- Raspberry Pi on ideaalne tuum koduautomaatika ja asjade interneti jaoks tänu oma madalale energiatarbimisele, heale jõudlusele ja tohutule avatud lähtekoodiga tarkvara ökosüsteemile.
- Platvormid nagu Home Assistant, Domoticz, OpenHAB või Mycroft võimaldavad teil luua nutikaid keskusi, häälassistente ja IoT-väravaid ilma pilvest sõltumata.
- Erinevad Raspberry Pi mudelid ja nende kombinatsioon mikrokontrolleritega hõlbustavad skaleeritavaid projekte kodus, põllumajanduses, tööstuses ja tervishoius.
- Turvalisus (värskendused, krüptimine, segmenteeritud võrgud ja SSD kasutamine) on Raspberry Pi kasutamisel nutiseadmete keskusena võtmetähtsusega.
Raspberry Pi-st on saanud ideaalne aju igasuguste nutiseadmete ehitamiseks kodus, tööl või keerukamates IoT-projektides. Alates lihtsast puutetundlikust paneelist tulede juhtimiseks kuni tööstusliku väravani, mis kogub andurite andmeid, pakub see miniarvuti rohkelt võimalusi ilma pankrotti minemata.
Kui oled huvitatud paindliku nutika kodu loomisest , mis on pilvest sõltumatu ja millel on täielik kontroll oma andmete üle, on Raspberry Pi kombineerimine platvormidega nagu Home Assistant , Domoticz, OpenHAB, Mycroft või isegi nišilahendustega nagu PiDome või Calaos tõeline Šveitsi armee nuga. Vaatame lähemalt, mida saate teha, milline tarkvara on saadaval ja kuidas see kõik sobitub asjade interneti maailma.
Raspberry Pi kui nutiseadmete keskus
Raspberry Pi on Suurbritannias loodud üheplaadiliste arvutite (SBC) perekond, mis põhineb ARM-arhitektuuril ning on algusest peale loodud olema odav, mitmekülgne ja hõlpsasti kasutatav. Praktikas tähendab see, et väga mõistliku hinna eest saate masina, mis on võimeline töötama ööpäevaringselt teie ühendatud kodu, automatiseerimisserveri või IoT-lüüsi ajus.
Projekti taga olev sihtasutus ja ettevõte on üle kümne aasta veetnud hästi dokumenteeritud modulaarsete seadmete disainimisega , mille versioonid ulatuvad klassikalistest plaatidest (Pi 2, 3, 4, 5, 3A+, 3B+) kuni reaalajas ülimadala energiatarbega mudeliteni nagu Raspberry Pi Pico ja RP2 kiibiperekond. See on viinud õitsva ökosüsteemini: miljonid kasutajad, hulgaliselt õpetusi ja aktiivne kogukond, mis on valmis aitama peaaegu iga projektiga, alates haridusest kuni kommertstoodeteni.
Lisaks emaplaatidele pakub Raspberry Pi ametlikke ja kolmandate osapoolte lisatarvikuid (toiteplokid, korpused, kaamerad, ekraanid, HAT-id jne) ning haldab ulatuslikku sertifitseeritud edasimüüjate ja disainipartnerite võrgustikku. Neile, kes soovivad tootele või koduautomaatikasüsteemile "intelligentsust" lisada, pakub see stabiilset alust koos toe, sertifikaatide ja pikaajalise töökindlusega.
Miks Raspberry Pi sobib nii hästi koduautomaatika ja asjade interneti valdkonda
Üks Pi suuri eeliseid on selle hinna ja kvaliteedi suhe . Saadaval on väga ökonoomsed mudelid, näiteks Pi Zero, mis on loodud massiivsete juurutuste või üksikute sõlmede jaoks, ning võimsamad versioonid, näiteks Pi 4 või Pi 5, mis võimaldavad teil ilma higistamata käitada koduautomaatika serverit, MQTT vahendajat, andmebaasi ja isegi tehisintellekti rakendusi servas.
Ühenduvuse osas on plaat väga hästi varustatud: WiFi ja Bluetooth on enamiku uusimate mudelite standardvarustuses, olemas on Etherneti port (mõnel juhul gigabitise port), HDMI kuvari ühendamiseks ja ennekõike kuulsad GPIO-tihvtid, mis võimaldavad ühendada nutikaid andureid , releesid, sidemooduleid ja igasugust muud elektroonikat. Lisaks ühildub see Zigbee, Z-Wave'i, LoRaWANi, LTE ja muu USB-dongidega, nii et saate rääkida praktiliselt igas nutika kodu "keeles".
Teine oluline punkt on selle roll "alati sisse lülitatud" seadmena. Raspberry Pi on loodud pideva töö ajal väga vähe energiat tarbima , mistõttu sobib see ideaalselt koduautomaatika serveriks, IoT-lüüsiks, meediaserveriks või automatiseerimiskeskuseks, mis töötab ööpäevaringselt. See ei ole nagu mahukas arvuti, mis töötab kogu aeg; mõju teie elektriarvele on minimaalne.
Kõike seda toetab tohutu ülemaailmne kogukond foorumite, ametliku dokumentatsiooni ja igasuguste valminud projektidega: automatiseeritud niisutussüsteemid, ilmajaamad, turvasüsteemid, nutikad uksekellad, puutepaneelid, kohalikud häälassistendid ja palju muud. Kui teil on idee, on väga tõenäoline, et keegi on juba midagi sarnast teinud ja dokumenteerinud.
Raspberry Pi rollid nutikas keskkonnas
Nutika kodu või IoT projekti puhul saab Raspberry Pi korraga täita mitut rolli või keskenduda ainult ühele, kui vajate midagi väga spetsiifilist. Praktikas on kõige levinumad kasutusviisid seotud kolme funktsiooniga : värav, servaarvuti sõlm ja koduautomaatika server.
Asjade interneti väravana kogub Pi andmeid anduritelt ja ajamitelt (temperatuur, niiskus, CO₂, kaamerad, liikumisandurid, energiamõõtjad jne) ning saadab need sobivasse asukohta: pilveteenusesse nagu AWS, Azure või Google Cloud või kohalikku serverisse nagu Home Assistant või Node-RED. See suudab teisendada andmeid ka erinevate protokollide vahel, näiteks Zigbee'st MQTT-ni.
Äärearvuti rollis töötleb ja filtreerib Raspberry Pi teavet lokaalselt enne selle teistele süsteemidele saatmist, mis on osa andmete töötlemisest . Näiteks võib vaadelda tootmisliini, kus masinaid jälgitakse: Pi saab analüüsida vibratsiooni, temperatuuri või energiatarbimist ja käivitada hoiatusi, kui see tuvastab anomaalia, ilma et peaks iga näidu jaoks pilve minema, vähendades seeläbi latentsust ja ühenduse sõltuvust.
Koduse automatiseerimise serverina saab Pi käitada platvorme nagu Home Assistant, Domoticz, OpenHAB, Jeedom, PiDome või LinuxMCE , hallates tulesid, pistikupesasid, ruloosid, kliimaseadet, kaameraid, alarme ja helisüsteeme ühest kohast. Puutetundliku ekraaniga saab sellest fikseeritud juhtpaneel; turvalise kaugjuurdepääsuga toimib see keskse kodukonsoolina kõikjalt.
Lisaks mängib see olulist rolli hariduses ja prototüüpide loomisel: insenerid, tootjad ja koolituskeskused kasutavad seda ideede kiireks testimiseks, programmeerimise, elektroonika ja asjade interneti õpetamiseks ning alusena toodetele, mida hiljem masstootmises kasutatakse. Õppimiskõver on väga hallatav, mis julgustab katsetama ilma hirmuta.
Koduautomaatika ja IoT projektid Raspberry Pi abil
Puht koduses mõttes on üks levinumaid rakendusi nutika kodu terviklik juhtimine Raspberry Pi abil, mis on tehnoloogia demonstratsioon kodus . Näiteks kui teil on majas laiali lambid, pistikud, termostaadid, rulood ja muud vidinad, saate seadistada väikese "paneeli" Pi 4 või Pi 5 ja puutetundliku ekraaniga, et saaksite unustada telefoni kasutamise iga kord, kui soovite midagi muuta.
Selleks otstarbeks piisab tavaliselt 7- või 10-tollisest puutetundlikust ekraanist eraldusvõimega 1024x600 , mis on ühendatud HDMI kaudu ja mida toidab Raspberry Pi ise. Paljud mudelid on spetsiaalselt Raspberry Pi jaoks loodud ja sisaldavad isegi integreeritud kõlareid, mis avavad ukse multimeedia juhtimiseks või hääljuhisteks. Suurus sõltub seejärel isiklikest eelistustest ja saadaolevast ruumist: 7 tolli on üldiselt mugav ja diskreetne; 10 tolli pakub veidi rohkem ekraanipinda, kuid võib olla suurem, kui soovite selle seinale kinnitada.
Üks silmatorkavamaid projekte koduautomaatika sektoris on niinimetatud "Pi Smart Radio Assistant ", mis on ehitatud Raspberry Pi 4-le ja kasutab SDR (tarkvarapõhine raadio) tehnoloogiat. Selles seadistuses saab Pi-st häälega aktiveeritav kodune assistent, millele pääseb ligi raadiosaatja kaudu, mis töötleb käske ja saadab raadio teel häälvastuseid. See on erinev viis sarnase assistendi loomiseks võrreldes kommertslahendustega, kuid ilma pilveteenustele toetumata ja täieliku privaatsuskontrolliga.
See raadioassistent integreerub Home Assistantiga, et juhtida nutiseadmeid (tuled, pistikud, andurid jne) kaugjuhtimise teel, hoides samal ajal kogu töötlemise lokaalsena. See annab sulle midagi sarnast Alexa või Google Assistantiga, kuid selle eelisega, et see on sinu oma, saad seda muuta ja see ei saada heli välistele serveritele.
See projekt on osa suuremast Raspberry Pi-d kasutavate praktiliste nutika kodu lahenduste kollektsioonist : internetiraadiod ja Bluetooth-MP3-mängijad, moodsad jukebokside, andurite ja ajamitega sauna juhtimise süsteemid (SaunaKit), automatiseeritud kohviröstijad ja mitmesugused seadmed, mis ühendavad koduautomaatika, heli ja kaugjuhtimise. Kõik need tuginevad Pi paindlikkusele sisendite ja väljundite haldamisel, võrguga ühenduse loomisel ja kohandatud tarkvara käitamisel.
Peamised nutika kodu tarkvaraplatvormid Raspberry Pi-l
Raspberry Pi kui koduautomaatika aju või IoT-lüüsi maksimaalseks ärakasutamiseks vajate head tarkvarapaketti. Õnneks on Raspberry Pi avatud lähtekoodiga koduautomaatika tööriistade ökosüsteem tohutu, pakkudes valikuid peaaegu igale maitsele ja kogemustasemele.
Praegune staar on Home Assistant, avatud lähtekoodiga automatiseerimissüsteem, mille saab installida Home Assistant OS-ina (endine Hass.io) . See on Raspberry Pi-spetsiifiline kujutis, mis integreerib operatsioonisüsteemi, veebiliidese, automatiseerimismootori ja laiaulatusliku lisandmoodulite ökosüsteemi. Selle lahenduse puhul on kogemus väga sarnane kodumasina omaga: salvestate kujutise microSD-kaardile või SSD-kettale ja pärast selle sisselülitamist on teil seadistamiseks valmis koduautomaatika server.
Home Assistant paistab silma tohutu hulga integratsioonide toe poolest : valgustuse juhtimissüsteemid nagu Philips Hue, Zigbee, Z-Wave, Samsung SmartThings, Sonos, teenused nagu IFTTT, multimeediaplatvormid nagu Plex ja isegi integratsioon Alexa ja Google Assistantiga, kui soovite ühendada pilve- ja kohaliku juhtimise. Liides on tõlgitud hispaania keelde, sellel on tohutu kogukond ja dokumentatsioon on väga viimistletud, mistõttu on see parim soovitus kõigile, kes soovivad alustada õigel jalal.
Domoticz on veel üks väga populaarne alternatiiv, kergem ja väga väikese ressursitarbimisega , ideaalne, kui soovite kasutada tagasihoidlikumat Raspberry Pi-d või väga optimeeritud seadistust. See ühildub Z-Wave'i, Zigbee, Philips Hue ja paljude teiste seadmetega, võimaldab teil konfigureerida reegleid, stseene ja rutiine ning saata teateid e-posti või sõnumsiderakenduste kaudu. Kõike hallatakse veebi või kolmandate osapoolte rakenduste kaudu, mis muudab selle väga mitmekülgseks.
OpenHAB on omalt poolt pika ajaloo ja ulatusliku dokumentatsiooniga koduautomaatika platvorm, mis on spetsiaalselt loodud Raspberry Pi jaoks . See on avatud lähtekoodiga, uhkeldab lojaalse kogukonnaga, pakub üle 200 integratsiooni ning mobiilirakendusi Androidile ja iOS-ile. Selle eesmärk on olla "liim", mis seob kokku erinevad tootjad, protokollid ja tehnoloogiad, kusjuures seadistamine on suhteliselt lihtne, kui järgite selle samm-sammult juhiseid.
Teiste huvitavate lahenduste hulka kuuluvad Calaos (täielik koduautomaatika operatsioonisüsteem, mis toetab puutetundlikke ekraane, natiivrakendusi ja veebiserverit, kusjuures suur osa dokumentatsioonist on prantsuse keeles), Jeedom (samuti avatud lähtekoodiga, eelkonfigureeritud seadmete valikuga neile, kes ei soovi kõike nullist seadistada), PiDome (spetsiaalselt Raspberry Pi-le suunatud, kohandatava paneeliga) ja LinuxMCE, mis ühendab multimeediakeskuse ja koduautomaatika funktsioonid väga mitmekülgses Linuxi distributsioonis.
Häälassistendid ja loomuliku keele juhtimine Raspberry Pi-l
Lisaks traditsioonilistele koduautomaatika platvormidele on olemas projekte, mis muudavad Raspberry Pi täielikult isetehtud nutikaks häälassistendiks . Tuntuim näide on Mycroft, avatud lähtekoodiga assistent, mis töötab Linuxis ja millel on spetsiaalne Pi-kujutis, aga ka kasutusvalmis versioonid standardsetele distributsioonidele, näiteks Raspberry Pi OS-ile.
Mycrofti abil saate luua oma Raspberry Pi-põhise "nutikõlari", kasutades USB-mikrofoni, kõlarit ja microSD-kaarti . Sealt saate installida oskusi (funktsionaalseid mooduleid), mis pakuvad selliseid funktsioone nagu uudistevood, meedia juhtimine, veebiotsingud ja loomulikult integreerimine koduste automaatikasüsteemidega, et juhtida tulesid, pistikuid või muid seadmeid hääle abil.
Väga võimas võimalus on kombineerida Mycroft Home Assistant või Plasma Bigscreen OS-iga. Plasma Bigscreen on süsteem, mis on loodud muutma Raspberry Pi kodukino arvutiks, millel on Android TV-ga sarnane liides , ja see integreerib ka Mycrofti standardvarustuses. Nii saate ühe installiga omada meediakeskust, häälassistenti ja nutikat juhtpaneeli, olenemata sellest, kas see on ühendatud elutoa teleriga või seinale kinnitatud puutetundlikul ekraanil.
Eelmainitud Pi Smart Radio Assistant on järjekordne keerdkäik: otsese mikrofoni asemel tugineb see SDR-raadiole ja raadiosaatjatele, et luua detsentraliseeritud ja pilvest lahti ühendatud kõnekanal , säilitades nutika assistendi loogika, kuid keskendudes privaatsusele ja stsenaariumidele, kus andmeside leviala pole garanteeritud.
Raspberry Pi kui IoT värav ja server
Asjade interneti laiemas kontekstis toimib Raspberry Pi omamoodi keskse sõlmena füüsilise ja digitaalse maailma vahel . See võtab anduritelt vastu andmeid (temperatuur, niiskus, õhukvaliteet, kohalolek, energiatarbimine), töötleb neid ja edastab teistele süsteemidele salvestamiseks, analüüsimiseks või visualiseerimiseks.
Selles kontekstis tugineb see suuresti kergetele protokollidele, mis on loodud piiratud ressurssidega seadmetele. Kõige olulisem on MQTT, standard, mis on praktiliselt asendamatu igas tänapäevases IoT arhitektuuris. Raspberry Pi saab käitada MQTT vahendajat nagu Mosquitto, toimides kohtumispunktina anduritele (mis avaldavad andmeid) ja rakendustele (mis neid tarbivad).
See suudab hakkama saada ka teiste spetsiifiliste protokollidega, näiteks CoAP-iga (optimeeritud väikestele seadmetele) , HTTP/HTTPS-iga traditsioonilisemate integratsioonide jaoks ning tänu USB-donglitele töötab see väikese energiatarbega ja pika leviala võrkudega nagu Zigbee, Z-Wave või LoRaWAN. Bluetooth Low Energy (BLE) võimaldab Pi-l suhelda majakate, lähedusandurite ja kantavate seadmetega.
Andmevoogude visuaalseks korraldamiseks on Raspberry Pi-l väga levinud tööriist Node-RED, mis pakub sõlme- ja ühendustepõhist programmeerimist . Selle abil saate näiteks tellida MQTT teema, töödelda näitu, salvestada need ajutisse andmebaasi nagu InfluxDB ja seejärel visualiseerida neid Grafana abil kohandatud armatuurlaudadel.
Kui juurutamine kasvab, on Dockeri kasutamine IoT-teenuste (MQTT-vahendaja, veebiserver, Home Assistant, andmebaasid jne) konteineriseerimiseks ja isegi platvormide, näiteks BalenaOS-i, kasutamiseks geograafiliselt hajutatud Raspberry Pi seadmete pargi haldamiseks, lihtsustades värskendusi ja hooldust suures mahus.
Praktiline kasutus kodus, põllumajanduses, tööstuses ja tervishoius
Kodus võimaldab Raspberry Pi teil ehitada kõike alates lihtsast juhtpaneelist tulede, ruloode ja kütte jaoks kuni energia jälgimissüsteemide, ühendatud IP-kaamerate ja kohaliku salvestusruumiga alarmide või õhukvaliteedi jälgimisjaamadeni. Saate tulesid sisse ja välja lülitada, termostaati juhtida, öö- või puhkusestseene seadistada ja kõik toimub tsentraliseeritult.
Põllumajanduses sobib Raspberry Pi ideaalselt nutikate niisutusprojektide ja ühendatud kasvuhoonete jaoks . Pinnase niiskuse-, temperatuuri- ja valguseandurid varustavad Raspberry Pi-d pidevalt andmetega; reeglite või isegi ennustavate mudelite põhjal avab või sulgeb see solenoidventiile, aktiveerib ventilatsiooni või saadab teateid, kui midagi on ebatavalist. LoRaWAN-i abil saab katta suuri maa-alasid ilma, et kõikjal oleks vaja WiFi-ühendust.
Nn Tööstus 4.0 raames saab Raspberry Pi abil koguda masinatelt ja elektripaneelidelt mõõdikuid , saata andmeid SCADA-süsteemidesse või analüüsiplatvormidele ning ARM-i jaoks optimeeritud tehisintellekti teekide (TensorFlow Lite, PyTorch) abil teostada ennustavat hooldust: Pi ise tuvastab kummalisi mustreid, mis ennustavad riket, vältides seeläbi kulukamaid seisakuid.
Tervishoiu- ja teadussektoris kasutatakse ära selle võimet töödelda tundlikke andmeid ilma välise pilve vajaduseta . See hõlmab kohalikke keskkonnaseirejaamu (näiteks osakeste kontroll laborites), biomeditsiiniliste salvestusseadmete kasutamist kliinikutes või operatsioonisaalides ning uurimisplatvorme, kus teavet hoitakse asutuse enda hallatavatel serveritel.
Kõik see tugineb samadele komponentidele: kerged protokollid, odav, kuid võimekas plaat, hästi hooldatud automatiseerimistarkvara ja võimekus kohandada keerukuse taset vastavalt vajadusele , alates ühest andurist kuni kümnete sõlmedega paigaldisteni.
Raspberry Pi mudelid ja valikud nutikate projektide jaoks
Raspberry Pi nutiseadme projekti planeerides peate otsustama, milline mudel sobib kõige paremini . Lihtne akutoitel töötav andurisõlm ei ole sama mis koduautomaatika server, millel on andmebaas, veebiliides ja häältöötlus.
Väga kergete ülesannete jaoks, näiteks ühe või kahe anduri lugemiseks ja andmete saatmiseks WiFi või UART-i kaudu, on Raspberry Pi Zero või Zero W enam kui piisav: need tarbivad väga vähe energiat, on odavad ja sobivad peaaegu kõikjale. Seinale kinnitatava puutepaneeli või tõsise koduse automatiseerimise keskuse jaoks on tavaliselt kõige parem valida Pi 4 või Pi 5, mis pakuvad rohkem muutmälu, paremat protsessorit ja võimalust kasutada kiiret SSD-salvestusruumi (Pi 5 puhul isegi NVMe).
Vahepealsed mudelid nagu Pi 3, 3A+ ja 3B+ sobivad endiselt suurepäraselt paljude installatsioonide jaoks ja on järelturul sageli soodsamad. Neil on endiselt WiFi ja Bluetooth-ühenduvus ning GPIO-tihvtid, seega toimivad nad jätkuvalt hästi õhukeste serverite või lüüsidena.
Kui fookuses on reaalajas juhtimine ülimadala energiatarbega, võivad huvi pakkuda Raspberry Pi Pico tootepere ja RP2 kiibid , kuna need on pigem mikrokontrollerid kui täielikud arvutid. Paljud projektid ühendavad neid: ESP32 või Pico-tüüpi mikrokontroller tegeleb andurite lugemise ja lokaalse juhtimisega, samas kui tavaline Raspberry Pi toimib värava ja kõrgetasemelise protsessorina.
Peamine on mõista, et Raspberry Pi ja mikrokontrollerid ei konkureeri omavahel, vaid täiendavad teineteist . Mikrokontroller haldab riistvara, samas kui Pi tsentraliseerib andmeid, salvestab ajalugu, pakub juhtpaneele ja suudab käitada keerukamat loogikat või isegi tehisintellekti mudeleid.
Ohutus ja parimad tavad nutikates projektides Raspberry Pi abil
Muutes Raspberry Pi paljude nutiseadmete juhtimiskeskuseks , muutub koduvõrgu turvalisus pisiasjast kriitiliseks probleemiks. Üksainus möödalaskmine võib avada ukse kogu teie koduvõrgule või isegi tööstussüsteemidele.
Esimene samm on operatsioonisüsteemi ja pakettide regulaarne ajakohasena hoidmine . Raspberry Pi OS ja mitmesugused koduautomaatika distributsioonid avaldavad sageli turvaparandusi ja soovitatav on need rakendada. Samuti on soovitatav keelata kasutamata teenused ja koheselt muuta vaikeparoole.
Kaugjuurdepääsuks on kõige parem kasutada SSH-d võtme autentimisega lihtsate paroolide asemel. Koduvõrgust väljastpoolt ühenduse loomisel on ideaalne seadistada VPN või kasutada platvormide endi pakutavaid turvalisi juurdepääsumehhanisme (näiteks ametlikke Home Assistant teenuseid), mitte avada porte juhuslikult.
Asjade interneti kommunikatsiooni valdkonnas on andmete krüptimise tagamiseks tungivalt soovitatav lubada TLS MQTT ja teiste protokollide jaoks . Lisaks soovitavad paljud eksperdid eraldada Asjade interneti võrk ülejäänud koduvõrgust VLAN-ide abil, et seadme ohustamise korral oleks mõju isoleeritud.
Lõpuks, kui Pi kirjutab pidevalt kettale (logid, andmebaasid, andurite ajalugu), on hea mõte kasutada SSD-d lihtsa microSD-kaardi asemel , mis laguneb palju kiiremini. See suurendab pikaajalist töökindlust ja vähendab kriitiliste rikete tõenäosust teie nutika süsteemi südames.
Kõike eelnevat arvesse võttes on selge, et Raspberry Pi on end sisse seadnud nutiseadmete ja tänapäevase asjade interneti nurgakiviks: see ühendab endas konkurentsivõimelise hinna, tohutu mitmekülgsuse, küpse tarkvaraökosüsteemi (Home Assistant, Domoticz, OpenHAB, Mycroft, Node-RED, Mosquitto, Grafana, Docker, BalenaOS ja paljud teised) ning võime töötada nii koduprojektides kui ka tõsistes juurutustes põllumajanduses, tööstuses või tervishoius, pakkudes väga atraktiivset tasakaalu võimsuse, hinna, kohaliku kontrolli ja privaatsuse vahel.
