Pametne naprave z Raspberry Pi in napredno avtomatizacijo doma

Informatec Digital » Viri » Pametne naprave z Raspberry Pi in napredno avtomatizacijo doma

La Raspberry Pi je postal popolni možgani sestaviti vse vrste pametne naprave Ne glede na to, ali ste doma, v službi ali v naprednejših projektih interneta stvari, ta mini računalnik ponuja široko paleto možnosti, od preproste plošče na dotik za upravljanje luči do industrijskega prehoda, ki zbira podatke senzorjev, vse to brez prevelikih stroškov.

Če vas zanima postavitev prilagodljiv pametni dom, brez odvisnosti od oblaka In z absolutnim nadzorom nad vašimi podatki, kombinacija Raspberry Pi s platformami, kot so Domači asistentDomoticz, OpenHAB, Mycroft ali celo bolj nišne rešitve, kot sta PiDome ali Calaos, so pravi švicarski nož. Oglejmo si podrobno, kaj lahko storite, katera programska oprema je na voljo in kako se vse to vklaplja v svet interneta stvari.

Raspberry Pi kot središče za pametne naprave

Raspberry Pi je družina enoploščnih računalnikov (SBC), ustvarjen v Združenem kraljestvu in zasnovan na arhitekturi Arm, ki je bila od samega začetka zasnovana tako, da je poceni, vsestranska in enostavna za uporabo. V praksi to pomeni, da za zelo razumno ceno dobite stroj, ki lahko deluje 24 ur na dan, 7 dni v tednu kot možgani vašega povezanega doma, strežnika za avtomatizacijo ali prehoda interneta stvari.

Fundacija in podjetje, ki stoji za projektom, se z načrtovanjem ukvarjata že več kot desetletje. modularna in zelo dobro dokumentirana opremaZ različicami, ki segajo od klasičnih plošč (Pi 2, 3, 4, 5, 3 A+, 3 B+) do modelov v realnem času in z zelo nizko porabo energije, kot sta Raspberry Pi Pico in družina čipov RP2, je ekosistem eksplodiral: obstajajo milijoni uporabnikov, na tone vadnic in aktivna skupnost, ki je pripravljena pomagati pri skoraj vsakem projektu, od izobraževanja do komercialnih izdelkov.

Poleg samih plošč Raspberry Pi ponuja uradna in dodatna oprema tretjih oseb (napajalniki, ohišja, kamere, zasloni, HAT-i ...) in vzdržuje obsežno mrežo certificiranih distributerjev in oblikovalskih partnerjev. Za tiste, ki želijo izdelku ali sistemu domače avtomatizacije dodati »inteligenco«, zagotavlja stabilno osnovo s podporo, certifikati in dolgoročno kontinuiteto.

Zakaj se Raspberry Pi tako dobro ujema z domačo avtomatizacijo in internetom stvari

Ena od velikih prednosti števila Pi je njegova vrednost za denarObstajajo zelo ekonomični modeli, kot je Pi Zero, zasnovan za množične uvedbe ali preprosta vozlišča, in zmogljivejše različice, kot sta Pi 4 ali Pi 5, ki omogočajo zagon strežnika za domačo avtomatizacijo, posrednika MQTT, baze podatkov in celo aplikacij umetne inteligence na robu omrežja, ne da bi se pri tem potili.

Kar zadeva povezave, je plošča zelo dobro opremljena: Wi-Fi in Bluetooth kot standardna oprema V večini novejših modelov je na voljo ethernetni vhod (v nekaterih primerih gigabitni), HDMI za priključitev zaslona in predvsem znani GPIO priključki, ki omogočajo povezavo pametni senzorjireleji, komunikacijski moduli in vse vrste dodatne elektronike. Poleg tega je združljiv z USB ključki za Zigbee, Z-Wave, LoRaWAN, LTE in podjetje, tako da lahko govorite praktično kateri koli »jezik« pametnega doma.

Druga ključna točka je njegova vloga naprave, ki je »vedno vklopljena«. Raspberry Pi je zasnovan tako, da porabijo zelo malo energije v neprekinjenem delovanjuZaradi tega je idealen kot strežnik za domačo avtomatizacijo, prehod interneta stvari, multimedijski strežnik ali središče za avtomatizacijo, ki deluje 24 ur na dan, 7 dni v tednu. Ni tako, kot če bi imeli ves čas delujoč neroden računalnik; vpliv na vaš račun za elektriko je minimalen.

Vse to temelji na ogromna svetovna skupnostS forumi, uradno dokumentacijo in vsemi vrstami dokončanih projektov – avtomatizirano namakanje, vremenske postaje, varnostni sistemi, pametni zvonci, zasloni na dotik, lokalni glasovni asistenti itd. – če imate idejo, je zelo verjetno, da je nekdo že naredil nekaj podobnega in to dokumentiral.

Vloge, ki jih lahko Raspberry Pi igra v pametnem okolju

V projektu pametnega doma ali interneta stvari lahko Raspberry Pi hkrati prevzame več vlog ali pa se osredotoči le na eno, če potrebujete nekaj zelo specifičnega. V praksi, Najpogostejše uporabe se vrtijo okoli treh funkcij: prehod, vozlišče za robno računalništvo in strežnik za domačo avtomatizacijo.

Kot IoT prehod je Pi odgovoren za zbiranje podatkov iz senzorjev in aktuatorjev (temperatura, vlažnost, CO₂, kamere, detektorji gibanja, števci energije ...) in jih pošljejo kamor koli morajo: v storitev v oblaku, kot so AWS, Azure ali Google Cloud, ali v lokalni strežnik, kot sta Home Assistant ali Node-RED. Prav tako lahko prevaja med različnimi protokoli, na primer iz Zigbee v MQTT.

V vlogi naprave za robno računalništvo Raspberry Pi obdeluje in filtrira informacije lokalno preden ga pošljete v druge sisteme, kar je del podatkovna obdelava vaših podatkovPomislite na primer na proizvodno linijo, kjer se spremljajo stroji: Pi lahko analizira vibracije, temperaturo ali porabo električne energije in sproži opozorila, ko zazna anomalijo, ne da bi se moral za vsako odčitavanje obrniti na oblak, kar zmanjša zakasnitev in odvisnost od povezave.

Kot strežnik za domačo avtomatizacijo lahko Pi poganja platforme, kot so Domači asistent, Domoticz, OpenHAB, Jeedom, PiDome ali LinuxMCEupravljanje luči, vtičnic, žaluzij, klimatske naprave, kamer, alarmov in avdio sistemov z ene same točke. Z zaslonom na dotik postane fiksna nadzorna plošča; z varnim oddaljenim dostopom pa deluje kot centralna konzola doma od koder koli.

Poleg tega igra zelo pomembno vlogo pri izobraževanju in izdelavi prototipov: inženirji, proizvajalci in centri za usposabljanje Uporabljajo ga za hitro testiranje idej, poučevanje programiranja, elektronike in interneta stvari ter kot osnovo za izdelke, ki se kasneje industrializirajo. Krivulja učenja je zelo razumna, kar spodbuja eksperimentiranje brez strahu.

Projekti avtomatizacije doma in interneta stvari z Raspberry Pi

V čisto domačem okolju je ena najpogostejših uporab celovit nadzor pametnega doma iz Raspberry Pi-ja, demonstracija tehnologija v domuNa primer, če imate po hiši raztresene luči, vtiče, termostate, žaluzije in druge pripomočke, lahko postavite majhno "panel" s Pi 4 ali Pi 5 in zaslonom na dotik, tako da lahko vsakič, ko želite kaj spremeniti, pozabite na mobilni telefon.

Za to je običajno dovolj zaslon na dotik. 7 ali 10-palčni zaslon z ločljivostjo 1024 × 600Povezuje se prek HDMI-ja in ga napaja sam Raspberry Pi. Mnogi modeli so zasnovani posebej za Raspberry Pi in imajo celo vgrajene zvočnike, kar omogoča integracijo večpredstavnostnih kontrol ali glasovnih ukazov. Velikost je nato odvisna od osebnih preferenc in razpoložljivega prostora: 7 palcev je običajno priročnih in diskretnih; 10 palcev ponuja nekoliko večjo površino, vendar je lahko večji, če ga želite namestiti na steno.

Eden najbolj presenetljivih projektov znotraj domače sfere je tako imenovani »Inteligentni radijski asistent Pi«Ta nastavitev, zgrajena na Raspberry Pi 4 in z uporabo tehnologije SDR (programsko definiran radio), spremeni Pi v glasovno aktiviranega domačega pomočnika, do katerega se dostopa prek voki-tokija. Obdeluje ukaze in vrača glasovne odgovore prek radia. To je drugačen način uporabe glasovnega pomočnika, podobnega komercialno dostopnim, vendar brez odvisnosti od storitev v oblaku in s popolnim nadzorom nad zasebnostjo.

Ta radijski asistent se integrira z aplikacijo Home Assistant, da lahko daljinsko upravljanje pametnih naprav (luči, vtiči, senzorji itd.) pri čemer vsa obdelava ostane lokalna. Na ta način dobite nekaj podobnega kot Alexa ali Google Assistant, vendar s prednostjo, da je vaše, ga lahko spreminjate in ne pošilja zvoka na zunanje strežnike.

Ta projekt je del večje zbirke Praktične nastavitve pametnega doma z Raspberry PiInternetni radii in MP3 predvajalniki z Bluetoothom, sodobni jukeboxi, sistemi za upravljanje savne z senzorji in aktuatorji (SaunaKit), avtomatizirane pražilnike kave in različne naprave, ki združujejo avtomatizacijo doma, zvok in daljinsko upravljanje. Vse se zanašajo na prilagodljivost Pi-ja za upravljanje vhodov in izhodov, povezovanje z omrežjem in zagon programske opreme po meri.

Glavne platforme programske opreme za pametni dom na Raspberry Pi

Da bi kar najbolje izkoristili Raspberry Pi kot možgane za domačo avtomatizacijo ali prehod za internet stvari, potrebujete dober programski paket. Na srečo, ekosistem odprtih orodij Ponudba rešitev za domačo avtomatizacijo za Raspberry Pi je obsežna, z možnostmi, ki ustrezajo skoraj vsakemu okusu in ravni izkušenj.

Trenutna zvezda je Home Assistant, odprtokodni sistem za avtomatizacijo, ki ga je mogoče namestiti kot Operacijski sistem Home Assistant (prej Hass.io)Slika, specifična za Raspberry Pi, ki združuje operacijski sistem, spletni vmesnik, mehanizem za avtomatizacijo in obsežen ekosistem dodatkov. S to rešitvijo je izkušnja zelo podobna izkušnji gospodinjskega aparata: sliko prenesete na kartico microSD ali SSD in ko ga vklopite, imate strežnik za domačo avtomatizacijo pripravljen za konfiguracijo.

Domači pomočnik izstopa po svojem podpora za ogromno število integracij: sistemi za nadzor svetlobe Podpira tehnologije, kot so Philips Hue, Zigbee, Z-Wave, Samsung SmartThings, Sonos, storitve, kot je IFTTT, medijske platforme, kot je Plex, in celo integracijo z Alexo in Google Assistantom, če želite združiti nadzor v oblaku in lokalni nadzor. Vmesnik je preveden v španščino, ima ogromno skupnost in dokumentacija je zelo dodelana, zaradi česar je to odlično priporočilo za vse, ki želijo začeti na pravi nogi.

Domoticz je še ena zelo priljubljena alternativa, lažja in z zelo nizka poraba virovIdealno, če želite izkoristiti skromnejši Raspberry Pi ali visoko optimizirano nastavitev. Združljiv je z Z-Wave, Zigbee, Philips Hue in številnimi drugimi napravami, omogoča konfiguriranje pravil, prizorov in rutin ter pošiljanje obvestil prek e-pošte ali aplikacij za sporočanje. Vse se upravlja prek spleta ali aplikacij drugih ponudnikov, zaradi česar je zelo vsestranski.

OpenHAB je platforma za domačo avtomatizacijo z dolga zgodovina in veliko specifične dokumentacije za Raspberry PiJe odprtokodna platforma z zvesto skupnostjo, več kot 200 razpoložljivimi integracijami in mobilnimi aplikacijami za Android in iOS. Osredotočena je na to, da je "lepilo", ki povezuje različne proizvajalce, protokole in tehnologije, z relativno preprosto nastavitvijo, če sledite navodilom po korakih.

Druge zanimive rešitve vključujejo Calaos (celovit operacijski sistem za domačo avtomatizacijo s podporo za zaslone na dotik, izvorne aplikacije in spletni strežnik, z večino dokumentacije v francoščini), Jeedom (prav tako odprtokoden, z možnostjo vnaprej konfiguriranih naprav za tiste, ki ne želijo vsega graditi iz nič), PiDome (posebej usmerjen za Raspberry Pi, s prilagodljivo ploščo) in LinuxMCE, ki združuje funkcije multimedijski center in domača avtomatizacija v zelo vsestranski distribuciji Linuxa.

Glasovni pomočniki in upravljanje naravnega jezika na Raspberry Pi

Poleg klasičnih platform za domačo avtomatizacijo obstajajo projekti, ki Raspberry Pi spreminjajo v popolnoma samostojen pametni glasovni asistentNajbolj znan primer je Mycroft, odprtokodni pomočnik, ki deluje na Linuxu in ima posebno sliko za Pi, pa tudi različice, ki so pripravljene za uporabo na standardnih distribucijah, kot je Raspberry Pi OS.

Z Mycroftom lahko sestavite svoj lasten "pametni zvočnik" na osnovi Raspberry Pi z uporabo USB mikrofon, zvočnik in microSD karticaOd tam je mogoče namestiti spretnosti (funkcionalne module), ki ponujajo stvari, kot so novice, nadzor medijev, spletne poizvedbe in seveda integracijo s sistemi za domačo avtomatizacijo za glasovno upravljanje luči, vtičnic ali drugih naprav.

Zelo zmogljiva možnost je kombinacija Mycrofta z operacijskim sistemom Home Assistant ali Plasma Bigscreen. Plasma Bigscreen je sistem, zasnovan tako, da Raspberry Pi spremeni v Domači kino računalnik z vmesnikom, podobnim Android TV-juki standardno vključuje tudi Mycroft. To pomeni, da lahko z eno samo namestitvijo imate multimedijski center, glasovnega asistenta in pametno nadzorno ploščo, bodisi v dnevni sobi, priključeni na televizor, bodisi na stenskem zaslonu na dotik.

Zgoraj omenjeni Pi Intelligent Radio Assistant je še en preobrat: namesto neposrednega mikrofona se za ustvarjanje zanaša na SDR radio in walkie-talkieje. decentraliziran govorni kanal, odklopljen od oblakaOhranjanje logike inteligentnega pomočnika, vendar s poudarkom na zasebnosti in scenarijih, kjer pokritost podatkov ni zagotovljena.

Raspberry Pi kot IoT prehod in strežnik

V širšem kontekstu interneta stvari Raspberry Pi deluje kot nekakšen osrednje vozlišče med fizičnim in digitalnim svetomSprejema podatke iz senzorjev (temperatura, vlažnost, kakovost zraka, prisotnost, poraba energije), jih obdeluje in posreduje drugim sistemom za shranjevanje, analizo ali vizualizacijo.

V tem kontekstu se močno zanaša na lahke protokole, zasnovane za naprave z omejenimi viri. Najpomembnejši je MQTT, standard, ki je praktično nepogrešljiv v kateri koli sodobni arhitekturi interneta stvari. Raspberry Pi lahko poganja posrednika MQTT, kot je Mosquitto, ki deluje kot stičišče za senzorje (ki objavljajo podatke) in aplikacije (ki jih porabljajo).

Lahko pa obvladuje tudi druge specifične protokole, kot so CoAP (optimiziran za majhne naprave)HTTP/HTTPS za bolj tradicionalne integracije, zahvaljujoč USB ključkom pa lahko deluje z omrežji z nizko porabo energije in dolgim ​​dosegom, kot so Zigbee, Z-Wave ali LoRaWAN. Bluetooth Low Energy (BLE) omogoča Pi komunikacijo z oddajniki, senzorji bližine in nosljivimi napravami.

Za vizualno orkestriranje podatkovnih tokov je zelo pogosto orodje na Raspberry Pi Node-RED, ki ponuja programiranje in povezave na osnovi vozliščZ njim se lahko na primer naročite na temo MQTT, obdelate prebrane podatke, jih shranite v začasno bazo podatkov, kot je InfluxDB, in jih nato prikažete z Grafano v prilagojenih nadzornih ploščah.

Če se uvajanje poveča, je zelo smiselno uporabiti Docker za kontejnerizacijo storitev interneta stvari (posrednik MQTT, spletni strežnik, domači asistent, podatkovne baze itd.) in celo platforme, kot je BalenaOS, za upravljanje geografsko porazdeljene flote naprav Raspberry Pi, kar poenostavi nadgradnje in obsežno vzdrževanje.

Praktična uporaba v gospodinjstvu, kmetijstvu, industriji in zdravstvu

Doma vam Raspberry Pi omogoča nastavitev česar koli, od preprostega nadzorna plošča za luči, žaluzije in ogrevanje vključno s sistemi za spremljanje energije in alarmi z povezane IP kamere in lokalno shranjevanje ali postaje za spremljanje kakovosti zraka. Prižigamo in ugašamo luči, upravljamo termostat, nastavljamo nočne ali počitniške scene in vse je centralizirano.

V kmetijstvu se Pi odlično ujema s projekti Pametno namakanje in povezani rastlinjakiSenzorji vlage v tleh, temperature in svetlobe nenehno dovajajo podatke Raspberry Piju; na podlagi pravil ali celo napovednih modelov odpira ali zapira elektromagnetne ventile, aktivira prezračevanje ali pošilja opozorila, če je kaj nenavadnega. Z LoRaWAN je mogoče pokriti velika območja, ne da bi povsod potrebovali Wi-Fi.

V okviru tako imenovane Industrije 4.0 se Raspberry Pi lahko uporablja za Zbiranje meritev iz strojev in električnih omaric, pošiljajo podatke v sisteme SCADA ali analitične platforme in s pomočjo knjižnic umetne inteligence, optimiziranih za ARM (TensorFlow Lite, PyTorch), izvajajo napovedno vzdrževanje: Pi sam zazna nenavadne vzorce, ki predvidevajo okvaro, s čimer se izognejo dražjim izpadom.

V sektorju zdravstva in raziskav se njegova zmogljivost izkorišča za obdelujte občutljive podatke brez potrebe po zunanjem oblakuTo vključuje lokalne postaje za spremljanje okolja (npr. nadzor delcev v laboratorijih), biomedicinske snemalne naprave v klinikah ali operacijskih dvoranah in raziskovalne platforme, kjer se informacije shranjujejo na strežnikih, ki jih nadzoruje sam center.

Vse to se zanaša na isti nabor komponent: lahke protokole, poceni, a zmogljivo ploščo, dobro vzdrževano programsko opremo za avtomatizacijo in možnost prilagodite stopnjo zahtevnosti glede na potrebeod enega samega senzorja do instalacij z več deset vozlišči.

Modeli Raspberry Pi in možnosti za pametne projekte

Ko razmišljate o projektu pametne naprave z Raspberry Pi, se morate odločiti kateri model najbolj ustrezaPreprosto senzorsko vozlišče na baterije ni isto kot strežnik za domačo avtomatizacijo z bazo podatkov, spletnim vmesnikom in obdelavo glasu.

Za zelo lahka opravila, kot sta branje enega ali dveh senzorjev in pošiljanje podatkov prek omrežja Wi-Fi ali UART, Raspberry Pi Zero ali Zero W To je več kot dovolj: porabijo zelo malo energije, so poceni in se prilegajo skoraj povsod. Za stensko ploščo na dotik ali resno središče pametnega doma je običajna izbira Pi 4 ali Pi 5, ki ponujata več RAM-a, boljši procesor in možnost uporabe hitrega SSD diska (v primeru Pi 5 celo NVMe).

Vmesni modeli, kot npr. Pi 3, 3 A+ in 3 B+ Še vedno so popolnoma primerni za številne namestitve in so pogosto cenovno dostopnejši na trgu rabljenih naprav. Ohranjajo povezljivost Wi-Fi, Bluetooth in GPIO, zato še naprej dobro delujejo kot tanki strežniki ali prehodi.

Če je poudarek na nadzoru v realnem času z izjemno nizko porabo energije, bi lahko bila ta družina zanimiva. Čipi Raspberry Pi Pico in RP2To so mikrokrmilniki in ne celotni računalniki. V mnogih projektih so kombinirani: mikrokrmilnik tipa ESP32 ali Pico obravnava odčitavanje senzorjev in lokalno aktiviranje, medtem ko običajni Raspberry Pi deluje kot prehod in možgani višje ravni.

Ključno je to razumeti Raspberry Pi in mikrokrmilniki si ne konkurirajo, ampak se dopolnjujejo.Mikrokrmilnik obravnava "strojno" opremo, medtem ko Pi centralizira, shranjuje zgodovino, zagotavlja nadzorne plošče in lahko izvaja zahtevnejšo logiko ali celo modele umetne inteligence.

Varnost in najboljše prakse pri pametnih projektih z Raspberry Pi

S pretvorbo Raspberry Pi v nadzorni center za številne pametne naprave, varnost domačega omrežja To ni več manj pomembna podrobnost in postane ključna. Ena sama napaka lahko odpre vrata do celotnega domačega omrežja ali industrijskih sistemov.

Prva stvar je vzdrževanje operacijskega sistema in paketov redno posodabljaRaspberry Pi OS in različne distribucije za domačo avtomatizacijo pogosto izdajajo varnostne popravke, zato jih je priporočljivo namestiti. Priporočljivo je tudi onemogočiti neuporabljene storitve in takoj spremeniti privzeta gesla.

Za oddaljeni dostop je najbolje uporabiti SSH z overjanjem ključa namesto preprostih gesel. V primeru povezav od zunaj doma je najbolje nastaviti VPN ali uporabiti varne mehanizme dostopa, ki jih ponujajo same platforme (na primer uradne storitve Home Assistant), namesto da vrata odpirate naključno.

Na področju komunikacij interneta stvari je zelo priporočljivo omogočiti TLS za MQTT in druge protokoletako da so podatki šifrirani. Poleg tega mnogi strokovnjaki priporočajo ločitev omrežja interneta stvari od preostalega domačega omrežja z uporabo VLAN-ov, da se v primeru vdora v napravo vpliv izolira.

Končno, če bo Pi nenehno pisal na disk (dnevnike, baze podatkov, zgodovino senzorjev), je to dobra ideja. Namesto preproste kartice microSD uporabite SSDki se veliko hitreje degradira. To poveča dolgoročno zanesljivost in zmanjša verjetnost kritičnih okvar v središču vašega pametnega sistema.

Glede na vse zgoraj navedeno je jasno, da se je Raspberry Pi uveljavil kot eden od temeljev pametnih naprav in sodobnega interneta stvari: združuje konkurenčno ceno, izjemno vsestranskost, zrel programski ekosistem (Home Assistant, Domoticz, OpenHAB, Mycroft, Node-RED, Mosquitto, Grafana, Docker, BalenaOS in mnogi drugi) ter sposobnost delovanja tako v domačih projektih kot v resnih aplikacijah v kmetijstvu, industriji ali zdravstvu, pri čemer ponuja zelo privlačno ravnovesje med močjo, stroški, lokalnim nadzorom in zasebnostjo.