Nutiseadmed Raspberry Pi ja täiustatud koduautomaatikaga

Informatec Digital » Ressursid » Nutiseadmed Raspberry Pi ja täiustatud koduautomaatikaga

La Raspberry Pi-st on saanud ideaalne aju igasuguseid kokku panna nutikad seadmed See miniarvuti pakub laia valikut võimalusi nii kodus, tööl kui ka keerukamates IoT-projektides, alates lihtsast puutepaneelist tulede juhtimiseks kuni tööstusliku väravani, mis kogub andurite andmeid, ja seda kõike ilma pankrotti minemata.

Kui olete huvitatud seadistamisest paindlik nutikodu, ilma pilvest sõltumata Ja absoluutse kontrolliga teie andmete üle, Raspberry Pi kombinatsioon platvormidega nagu Kodu assistentDomoticz, OpenHAB, Mycroft või isegi nišilahendused nagu PiDome või Calaos on tõelised 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 üheplaadiliste arvutite perekond (SBC), mis loodi Ühendkuningriigis ja põhineb Arm-arhitektuuril ning on algusest peale kavandatud odavaks, mitmekülgseks ja hõlpsasti kasutatavaks. Praktikas tähendab see, et väga mõistliku hinna eest on teil masin, mis on võimeline töötama ööpäevaringselt teie ühendatud kodu, automatiseerimisserveri või IoT-lüüsi ajus.

Projekti taga olev sihtasutus ja ettevõte on disainimisega tegelenud üle kümne aasta. modulaarne ja väga hästi dokumenteeritud varustusVersioonidega alates klassikalistest plaatidest (Pi 2, 3, 4, 5, 3 A+, 3 B+) kuni reaalajas ja väga väikese energiatarbega mudeliteni nagu Raspberry Pi Pico ja RP2 kiibiperekond, on ökosüsteem plahvatuslikult kasvanud: on miljoneid kasutajaid, tohutult õpetusi ja aktiivne kogukond, kes on valmis aitama peaaegu iga projektiga, alates haridusest kuni kommertstoodeteni.

Lisaks tahvlitele endile pakub Raspberry Pi ka ametlikud ja kolmandate osapoolte lisatarvikud (toiteplokid, korpused, kaamerad, ekraanid, koduautomaatika seadmed...) 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 järjepidevusega.

Miks Raspberry Pi sobib nii hästi koduautomaatika ja asjade interneti valdkonda

Üks Pi suurimaid eeliseid on selle hinna ja kvaliteedi suheSaadaval on väga ökonoomseid mudeleid, näiteks Pi Zero, mis on loodud massiivsete juurutuste või lihtsate sõlmede jaoks, ning võimsamaid versioone, näiteks Pi 4 või Pi 5, mis võimaldavad teil koduse automatiseerimisserverit, MQTT vahendajat, andmebaasi ja isegi tehisintellekti rakendusi servas ilma higistamata käitada.

Ühenduste osas on plaat väga hästi varustatud: WiFi ja Bluetooth standardvarustuses Enamikes uusimates mudelites on olemas Etherneti port (mõnel juhul gigabitine), HDMI ekraani ühendamiseks ja ennekõike kuulsad GPIO-pistikud, mis võimaldavad teil luua ühenduse nutikad anduridreleed, sidemoodulid ja igasugune lisaelektroonika. Lisaks on see ühilduv USB-adapterid Zigbee, Z-Wave, LoRaWAN ja LTE jaoks ja ettevõtet, nii et saate rääkida praktiliselt iga nutika kodu „keelt“.

Teine oluline punkt on selle roll „alati sisse lülitatud” seadmena. Raspberry Pi on loodud selleks, et tarbivad väga vähe energiat pidevas töösSee teeb sellest ideaalse koduautomaatika serveri, IoT-lüüsi, multimeedia serveri või automatiseerimiskeskuse, mis töötab ööpäevaringselt. See ei ole nagu mahukas arvuti pidev töötamine; mõju teie elektriarvele on minimaalne.

Kõik see põhineb ühel tohutu globaalne kogukondFoorumite, ametliku dokumentatsiooni ja igasuguste lõpetatud projektide – automatiseeritud niisutus, ilmajaamad, turvasüsteemid, nutikad uksekellad, puutepaneelid, kohalikud häälassistendid jne – olemasolul, kui teil on idee, on väga tõenäoline, et keegi on juba midagi sarnast teinud ja dokumenteerinud.

Raspberry Pi rollid nutikas keskkonnas

Nutika kodu või asjade interneti projektis saab Raspberry Pi korraga täita mitut rolli või keskenduda ainult ühele, kui vajate midagi väga spetsiifilist. Praktikas... Kõige levinumad kasutusviisid on seotud kolme funktsiooniga: värav, servaarvutite sõlm ja koduautomaatika server.

Asjade interneti väravana vastutab Pi järgmise eest: koguda andmeid anduritelt ja ajamitelt (temperatuur, niiskus, CO₂, kaamerad, liikumisandurid, energiamõõtjad…) ja saata need kuhu iganes vaja: pilveteenusesse nagu AWS, Azure või Google Cloud või kohalikku serverisse nagu Home Assistant või Node-RED. See suudab teisendada ka erinevate protokollide vahel, näiteks Zigbee'st MQTT-ni.

Äärearvuti rollis on Raspberry Pi töötleb ja filtreerib teavet lokaalselt enne teistesse süsteemidesse saatmist, mis on osa teie andmete andmestamineMõelge näiteks tootmisliinile, kus masinaid jälgitakse: Pi suudab analüüsida vibratsiooni, temperatuuri või elektritarbimist ja käivitada hoiatusi, kui see tuvastab anomaalia, ilma et peaks iga näidu jaoks pilve minema, mis vähendab latentsusaega ja sõltuvust ühendusest.

Koduse automatiseerimise serverina saab Pi käitada selliseid platvorme nagu Kodune assistent, Domoticz, OpenHAB, Jeedom, PiDome või LinuxMCEValgustite, pistikupesade, ruloode, kliimaseadme, kaamerate, alarmi ja helisüsteemide juhtimine ühest kohast. Puutetundliku ekraaniga saab sellest fikseeritud juhtpaneel; turvalise kaugjuurdepääsuga toimib see kodu keskkonsoolina kõikjalt.

Lisaks mängib see väga olulist rolli hariduses ja prototüüpimises: insenerid, tootjad ja koolituskeskused Nad kasutavad seda ideede kiireks testimiseks, programmeerimise, elektroonika ja asjade interneti õpetamiseks ning alusena toodetele, mis hiljem tööstuslikuks tootmiseks lähevad. Õppimiskõver on väga mõistlik ja see julgustab kartmatult katsetama.

Koduautomaatika ja IoT projektid Raspberry Pi abil

Puhtalt kodumaisel tasandil on üks levinumaid rakendusi nutika kodu täielik kontroll Raspberry Pi-lt pärit demonstratsioon tehnoloogia kodusNäiteks 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 oma mobiiltelefoni iga kord unustada, kui soovite midagi muuta.

Tavaliselt piisab selleks puutetundlikust ekraanist. 7- või 10-tolline ekraan eraldusvõimega 1024 × 600See ühendub HDMI kaudu ja saab toidet Raspberry Pi-lt endalt. Paljud mudelid on spetsiaalselt Raspberry Pi jaoks loodud ja sisaldavad isegi sisseehitatud kõlareid, mis avab ukse multimeedia juhtnuppude või hääljuhiste integreerimiseks. Suurus sõltub seejärel isiklikest eelistustest ja olemasolevast ruumist: 7 tolli on tavaliselt mugav ja diskreetne; 10 tolli pakub veidi suuremat pinda, kuid võib olla suurem, kui soovite selle seinale kinnitada.

Üks silmatorkavamaid projekte kodumaises sfääris on nn. „Pi intelligentne raadioassistent”See Raspberry Pi 4-le loodud ja SDR-tehnoloogiat (tarkvarapõhine raadio) kasutav seadistus muudab Pi häälega aktiveeritavaks koduassistendiks, millele pääseb ligi raadiosaatja kaudu. See töötleb käske ja saadab raadio teel häälvastuseid. See on teistsugune viis häälassistendi omamiseks, mis sarnaneb kaubanduslikult saadaolevate assistentidega, kuid... sõltumata pilveteenustest ja täieliku kontrolliga privaatsuse üle.

See raadioassistent integreerub Home Assistantiga, et see suudaks järgmist: hallata nutiseadmeid kaugjuhtimise teel (tuled, pistikud, andurid jne) hoides kogu töötlemise lokaalsena. Nii saate midagi sarnast Alexa või Google Assistantiga, aga selle eelisega, et see on teie oma, saate seda muuta ja see ei saada heli välistele serveritele.

See projekt on osa suuremast kollektsioonist Praktilised nutika kodu seadistused Raspberry Pi-gaInternetiraadiod ja Bluetoothiga MP3-mängijad, moodsad muusikakeskused, sauna juhtimissüsteemid andurid ja täiturid (SaunaKit), automatiseeritud kohviröstimisseadmed 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... avatud tööriistade ökosüsteem Raspberry Pi koduautomaatika lahenduste valik on lai, pakkudes valikuid peaaegu igale maitsele ja kogemustasemele.

Praegune staar on Home Assistant, avatud lähtekoodiga automatiseerimissüsteem, mida saab paigaldada nii Koduse abilise operatsioonisüsteem (endine Hass.io)Raspberry Pi-spetsiifiline kujutis, mis integreerib operatsioonisüsteemi, veebiliidese, automatiseerimismootori ja laiaulatusliku lisandmoodulite ökosüsteemi. Selle lahendusega on kogemus väga sarnane kodumasina omaga: välgate kujutise microSD-kaardile või SSD-kettale ja pärast sisselülitamist on teil seadistamiseks valmis koduautomaatika server.

Kodune assistent paistab silma oma tugi tohutule hulgale integratsioonidele: valguse juhtimissüsteemid See toetab tehnoloogiaid nagu Philips Hue, Zigbee, Z-Wave, Samsung SmartThings, Sonos, teenuseid nagu IFTTT, meediaplatvorme nagu Plex ja isegi integratsiooni 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 madal ressursitarbimineIdeaalne, kui soovid kasutada tagasihoidlikumat Raspberry Pi-d või väga optimeeritud seadistust. See ühildub Z-Wave'i, Zigbee, Philips Hue ja paljude teiste seadmetega, võimaldab seadistada 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 koduautomaatika platvorm, millel on pikk ajalugu ja palju spetsiifilist dokumentatsiooni Raspberry Pi kohtaSee on avatud lähtekoodiga, lojaalse kogukonnaga, enam kui 200 integratsiooniga ning mobiilirakendustega Androidile ja iOS-ile. Selle eesmärk on olla "liim", mis seob kokku erinevad tootjad, protokollid ja tehnoloogiad, kusjuures seadistamine on suhteliselt lihtne, kui järgite samm-sammult juhiseid.

Teiste huvitavate lahenduste hulka kuuluvad Calaos (täielik koduautomaatika operatsioonisüsteem, mis toetab puutetundlikke ekraane, natiivrakendusi ja veebiserverit ning millel on suur osa dokumentatsioonist prantsuse keeles), Jeedom (samuti avatud lähtekoodiga, eelkonfigureeritud seadmete valikuga neile, kes ei soovi kõike nullist ehitada), PiDome (spetsiaalselt Raspberry Pi jaoks suunatud, kohandatava paneeliga) ja LinuxMCE, mis ühendab endas funktsioone multimeediakeskus ja koduautomaatika väga mitmekülgses Linuxi distributsioonis.

Häälassistendid ja loomuliku keele juhtimine Raspberry Pi-l

Lisaks klassikalistele koduautomaatika platvormidele on ka projekte, mis muudavad Raspberry Pi täielikult isetehtud nutikas häälassistentTuntuim näide on Mycroft, avatud lähtekoodiga assistent, mis töötab Linuxis ja millel on spetsiaalne Pi-kujutis, aga ka kasutusvalmis versioonid standardsetel distributsioonidel nagu Raspberry Pi OS.

Mycroftiga saate ehitada oma Raspberry Pi-põhise „nutika kõlari“, kasutades USB-mikrofon, kõlar ja microSD-kaartSealt edasi on võimalik paigaldada oskusi (funktsionaalsusmooduleid), mis pakuvad selliseid asju nagu uudised, meedia juhtimine, veebipäringud ja loomulikult integratsioon koduste automaatikasüsteemidega, et juhtida tulesid, pistikuid või muid seadmeid hääle abil.

Väga võimas variant on Mycrofti kombineerimine Home Assistantiga või Plasma Bigscreen OS-iga. Plasma Bigscreen on süsteem, mis on loodud Pi muutmiseks... Kodukino arvuti, mille liides sarnaneb Android TV-gamis integreerib standardvarustuses ka Mycrofti. See tähendab, et ühe paigaldusega saate omada multimeediakeskust, häälassistenti ja nutikat juhtpaneeli, olgu see siis elutoas teleriga ühendatud või seinale kinnitatud puutetundlikul ekraanil.

Eelmainitud Pi Intelligent Radio Assistant on järjekordne keerdkäik: otsemikrofoni asemel tugineb see SDR-raadiole ja raadiosaatjatele, et luua detsentraliseeritud kõnekanal, mis on pilvest lahti ühendatudSäilitades intelligentse assistendi loogika, kuid keskendudes privaatsusele ja stsenaariumidele, kus andmeside pole garanteeritud.

Raspberry Pi kui IoT värav ja server

Asjade interneti laiemas kontekstis toimib Raspberry Pi omamoodi keskne sõlmpunkt füüsilise ja digitaalse maailma vahelSee võtab vastu anduritelt andmeid (temperatuur, niiskus, õhukvaliteet, kohalolek, energiatarbimine), töötleb neid ja edastab teistele süsteemidele salvestamiseks, analüüsimiseks või visualiseerimiseks.

Selles kontekstis tugineb see suuresti piiratud ressurssidega seadmetele loodud kergetele protokollidele. Kõige olulisem neist on MQTT, praktiliselt hädavajalik standard mis tahes tänapäevases IoT arhitektuuris. Pi saab käitada MQTT vahendajat nagu Mosquitto, toimides kohtumispunktina anduritele (mis avaldavad andmeid) ja rakendustele (mis neid tarbivad).

See saab hakkama ka teiste spetsiifiliste protokollidega, näiteks CoAP (optimeeritud väikestele seadmetele)HTTP/HTTPS traditsioonilisemate integratsioonide jaoks ja tänu USB-donglitele saab see töötada 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 järgmist sõlmepõhine programmeerimine ja ühendusedSelle abil saate näiteks tellida MQTT teema, töödelda lugemisi, salvestada need ajutisse andmebaasi nagu InfluxDB ja seejärel kuvada neid Grafana abil kohandatud armatuurlaudadel.

Kui juurutamine kasvab, on selle kasutamine väga mõistlik Docker IoT-teenuste konteineriseerimiseks (MQTT vahendaja, veebiserver, Home Assistant, andmebaasid jne) ja isegi platvormid nagu BalenaOS geograafiliselt hajutatud Raspberry Pi seadmepargi haldamiseks, lihtsustades uuendusi ja ulatuslikku hooldust.

Praktiline kasutus kodus, põllumajanduses, tööstuses ja tervishoius

Kodus võimaldab Raspberry Pi teil seadistada kõike alates lihtsast juhtpaneel tulede, ruloode ja kütte jaoks sealhulgas energiaseiresüsteemid ja alarmid koos ühendatud IP-kaamerad ja kohalikku salvestusruumi või õhukvaliteedi jälgimisjaamu. Lülitame tulesid sisse ja välja, juhime termostaati, seadistame öö- või puhkuserežiimid ja kõik toimub tsentraalselt.

Põllumajanduses sobib Pi ideaalselt projektidesse, mis hõlmavad järgmist: Nutikas niisutus ja ühendatud kasvuhoonedPinnase 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-d kasutada selleks, et Koguge mõõdikuid masinatelt ja elektripaneelidelt, saata andmeid SCADA-süsteemidesse või analüüsiplatvormidele ja 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 selle suutlikkust selleks, et töödelda tundlikke andmeid ilma välise pilveteenusetaSee hõlmab kohalikke keskkonnaseirejaamu (nt osakeste kontroll laborites), biomeditsiiniliste salvestusseadmete asukohti kliinikutes või operatsioonisaalides ning uurimisplatvorme, kus teavet hoitakse keskuse enda hallatavatel serveritel.

Kõik see tugineb samadele komponentidele: kerged protokollid, odav, kuid võimekas plaat, hästi hooldatud automatiseerimistarkvara ja võimekus kohanda keerukuse taset vastavalt vajaduseleühest andurist kuni kümnete sõlmedega paigaldisteni.

Raspberry Pi mudelid ja valikud nutikate projektide jaoks

Kui kaalute Raspberry Pi abil nutiseadme projekti, peate otsustama milline mudel sobib kõige pareminiLihtne akutoitel töötav andurisõlm ei ole sama mis koduautomaatika server, millel on andmebaas, veebiliides ja hääletöötlus.

Väga kergete ülesannete jaoks, näiteks ühe või kahe anduri andmete lugemiseks ja andmete saatmiseks WiFi või UART-i kaudu, Raspberry Pi Zero või Zero W Sellest piisab enam kui küll: need tarbivad väga vähe energiat, on odavad ja sobivad peaaegu kõikjale. Seinale kinnitatava puutepaneeli või tõsise nutika kodu keskuse jaoks on tavaliselt valitud Pi 4 või Pi 5, mis pakuvad rohkem muutmälu, paremat protsessorit ja võimalust kasutada kiiret SSD-salvestusruumi (Pi 5 puhul isegi NVMe).

Vahepealsed mudelid, näiteks Pi 3, 3 A+ ja 3 B+ Need sobivad suurepäraselt paljude installatsioonide jaoks ja on järelturul sageli soodsamad. Neil on endiselt WiFi, Bluetooth ja GPIO-pistikute ühenduvus, seega toimivad nad jätkuvalt hästi õhukeste serverite või lüüsidena.

Kui fookuses on reaalajas juhtimine ülimadala energiatarbega, võib see tooteperekond huvi pakkuda. Raspberry Pi Pico ja RP2 kiibidNeed on pigem mikrokontrollerid kui täielikud arvutid. Paljudes projektides on need kombineeritud: ESP32 või Pico-tüüpi mikrokontroller tegeleb andurite lugemise ja lokaalse juhtimisega, samas kui tavapärane Raspberry Pi toimib värava ja kõrgetasemelise aju rollis.

Peaasi on sellest aru saada Raspberry Pi ja mikrokontrollerid ei konkureeri omavahel, vaid täiendavad teineteist.Mikrokontroller tegeleb "riistvara" osaga, samas kui Pi tsentraliseerib, salvestab ajalugu, pakub armatuurlaudu ja suudab käitada raskemaid loogika- või isegi tehisintellekti mudeleid.

Ohutus ja parimad tavad nutikates projektides Raspberry Pi abil

Raspberry Pi teisendamisega paljude nutiseadmete juhtimiskeskuson koduvõrgu turvalisus See lakkab olemast tühine detail ja muutub kriitiliseks. Üksainus möödalaskmine võib avada ukse kogu teie koduvõrgule või tööstussüsteemidele.

Esimene asi on operatsioonisüsteemi ja pakettide haldamine regulaarselt uuendatudRaspberry Pi OS ja mitmesugused koduautomaatika distributsioonid avaldavad sageli turvaparandusi ning soovitatav on need paigaldada. Samuti on soovitatav keelata kasutamata teenused ja koheselt muuta vaikeparoole.

Kaugjuurdepääsu jaoks on kõige parem kasutada SSH võtme autentimisega lihtsate paroolide asemel. Väljastpoolt kodu loodud ühenduste korral on kõige parem luua VPN või kasutada platvormide endi pakutavaid turvalisi juurdepääsumehhanisme (näiteks ametlikke Home Assistant teenuseid), mitte avada porte juhuslikult.

Asjade interneti kommunikatsiooni valdkonnas on väga soovitatav lubada TLS MQTT ja teiste protokollide jaoksnii et andmed krüpteeritakse. Lisaks soovitavad paljud eksperdid eraldada IoT-võrgu ülejäänud koduvõrgust VLAN-ide abil, et seadme ohu korral oleks mõju isoleeritud.

Lõpuks, kui Pi hakkab pidevalt kettale kirjutama (logid, andmebaasid, andurite ajalugu), on see hea mõte Kasutage tavalise microSD-kaardi asemel SSD-dmis 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.