To prosty proces, który pozwala nam wykorzystywać Pi do wielu rzeczy, a nawet jako zwykły komputer! Przejdziemy przez konfigurację Pi jako komputera i pokażemy, jak poruszać się po pulpicie i systemach plików. Pokażemy, jak korzystać z terminala, nazywanego także wierszem poleceń, aby podawać instrukcje do Pi. Wreszcie przedstawimy język programowania Python, z którego będziemy korzystać, aby programować projekty.

Po przerobieniu elementarza będziecie gotowi, by stawić czoło projektom.

PIERWSZE KROKI Z RASPBERRY PI

Zaczniemy od zbadania zastosowania płyty Raspberry Pi, gromadząc wszystko, co jest potrzebne do jej uruchomienia i ładując system operacyjny na nowo sformatowanej karcie microSD, którą wkłada się w płytę Pi.

Raspberry Pi jest płytą mikrokomputera o wielkości karty kredytowej, którą można kupić za około 130 złotych. Ma wszystko, co zawiera zwykły komputer: procesor; RAM; porty do podłączenia monitora, myszy i klawiatury, a także możliwość połączenia z Internetem. Płyta Raspberry Pi ma nawet jedną specjalną cechę, której nie mają zwykłe komputery: GPIO (General Purpose Input Output Pins) - wejście-wyjście ogólnego przeznaczenia. Złącza GPIO pozwalają na interakcję Pi z rzeczywistym światem, umożliwiając nam budowanie inteligentnych projektów elektronicznych i sterowanie ich za pomocą Pi.

Raspberry Pi można wykorzystywać do większości rzeczy, które robimy ze zwykłym komputerem, takich jak przeglądanie sieci WWW, edytowanie dokumentów, granie, kodowanie i wiele innych. Na rysunku 0.1 pokazano Raspberry Pi używane jako komputer stacjonarny.

Trzeba jednak pamiętać, że Pi nie jest tak mocny jak droższe komputery, ma więc pewne ograniczenia. Po pierwsze, nie nadąża za wymaganiami części nowoczesnego oprogramowania, zatem nie wszystkie programy będą działać na Pi. Po drugie, działa z systemem operacyjnym Linux, a nie Windows czy macOS, które mogą być wam lepiej znane.

Zastosowanie Raspberry Pi

Jakie są zatem zalety Raspberry Pi, jeśli jest to normalny komputer, ale z pewnymi ograniczeniami? Pi daje wolność eksperymentowania w taki sposób, w jaki nie chcielibyśmy lub nie moglibyśmy działać w przypadku zwykłego komputera.

Komputery są drogie i dużo trudniejsze do naprawienia, zatem nie chcemy w nich zbyt dużo majstrować, nie wiedząc, co dokładnie robimy. Jednak jak Linus Torvalds - twórca Linuksa - powiedział w wywiadzie w BBC News, dzięki Raspberry Pi "możemy sobie pozwolić na porażkę". Możemy bawić się ze sprzętem i oprogramowaniem na Pi, nie martwiąc się o zniszczenie czegoś kosztownego lub utratę wszystkich ważnych plików!

Pi pozwala eksperymentować na dwa główne sposoby:

Tworząc własne programy - Pi jest wyposażony w zestaw bezpłatnych narzędzi do pisania oprogramowania. Jeśli popełnimy błąd, możemy tylko oczyścić Pi i zacząć od początku.

Tworząc własne projekty elektroniczne - płyta Pi ma złącza GPIO, które pozwalają na podłączenie czujników i innych urządzeń elektronicznych, które mogą wchodzić w interakcję ze światem rzeczywistym. Możemy tworzyć przydatne rzeczy i mieć projekty działające 24/7 bez dużego zużycia prądu.

Zastosowania Raspberry Pi są niewyczerpane. Oto kilka projektów wykonanych przez osoby z całego świata: konsola w stylu retro do grania w stare gry zręcznościowe; superkomputer zbudowany przez połączenie wielu płyt Pi; serwer chmury do przechowywania danych i uzyskiwania do nich dostępu; centrum multimedialne do organizowana i odtwarzania mediów na swoim telewizorze; system automatyki domowej do sterowania urządzeniami w domu i ich monitorowania; mnóstwo fantastycznych i przydatnych robotów, choćby takich jak roboty do pracy na roli czy niezależne samochody. Przykładem naprawdę świetnego projektu Pi jest rzeźba SeeMore, pokazana na rysunku 0.2, która pokazuje piękno algorytmów równoległych przez korelację ruchów 256-węzłowego klastra Raspberry Pi.

Rozróżnianie płyt

Na rysunku 0.3 pokazano kilka wersji płyty Raspberry Pi.

W całej książce korzystamy z Raspberry Pi 3 Model B i zakup tej płyty polecamy. Jeśli jednak macie już starszy model Raspberry Pi, to powinna na nim działać większość projektów z tej książki. (Jeśli korzystacie z modelu z 26 pinami GPIO zamiast 40, trzeba będzie zmienić niektóre obwody projektów, co może wymagać trochę eksperymentów. Układ pinów starszych płyt można znaleźć w części "Przewodnik po  pinach GPIO Raspberry Pi" na stronie 272.)

Płyty Raspberry Pi różnią się kilkoma aspektami, w tym liczbą pinów GPIO oraz typem i liczbą łączników. W tabeli 0.1 pokazano różne cechy płyt w Model B. (Zwróćmy uwagę, że nowe płyty mają lepsze charakterystyki, na przykład więcej pamięci RAM i lepsze procesory. Warto również zauważyć, że Pi 3 jest pierwszą płytą, która ma wbudowany Bluetooth i Wi-Fi.)

Tabela 0.1 Charakterystyka kart Modelu B

Cecha

Pi 1 Model B

Pi 1 Model B+

Pi 2 Model B

Pi 3 Model B

Procesor

ARMv6, jeden rdzeń, 700 MHz

ARMv6, jeden rdzeń, 700 MHz

ARMv7, cztery rdzenie, 900 MHz

ARMv8, cztery rdzenie, 1,2 GHz

RAM

512 MB

512 MB

1 GB

1 GB

Porty USB

2

4

4

4

GPIO

26

40

40

40

Port ethernetowy

?

?

?

?

HDMI

P

?

P

?

Pamięć

SD

MicroSD

MicroSD

MicroSD

Wi-Fi

-

-

-

?

Bluetooth

-

-

-

?

Cena

35 $

25 $

35 $

35 $

Źródło zasilania

MicroUSB

MicroUSB

MicroUSB

MicroUSB

Poznawanie Raspberry Pi  i jego wyposażenia

Przyjrzyjmy się bliżej płycie Raspberry Pi. Na rysunku 0.4 pokazano opisaną płytę Raspberry PI 3 MODEL B.

Raspberry Pi 3 Model B ma następujące komponenty:

Porty USB Łączą urządzenia zewnętrzne, takie jak mysz lub klawiatura.

Port ethernetowy Łączy Raspberry Pi z Internetem.

Gniazdo audio Łączy urządzenie audio.

Złącze CSI (Camera Serial Interface) Łączy małą kamerę.

Złącze HDMI (High-Definition Multimedia Interface) Łączy monitor lub telewizję.

Wejście zasilania MicroUSB Zasila Raspberry Pi. (Na płycie Raspberry Pi nie ma włącznika zasilania.) Złącze microUSB jest tylko do wejścia zasilania.

Złącze DSI (Display Serial Interface) Pozwala w łatwy sposób podłączać wyświetlacze zgodne z DSI, takie jak ekran dotykowy LCD z 15-pinowym kablem taśmowym.

Gniazdo karty MicroSD Przechowuje kartę microSD, która zawiera system operacyjny i wszystko, czego Pi wymaga do działania.

Procesor Funkcjonuje jako mózg Raspberry Pi. Jest wyposażony w system Broadcom BCM2837 na chipie (SoC) z 64-bitowym, 4-rdzeniowym procesorem, działającym z maksymalną szybkością 1,2 GHz.

Antena Odbiera sygnały bezprzewodowej sieci LAN oraz Bluetooth.

Piny GPIO Pozwalają na łączenie czujników w celu zbierania danych lub wysyłania sygnałów wyjściowych do sterowania wyjściem takim jak silnik lub LED.

Jak widać, Raspberry Pi jest gołą płytą elektroniczną, która nie może wiele sama zrobić. Aby zacząć działanie, będziemy potrzebować trochę wyposażenia (patrz rysunek 0.5).

Oto lista rzeczy, które będziemy chcieli nabyć do Pi:

Zasilacz

Raspberry Pi 3 powinien być zasilany przy użyciu zasilacza 2,5 A 5 V.

Karta MicroSD

Zalecamy nabycie karty microSD 8 GB (lub więcej) klasy 10. Jeśli korzystacie z Raspberry Pi 1 Model B, to potrzebna będzie pełnowymiarowa karta SD zamiast microSD.

Monitor i kabel HDMI

Raspberry Pi działa z monitorem lub telewizorem i wykorzystuje połączenie HDMI. Najnowsze telewizory i monitory mają gniazda HDMI, więc można je łączyć bezpośrednio z płytą Pi przy użyciu kabla HDMI. Jeśli macie stary monitor lub telewizor, ma on prawdopodobnie gniazdo VGA lub DVI. Nadal można połączyć Pi z takimi ekranami, ale potrzebna jest przejściówka VGA- lub DVI-HDMI.

Mysz i klawiatura

Możemy korzystać z dowolnej myszy i klawiatury, jeśli tylko mają one wtyczkę USB. Można również korzystać z bezprzewodowej klawiatury i myszy, jeśli tylko mają one klucz sprzętowy USB.

Adapter karty MicroSD i nagrywarka dla naszego komputera (opcjonalna)

Większość nowoczesnych komputerów ma gniazdo dla kart SD. Wkładamy naszą kartę microSD do adaptera karty SD i łączymy ją ze swoim komputerem. Jeśli wasz komputer nie ma gniazda karty SD, trzeba wziąć czytnik/nagrywarkę kart SD, która łączy się przez USB.

Kabel ethernetowy lub klucz sprzętowy Wi-Fi (opcjonalny)

Raspberry Pi 3 ma wbudowane Wi-Fi, lecz starsze wersje go nie mają. To oznacza, że wymagają kabla ethernetowego lub klucza sprzętowego Wi-Fi, aby uzyskać połączenie internetowe. Po kupieniu klucza sprzętowego Wi-Fi trzeba sprawdzić, czy jest on zgodny z płytą Pi. Można to zrobić, korzystając ze strony https://elinux.org/RPi_USB_Wi-Fi_Adapters.

Obudowa ochronna (opcjonalna)

Raspberry Pi nie ma obudowy i w takiej postaci dobrze jest go używać. Jednak polecamy zakupienie ochronnej obudowy dla płyty, aby była nieco mocniejsza. Jeśli nie chcecie wydawać pieniędzy, możecie stworzyć własną obudowę przy użyciu wydruku 3D, LEGO lub czegokolwiek zechcecie. Trzeba tylko sprawdzić, czy obudowa pozwala na dostęp do pinów GPIO, aby można było budować swoje projekty elektroniczne.

Jeśli nie macie pewności, czy wasze urządzenia peryferyjne są zgodne z Raspberry Pi, możecie sprawdzić https://elinux.org/RPi_VerifiedPeripherals, aby znaleźć listę urządzeń zewnętrznych kompatybilnych i niekompatybilnych z Pi.

Lista komponentów projektów

Poza tym wyposażeniem potrzebujemy także trochę podzespołów elektronicznych, aby wykonać projekty z tej książki. Na początku każdego projektu podana jest lista potrzebnych elementów, które można łatwo znaleźć w większości sklepów elektronicznych online lub wyszukać przez Google. Polecamy takie sklepy, jak Element14/Farnell, Adafruit, ThePiHut i SparkFun. Alternatywnie można kupować elementy w Amazon - trzeba tylko sprawdzić, czy mają najlepsze recenzje.

Oto lista wszystkich elementów potrzebnych do projektów w tej książce:

Raspberry Pi 3 Model B

Raspberry Pi Zero W (opcjonalnie)

płytka montażowa

* diody LED 5 mm (przynajmniej dwie o różnych kolorach)

* przewody połączeniowe (męsko-męskie i męsko-damskie)

* rezystory 330 ? (co najmniej trzy)

rezystor 4,7 k?

* przyciski (co najmniej osiem)

potencjometry 10 k? (co najmniej dwa)

chip MCP3008

dioda RGB LED ze wspólną katodą

taśma z adresowalnymi diodami RGB LED WS2812B

listy wtykowe

moduł konwertera poziomów logicznych BSS 138

kontroler 16.2 Hitachi HD44780 - kompatybilny z CD

wyświetlacz OLED 0,96 cala

Sense HAT

czujnik ruchu PIR HC-SR501

brzęczyk piezoelektryczny

czujnik gazów i dymu MQ-2

moduł kamery do Raspberry Pi v2

moduł przekaźnikowy HL-52S

plastikowa obudowa

lampa 12 V i oprawka

zasilacz 12 V

wtyk zasilający baryłkowy DC męski

czujnik temperatury i wilgotności DHT22

karta rozszerzeń MotoZero

zestaw podwozia samochodu  inteligentnego robota

cztery baterie AA

ładowarka przenośna

zapalniczka

słuchawki lub monitor z głośnikami i kablem HDMI

Będziemy także potrzebować lutownicy i wyposażenia takiego jak cyna, odsysacz do cyny i pomocna dłoń. Ponadto przydadzą się kombinerki, miniszczypce tnące i obcinacz do drutu.

Wprowadzenie

Czy kiedyś braliście pod uwagę, że można kupić komputer za 35 dolarów? Nie, nie mówimy o starym komputerze z lombardu. Mamy na myśli Raspberry Pi - płytę komputera o wielkości karty kredytowej. Ale nie dajmy się zwieść jej delikatnemu wyglądowi; jest dużo mocniejsza, niż się wydaje.

Raspberry Pi został opracowany w Zjednoczonym Królestwie przez Ebena Uptona, założyciela Raspberry Pi Foundation. Upton i jego koledzy zaobserwowali spadek umiejętności studentów starających się o przyjęcie na wydział informatyki na uniwersytecie w Cambridge i zdali sobie sprawę, że nowe pokolenia dorastały z komputerami, które są łatwe w użyciu. Studenci nigdy nie musieli się uczyć, jak naprawdę działają komputery, i nie mieli okazji programować lub majsterkować. Upton opracował Raspberry Pi jako sposób na zachęcenie do uczenia podstaw informatyki w szkołach. Z tego powodu Pi jest gołą płytą, a nie komputerem w obudowie: aby każdy mógł zobaczyć komponenty komputera.

Ponad dziesięć milionów płyt Raspberry Pi sprzedano od ich wprowadzenia w 2012 r. Raspberry Pi stał się popularny nie tylko wśród studentów, ale także hobbistów elektroniki, majsterkowiczów, informatyków i "dzieci" w każdym wieku.

Raspberry Pi może działać jak zwykły komputer - można surfować w sieci, wysyłać e-maile, pisać dokumenty, oglądać filmy itd. - ale nie jest to jego główny cel. Pi jest czymś, z czym można eksperymentować, hakować i bawić się, aby tworzyć własne programy i wynalazki. Raspberry Pi i podobne płyty sprawiły, że wejście w świat elektroniki i oprogramowania stało się nie tylko możliwe, ale także łatwe, czego rezultatem jest fala kreatywnych wynalazków na całym świecie. Teraz czas na was, aby coś wynaleźć.

DLA KOGO JEST TA KSIĄŻKA?

Ta książka jest odpowiednia dla wszystkich początkujących, którzy chcą w pełni wykorzystać Raspberry Pi, niezależnie od tego, czy są to dzieci, które chcą odkryć świat elektroniki i programowania, czy rodzice i nauczyciele, którzy chcą pomóc uczyć dzieci i uczniów, czy też hobbiści oraz konstruktorzy, którzy chcą używać Raspberry Pi, aby realizować swoje pomysły.

Nie zakładamy, że Czytelnicy mają jakąś wcześniejszą wiedzę o Raspberry Pi, obwodach elektrycznych lub programowaniu. Jeśli macie jakieś podstawowe umiejętności, ta książka pozwoli je rozwinąć i podpowie, co możecie robić dalej.

O KSIĄŻCE

20 prostych projektów Raspberry Pi jest zbiorem 20 projektów do zbudowania za pomocą Raspberry Pi. Wierzymy, że najlepsza metoda odkrywania nowych pojęć prowadzi przez praktykę, a księga projektów to sposób, aby zacząć tę przygodę.

Ta książka zaczyna się od szybkiego wprowadzania do Raspberry Pi i języka programowania Python. Następnie zagłębiamy się w projekty. Książka jest zgodna z metodą nauki przez praktykę, co oznacza, że nie musimy spędzać niezliczonej liczby godzin, ucząc się pojęć teoretycznych, zanim rzeczywiście zbudujemy coś ciekawego.

Będziemy się uczyć, tworząc interesujące i interaktywne projekty, takie jak system nadzoru domu i robot sterowany Wi-Fi. Zaprojektujemy także przyjazne interfejsy do sterowania elektroniką, utworzymy projekty Internetu rzeczy, zbudujemy witrynę, utworzymy swoje własne gry i wiele więcej.

Nie martwcie się, jeśli nie macie żadnego doświadczenia w programowaniu lub tworzeniu obwodów. W każdym projekcie podane są szczegółowe instrukcje konfigurowania obwodów, rysunki schematyczne oraz kod do programowania Pi. Ten kod można skopiować z książki lub wejść na stronę https://smartkids.pwn.pl/ksiazka/20-prostych-projektow-raspberry-pi/ i go pobrać.

Wasza nauka Pi nie powinna być ograniczona do projektów w tej książce i dlatego wszystkie projekty mają część "Dalsze kroki", w której podajemy wskazówki dotyczące dalszego rozwijania projektów i łączenia pojęć poznanych w całej książce, aby budować bardziej złożone i interesujące rzeczy. Mamy nadzieję, że do końca tej książki będziecie mieć potrzebne umiejętności, aby zrealizować wasze własne projekty.

CO JEST POTRZEBNE DO TEJ KSIĄŻKI?

Projekty w tej książce wykonano przy użyciu płyty Raspberry Pi 3. Jeśli macie starszy model płyty Pi, to nadal możecie z niego korzystać, ale projekty będzie łatwiej tworzyć przy użyciu Raspberry Pi 3. Starsze wersje mają mniejszą wydajność, a te naprawdę stare wersje mają mniej pinów GPIO.

Nie wiemy, czy i kiedy pojawi się wersja Raspberry Pi 4, ale do tej pory wszystkie wersje Raspberry Pi były zgodne ze starszymi płytami, więc przyszłe wersje też powinny być zgodne z projektami z tej książki.

Większość projektów w tej książce obejmuje użycie Pi do interakcji ze światem zewnętrznym za pomocą obwodów. To oznacza, że poza Raspberry Pi będziemy również potrzebować trochę części elektronicznych. Na początku każdego projektu podajemy listę potrzebnych części, a także wskazówkę dotyczącą kosztu elementów i szacowany czas budowy. Części do projektu z symbolem $ będą prawdopodobnie kosztować poniżej 10 dolarów, natomiast projekty oznaczone dwoma symbolami $ mogą kosztować między 10 a 50 dolarów (to szeroki zakres, ale ceny elementów różnią się w zależności od tego, gdzie je kupujemy). Można też zajrzeć do "Listy komponentów projektów" na stronie 9, która zawiera pełny zestaw komponentów potrzebnych do celów tej książki, jeśli ktoś chce kupić wszystkie naraz.

UKŁAD KSIĄŻKI

Ta książka jest podzielona na siedem części. Elementarz jest wprowadzeniem do Pi, niezbędnym do właściwego skonfigurowania Raspberry Pi. Kolejne części książki zawierają projekty. Ich układ jest następujący:

Elementarz

W tej części pokazujemy, co jest potrzebne, aby zacząć korzystać z Raspberry Pi i skonfigurować go po raz pierwszy. Przedstawiamy także podstawy Pythona, języka programowania, z którego korzystamy w całej książce.

Diody LED

Zaczynamy od tworzenia projektów z diodami LED. Jeśli stawiacie pierwsze kroki w świecie elektroniki, ta część nauczy was podstawowych pojęć budowania obwodów.

Wyświetlacze

W tej części nauczycie się, jak korzystać z kilku typów wyświetlaczy, aby wasze projekty elektroniczne były bardziej interaktywne. Te projekty nie polegają tylko na wyświetlaniu tekstu; dowiecie się również, jak zbierać dane z sieci WWW i programować grę w ping-ponga.

Czujniki

W tych projektach wykorzystywane są różne typy czujników. Czujniki są fantastyczne, ponieważ pozwalają, aby nasze projekty reagowały i komunikowały się ze światem. Istnieją czujniki do prawie wszystkich celów, jakie można wymyślić. Nauczycie się, jak używać czujnika temperatury, czujnika ruchu PIR i wiele więcej.

Kamery

Projekty w tej części korzystają z modułu kamery Raspberry Pi. Dowiecie się, jak robić zdjęcia za pomocą kamery i jak transmitować wideo, a następnie wykorzystacie swoje umiejętności, aby tworzyć świetne projekty, takie jak wykrywacz włamania i system monitorowania domu.

Aplikacje WWW

Tutaj zbudujemy swoją własną stronę WWW, a potem nauczymy się, jak zdalnie sterować GPIO Raspberry Pi, budując swój własny serwer WWW. Przyjrzymy się również Node-RED, mocnemu narzędziu do łatwego budowania aplikacji IoT.

Gry i zabawki

Projekty w tej części dotyczą rzeczy, którymi można się bawić. Zbudujemy cyfrową perkusję, zaprogramujemy swoją własną grę przy użyciu Scratcha i zbudujemy robota Wi-Fi, którym można sterować za pomocą smartfona.

Na końcu tej książki znajdują się także dodatkowe informacje referencyjne, w tym przewodnik po GPIO dla wszystkich dostępnych do tej pory płyt Raspberry Pi i tabela kolorów rezystorów, z której można korzystać do identyfikacji wartości rezystorów.

Projekty w tej książce są niezależne, co oznacza, że nie ma określonej kolejności, której trzeba się trzymać, i możecie wybrać dowolny projekt, który chcecie budować w dowolnej chwili.

Mamy nadzieję, że będziecie się dobrze bawić przy tworzeniu projektów z tej książki i nauce procesów.