Самая мощная на сегодня модель Raspberry Pi 3 Model B имеет разъём HDMI для подключения монитора, 4 USB-порта для подключения USB устройств, Ethernet-порт для подключения к сети, встроенный Wi-Fi и Bluetooth, 4 ядерный 64-битный процессор ARM 1.2 ГГц, 1 ГБ оперативной памяти. В отличие от обычных компьютеров на маленькой плате Raspberry есть 40 контактов (пинов) GPIO, который могут использоваться как на вход, так и на выход с применением различных протоколов взаимодействия с внешними устройствами, что и позволяет подсоединять к плате различные датчики и исполнительные приборы.
1. Внешний вид, основные элементы, корпус.
Итак, в наших руках Raspberry Pi 3 Model B.
Верхняя сторона выглядит так:
Нижняя сторона:
На нижней стороне установлены слот для SD-карты и оперативная память. SD-карта служит постоянным запоминающим устройством и содержит файлы операционной системы, программ и файлы пользователя.
Для удобства обращения с платой предлагается множество различных корпусов, а вот детали одного из них, они соединяются между собой без винтов:
Но сначала на процессор и графический чип стоит установить радиаторы, поскольку эти микросхемы прилично греются при активной работе платы:
Вот теперь можно собрать корпус и пометить туда плату микрокомпьютера:
 |
 |
 |
Корпус имеет открывающуюся крышку для удобного подключения камеры, дисплея и контактов GPIO.
2. Подготовка к включению и первый запуск.
Для первого запуска Raspberry необходимо следующее:
- микро SD-карта с установленной операционной системой (OC) Raspbian, рекомендуемой для этого устройства (оптимальная емкость карты - 8 Гб, класс скорости - 10);
- монитор с HDMI входом;
- сетевой блок питания с выходным напряжением 5 В и током не менее 2 А, с выходным разъемом micro-USB;
- USB-мышь и USB-клавитура.
Образ операционной системы Raspbian, созданной на основе Linux Debian 8 Jessi, можно скачать в разделе Downloads сайта raspberrypi.org. Для начала можно воспользоваться образом RASPBIAN JESSIE LITE, как наиболее простым в изучении. Записать образ на SD-карту удобно из-под Windows с помощью программы Win32DiskImager. Способ установки и сама программа описаны на сайте Raspberry по адресу.
Вы также можете воспользоваться файлами, размещенными на нашем сайте в карточке Raspberry Pi 3 или напрямую скачать с Яндекс диска:
- образ операционной системы;
- программа Win32DiskImager.
Дальнейшее описание базируется именно на этом образе.
Мышь и клавиатура, подключенные к Raspberry без проблем распознаются системой. Можно также использовать беспроводную мышь и клавиатуру, например Bluetooth, но их надо настроить после запуска Raspberry, а для этого нужна хотя бы USB-мышь. У нас в хозяйстве не нашлось USB-клавиатуры, поэтому для первого запуска мы подключили USB-мышь, а также монитор и питание:
Кстати, на плате нет выключателя питания, она запускается сразу при подключении разъема, и начинается загрузка операционной системы. После загрузки на экране появляется рабочий стол с вполне привычными (но оригинальными) обоями и иконками:
На начальном экране имеются легко распознаваемые иконки Меню, интернет-браузера, менеджера Bluetooth, регулятора громкости, настройки сети и некоторые другие. Из них, пожалуй, самая нужная при настройке и работе - это черный экранчик в правой верхнем углу: терминал. С помощью терминала вводятся команды операционной системы. Поскольку далеко не все программы для Linux имеют графический интерфейс, их можно запустить и работать в них только посредством командной строки. Именно эту возможность и предоставляет терминал. Также все системные операции Linux, например установка и удаление программ осуществляются преимущественно через терминал. В OC используется программа LXTerminal, которая и запускается при щелчке правой кнопкой мыши по иконке. Следует заметить, что многие команды требуют ввода в начале строки приставку sudo (gksudo при запуске программ с графическим интерфейсом), что позволяет выполнить команду от лица администратора компьютера, то есть с наивысшими правами (sudo - Super User Do). Только администратор может устанавливать и удалять программы, а также менять параметры OC и ее конфигурацию.
После первой загрузки системы имеет смысл сразу подключиться к интернету, чтобы обновить файлы ОС до актуальной версии. В правом верхнем углу рабочего стола есть иконка с узнаваемым изображением двух терминалов. При подключении кабеля к разъему Ethernet на плате Raspberry происходит автоматическое подключение к локальной сети. Если щелкнуть мышью по этой иконке, появляется список беспроводных сетей, из которых можно выбрать свою и подключиться к ней, введя соответствующий ключ. При этом вместо терминалов на иконке появится стандартное изображение подключение к беспроводной сети. Именно такая ситуация показана на рисунке выше.
Надо сказать, что по сравнению с ранними версиями Linux многие задачи сейчас автоматизированы. Например, если ранее было необходимо из командной строки монтировать том при подключении обычной флешки, то сейчас флешка распознается при подключении в один из четырех разъемов USB на плате вполне самостоятельно и ей сразу можно пользоваться.
Теперь можно подключить, например, беспроводные мышь и клавиатуру по Bluetooth:
Это делается щелчком на иконке с логотипом Голубого Зуба рядом с индикатором подключение к сети в правом верхнем углу экрана. Далее надо нажать Add Device и выбрать ваши устройства из списка найденных беспроводных устройств.
Следует отметить, что при всем удобстве использовании Bluetooth устройств ввода с Raspberry - они не занимают разъемов USB - эти устройства в нашем случае периодически теряли связь с платой. Поэтому для стабильной работы, все же следует использовать USB-мышь и клавиатуру, а так же, в качестве альтернативного варианта, занимающего только один USB-разъем, комплект мыши и клавиатуры с одним приемопередатчиком по радиоканалу.
После соединения с сетью мы попробовали, используя уже и мышь и клавиатуру, зайти в интернет, щелкнув на иконке браузера. Сайты открывались без проблем, с приемлемой скоростью.
3. Знакомство с GPIO, программированием на Python и запуск светофора
Контакты GPIO, безусловно, являются очень интересной частью Raspberry, значительно расширяющей возможности микрокомпьютера для применения в электронных автоматизированных системах. С помощью этих контактов можно как считывать данные с огромного множества предлагаемых сегодня датчиков: температуры, давления, движения, наклона, ориентации, открытия и т.п., так и посылать команды на исполнительные устройства: реле, двигатели, актуаторы, серво-машины и многие другие.
Вот схема 40-контактного разъема GPIO:
Как видно, кроме обычных цифровых пинов вход/выход, принимающих или выдающих значения логических 0 и 1, имеются контакты, работающие по распространенным интерфейсам I 2 C, SPI и UART. Также есть возможность генерации ШИМ и прерываний от изменения уровней на входах.
Используем GPIO для моделирования работы светофора по нажатию кнопки, как это делается на редко используемых пешеходных переходах, где обычно горит зеленый свет для транспорта, а пешеход может кнопкой запустить программу включения красного света для транспорта. Алгоритм этой программы такой: при нажатии кнопки начинает мигать зеленый свет, затем на короткое время зажигается желтый, затем красный; красный свет горит некоторое время, затем короткое время горят красный и желтый, и, наконец, снова зеленый; далее система ждет очередного нажатия кнопки.
Для программирования этого алгоритма воспользуемся встроенной в образ ОС Raspbian интегрированной среды разработки (IDE) на языке Python (Пайтон). Язык Python имеет большое число достоинств, о которых можно почитать в сети, что делает его весьма хорошим инструментом как для начинающих программистов, так и для профессионалов. Это интепретирущий язык, его команды выполняются последовательно, одна за другой. В IDE Python команды можно выполнять, просто вводя их с клавиатуры и нажимая клавишу Enter в конце строки.
Среда разработки программ на языке Python запускается с рабочего стола последовательным выбором Menu - Programming - Python 3 . Далее, в открывшемся окне Python Shell следует нажать File - New File . В открывшемся окне редактора нужно набрать или скопировать следущий текст программы, обращая особое внимания на отступы в тексте, так как для программ на Python они имеют принципиальное значение:
#!/usr/bin/python
import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep
RED_PIN = 36
YELLOW_PIN = 32
GREEN_PIN = 29
BUTTON_PIN = 40
print ("RPi.GPIO init start")
GPIO.setwarnings(False)
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
print ("RPi.GPIO init end")
print ("GPIO setup")
GPIO.setup(RED_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(YELLOW_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GREEN_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BUTTON_PIN, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.output(RED_PIN, 0)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)
GPIO.output(GREEN_PIN, 1)
while True:
if inp==0:
for x in range(0, 5):
GPIO.output(GREEN_PIN, 1)
sleep(0.5)
GPIO.output(GREEN_PIN, 0)
sleep(0.5)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 1)
sleep(2)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)
GPIO.output(RED_PIN, 1)
sleep(5)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 1)
sleep(1)
GPIO.output(RED_PIN, 0)
GPIO.output(YELLOW_PIN, 0)
GPIO.output(GREEN_PIN, 1)
Первая строка указывает, где в ОС находится интерпретатор Python.
Функция, начинающаяся с print , просто выводит свой аргумент на экран.
Строки, начинающиеся с GPIO.setup , задают режим выхода (OUT ) или входа (IN ) соответствующих пинов, а аргумент pull_up_down=GPIO.PUD_UP включает подтягивающий резистор на входе 40, к которому подключена кнопка. Поскольку программа на Python не имеет стандартного «вечного цикла», как, например в Ардуино, где загруженная в микроконтроллер программа выполняется бесконечно, пока подано питание, оператор while True: осуществляет этот цикл. Нам ведь надо возвращать наш светофор в исходное состояние всякий раз по завершению цикла его работы.
Оператор присвоения inp = GPIO.input(BUTTON_PIN) записывает в переменную inp значение на входе 40. Если кнопка не нажата - это 0, если нажата - 1. Если inp равно 0, то начинается цикл работы светофора:
- с помощью цикла for 5 раз мигает зеленый светодиод;
- на 2 секунды зажигается желтый (пауза задается оператором sleep);
- желтый гаснет, зажигается красный на 5 секунд и т д.
После окончания цикла работы светофора все начинается снова.
Теперь необходимо собрать электрическую схему с помощью проводов с разъемами без пайки:
 |
 |
Короткие ножки светодиодов (это минус) подключаем к земле - контакты 6, 14, 20; длинные (плюс) через резисторы 240 Ом - к контактам 29 (зеленый), 32 (желтый), 36 (красный).
Кнопку подключаем к контактам 39 и 40.
Теперь в редакторе с нашей программой выбираем Run - Run Modul или нажимаем F5, и программа начинает выполняться, ожидая нажатия кнопки.
Но вовсе неудобно каждый раз запускать программу с помощью оболочки. Удобнее, чтобы наша программа запускалась при включении питания Raspberry, ведь тогда устройство можно использовать автономно, без монитора, клавиатуры и мыши.
Для этого необходимо включить нашу программу в автозагрузку операционной системы.
Тут нам понадобится терминал, без него обойтись.
Сначала сохраним нашу программу в виде файла svetofor-rpi.py3 в корневом каталоге пользователя /home/pi .
Теперь запустим терминал и после приглашения pi@raspberrypi:~ $ наберем следующую строку: gksudo leafpad /etc/xdg/autostart/Svetofor.desktop .
Тем самым мы вызовем текстовый редактор leafpad и создадим файл Svetofor.desktop в папке автозапуска.
В текстовом редакторе набираем следующее:
Version=1.0
Encoding=UTF-8
Name=Svetofor
Comment=
Exec=sudo python /home/pi/svetofor-rpi.py3
Terminal=false
Type=Application
и сохраняем файл.
Основное в этом файле - строка, начинающаяся с Exec , которая запускает интерпретатор Python на выполнение программы svetofor-rpi.py3 .
Можно проверить, зайдя в папку /etc/xdg/autostart с помощью файлового менеджера, чья иконка в виде двух ящичков расположена в левом углу экрана, появился ли в этой папке файл Svetofor.
Теперь, если выключить питание, отключить монитор, мышь и клавиатуру, и снова включить питание, наш светофор начнет работать в автономном режиме!
Видео работы светофора:
С точки зрения внешних интерфейсов Raspberry Pi, как и другие небольшие одноплатные компьютеры, не сильно отличается от обычного настольного ПК. На плате RPi предусмотрены USB порты для подключения клавиатуры и мыши, порт HDMI для подключения дисплея. Однако, благодаря тому, что RPi значительно компактнее и дешевле, чем ПК, становится возможным использовать их в различных системах и приложениях, где ПК или ноутбуки неуместны.
Нередко возникает желание подключить к ПК какие-либо нестандартные «вещи». Возможно, например, что вам захочется использовать компьютер для измерения уровня яркости и автоматического управления освещением, или для подачи звукового сигнала при обнаружении нарушителя.
В более широком плане, речь идет о желании использовать компьютер для управления электронными схемами (выходы) и для получения информации от схем или устройств (входы).
Именно здесь проявляется очевидное преимущество RPi и других SBC, обусловленное ключевым различием между одноплатными компьютерами и ПК: одноплатные компьютеры имеют порты ввода/вывода общего назначения, - то, чего нет у больших ПК (Рисунок 1).
Через эти выводы (штыревые разъемы) RPi может взаимодействовать с электронным миром, состоящим (помимо прочего) из датчиков, индикаторов и исполнительных механизмов.
В статье мы рассмотрим примеры схем, которые можно использовать «как есть» (или изменить и расширить), вместе с примерами кода на нескольких языках программирования.
Разъем расширения Raspberry Pi
На Рисунке 2 показано расположение и назначение выводов разъема расширения Raspberry Pi. Первые выводы подобных разъемов на печатных платах, как правило, могут быть идентифицированы по квадратной контактной площадке на нижнем слое платы. На 40-контактный разъем расширения RPi выведены цифровые входы и выходы, совместимые с логическими уровнями 3.3 В.
Совместимость с логическими уровнями 3.3 В означает, что RPi будет интерпретировать входной уровень близкий к 0 В как логический «0», а уровень выше 2 В как логическую «1». Подача на вход напряжения выше 3.3 может вывести RPi из строя. Соответственно, когда GPIO порт сконфигурирован как выход, RPi будет устанавливать на нем напряжение близкое к 0, либо к 3.3 В.
В статье мы будем говорить о выводах, отмеченных на Рисунке 2 розовым, белым, красным и оранжевым цветом. Остальные порты используются последовательными интерфейсами передачи данных.
Цифровые выходы RPi
Первые шаги: управление светодиодом
Простейший пример использования выходов - управление светодиодом или лампочкой, или каким-нибудь приводом или мотором. Для преобразования выходного сигнала RPi во что-то, что будет управлять нужным устройством, обычно требуется электронная схема. Все, что необходимо для небольшого светодиода - последовательный токоограничительный резистор, защищающий светодиод и выход RPi. Сопротивление резистора выбирается из диапазона 100 Ом … 1 кОм, в зависимости от используемого светодиода и необходимой яркости при установке на выходе логической «1».
Подключение светодиода к контактам разъема GPIO с помощью беспаечной макетной платы показано на Рисунке 3, а сама схема - на Рисунке 4. Соединение GND (0 В) было взято с вывода 6 разъема GPIO, для управления светодиодом используется порт GPIO22 (вывод 15). Можно использовать любой порт GPIO, отмеченный розовым цветом на Рисунке 2.
После того, как выполнены и проверены все соединения, можно приступать к написанию кода или сценария управления светодиодом. Выбор языка зависит от вас. Один из примеров на популярном языке Python содержится в (Листинге 1).
Листинг 1. Пример программы на Python для простого мигания светодиодом.
import time
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(22, GPIO.OUT)
GPIO.output(22, True)
time.sleep(3)
GPIO.cleanup()
Сохраните код в файл с именем led-test.py , а затем запустите его, выполнив команду:
sudo python led-test.py
Другая программа (Листинг 2) демонстрирует пример управления светодиодом. Светодиод мигает 10 раз. (Примечание: в Python, в отличие от других языков программирования, важно использование отступов в коде).
Листинг 2. Исходный код программы на Python (светодиод мигает 10 раз).
# Светодиод подключен к GPIO22 (контакт 15)
import time
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
for x in range(0,10):
GPIO.setup(22, GPIO.OUT)
GPIO.output(22, True)
time.sleep(0.05)
GPIO.output(22, False)
time.sleep(0.45)
GPIO.cleanup()
Другой способ управления портами GPIO основан на использовании Shell-скрипта (сценария оболочки). Этот метод кажется немного более сложным (если вы не любите писать скрипты), но он хорош просто для расширения кругозора, поскольку многие языки программирования часто позволяют запускать командные скрипты, и в случае необходимости это может быть одним из быстрых способов управления портами GPIO из других языков. Кроме того, описанный в Листинге 3 способ является стандартным для различных платформ, поэтому ваш код может быть перенесен на другие платы.
Листинг 3. Командный скрипт (Shell-скрипт) для управления светодиодом, подключенным к GPIO22 Raspberry Pi.
#!/bin/sh
GPIO_PATH=/sys/class/gpio
LED_PIN=22 #GPIO 22 is pin 15
echo "$LED_PIN" > $GPIO_PATH/export
echo "out" > $GPIO_PATH/gpio$LED_PIN/direction
echo "1" > $GPIO_PATH/gpio$LED_PIN/value
sleep 1
echo "$LED_PIN" > $GPIO_PATH/unexport
Первая строка скрипта выглядит как комментарий, но она указывает оболочке Linux, что делать со скриптом при выполнении, поэтому изменять ее нельзя. Остальные строки скрипта используются для контроля соответствующего GPIO порта, конфигурирования его как выхода, установки на нем высокого уровня и выполнения задержки на 1 с. В конце порт освобождается, чтобы дать возможность использовать его в других программах.
Другим распространенным языком программирования, с которым вы можете встретиться, является Си, или его старший брат Си++. Примеры исходного кода на Си или Си++ будут приведены далее, когда мы приступим к работе с цифровыми входами.
Генератор тональных сигналов
Более интересным примером может служить использование нескольких портов GPIO для управления тональным генератором. У RPi есть разъем для подключения наушников, но часто для оповещения о событиях (например, для будильника) достаточно простого сигнала или серии сигналов разной тональности.
Принципиальная схема простого генератора звуковых сигналов, выполненного на микросхеме интегрального таймера ICM7555, изображена на Рисунке 5. Вид конструкции, собранной на макетной плате, показан на Рисунке 6. Меняя номиналы резистора и конденсатора, можно создавать разные тональные сигналы и звуки.
Управление генератором осуществляется посредством двух портов GPIO RPi. Один выход (GPIO22) используется для включения или выключения звука, а второй (GPIO27) - для переключения между двумя альтернативными частотами сигнала. При желании можно выбрать другие тона, изменив номиналы компонентов C1, R1 и R2.
Исходный код программы на языке Python, генерирующей несколько звуковых эффектов, приведен в Листинге 4. Сохраните код в файле с именем tone-test.py и затем запустите на выполнение командой
sudo python tone-test.py.
Листинг 4. Программа управления генератором звуковых сигналов.
import time
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(22, GPIO.OUT) # Вкл/Выкл генератора
GPIO.setup(27, GPIO.OUT) # Изменение тональности
GPIO.output(22, True)
for x in range(0,5):
GPIO.output(27, True)
time.sleep(0.1)
GPIO.output(27, False)
time.sleep(0.2)
GPIO.output(22, False)
time.sleep(0.5)
For x in range(0,5):
GPIO.output(22, True)
time.sleep(0.1)
GPIO.output(22, False)
time.sleep(0.2)
GPIO.output(27, True)
time.sleep(0.2)
For x in range(0,5):
GPIO.output(22, True)
time.sleep(0.05)
GPIO.output(22, False)
time.sleep(0.05)
For x in range(0,10):
GPIO.output(22, True)
time.sleep(0.1)
GPIO.output(22, False)
time.sleep(0.1)
time.sleep(1)
GPIO.cleanup()
Обратите внимание, что схема питается напряжением 3.3 В (вывод 1 разъема GPIO). Используйте этот источник только в том случае, если уверены, что ваша схема не потребляет значительный ток. Шину питания 3.3 В можно нагружать током до 50 мА. При необходимости можно воспользоваться отдельным регулятором напряжения 5 В - 3.3. В и подключить его к источнику питания 5 В, доступному на выводе 2 разъема GPIO.
Рассмотренные выше схемы питаются низким напряжением и потребляют небольшой ток, но иногда необходимо управлять достаточно мощными внешними устройствами. Несколько типовых способов решения подобных задач описаны ниже.
Подключение к 5-вольтовым логическим устройствам
Использование RPi для управления 5-вольтовыми устройствами не потребует каких-либо дополнительных схем. Логические входы устройства с напряжением питания 5 В будут нормально функционировать с выходными сигналами 3.3 В портов RPi.
Маломощные светодиоды
Для маломощных синих и белых светодиодов может потребоваться напряжение выше 3.3 В. Проще всего управлять единичным светодиодом с помощью транзисторного ключа, коммутирующего ток шины 5 В (Рисунок 7). Сопротивление резистора R1 рассчитывается исходя из технических характеристик конкретного светодиода, транзистор - любой n-p-n типа.
Мощные устройства
Самым простым и распространенным способом управления мощными устройствами, питающимися от источника переменного или постоянного тока (но не от сети), является использование реле с транзисторным ключом (Рисунок 8). Подойдут практически любые n-p-n транзисторы, в частности, популярные BC547B, 2N3904 и BC549. При этом, если внешнее устройство может работать от 5 В, подать питание на реле можно с вывода 2 разъема GPIO. Но и в этом случае не следует забывать о токе потребления. В противном случае реле может быть подключено к внешнему источнику питания с соблюдением мер предосторожности, исключающих попадание внешнего напряжения на RPi.
Устройства c питанием от электросети
Обращение с любыми схемами или устройствами, непосредственно управляющими приборами, подключенными к сети переменного тока, требует особой осторожности. Большинство из них просто не отвечает стандартам безопасности, несмотря на то, что некоторые изготовители утверждают обратное. Достаточно безопасный подход заключается в том, чтобы найти готовое решение дистанционного управления авторитетного производителя, предлагаемое авторитетным поставщиком, в котором для управления устройствами, питающимися от сети, используются инфракрасные или беспроводные технологии. Например, компания Energenie предлагает сетевые розетки с управлением по радиоканалу в комплекте с небольшим модулем радиопередатчика (Рисунок 9), подключаемым непосредственно в разъем GPIO платы RPi, а также примеры программ на Python.
Группа реле, светодиодов или иных устройств
Для управления несколькими светодиодами, реле или другими устройствами, которые питаются от 12 В и потребляют менее 200 мА, можно использовать древнюю (выпускаемую более 25 лет) микросхему ULN2803. Микросхема представляет собой набор из восьми ключей на основе транзистора Дарлингтона. Один из вариантов подключения микросхемы ULN2803 к RPi показан на Рисунке 10.
Маломощные двигатели постоянного тока
Оптимальным решением для управления электродвигателями постоянного тока с помощью RPi является применение специализированных драйверов или плат расширения, к некоторым из которых можно подключать шаговые двигатели или несколько бесщеточных двигателей.
Принципиальная схема подключения кнопки изображена на Рисунке 12. Обратите внимание, что на макетной плате остается подключенным и светодиод из примера в первой части статьи, но на текущей схеме он не показан.
Как видно из схемы, если кнопка не нажата, вход GPIO5 будет подключен через резистор к шине 3.3 В. Входной порт RPi имеет высокое входное сопротивление, поэтому напряжение на входной линии будет близко к 3.3 В. Это означает, что при отпущенной кнопке RPi будет определять состояние входа как «лог. 1». Когда кнопка нажата, напряжение на входе будет равно 0 В, что является «лог. 0».
Для этой простой схемы величина сопротивления резистора R1 некритична и может находиться в диапазоне от 1 кОм до 47 кОм, однако низких значений следует избегать, поскольку в этом случае увеличивается ток, потребляемый при нажатии кнопки.
Исходный код программы для чтения состояния кнопки доступен в разделе загрузок (файл с именем Listing_4(Button).txt ). Сохраните код в файле с именем button-test.py и запустите на выполнение командой
sudo python button-test.py.
Результат выполнения программы выводится на экран в виде сообщения о текущем состоянии кнопки и количестве нажатий на нее. При выполнении этого примера вы заметите, что иногда значение счетчика становится больше реального количества нажатий на кнопку, и это происходит из-за «дребезга» контактов. Примерно то же самое происходит и при отпускании кнопки. Решение состоит в использовании механизма подавления «дребезга» контактов (debouncing). Этот механизм может быть как аппаратным, так и программным, причем последний распространен больше. В исходном коде, приведенном в файле Listing_5(Button_Debounce).txt , подавление дребезга контактов кнопки реализовано, и подсчет количества нажатий кнопки будет более точным. Единственное отличие от предыдущего кода заключается в том, что теперь с задержкой 20 мс выполняется вторая проверка состояния входа - за это время дребезг контактов прекращается.
Еще один пример: вольтметр
Как известно, платы RPi имеют только цифровые порты ввода/вывода, но в реальном мире используются аналоговые величины, которые, возможно, необходимо измерять, или контролировать. В следующем примере демонстрируется преобразование аналоговой величины в цифровой сигнал, который можно прочитать с помощью входов RPi.
Примером может служить очень простой, но точный вольтметр с диапазоном измерений 0 … 1 В (Рисунки 13, 14). Учтите, что заменить портативный мультиметр он не может, поскольку не имеет необходимых цепей защиты, и может выйти из строя сам или повредить плату RPi, если используется для чего-либо, выходящего за рамки описанных здесь примеров.
В схеме используется микросхема AD654 (преобразователь напряжение-частота), которая генерирует прямоугольные импульсы с частотой, зависящей от входного напряжения. Цифровой выход Fout микросхемы подключен к входу GPIO5 (вывод 29 разъема GPIO). Максимальная частота прямоугольных импульсов при указанных на схеме номиналах элементов равна 10 кГц, поэтому для определения входного напряжения нам потребуется точная система отсчета времени. Код для этого примера (файл Listing_6(Voltmeter).txt ) написан на Си и использует библиотеку wiringpi, написанную Гордоном Хендерсоном (Gordon Henderson). Прежде всего, установите библиотеку wiringpi , для чего выполните следующие команды:
mkdir development
cd development
git clone git://git.drogon.net/wiringPi
cd wiringPi
./build
Сохраните код в файле с именем voltmeter.c и скомпилируйте его командой
gcc -o voltmeter -lrt -lwiringPi voltmeter.c.
Чтобы запустить программу, выполните следующую команду:
sudo ./voltmeter.
Для повышения точности измерений в программе используется усреднение данных. Длительность входных прямоугольных импульсов быстро измеряется 64 раза, затем полученные значения суммируются и делятся на 64. По окончании вычислений включается задержка на одну секунду для выполнения других процессов, и затем цикл измерения повторяется
Несколько элементов в схеме вольтметра также влияют на точность измерений. Конденсатор С1 и резистор R1 задают характеристики преобразования, поэтому желательно выбрать пленочный полипропиленовый конденсатор и точный резистор с допуском 1%. Можно использовать подстроечный резистор. Напряжение питания схемы 5 В поступает с разъема GPIO, но его реальное значение может несколько отличаться от 5 В, поэтому лучше использовать отдельный более точный источник питания.
Для быстрой проверки схемы можно использовать делитель напряжения, состоящий из двух резисторов. Схема включения делителя показана в левой части схемы вольтметра (Рисунок 12). Если резисторы прецизионные и напряжение питания в точности равно 5 В, расчет напряжения на выходе делителя дает 0.04950 В. Значение, полученное в результате реального программного измерения, составило 0.04991 В. Неплохо для такого простого проекта!
Диоды Шоттки D1 и D2 в схеме не являются обязательными, но настоятельно рекомендуются, поскольку они обеспечат некоторую защиту микросхемы, если случайно на вход будет подано напряжение вне диапазона 0…1 В.
Защищенные входы
RPi можно защитить от случайного попадания высокого напряжения, добавив к используемым входам дополнительную схему. В некоторых случаях очень хорошей и недорогой альтернативой показанной ниже схеме (Рисунок 15) может служить оптрон, способный защитить входы RPi от напряжений до 60 В и справится с переполюсовкой. Транзистор BC547B в схеме на Рисунке 14 можно заменить на 2N3904 или BC549. Допустимая мощность рассеивания резистора R1 может быть 0.25 Вт при входных напряжениях до 50 В, в противном случае лучше использовать 0.5 Вт.
Схема инвертирует входной сигнал, переключаясь в «лог. 0» при входном напряжении свыше 2 В.
Подключение к 5-вольтовй логике
Прямое подключение устройств с 5-вольтовыми логическими выходами к входам RPi может вывести плату из строя. В этом случае есть множество решений.
Если состояние 5-вольтового логического выхода меняется относительно медленно, можно рассмотреть возможность использования резистивного делителя на входе RPi, но к быстрым схемам такой способ не применим. Тогда намного более хорошим решением будет использование буферной микросхемы. Для средних скоростей (до 100 кГц) вполне подойдет схема на N-канальном MOSFET ZVN2110A (Рисунок 16). Эта схема также инвертирует входной сигнал.
Показанный на схеме транзистор можно заменить на ZVNL120A или VN10LP.
При пайке полевых транзисторов следует соблюдать основные меры предосторожности. При сборке устройства сначала установите резистор R3 и только после этого извлеките MOSFET из защитной упаковки и запаяйте в схему. Резистор R3 обеспечит некоторую защиту.
Скорость работы и джиттер
Опрос состояния кнопок и управление светодиодами - события относительно медленные, измеряющиеся десятками и сотнями миллисекунд. Иногда встречаются намного более высокоскоростные сигналы. Например, пульт от телевизора излучает инфракрасные световые импульсы со скоростью 40 тыс. раз в секунду. Несмотря на то, что основной процессор RPi работает на частоте 1 ГГц, работа подсистемы ввода/вывода с такой скоростью не поддерживается по ряду причин, как аппаратных, так и программных. Мы рассмотрим некоторые программные аспекты, касающиеся темы статьи.
RPi работает под управлением многозадачной операционной системы (ОС) Linux. Система может превентивно забирать контроль над вашей программой для выполнения других задач. Все это происходит довольно быстро, так что кажется, будто мышка по-прежнему работает во время выполнения вашей программы, но на самом деле вашей программе и коду драйвера мыши ОС предоставляет лишь короткие промежутки времени.
Обычно это не имеет значения, но когда вам нужна обработка коротких или высокоточных событий, это может стать проблемой, проявляющейся (например) в виде джиттера.
Кроме того, немаловажное значение имеет выбор языка программирования, поскольку некоторые библиотеки подходят лучше, чем другие. Интерпретированные и компилированные коды могут выполняться с разными скоростями. Короче говоря, если требуется очень точная временнáя привязка событий, возможно, придется написать драйвер Linux или использовать внешнее оборудование (например, другой микроконтроллер или логические схемы и генератор).
Одним из хороших вопросов, важных для более полного использования возможностей RPi, является то, насколько быстро можно изменять логические состояния выходов GPIO с помощью библиотек Python, Си и описанного выше командного скрипта.
Чтобы узнать это, был написан код для периодического переключения логического состояния выходного порта, к которому был подключен осциллограф. Результат представлен в Таблице 1.
| Таблица 1. | Максимальная частота переключения выходов при использовании различных языков программирования |
||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||
Однако всегда важно помнить о джиттере, которым обязательно сопровождается работа ОС Linux. Для случая простого переключения светодиода это, кончено же, не проблема. Характер джиттера можно увидеть на осциллографе в режиме наложения нескольких каналов при синхронизации общим сигналом (Рисунок 17). Обратите внимание, что джиттер может принимать множество значений, несмотря на то, что сигналы дискретно разнесены на 4 нс (250 МГц), что связано с аппаратными особенностями RPi.
Заключение
Теперь вы увидели, что 40-контактный разъем GPIO на платах RPi может использоваться для различных проектов - от управления светодиодами до электронных схем для измерения аналоговых величин. С небольшими дополнительными схемами адаптации логических уровней RPi может взаимодействовать 5-вольтовыми устройствами. С помощью Python очень легко управлять выходами, так же как не представляет сложности и чтение состояния входов, а библиотека wiringpi значительно упрощает управление программистам, использующим Си.
Всем привет! Сегодня я расскажу как мне удалось сэкономить порты своей Raspberry Pi. Давно хотел подключить строчный дисплей к этому одноплатному компьютеру, и даже попробовал это сделать используя библиотеку wiringpi, но уж очень много выводов занимает такое подключение. Первое, что пришло в голову, было использование сдвиговых регистров, но все же я решил посмотреть в сторону шины I2C или SPI. Почитав топики в интернете нашел классное решение - RGB LCD SHIELD KIT W/ 16X2 CHARACTER DISPLAY - ONLY 2 PINS USED! . На плате используется всего два пина для управления SDL и SCK по шине I2C, плюс еще места хватило для пяти тактовых кнопок. В данном устройстве скорость не так сильно важна, поэтому шина I2C мне вполне подошла. «Сердцем» платы является микросхема компании Microchip, расширитель портов MCP23017 .
Всем привет!
Время от времени в практике возникали ситуации, когда я мечтательно задумывался о том, что неплохо было бы запилить веб-сервер в качестве бэкенда для каких-то своих несложных проектов. Ну, чтобы был hostname, как положено, и чтобы снаружи можно было отдать ему какие-то данные и получить какие-то данные, может быть прикрутить API-шечку, а может и вообще - хостить там свой уютный бложик.
В воображении сразу вырисовывались какие-то стойки с blade-ами, аренда виртуалки на Digital Ocean, или, на худой конец, круглосуточно гудящий компьютер под столом.
А ведь хочется чего-то тихого, изящного, бесшумного, и желательно бесплатного…
Стоп! Но ведь все уже изобретено до нас!
Сегодня я хочу рассказать про то, как можно за копейки, обладая минимальным количеством знаний, запилить машину, которая обеспечит 90% ваших (ну, моих - точно) потребностей в бэкенде.
Рассказ будет нести характер записей для самого себя - чтобы не забыть что делать, повторяя это в следующий раз, например)
Кому интересно - го под кат (кстати, обратите внимание, как бутербродом напаяны чипы на плате).
Raspberry Pi – это инновационный продукт от английских разработчиков. Их главной целью было популяризировать компьютерное образование среди широких слоев населения, сделать программирование более обширной и доступной дисциплиной и побудить больше людей создавать что-то новое при помощи новых технологий.
Название продукта Raspberry Pi означает «малиновый пирог» , компания-производитель таким образом сделала акцент на том, что этот компьютер предназначен в первую очередь для детей.
Что представляет собой это изобретение, и каково применение Raspberry Pi в современном мире, об этом мы и расскажем ниже.
Особенности компьютера Raspberry Pi
Устройство Raspberry Pi представляет собой маленький компьютер в виде одной платы без корпуса. Разработчики призывают так детей и взрослых обращать внимание не только на пользование компьютерами, но и на его изучение изнутри, а также предлагают задействовать фантазию и сделать другим что-то свое на базе этого компьютера.
Как полагают разработчики, устройство Raspberry Pi должно выполнять такие образовательные цели:
- заинтересовывать школьников развивать навыки программирования;
- способствовать в начинаниях молодых программистов;
- помогать опытным компьютерщикам открывать новые горизонты, и делать новые достижения в области программирования.
В родной стране устройства Raspberry Pi – Великобритании, его полный комплект можно приобрести всего за 75 фунтов. Сам комплект при этом состоит из таких составляющих:
- самого мини-компьютера Raspberry Pi модели В;
- микро- CD (8 гигабайт);
- клавиатуры;
- оптической мыши;
- микро-адаптера CD Card ;
- источника питания;
- кабелей HDMI и микро USB .
Первая партия Raspberry Pi производилась в Поднебесной, но с конца 2012 года производство целиком перенесено в Великобританию, на завод в Пенкойде (Уэльс). В среднем, завод производит порядка 40 тысяч мини-компьютеров Raspberry Pi в неделю.
Технические характеристики Raspberry Pi
Итак, какие же технические характеристики этого уникального компьютера без корпуса, давайте выясним:
Применение компьютера Raspberry Pi для дома
Наиболее применяемая модель мини-компьютера Raspberry Pi – это модель В на 215 Мб оперативной памяти с поддержкой Ethernet . Также есть еще одна модификация прибора, в которой компоненты размещены более компактно, также она имеет четыре порта USB , количество портов ввода и вывода GPIO в ней существенно больше, кроме того, отсутствует композитный видеовыход.
Сферы применения компьютера Raspberry Pi достаточно широки. Несмотря на то что этот прибор не слишком мощный, но при этом это вполне полноценный компьютер. Если вам нужна машина для решения простейших задач, которые не требуют применения мощных ресурсов в плане вычисления, то вы смело можете подключать к устройству Raspberry Pi стандартные элементы машины:
- монитор;
- мышь;
- клавиатуру;
- подключение любого дистрибутива ОС Linux .
В домашних условиях устройство Raspberry Pi вы можете использовать в таких целях:
- создание домашнего медиа-сервера;
- как сервер хранения данных;
- в качестве «мозгового центра» для автоматизированных станков или роботов;
- как сервер домашней автоматизации (или системы «умный дом»).
Как мы видим, сферы применения Raspberry Pi для частных нужд могут быть разные. В основном – это узкопрофильные задачи, связанные с работой программистов или других разработчиков. А если говорить о широком применении, то стоит ознакомиться с особенностями применения Raspberry Pi для систем домашней автоматизации или так называемого умного дома
. Давайте рассмотрим практическую сторону этого вопроса.
Любая система домашней автоматизации или же так называемый умный дом является достаточно сложной и многоструктурной. Помимо того, что она призвана выполнять те или иные сценарии, которые задаются ей пользователем, она имеет свойство принимать свои собственные решения в определенной нештатной ситуации. Смело можно сказать, что такая система имеет задатки искусственного интеллекта .
Многие сегодня применяют понятие «умный дом» ко всему, например:
- сигнализации GSM ;
- датчику протекания воды;
- световому управлению датчикам движения и т.д.
Все эти явления могут входить в структуру домашней автоматизации, но являться ею по отдельности они не могут.
Система домашней автоматизации («умный дом») включает в себя такие компоненты:
- центральный сервер;
- он связан посредством интерфейса RS485 с контроллерами, которые стоят в каждой комнате и помещении дома;
- к контроллерам подключены те или иные управленческие устройства для защиты, контроля и регулирования работы системы.
Такая сетевая архитектура данной системы хороша тем, что у владельца дома нет необходимости протягивать от каждого устройства к серверу неудобные провода, а нужно просто соединить контролеры, к которым они подключаются посредством одного кабеля UTP. Одна пара его проводов применяется для интерфейса RS485, а другие питают датчики и контроллеры. Стоит отметить, что структура работы предусмотрена таким образом, что если выйдет из строя один из контроллеров или несколько, или даже будет нарушена работа центрального сервера, на работу системы в целом это влиять не будет.
А мини-компьютер Raspberry Pi в данной системе и является центральным сервером . На него нужно установить Веб-сервер, с помощью которого любой пользователь посредством своего мобильного устройства (смартфона, планшета или ноутбука) сможет посредством обычного браузера иметь данные обо всех процессах, которые происходят в доме и управлять этими процессами. Доступ к серверу пользователь имеет посредством логина и пароля через домашнюю локальную сеть или через глобальную сеть, если входить в нее через Wi - Fi -устройство.
К последовательному порту устройства UART посредством согласовывающего прибора через интерфейс RS485 подключают контроллера, которые оснащены разным набором выводов или вводов. Также к этому же интерфейсу можно подключать GPS -модель и с его помощью иметь доступ в систему посредством мобильной или стационарной телефонной связи, если пользователь находится в зоне, где нет доступа в Интернет. Доступ разрешается также через пароль, как и в предыдущем случае. Еще одно устройство в сети – это радиомодуль , с помощью которого можно привязать к общей системе все радиодатчики и пульты дистанционного управления.
Итак, существующая на сегодняшний день версия системы домашней автоматизации на базе компьютера Raspberry Pi состоит из центрального сервера и контроллеров с интерфейсом RS485, которые нужны для связи с сервером. Их описание выглядит так:
А сейчас давайте узнаем, каким образом устройство Raspberry Pi было применено изобретателями для создания инновационных изделий . Рассмотрим некоторые из них.
Конструктор Kano
Конструктор Kano для детей – это не просто обычный конструктор, это модульный компьютер, собрать такую головоломку сможет даже ребенок. Набор конструктора включает в себя следующее:
Таким образом, даже ребенок может сам собрать компьютер, который затем подключается к монитору или телевизору посредством HDMI -порта .
Такой конструктор изначально был создан для детей, но стал популярным и среди взрослых. Средства на разработку и реализацию этого проекта были собраны посредством платформы для сбора средств на творческие изобретения. Благодаря собранному компьютеру можно выполнять такие действия:
- записывать музыку;
- смотреть видео в формате HD ;
- писать программы;
- создавать свои игры.
Летающее устройство SkyJack
Другие изобретатели на базе компьютера Raspberry Pi создали аппарат-беспилотник SkyJack, который управляется посредством Wi - Fi соединения. Такой аппарат способен брать вертолетную высоту, отслеживать пути военных вертолетов и управлять ими, также с его помощью можно перехватывать радиосигналы и создавать помехи. Однако, несмотря на такие возможности, аппарат разрешен для массового пользования из-за своего небольшого радиуса действия.
Poppy: робот-инопланетянин
Робот Poppy был создан посредством трехмерной печати французской компанией INRIA Flowers . Робот управляется посредством мини-компьютера Raspberry Pi. Конструкция робота повторяет биологическое строение человека, он имеет суставы, позвоночник и сухожилия, его походка похожа на человеческую, он ходит, переступая с пятки на нос и равномерно руководить центом своей тяжести.
Что такое No More Woof?
No More Woof – это прибор, который пока находится на стадии разработки, и создается на базе Raspberry Pi. С его помощью хозяин будет понимать, что хочет его пес. Так, прибор будет прикрепляться к голове животного и работать по принципу электроэнцефалографа, то есть считывать информацию с головы собаки и передавать ее хозяину посредством Raspberry Pi. Когда подобный прибор будет готов и каким образом он будет точно использоваться, пока неизвестно, но подобные гарнитуры, пусть не настолько совершенные, уже применялись профессиональными кинологами.
Все видят, что с наступлением нового тысячелетия интерес к компьютерам у нового поколения и не только является исключительно потребительским. Дети не хотят учиться программировать и создавать что-то новое, а хотят быть исключительно «юзерами». Разработчики Raspberry Pi уверены, что их устройство вернет былой интерес людей к изучению вычислительных наук и заставит их не только пользоваться новыми технологиями, но и создавать их.
