicu programske opreme se zahteva naslov IP računalnika Raspberry Pi. Ker je uporabnik "pi" že določen, je treba vnesti samo geslo Raspberryja. Nato se vzpostavi povezava z Raspberryjem in omogoči se upravljanje na daljavo.
Namesto VNC lahko uporabite tudi terminalski program "PuTTY". Terminalski program lahko brezplačno prenesete z različnih spletnih strani. V tem primeru je treba v programski opremi Raspian za vmesnike aktivirati vrsto povezave "SSH".
Pred dodelitvijo in upravljanjem posameznih pinov GPIO mora biti jasno, kateri pin ima kakšno oznako in kakšno funkcijo. V primeru uporabljenega modela Raspberry Pi 3 ima 40 nožic naslednjo dodelitev:
Razporeditev priključkov GPIO na priključnem traku Raspberry Pi 3:
Te informacije se lahko tudi prikažejo. To storite tako, da v orodni vrstici prikličete terminal LX in vnesete ukaz pinout.
Struktura preprostega semaforskega vezja
Da bi prikazali nadzor nad GPIO, smo se odločili, da izvedemo majhen nadzor semaforja. V ta namen moramo najprej povezati tri diode LED, vsako z zaporednim uporom. Za hitro in preprosto izdelavo vezja je primerna majhna vtična ploščica.
Ker so uporabljeni GPIO opredeljeni kot izhodi in zato oddajajo napetost, morajo biti anode LED diod povezane z izhodi Raspberry Pi.
Rdeča LED dioda je priključena na pin 11 (GPIO 17). Rumena LED dioda je povezana s pinom 13 (GPIO 27), zelena pa s pinom 15 (GPIO 22). Na katode vsake od treh diod je priključen upor s približno 220 Ω, ki je povezan z maso na nožičku 30 ali s katero koli drugo ozemljitveno povezavo (GND).
Programiranje krmiljenja semaforja
Priporočljivo je, da krmilnik semaforja programirate v vse bolj priljubljenem programskem jeziku Python. V nasprotju s programiranjem Arduino programski bloki niso strukturirani s pomočjo oglatih oklepajev, temveč z alinejami posameznih vrstic. Zato je pomembno, da ste pri ustvarjanju programske kode ali pri njenem kopiranju pozorni na te alineje.
Programska koda za preprosto krmiljenje semaforja je videti takole:
Zaslonska slika kode semaforja
Pojasnila programske kode
import RPi.GPIO kot GPIO
Vstavite knjižnico "RPi.GPIO" za nadzor GPIO prek Pythona
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
Ukaz za uporabo oznak GPIO. Če želite namesto tega uporabiti številke nožic, namesto "BCM" vnesite "Board"
GPIO.setwarnings(False)
Izklopite opozorila GPIO
import time
Vstavite knjižnico "time", da lahko nadzorujete časovna zaporedja
GPIO.setup(17, GPIO.OUT)
GPIO.setup(27, GPIO.OUT)
GPIO.setup(22, GPIO.OUT)
Ti trije ukazi določajo GPIO 17, 27 in 22 kot izhode
while True:
Neskončna zanka s štirimi različnimi barvnimi konstelacijami semaforja, v katerih so povezani GPIO vklopljeni (1) ali izklopljeni (0)
time.sleep
Vnesite trajanje osvetlitve vklopljenih diod LED v sekundah
try:
KeyboardInterrupt:
Pogojni stavki omogočajo prekinitev neskončne zanke med dvema ukazoma s kombinacijo tipk (Stg + C). Izvrši se ustrezen ukaz z alinejo "GPIO.cleanup()" in vsi GPIO se ponastavijo. S tem se izklopijo svetleče diode. Če se program prekine, LED diode, ki so svetile v času prekinitve, ostanejo trajno prižgane.
Pod Start → Razvoj se prikliče Thonny Python IDE in programska koda se vstavi v okno brez naslova <untitled> (glejte prejšnjo sliko zaslona). Kodo je nato treba shraniti pod imenom, ki ga izberete sami. Program lahko nato ročno zaženete in prekinete z uporabo krožnih gumbov. Po potrebi lahko program vključite tudi v zagonsko rutino, tako da se samodejno zažene ob vklopu enoprostorskega računalnika. Seveda lahko določite tudi čas delovanja računalnika Raspi, tako da ročni vklop in izklop ni več potreben. Dodatne informacije o tem in tudi o programskem jeziku Python lahko enostavno najdete z ustreznimi iskalniki na internetu.
Pomembno!
GPIO ne morejo oddajati velikih tokov. Napajalni priključek 3,3 V, ki napaja vse GPIO, zagotavlja največji tok le 50 mA.
Zato je treba pri gradnji vezij LED uporabljati le LED diode z nizkim tokom.
Če so potrebni večji tokovi, lahko uporabite preklopni ojačevalnik, kot je ULN 2803.
Drugo pomembno področje uporabe enoploščnih računalnikov je video nadzor. Zato ima Raspis tudi vtičnico za ploščate kable za kamere Raspberry Pi. To vtičnico je priporočljivo uporabiti, saj je kamera nato fiksna strojna komponenta sistema.
Seveda lahko fotoaparat USB uporabljate tudi prek enega od priključkov USB. Vendar so v tem primeru še vedno potrebni gonilniki za kamero, kar lahko povzroči težave z nekaterimi aplikacijami.
Medijski predvajalnik VLC, ki je sestavni del programske opreme Raspberry Pi, je primeren za preverjanje priključene kamere.
Če želite odpreti medijski predvajalnik, kliknite Start → Zabavni mediji in VLC Media Player.
Tako kot v sistemu Windows lahko tudi medijski predvajalnik povlečete in spustite na namizje. V medijskem predvajalniku se kamera zažene z vnosom Mediji → Odpri medij → Odpri snemalno napravo in Predvajanje.
Če je pravilno nameščena, bo slika kamere zdaj vidna in na voljo tudi v lokalnem omrežju prek VNC.
Raspberry Pi je idealna osnova za vstop v svet enoprostorskih računalnikov in učenje potrebnega programiranja. Čeprav imajo majhni mini računalniki vse, kar računalnik potrebuje za svoje delovanje, so njihove cene povsem obvladljive in ne obremenjujejo preveč hobi proračuna.
Obsežna je tudi dodatna oprema. Poleg ohišij za Raspberry Pi, zaslonov in kamer so na voljo tudi številni razširitveni moduli (Pi HAT ali pHat). Te module preprosto priključite na vmesnik GPIO na računalniku Raspberry Pi. Električne povezave med Raspberryjem in PI HAT se vzpostavijo samodejno in na prostorsko varčen način. Zunanje sisteme je mogoče zelo preprosto vključiti tudi prek priključkov USB.
Zaradi velikega potenciala, ki ga ponujajo majhni računalniki Raspberry, so idealni tudi za komercialne in industrijske aplikacije. To pomeni, da je mogoče brez velikega napora uresničiti zapletene projekte, za katere bi sicer morali uporabiti prevelike osebne računalnike ali prenosnike. Ko so premagane začetne ovire za začetek, se uporabnikom ponujajo navidezno neomejene možnosti uporabe.