Raspberry Pi (2ª Edición)

Por Daniel Rodolfo Schmidt

El objetivo de este libro es acercar al lector a Raspberry PI y su electrónica vinculada a sensores, pantallas, motores y una serie de dispositivos electrónicos controlados mediante Pyhton 3._x000D_
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Con un lenguaje claro y de forma secuencial se introduce al lector en la programación de Raspberry PI mediante el lenguaje Python y se muestra como_x000D_
desarrollar proyectos de electrónica de manera práctica y sencilla._x000D_
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Con esta obra el lector podrá aprender:_x000D_
• Los conceptos básicos de programación orientada a objetos (POO)_x000D_
• El desarrollo de interfaces gráficas de usuario_x000D_
• A interactuar con los GPIO de la Raspberry_x000D_
• A programar pantallas_x000D_
• A programar sensores_x000D_
• A programar motores_x000D_
• A programar Arduino_x000D_
• A comunicarse con un servidor web_x000D_
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Todo el contenido del libro se completa con numerosos_x000D_
ejemplos prácticos, que son descargables desde la web del libro, para que lector pueda poner en práctica los conocimientos adquiridos.

• Idioma: Español
• Editorial: RA-MA, S.A. Editorial y Publicaciones
• Fecha de lanzamiento: 28 jul 2022
• ISBN: 9788419444219

Vista previa del libro

Acerca de este libro

El objetivo de este libro es acercar al lector a Raspberry PI y su electrónica vinculada a sensores, pantallas, motores y una serie de dispositivos electrónicos controlados mediante Python 3. Como algunos dispositivos requieren de un software propio en algunos casos veremos código Arduino para dispositivos periféricos como enlaces de radio LoRa.

Son muchos los ejemplos propuestos y todos pueden descargarse desde un enlace publicado al finalizar el libro.

Comentarios del autor

Para las personas familiarizadas con la programación en entornos informáticos entender un código no presenta mayores desafíos, incluso desarrollar la idea desde cero puede no presenta problemas. Pero cuando este código se debe vincular a electrónica y se deben respetar niveles de voltajes, tiempos, señales y protocolos de comunicación la historia se complica un poco.

Para los que venimos del Hardware las cosas suelen ser inversas, podemos entender electrónica pero se nos complica el panorama a la hora de hablar de software.

El presente trabajo no pretende convertir al lector en un experto desarrollador de aplicaciones con Raspberry PI pero si colocarlo en el camino.

A partir de este punto dependerá de usted hasta donde quiera llegar y que tan largo será ese camino.

Gracias por permitirme ser parte de su caminar.

Daniel Schmidt

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comenzando con raspberry pi

Que es Raspberry PI

La versión primitiva del Raspberry Pi data de 2006 y no era más que un micro-controlador con un circuito impreso. No fue hasta 2011 cuando se crearon los primeros prototipos de este micro-computador, prototipos que en 2012 se convirtieron en un producto finalizado y listo para llegar a todo aquel que buscaba una microcomputadora.

Aunque la Fundación Raspberry siempre ha querido fabricar sus micro-ordenadores en Reino Unido, teniendo así controlado todo el proceso, debido a la alta demanda, muy superior a la esperada, las primeras 10.000 unidades tuvieron que fabricarse en China y Taiwan, acelerando el proceso de fabricación y, además, ahorrando una importante cantidad de dinero en impuestos.

En 2019 la Raspberry Pi Foundation lanzaba el Raspberry Pi 4 Model B.

Raspberry PI 4.

Si funciona bien, ¡no lo toques! y la gente de Raspberry tienen clara esa idea, apenas han modificado el diseño de sus pequeñas placas desde que se lanzó la primera Raspberry PI.

La nueva Raspberry Pi 4 conserva muchos de los principios de sus antecesoras: la posición y disposición de casi todos los conectores y chips es la misma, y en uno de los extremos tenemos el conector de red y los cuatro puertos USB, aunque en este caso están invertidos con respecto a la RPi 3 Model B/+.

En el lateral largo más relevante seguimos teniendo el conector de auriculares, pero es ahí donde llegan los cambios más importantes en el diseño, porque desaparece el puerto HDMI de tamaño completo para sustituirse por dos conectores Micro HDMI que son capaces de ofrecer conexión a monitores 4K a 60 Hz.

Junto a ellos está la otra gran modificación de la RPi 4 respecto a su antecesor, la alimentación ya no corre a cargo del puerto Micro USB, sino que se realiza vía un puerto USB-C, sucesor de los Micro-USB y que es capaz de suministrar 5V y 3A para una potencia total de 15W.

Por lo demás, seguimos contando con el conector GPIO de 40 pines, el conector MIPI CSI de dos pistas para la cámara de la Raspberry Pi o el conector para utilizar por ejemplo el PoE HAT, que permite que podamos encender la RPi4 mediante su conexión Ethernet.

Muchos son los cambios a nivel interno ya que hace uso de un nuevo procesador ARM Cortex-A72 a 1,5 Ghz. El Broadcom BCM2711B0 es un salto radical, no tanto por esa engañosa frecuencia de trabajo (era de 1,4 GHz en la RPi3B+) sino por estar fabricada con litografía de 28 nm en lugar de los 40 nm de los Broadcom anteriores.

En cuanto a placas Raspberry, todos los ejemplos propuestos en el curso funcionan con cualquiera de las placas Rasberry sin embargo los modelos mas nuevos ofrecen un rendimiento mucho mejor y mayor conectividad al tener WiFi y Bluetooth ya incorporados.

Para trabajar con electrónica el sistema que consideramos mas adecuado es Raspbian una distribución de Linux Debian especialmente adaptada para Raspberry PI.

¿Que es GNU Linux?

Haciendo una definición muy minimalista podemos decir que Linux es un sistema operativo para computadoras, el equivalente a Windows pero de uso libre. Linux no se compra se descarga desde la red, se instala y se usa, lo mismo con los programas para Linux todos de uso libre por lo que no hay necesidad de craks o seriales, simplemente se usan.

No pretendo entrar en la discusión si Linux o Windows o cual es mejor o mas eficiente, creo que el sistema mas eficiente y el que mejor funciona es simplemente el que mejor cubre las necesidades que tenga el usuario, ya sea Windows, Linux o cualquier otro.

En el mundo de Internet sin embargo Linux corre con algunas ventajas puesto que nació en la red y ese ha sido siempre su ámbito natural, el sistema operativo preferido para servidores por su robustez, seguridad y agilidad para moverse en Internet.

GNU Linux es el núcleo o Kernel del sistema operativo. Un sistema computacional está formado por varias partes, podemos ver esto de manera muy simplificada como capas.

En estas capas se distribuyen los programas, los controladores de hardware y los propios sistemas de control para mantener el funcionamiento electrónico de la computadora.

Ahora bien dependiendo de la distribución de Linux serán las aplicaciones que podemos tener disponibles.

Ubuntu, Fedora, OpenSuse, ReadHat, Manjaro, Debian, etc, son distribuciones.

Todas comparten el kernel, el núcleo Linux pero cada una de ellas tiene su propio "arsenal" de programas, librerías y drivers dependiendo de la distribución.

Hay distribuciones que son mas "amigables" que otras, mas simples de usar, Ubuntu es por lejos una de ellas sin embargo en el mundo de los servidores y electrónica en general Debian se lleva todos los honores por ser muy solido y robusto.

Debian origina a Ubuntu y otras tantas distribuciones tienen su origen en Debian, un sistema que se distingue por su solidez que una vez de iniciado siempre funcionará.

Las cosas en el mundo Linux son un poco distintas a Windows, Linux trabaja con repositorios (Algo que Microsoft ha copiado en las últimas versiones de Windows), estos repositorios contienen todo el software de la distribución elegida, estos repositorios son oficiales, muy cuidados, y como instalamos software de estos repositorios no hay problemas con virus o software malicioso y si algo no funciona como debe rápidamente es corregido y actualizado el repositorio.

Conforme se actualizan los repositorios se actualiza el software que tenemos corriendo en nuestra computadora.

Linux no es Windows, y si bien hacen cosas mas o menos parecidas, entre si tienen poco o nada en común.

En Linux todo es un archivo, el teclado, el monitor, el disco duro, etc. Y como todo archivo tiene un propietario y pertenece a un grupo de archivos. En Linux somos un usuario que tenemos nuestro espacio, nuestro "home y seremos propietarios de todos los archivos que creemos y tendremos control de todos estos archivos y pertenecemos al grupo principal de usuarios" este grupo a su vez pertenece a los grupos básicos que le permiten acceso al teclado, monitor, etc, para que se tenga un uso mínimo del sistema. Esto es de vital importancia porque por ejemplo existe un grupo llamado "dialout" que no es otra cosa que las comunicaciones por la USART (RS-232) y si no pertenezco al grupo no podre usar estos recursos de hardware, los mismo para el Wi-Fi, la impresora, etc.

Desde Debian se desprende Raspbian, el Debian de Raspberry PI.

RECORDAR

Todo en Linux es un archivo con atributos de uso, y todo pertenece a grupos, para usar un recurso debo tener acceso al grupo, se debe pertenecer al grupo, existen comandos con los que podemos sumarnos a un determinado grupo.

¿Que es Raspbian?

Es una distribución del sistema operativo Gnu-Linux y por lo tanto libre basado en la distribución de Linux Debian.

Al ser una distribución de GNU-Linux las posibilidades son infinitas. Todo el software de código abierto puede compilarse incluso en la propia placa Raspberry. Además esta distribución, como la mayoría, contiene repositorios donde el usuario puede descargar multitud de programas como si se tratase de un Linux para escritorio. Todo esto hace de Raspberry un dispositivo que además de servir como placa con un microcontrolador clásico, tenga mucha de la funcionalidad de una computadora personal.

Lo que lo puede convertir en una alternativa a costosos PLC o incluso, cuando el nivel de conocimientos sobre electrónica es escaso, puede servir como alternativa para el desarrollo de complejos sistemas de control aplicando muy pocos conocimientos técnicos.

Raspberry puede verse desde el punto de vista "electrónico-modular" como un nivel superior de la clásica arquitectura Arduino donde muchos de sus periféricos y módulos son aplicables a Raspberry incluso el mismo Arduino.

Raspbian se descarga desde el enlace de la fundación Raspberry como así también Noobs que es un paquete completo conteniendo muchos otros sistemas operativos para orientar nuestra Raspberry a la necesidad específica que se busque cubrir.

Básicamente Raspberry utiliza la memoria SD como un disco de estado solido, es importante que prestemos especial atención a la velocidad de la memoria que debe ser del tipo mas rápido que se pueda conseguir.

Como nos interesa Rasbian solo descargamos este archivo en formato zip que contiene un archivo "img" del sistema operativo Linux-Raspbian.

Descarga del Sistema Operativo Raspbian.

Para bajar la imagen de Raspbian a la memoria SD simplemente descomprimimos el archivo zip que descargamos y copiamos todos los archivos en la memoria SD.

CUIDADO

Nunca retire o inserte la memoria SD en la placa Raspberry estando esta funcionando.

Si esta trabajando con Linux puedo salvar los datos de la memoria en un archivo IMG escribiendo en la línea de comandos.

sudo dd if=/dev/mmcblk0 of=/home/daniel/raspimagen.img bs=4M

Donde raspimagen.img será el archivo imagen creado, 4M indica que se procesaran paquetes de 4MB para agilizar el proceso.

Para recuperar una imagen y escribirla en una memoria SD escribimos.

sudo dd if=/home/usuario/raspimagen.img of=/dev/mmcblk0 bs=4M

Suponiendo claro que hemos dejado la imagen en el directorio home del usuario.

Iniciando la placa Raspberry

Una vez que tenemos nuestra imagen en la memoria SD la colocamos en la Raspberry junto con un monitor HDMI, un teclado, un ratón y un cable de red en el correspondiente puerto RJ45 conectado a nuestro router de Internet, si estamos usando una Raspberry con WiFi deberemos configurar el acceso a la red como cualquier dispositivo que queremos sumar a nuestra red (Pass y Nombre de la red).

Luego veremos como prescindir de todo esto y manejar nuestra Raspberry mediante un escritorio remoto.

NOTA

Raspberry PI se alimenta con 5V si coloca otro voltaje destruirá la placa!!!.

Secuencia de arranque de Raspberry PI

Raspberry no es otra cosa que una computadora y como tal tiene una secuencia de arranque o boot que cumple los siguientes pasos en placas anteriores a la versión 4.

El arranque en la etapa uno solo la GPU está activada, CPU e incluso la CPU están apagadas, se ejecuta un pequeño código embebido en la ROM GPU, como la SDRAM no esta activa se carga en la memoria caché L2 y se inicia la etapa dos.

En la etapa dos se ejecuta bootcode.bin esto activa la SDRAM, inicia la etapa tres.

La etapa tres se carga en memoria y ejecuta loader.bin. Y se inicia la última etapa de arranque.

La ejecución del archivo start.elf carga kernel.img que finalmente contiene la imagen del sistema operativo.

En Raspberry PI 4 las cosas son un poco diferentes (bastante), con el nuevo chip BCM2711 viene un proceso de arranque nuevo y mas sofisticado. Se ha sumado una memoria EEPROM de 512 KBytes vinculada al BCM2711 mediante el bus SPI que contiene el archivo bootcode.bin que en versiones anteriores se encontraba en la memoria SD.

Flujo de arranque para Raspberry PI.

El flujo de arranque del Pi4 es el siguiente:

Activa el chip BCM2711 y la memoria EEPROM.

Un código boot a bordo comprueba el archivo de recuperación del cargador de arranque recovery.bin en la tarjeta SD. Si lo encuentra, lo ejecuta para actualizar la EEPROM y recovery.bin desencadena un reinicio, de lo contrario, la ROM de arranque carga el cargador de arranque principal desde la EEPROM.

Bootloader comprueba su elemento de configuración BOOT_ORDER para determinar qué tipo de arranque realizar, si desde la tarjeta SD, red o