Возможности микрокомпьютера Raspberry Pi Zero

Оглавление статьи: Возможности микрокомпьютера Raspberry Pi Zero
Содержание

Raspberry Pi Zero — представитель одноплатных компьютеров из семейства Raspberry PI от компании Raspberry Foundation. Миниатюрные размеры устройств серии, дешевизна и достаточно серьезные возможности обеспечили их популярность и широту применения в различных технических проектах. Ниже представлен обзор моделей мини-ПК, их характеристик и возможностей.

Pi Zero

Это первый мини-компьютер данной серии, появившийся в 2015 году. От других «малинок» его отличают размеры: инженеры компании сумели без потери производительности поместить весь функционал на плату размерами 65×30×5 мм.

Размер

Основные характеристики Raspberry Zero:

  • процессор — однокристальный чип Broadcom BCM2835. SoC несет в себе поддерживающее OpenGL видеоядро;
  • встроенная оперативная память — 512 Мб LPDDR2 SDRAM;
  • порты USB (один OTG, один для питания);
  • порт мини- HDMI, способный выводить изображение в формате FullHD;
  • разъем для карт памяти MicroSD (с карты загружается операционная система);
  • 40-контактная «гребенка» GPIO;
  • разъем для камеры (добавлен в версии 1.3);
  • контактные площадки для распайки композитного видеовыхода.

Поддержки сети изначально нет, но для покупки доступны разнообразные аксессуары, расширяющие функционал системы с помощью плат расширения и переходников. Некоторое время предлагался даже комплект Pi Zero и набора аксессуаров за 59 USD.

Комплектация

Стоимость одноплатника на старте продаж составляла всего 5 USD. Интересно, что покупатели журнала MagPI могли бесплатно получить Zero вместе с выпуском от декабря 2015 года. Из-за малой цены компьютер на письме иногда называют «Raspberry Pi 0», интерпретируя «зеро» как «нулевую цену».

Системой обычно управляет ОС Raspbian, специально созданная под возможности «малинки». Ее можно загрузить с сайта разработчика; сам процесс установки будет рассмотрен чуть ниже. Допустимо также использовать другие ОС на основе ядра Linux, и систему Android.

Обзор Raspberry Pi Zero W

Несмотря на компактность и невысокую стоимость первой версии, мини-компьютер имел и объективные недостатки. Среди таковых пользователи отмечали слабую аппаратную начинку и отсутствие встроенного сетевого интерфейса; Raspberry Pi Zero ethernet порта не имеет, отсутствует и Wi-Fi. Но модули беспроводной и проводной связи требовались многим, а в погоне за миниатюризацией и удешевлением инженеры этими и другими интегрированными функциями пожертвовали. В результате, чтобы подключить сеть, клавиатуру, мышь и прочую периферию, плату приходилось «обвешивать» разнообразными переходниками, что сводило на нет все ее преимущества.

Но разработчик прислушивался к мнениям сообщества, и в феврале 2017 вышла новая модель с индексом W. Характеристики Raspberry Pi Zero W не отличаются от предшественника, но плата дополнительно получила модуль Wi-Fi (802.11 b/g/n) и поддержку связи Bluetooth 4.1. Стоимость модели увеличилась примерно до 10 USD, но данные изменения сделали пользование «одноплатником» гораздо удобнее.

Raspberry Pi Zero W

За работу беспроводных интерфейсов Raspberry Zero W отвечает микросхема Cypress CYW43438.

Элементы платы с описанием

Элементы

Для подключения основной массы ведомых устройств служит разъем GPIO. В Zero W (как и в предыдущей модели) он не распаян; присутствует лишь контактная площадка, «гребенку» к которой нужно присоединить паяльником. Неограниченно поддерживаются любые платы расширения от «старших» версий.

Распиновка GPIO Raspberry Pi Zero W

Распиновка

Как видно, среди контактов есть пины для подачи 5-вольтового питания. То есть «зеро» можно запитать не только через USB, но и через GPIO с помощью соответствующего источника энергии.

Комплект поставки

Zero W поставляется покупателю в антистатическом пакете. В зависимости от продавца отдельным пакетом могут прикладываться аксессуары — две «гребенки» с разъемами Male и Female, переходник для камеры и корпус. В данном варианте в поставку входит пластиковый кейс со сменными крышками (под порты ввода-вывода, гребенку и камеру).

Комплект поставки

Обратная сторона платы гладкая и не содержит функциональных элементов. На нее нанесены лишь копирайты: в частности, надпись свидетельствует, что для беспроводной антенны использована лицензированная технология компании Proant.

Proant

Pi Zero WH

Эта модель практически ничем не отличается от W, кроме уже с завода напаянных пинов GPIO. Разработчик пополнил ею линейку одноплатников в 2018 г.

Внешний вид:

Pi Zero WH

Стоимость такой подготовленной «малинки» составляет около 15 долларов.

Установка ОС на Raspberry Pi Zero

Даже самое продвинутое аппаратное обеспечение должно чем-то управляться. Рассмотрим процесс установки операционной системы на примере Pi Zero W и Raspbian.

Поставить систему и подключить компьютер к сети здесь можно без монитора и клавиатуры, в так называемом Headless режиме. Для начала необходимо скачать образ ОС Raspbian с сайта разработчика.

Установка

После скачивания его нужно будет записать на карту SD с помощью любой удобной утилиты (Win35DiskImager, Rufus и прочих). Когда запись образа завершится, на карте появится структура файловой системы:

структура файловой системы

Установка ОС завершена. Далее необходимо:

  • включить доступ через ssh, который по умолчанию выключен;
  • внести настройки для автоподключения к беспроводной сети.

Для первого достаточно создать в корне карты памяти файл ssh без расширения с пустым содержимым. Это скажет запущенной ОС, что вход по данному протоколу включен. Чтобы позволить компьютеру присоединиться к сети, необходимо также в корневой папке создать файл wpa-supplicant.conf. И заполнить его содержимым по следующему образцу:

ctrl_interface=DIR=/var/run/wpa_supplicant GROUP=netdev
update_config=1
country=RU
network={
ssid="НАЗВАНИЕ ТОЧКИ ДОСТУПА WIFI"
psk="ПАРОЛЬ ОТ WIFI"
key_mgmt=WPA-PSK
}

Как понятно из примера, в секции network в качестве SSID указывается имя вашей беспроводной сети, а PSK — пароль от нее. Строка KEY_MGMT указывает на тип используемого шифрования, его можно уточнить в настройках роутера/точки доступа. Если устройство конфигурируется в России, country (значение страны) нужно выставить в RU.

Важно: имя сети и пароль к ней регистрозависимы.

В итоге файловая система должна принять похожий вид:

файловая система

На этом подготовительный этап завершен. Можно вставлять карточку в мини-компьютер и начинать процесс загрузки. Если все введено и выставлено верно, то «Распберри» подключится к сети и получит IP адрес. Последний узнается в настройках роутера/точки доступа через список подключенных устройств.

Зная IP, пользователь может подключиться к ПК с помощью любого привычного SSH клиента. Стандартные логин и пароль для доступа pi:raspberry.

pi:raspberry

После успешного входа можно приступать к конфигурированию системы; чтобы упростить управление, многие пользователи ставят оболочку администрирования Webmin.

Охлаждение и нагрев

На фотографиях видно, что у чипов не предусмотрено даже пассивного охлаждения в виде радиаторов. В связи с чем может возникнуть вопрос — не перегревается ли устройство в ходе работы?

Для оценки нагрева и проведения нагрузочного тестирования служит утилита stress. Устанавливаем и запускаем 15-минутный прогон.

Загрузка и синтаксис команды:

sudo apt-get install stress
while true; do vcgencmd measure_clock arm; vcgencmd measure_temp; sleep 10; done& stress -c 4 -t 900

В среднем температура процессора при такой нагрузке поднимается примерно до 55.1 градуса и стабилизируется на этом уровне. После прекращения теста она начинает постепенно снижаться. В режиме простоя рабочая температура держится в пределах 41.2–42 градуса.

Это доказывает, что дополнительное охлаждение микрокомпьютеру не нужно. Но некоторые энтузиасты все равно дополнительно страхуются, наклеивая небольшие медные или алюминиевые радиаторы и несколько улучшая теплоотвод. Обзор внешнего вида платы с радиатором SoC:

Плата

Критическая температура процессора — 100 градусов, а в троттлинг он начинает уходить при 80.

Проекты на Raspberry

Итак, Raspberry выпустила компактный одноплатный ПК, но как его применить? Разумеется, мощности аппаратной части не хватит для современных ПК-игр или майнинга криптовалют. Но компьютер для этого и не готовился, его сфера применения — различные контроллеры и устройства автоматизации, системы «умный дом» и бытовая техника, где необходима компактность, низкое энергопотребление и достаточная вычислительная мощь. Реализуемые на Raspberry Pi Zero W проекты весьма разнообразны: рассмотрим несколько примеров в рамках этого обзора.

IP-камера

Весьма популярны сетевые камеры на базе «зеро». Тем более что для камер на плате существует специальный разъем. Рассмотрим подробнее пример такого проекта.

Для реализации понадобятся:

  • собственно камера. Можно приобрести оригинальную Raspberry Pi Camera Board с ИК-фильтром или без него. Стоимость такого оборудования около 20–30 USD при покупке на Aliexpress или Amazon, чуть дороже в локальных магазинах;
  • шлейф CSI-miniCSI (в комплекте с самой камерой вместо него может быть CSI-CSI, несовместимый с интерфейсом «зеро»);
  • корпус с отверстием под камеру.

Примерный вид комплекта:

Камера

Подключенная шлейфом камера:

Шлейф

Готовая конструкция помещается в корпус:

В корпусе

После чего крышка защелкивается, и камера готова к использованию. Остается настроить только программную часть. RTSP-видеопоток считывается любым подходящим клиентом, например, проигрывателем VLC: для этого следует сперва установить проигрыватель через apt-get:

sudo apt-get install vlс

После чего запустить трансляцию. Синтаксис команды:

raspivid -o - -t 0 -n -w 640 -h 480 -fps 30 | cvlc -vvv stream:///dev/stdin --sout '#rtp{sdp=rtsp://:8554/}' :demux=h264

Где -w и -h — ключи, указывающие разрешение видео, fps — ограничение частоты кадров в секунду. Если все установлено и запущено успешно, поток RTSP станет доступен для считывания любым подходящим клиентом по адресу:

rtsp://адрес_микрокомпьютера:8554/

Но у данного способа есть недостаток — небольшая задержка видео, порядка 2–3 секунд.

Второй способ — через установку MotionEye. Этот пакет доступен для любой Linux-системы, а под «малинку» существует специальная сборка MotionEyeOS, которая ставится вместо штатного Raspbian. Дистрибутив скачивается со страницы https://github.com/ccrisan/motioneyeos/releases, там же находится и подробный обзор возможностей и способа инсталляции. Процесс установки аналогичен описанному выше, включая создание файла wpa-supplicant.conf. После установки по IP-адресу контроллера станет доступен интерфейс MotionEyeOS, откуда производятся все прочие настройки.

MotionEyeOS

По умолчанию логин на веб-интерфейс admin, пароль — пустой.

У этого способа тоже есть определенный недостаток в виде низкого FPS, поскольку аппаратное ускорение ядром программы Motion в данной аппаратной конфигурации не используется. Но для простых бытовых целей его вполне хватает.

Мини-ноутбук

Энтузиаст и видеоблогер под ником N.O.D.E. создал на базе микро-ПК ультрапортативный ноутбук. Так это выглядит:

Мини-ноутбук

Для реализации замысла изобретателю понадобились:

  • платформа Raspberry Pi Zero W;
  • напечатанный на 3D принтере корпус;
  • чехол от iPhone 5 с Bluetooth-клавиатурой;
  • экран на 3.5 дюйма с разрешением 480×320;
  • аккумуляторная батарея на 1500 мАч.

В результате получился полноценный карманный ПК, пригодный для выполнения повседневных задач, просмотра фильмов (в том числе и с выводом на внешний экран через MiniHDMI), запуска нетребовательных к ресурсам игр и так далее.

Умный дом

Весьма широкое применение продукты серии Zero нашли в воплощении проектов «умного дома». Благодаря возможности подключения периферии через GPIO и Linux в качестве ОС одноплатник позволяет превратить себя в хаб для всей домашней техники. Рассмотрим пример такого решения на базе эмулирующего API HomeKit программного обеспечения HomeBridge и Raspberry Pi Zero W.

HomeBridge

Для этого потребуется настроенный ПК с ОС Raspbian. Дополнительно необходимо установить пакет NodeJS:

curl -o node-v9.9.0-linux-armv6l.tar.gz https://nodejs.org/dist/v9.9.0/node-v9.9.0-linux-armv6l.tar.gz

tar -xzf node-v9.9.0-linux-armv6l.tar.gz

sudo cp -r node-v9.9.0-linux-armv6l/* /usr/local/

Не забывайте нажимать Enter после каждой команды!

Далее устанавливается пакет Avahi и сам HomeBridge.

sudo apt-get install libavahi-compat-libdnssd-dev

sudo npm install -g --unsafe-perm homebridge

И плагин для контроля через веб-интерфейс.

sudo npm install -g --unsafe-perm homebridge-config-ui-x

На последнем этапе ядро «умного дома» добавляется в автозагрузку:

sudo npm install -g pm2

pm2 startup

sudo env PATH=$PATH:/usr/local/bin /usr/local/lib/node_modules

/pm2/bin/pm2 startup systemd -u pi --hp /home/pi

pm2 start homebridge

pm2 save

После чего ПК следует перезагрузить. После рестарта запустится сервис HomeBridge, который будет доступен по адресу компьютера на порту 8080.

Можно пойти более быстрым способом, доступным благодаря усилиям энтузиастов с GitHub. Достаточно ввести последовательность команд:

sudo apt install git

git clone https://github.com/fantomnotabene/homebridge_setup_script

cd homebridge_setup_script

bash install.sh

И через 6–7 минут установка завершится.

Скриншот страницы разработчика на GitHub:

Скриншот

Похожим образом устанавливаются и прочие решения «умного дома». А при достаточных знаниях и навыках программирования можно создать собственную реализацию подобного ПО под «расберри».

Робототехника и игровые консоли

Выше описывался пример создания ноутбука. «Малинку» можно превратить и в игровую консоль: этому способствуют компактность, умеренное энергопотребление, низкий нагрев и наличие 40-пинового GPIO. Пример таких решений:

игровые консоли

Создают на основе микро-ПК и различных роботов — от простых управляемых «машинок» до сложных многофункциональных устройств.

Машинка

Обучение

Небольшие компьютеры подобного типа обладают большим обучающим потенциалом. Дети на специализированных курсах с удовольствием учатся основам программирования и разработки ПО, изучают робототехнику, сопутствующие дисциплины наподобие 3D-моделирования, и так далее. Сегодня реализуются подобные курсы и кружки как для детей, так и для старшего поколения.

Мультимедиа-центр

Компьютер можно превратить в компактную и тихую мультимедиа-систему. Медиацентр на Raspberry Pi Zero W способен работать в качестве IPTV-приставки, проигрывать музыку и видео. Такие проекты пользователи успешно осуществляют на основе свободных решений для Home Theater, например, ПО Kodi.

Kodi

Вывод

Обзор позволяет заключить, что, несмотря на скромные размеры и не самые выдающиеся технические характеристики, компьютеры серии Pi Zero успешно находят себе применение в разных задачах — от обучения до систем «умного дома» и многих видов контроллеров управления. Этому способствуют низкая цена, разнообразие программного обеспечения, простая и доступная документация, обилие аксессуаров и низкий «порог входа» даже для начинающего интересоваться возможностями одноплатников пользователя. Вероятно, линейку ожидает дальнейшее развитие и появление еще более интересных в плане возможностей устройств.

Важно учитывать, что платы серии подходят для решения не самых ресурсоемких задач, организовать на их базе мощный вычислительный кластер не получится. Но и создаются они не для этих целей.

Удобнее всего использовать Raspberry Pi Zero W из-за наличия беспроводного интерфейса. А для тех, кто не хочет терять время на работу паяльником, подойдет вариант WH с распаянной колодкой GPIO.

Видео по теме

Комментарии (1)
Sergio Bugatti 07.01.2020 / 19:55 2

Сильно удивлён, что на таком железе можно сделать такие вещи.

Ответить
Добавить комментарий Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *