Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích

Pedagogická fakulta

Oddělení celoživotního vzdělávání

Závěrečná práce

Raspberry PI jako pomůcka ve výuce

odborných předmětů

Vypracoval: Mgr. Tomáš Svatek

Vedoucí práce: Ing. Michal Šerý, Ph.D.

České Budějovice 2016

Prohlášení

Prohlašuji, že svoji závěrečnou práci jsem vypracoval samostatně pouze s použitím

pramenů a literatury uvedených v seznamu citované literatury.

Prohlašuji, že v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb. v platném znění souhlasím se

zveřejněním své závěrečné práce, a to v nezkrácené podobě elektronickou cestou ve

veřejně přístupné části databáze STAG provozované Jihočeskou univerzitou v Českých

Budějovicích na jejích internetových stránkách, a to se zachováním mého autorského

práva k odevzdanému textu této kvalifikační práce. Souhlasím dále s tím, aby toutéž

elektronickou cestou byly v souladu s uvedeným ustanovením zákona č. 111/1998 Sb.

zveřejněny posudky školitele a oponentů práce i záznam o průběhu a výsledku obhajoby

kvalifikační práce. Rovněž souhlasím s porovnáním textu mé kvalifikační práce s databází

kvalifikačních prací Theses.cz provozovanou Národním registrem vysokoškolských

kvalifikačních prací a systémem na odhalování plagiátů.

V Českých Budějovicích dne 10. června 2016 Tomáš Svatek

Anotace

Tato práce se zabývá popisem a základním využitím mini počítače Raspberry Pi, konkrétně

jeho třetí verze. Práce obsahuje popis rozdílů jednotlivých modelů, druhy operačních

systémů a možnosti komunikace periférií. Praktická část se pak zaměří na instalaci

operačního systému s popisem řešení možných problémů. Součástí je i naprogramování

jednoduché aplikace pro síťovou komunikaci (Wi-Fi modul).

Klíčová slova:

Raspberry Pi, Noobs, Raspbian, Windows 10 IoT Core, Ubuntu Mate, Risc OS, ARM, Pinet,

BerryIO, WebIOPi

Abstract

This thesis deals with the description and basic usage of the mini computer Raspberry Pi,

specifically its third version. The thesis includes the description of individual models,

types of operating systems and the possibilities of peripheral communication. The

practical part is focused on installation of the operational system with a guide to the

solution of potential problems. Programming of an application for simple network (Wi-Fi

modul) communication is also included.

Key words:

Raspberry Pi, Noobs, Raspbian, Windows 10 IoT Core, Ubuntu Mate, Risc OS, ARM, Pinet,

BerryIO, WebIOPi

Poděkování

Chtěl bych tímto poděkovat svému vedoucímu práce Ing. Michalu Šerému, Ph. D. za

cenné rady, připomínky a doporučení. Dále bych chtěl poděkovat svému kamarádovi

Mgr. Dis. Vítu Barabášovi za poskytnutí některých informací.

Obsah

1 Úvod ............................................................................................................................... 7

1.1 Cíle práce ................................................................................................................. 7

2 Raspberry Pi ................................................................................................................... 8

2.1 Dostupné modely a technické specifikace .............................................................. 9

2.1.1 GPIO ................................................................................................................. 9

2.1.2 Raspberry Pi 1. generace ............................................................................... 11

2.1.3 Raspberry Pi 2. generace ............................................................................... 12

2.1.4 Raspberry Pi 3. generace ............................................................................... 13

2.2 Dostupné moduly .................................................................................................. 14

2.2.1 Sense HAT ...................................................................................................... 14

2.2.2 Výpočetní modul ............................................................................................ 15

2.2.3 UniPi ............................................................................................................... 15

2.2.4 Rozpočet ........................................................................................................ 16

2.3 Operační systémy pro Raspberry Pi ...................................................................... 17

2.3.1 Noobs ............................................................................................................. 18

2.3.2 Raspbian ......................................................................................................... 19

2.3.3 Ubuntu Mate .................................................................................................. 21

2.3.4 Windows 10 IoT CORE ................................................................................... 23

2.3.5 OSMC ............................................................................................................. 28

2.3.6 LibreELEC ........................................................................................................ 29

2.3.7 Risc OS ............................................................................................................ 30

2.3.8 PINET .............................................................................................................. 31

3 Praktická část ............................................................................................................... 33

3.1 Vzdálené ovládání Raspberry Pi ............................................................................ 33

3.1.1 BerryIO ........................................................................................................... 33

3.1.2 WebIOPI ......................................................................................................... 35

3.2 Obsluha komunikace ............................................................................................. 43

4 Využití Raspberry Pi ve výuce ...................................................................................... 46

4.1 Výhody podle předmětů ....................................................................................... 46

4.2 Možné využití a nápady na projekty ..................................................................... 48

5 Závěr ............................................................................................................................ 51

6 Seznam použité literatury a online zdrojů ................................................................... 52

7 Seznam obrázků ........................................................................................................... 55

7

1 Úvod

V dnešní době přemíry elektroniky se snažíme studentům nejen technických oborů co

nejvíce přiblížit fungování a řízení jednotlivého hardwaru, od procesoru přes různé

periférie. S tímto trendem vznikají malé jednodeskové počítače, které jsou modulární

a nechají se snadno upravovat.

Studenti si tyto technologie sami hledají a zajímají se o to, jak určité věci fungují.

Vzhledem k tomu, že jsem již měl několik dotazů ohledně tohoto zařízení, stala se tato

práce příležitostí popsat základní prvky jednoho z nejrozšířenějších zařízení, a to

Raspberry Pi1.

1.1 Cíle práce

Cílem práce v teoretické části je vytvořit jednoduchého průvodce pro úplné začátečníky,

který se bude dotýkat dostupných modelů Raspberry Pi s popisem rozdílů a podá výčet

některých dostupných modulů od senzorů a čidel až po servo motory a LCD displeje.

Další částí bude popis operačních systémů dostupných pro Raspberry Pi, postup jejich

instalace, základní práce a popis možných problémů, které jsou již známé, či se s nimi

setkám teprve v průběhu práce.

Hlavní náplní praktické části bude nainstalovat různé operační systémy, vyzkoušet je

a poté popsat v teoretické části.

Dalším úkolem bude napsat v některém programovacím jazyce napsat program, který

bude snímat komunikaci po Wi-Fi modulu a data bude vypisovat do konsole a ukládat do

souboru.

1 https://www.raspberrypi.org/

8

2 Raspberry Pi

Raspberry Pi® je malý jednodeskový počítač velikosti platební karty, který byl vyvinut

britskou nadací Raspberry Pi Foundation [1.], a to za účelem podpory výuky informatiky

na školách za pomoci řešení různých problémů, které s výukou souvisí, za pomoci modulů

a měřicích zařízení, jichž je pro tento počítač k dispozici již několik desítek.

obrázek 1 – Logo Raspberry Pi [1.]

Obrovskou výhodu vidím ve velké uživatelské podpoře. Na oficiálních stránkách jsou

dostupné různé projekty rozdělené do několika kategorií:

pro učitele

pro studenty

samostatné projekty pro Raspberry Pi

Raspberry Pi Foundation se snaží dodat potřebné znalosti a schopnosti všem bez ohledu

na jejich zkušenosti. K tomu slouží tzv. PICADEMY. Jedná se o úvodní dvoudenní učitelský

kurz. První den se zaměřuje na to, jak ovládat jednotlivé prvky, jako jsou LED diody

a tlačítka, věnuje se programování v prostředí Sonic Pi a úpravě světa Minecraft.

Druhý den se pak účastníci mají učit vymýšlením vlastních projektů za pomoci komunikace

s ostatními.

Další výhodou je vlastní komunita. Existuje řada neoficiálních webů s návody, nápady,

projekty a radami pro Raspberry (viz 4.2).

9

2.1 Dostupné modely a technické specifikace

Mini počítač Raspberry Pi prošel od svého vzniku několika verzemi a úpravami a zatím se

zdá, že vždy jen k lepšímu. Pro zkoušení obvodů a programování doporučuji použít

nepájivou propojovací desku na zkoušení obvodů. Pro základní zkoušení si vystačíme

s rezistory, LEDkami, spínačem atp. Pro propojení stačí tzv. ribbon kabely.

obrázek 2 - Raspberry Pi 3 Model B2

Všechny modely jsou osazeny procesory značky ARM3 od ARM Holdings4, která je na trhu

již od roku 1985. Grafický procesor s podporou OpenGL ES 2.05 a fullHD, tedy s rozlišením

1920x1080, je ve všech modelech od firmy Broadcom6, a to model VideoCore IV, u

kterého se v průběhu času měnila taktovací frekvence. Ta se u procesorů ARMv7

pohybovala na 250 MHz. U procesorů ARMv8 je to potom 300MHz. Jedná se o grafické

čipy, kterými jsou osazeny i mobilní telefony.

2.1.1 GPIO

Jedná se dvouřad pinů, které slouží ke komunikaci s hardwarem. Můžeme například

zobrazit čísla na display, rozpohybovat servo motůrek či rozsvítit LED diodu a to vše

pomocí libovolného programovacího prostředí, jako Python, Visual Studio či Ruby.

2 http://www.auseparts.com.au/index.php?route=product/product&product_id=188 3 Advanced RISC Machine (Reduced Instruction Set Computing) 4 http://www.arm.com/ 5 OpenGL for Embedded Systems – počítačové vykreslování 2D a 3D grafiky ve videohrách pro malé systémy (tablety, smartphony, ...) 6 https://www.broadcom.com/

10

Zkratka vychází z anglického General Purpose Input/Output. Signál lze jak přijímat, tak

odesílat, a to na nízké úrovni komunikace s hardwarem. Raspberry má takovýchto pinů

čtyřicet, ne všechny však mají obecné použití. Některé se musí používat výlučně na to,

k čemu byly vyrobeny. Při používání GPIO se musí dávat pozor, protože piny jsou

připojeny bez ochrany přímo na čip a ten zvládá nejvýše 3,3 V [3.].

obrázek 3 - Raspberry Pi GPIO7

Můžeme si povšimnout dvou pinů pro napájení 3,3 V, dvou pinů pro napájení 5 V a osmi

pinů pro uzemnění. Pokud budeme například chtít rozsvítit diodu, stačí ji připojit katodou

na napájení 3,3 V a anodou uzemnit. V programovacím jazyku pak například můžeme

vypnout přívod elektrické energie k diodě.

Pro práci s dostupnými perifériemi a moduly je důležitá znalost GPIO pro Raspberry Pi.

Samozřejmě moduly nejsou podmínkou a mini počítač je možno používat pouze

s operačním systémem, a to například jako multimediální centrum, WEB server nebo FTP

server.

7 http://pinout.xyz/pinout/pin5_gpio3

11

2.1.2 Raspberry Pi 1. generace

První generace Raspberry Pi bylo vyráběno v modelech A, A+, B, B+. Modely A, A+, B se již

nevyrábí. Model B+ je možno dostat na speciální objednávku.

Typ A A+ B B+

Datum vydání Únor 2013 Listopad

2014 Duben - květen

2012 Červenec 2014

SoC8 Broadcom BVM2835

CPU 700 MHz jedno-jádro ARM1176JZF-S; 32-bit

GPU Broadcom VideoCore IV 250 MHz

Paměť 256 MB SDRAM @ 400 MHz 512 MB SDRAM @ 400 MHz

USB 2.0 1x 2x 4x

Video Vstup 15-pinové MIPI9 kamerové rozhraní (CSI)

Video výstup HDMI

Audio výstup 3,5 mm jack

Úložiště na desce

SD / MMC / SDIO MicroSDHC SD / MMC / SDIO MicroSDHC

Síťové rozhraní Žádné 10/100 Mbit/s Ethernet

Zdroj 5V; 2A

tabulka 1 - Technické specifikace modelů 1. generace [2.]

obrázek 4 - z leva: A+; B 1. generace rev. 1.2 [2.]

8 System on Chip – Systém na čipu – integrovaný obvod, který obsahuje všechny součásti počítače v jediném čipu 9 https://en.wikipedia.org/wiki/MIPI_Alliance

12

2.1.3 Raspberry Pi 2. generace

Tento model nahradil model Raspberry Pi 1 model B+. Oproti svému předchůdci má vyšší

takt procesoru a dvojnásobnou operační paměť. Díky ARMv7 procesoru umožnuje plnou

podporu běhu ARM GNU/Linux distribucí, stejně jako MS Windows 10 Core.

Typ B

Datum vydání Únor 2015

SoC Broadcom BCM 2836

CPU 900 MHz; 32-bit; 4-jádro; ARM Cortex-A7

GPU Broadcom VideoCore IV 250 MHz

Paměť 1GB SDRAM @ 400 MHz

USB 2.0 4x

Video Vstup 15-pinové MIPI kamerové rozhraní (CSI)

Video výstup HDMI

Audio výstup 3,5 mm jack

Úložiště na desce MicroSDHC

Síťové rozhraní 10/100 Mbit/s Ethernet

Zdroj 5V; 2A

tabulka 2 - Technické specifikace modelu 2. generace [2.], [11.]

obrázek 5 - model B 2. generace [2.], [11.]

13

2.1.4 Raspberry Pi 3. generace

Vzhledově se neliší od svého staršího předchůdce (viz obrázek 5), ale na rozdíl od něj je

tento osazen čtyřjádrovým 64bitovým procesorem ARMv8. Zvýšilo se také taktování

grafického čipu. Dále přibyla síťová rozhraní, a to Wi-Fi modul podle standardu 802.11n

a rozhraní Bluetooth 4.1.

Typ B

Datum vydání Únor 2016

SoC Broadcom BCM 2837

CPU 1.2 GHz; 64-bit; 4-jádro; ARM Cortex-A53

GPU Broadcom VideoCore IV 300 MHz

Paměť 1GB SDRAM @ 400 MHz

USB 2.0 4x

Video Vstup 15-pinové MIPI kamerové rozhraní (CSI)

Video výstup HDMI

Audio výstup 3,5 mm jack

Úložiště na desce MicroSDHC

Síťové rozhraní 10/100 Mbit/s Ethernet

802.11n Wi-Fi Bluetooth 4.1

Zdroj 5V; 2A

tabulka 3 - Technické specifikace modelu 3. generace [2.], [11.]

obrázek 6 - Raspberry Pi 3 model B [11.]

14

2.2 Dostupné moduly

Na základě použití určitých modulů se nechá vytvořit „derivát“ z Raspberry Pi. Například

použitím modulu Sense HAT, kamerového modulu, infra kamery a leteckého pouzdra

dostaneme Astro Pi [14.].

Možné dostupné moduly:

kamera

infračervená kamera

Sense HAT – senzorová karta

PiGlow – malá destička s 18 LED, které se nechají ovládat nezávisle na sobě [13.]

deska UniPi – rozšiřující deska pro automatizaci [12.]

Wolfson Cirrus audio karta – rozšiřující zvuková karta [12.]

PiFace relé

PiFace digital – rozšiřující modul pro kontrolu světel, motorů, monitorování

digitálních vstupů

LCD display10

HiFiBerry AMP+ – zesilovač

RasPiComm RS485/RS232

SHIM RTC realtime clock – zajištění nastavení času při výpadku

Raspberry Pi výpočetní modul

Seriál I/O expander – modul pro rozšíření sériových vstupů

RasPiO11 – sada modulů pro Raspberry Pi

Level Converter – dokáže zkonvertovat 3,3 V na 5 V a naopak

2.2.1 Sense HAT

Jedná se o senzorovou kartu, která je navržena pro Astro Pi. Obsahuje:

matici 8x8 RGB LED

malý pětitlačítkový joystick

Senzory:

o Akcelerometr

o Gyroskop

o Magnetometr

o Teploměr

o Tlakoměr

o Vlhkoměr

Astro Pi, s tímto modulem, bylo reálně použito na vesmírné stanici ISS.

10 http://heikki.virekunnas.fi/2015/raspberry-pi-tft/ 11 http://rasp.io/

15

obrázek 7 - Raspberry Pi s modulem Sense HAT

2.2.2 Výpočetní modul

Jedná se modul vzhledově připomínající paměti SODIMM. K dostání je balíček, který

obsahuje výpočetní modul (CM – Compute Module) a vstupně výstupní výpočetní desku

(CMIO). Cena tohoto „kitu“ se pohybuje kolem 2700 Kč.

obrázek 8 - výpočetní modul – kit [11.]

2.2.3 UniPi

Jedná se o řídicí jednotku, která má za úkol sbírat vstupní informace a řídit zařízení třetích

stran pomocí výstupů, a to na základě naprogramovaných algoritmů. Použití je například

v ovládání chytrých budov [15.]:

Přístupové systémy

Bezpečnostní systémy

Topné a chladicí prvky

Větrání a rekuperace

16

Solární systémy

Ovládání světelných prvků

…

obrázek 9 – UniPi [15.]

Zkratka je odvozena od slova univerzální. Cena této řídicí jednotky se pohybuje kolem

120 €, tedy zhruba 3200 Kč. Programování probíhá pomocí Python knihovny, nicméně

jsou vyvinuty i jiné programovací systémy, např. EVOK12 či REX13.

2.2.4 Rozpočet

(ceny jsou orientační):

Raspberry Pi 3 sada (výhodnější cena): 1700 Kč

o Raspberry Pi 3: 1200 Kč

o microSDHC karta: 300 Kč

o adaptér: 200 Kč

o oficiální krabička: 200 Kč

USB klávesnice: 200 Kč

USB myš: 200 Kč

nevýsledná cena samozřejmě záleží na modulech, které chceme používat. Například:

PiGlow: 250 Kč

Sense HAT: 1050 Kč

LED: 15 – 30 Kč

Nepájivé kontaktní pole: 150 Kč

Sada 600 rezistorů: 308 Kč

Sada ribbon kabelů: 150 Kč

Sada drátkových propojek: 330 Kč

12 http://elektro.tzb-info.cz/merici-a-regulacni-technika/11391-vyuziti-odpadniho-tepla-z-pocitacu-pro-vytapeni-budovy 13 https://www.rexcontrols.cz/rex

17

2.3 Operační systémy pro Raspberry Pi

Pro Raspberry Pi existuje několik operačních systémů [1.] a uživatelům nic nebrání v tom,

udělat si například vlastní distribuci Linuxu.

NOOBS

Raspbian

Ubuntu Mate

Windows 10 IoT Core

OSMC

LibreELEC

Risc OS

Pinet

Co budeme potřebovat:

Internet

microSDHC kartu (min. 8 GB třídy 10 – osobně doporučuji SanDisk nebo Kingston)

trpělivost

Win32 Disk Imager14

čtečka karet

Konkrétní software popíši u jednotlivých systémů.

14 https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/

18

2.3.1 Noobs

Technicky se nejedná přímo o plnohodnotný operační systém, ale jakousi utilitu, pomocí

které můžeme nainstalovat námi vybraný operační systém.

obrázek 10 - NOOBS 1.9 rozhraní (autor: Tomáš Svatek)

Na obrázku si můžeme povšimnout, že na výběr máme ze čtyř operačních systémů, které

můžeme nainstalovat pomocí rozhraní NOOBS. To má v sobě i internetový prohlížeč, který

můžeme využít. Nicméně jiné funkce bohužel nenabízí.

19

2.3.2 Raspbian

obrázek 11 - Logo Raspbian [1.]

Jedná se o Linuxovou distribuci pro Raspberry Pi, která je odvozená od oblíbené linuxové

distribuce Debianu. Není vytvářen pod hlavičkou Raspberry Pi Foundation, ale je oficiálně

podporován a je k získání z oficiálních stránek Raspberry. První verze tohoto systému

vyšla v roce 2012 a je stále vyvíjena.

Instalace

Co budeme potřebovat:

ISO Raspbianu [1.]

Win32 Disk Imager (v případě Linuxu ImageWriter)

Min. 8 GB MicroSD kartu (třída 10+)

Stáhneme a rozbalíme ISO soubor s imagem Raspbianu. Stáhneme, nainstalujeme

a spustíme Win32 Disk Imager. Najdeme naše ISO a klikneme na write. Proces zabere pár

minut. Po jeho dokončení bychom si měli všimnout, že se nám SD karta rozdělila na

několik oddílů. V případě updatu by na daném oddílu nebyl dostatek místa.

Naštěstí tohle řeší Raspbian sám. Po spuštění systému je možné spustit konfiguraci

Raspberry Pi. Lze nastavit například [19.]:

1. Expand Filesystem – Po nakopírování na SD kartu využívá Raspbian pouze malou část celkové kapacity, necelé 3 GB. Touto volbou bude využívat celou kapacitu karty.

2. Change User Password – Změna hesla k účtu. Výchozí jméno je "pi" a heslo "raspberry". Doporučuje se změna hesla hned při prvním spuštění.

3. Enable Boot to Desktop/Scratch – Nastavení, jestli se má Raspbian spouštět v grafickém režimu, textovém režimu nebo v režimu aplikace Scratch.

4. Internationalisation Options – změna jazyka, časového pásma a rozložení klávesnice.

5. …

20

obrázek 12 - Raspbian: nastavení a přehled programů

Raspbian systém je připraven pro výuku. Má již v sobě nainstalována různá vývojová

prostředí pro výuku programování od jazyku JAVA přes Python, Scratch, Sonic Pi po

Wolfram.

Výchozí uživatelské jméno a heslo jsou:

pi

raspberry

21

2.3.3 Ubuntu Mate

obrázek 13 - Logo Ubuntu Mate [18.]

Jedná se další distribuci odvozenou od známých Ubuntu. Tento systém je stejný jako

klasický desktop s desktopovým manažerem Mate. Je vhodný pro začátečníky. Mate je

intuitivní a toho, kdo se běžně pohyboval ve Windows nebo MacOS, ničím úplně

nepřekvapí.

Instalace

Instalace je trochu složitější, nicméně daleko jednodušší než u Windows 10 IoT (viz 2.3.4).

Co tedy budeme potřebovat:

ISO Ubuntu Mate [18.]

Win32 Disk Imager

Min. 8 GB MicroSD kartu (třída 10+)

doporučuji ještě Live Linux libovolnou distribuci s gparted.

Postup je stejný jako u Raspbianu (viz Instalace - Raspbian), jen s jednou změnou a tou je

změna velikosti systémového oddílu.

Řešením je změnit jeho velikost, nicméně to se z MS Windows udělat nedá, byť ho v Disk

Manageru můžeme vidět. Neprošel mi ani Paragon Partition Manager Free 1415. Proto je

možností spustit Live Linux (např. Mint16), který v sobě má program gparted, používaný

právě pro práci s oddíly na disku.

Odpojíme (unmountnem) 4 GB oddíl s názvem PI_ROOT

Vybereme cca 4 GB oddíl s názvem PI_ROOT

Vybereme z menu Resize a roztáhneme na požadovanou velikost (necháme nějaký

prázdný prostor pro swap)

Aplikujeme změny

Vyjmeme kartu a vložíme do Raspberry Pi

15 http://www.paragon-software.com/home/pm-express/ 16 https://www.linuxmint.com/

22

Teď už zbývá jen projít klasickým přednastavením systému, jako je nastavení jazyka,

klávesnice, administrátorského hesla apod., a instalací, která trvá pár minut. Poté dojde

k restartování a naběhnutí plnohodnotného systému, který podporuje Wi-Fi modul.

V systému je již nainstalován Python IDLE, LibreOffice, Scratch, Sonic Pi, tedy základní

systémové vybavení. Další software lze samozřejmě doinstalovat přes centrum softwaru.

obrázek 14 - Ubuntu Mate

23

2.3.4 Windows 10 IoT CORE

obrázek 15 - MS Windows 10 IoT Core [1.]

Na úvod musím říci, že se nejedná o systém určený začátečníkům. Nejde totiž o klasický

desktopový systém. Práce s ním navíc vyžaduje velkou trpělivost. V době psaní této práce

je pro Raspberry Pi 3 model B dostupná pouze Insider Preview verze [16.].

Bohužel, tento OS se ovládá vzdáleně přes webové rozhraní nebo PowerShell. Pokud

připojíme nejprve ethernet kabel, nelze očekávat, že nám bude fungovat Wi-Fi modul.

Instalace

Co budeme potřebovat:

1. NOOBS nebo Image IoT, který je dostupný na stránkách Microsoftu17

Nutnost mít účet Microsoft a být v programu Insider

16 GB MicroSDHC kartu, pokud použijeme NOOBS (doporučuji použít)

2. Windows 10 IoT Core Dashboard18

3. SDFormatter19 – pouze pro formát SD karty na FAT32 (lze použít i jiný software)

Bez NOOBS

Zformátujeme SD kartu, nainstalujeme a spustíme Dashboard. Rozklikneme nebo

připojíme stažený ISO soubor a spustíme instalaci. Po skončení se přepneme do

Dashboardu a zvolíme možnost Set up a new device. I kdyby se nám líbilo si jako zařízení

vybrat Raspberry Pi, musíme v tuto chvíli vybrat Custom. Poté budeme muset najít

soubor, který se nainstaloval ze souboru v ISO souboru, a najdeme ho následujícím

způsobem:

"C:\Program Files (x86)\Microsoft IoT\FFU\DeviceType"

a vybereme Flash.ffu a zmáčkneme Install.

17 https://developer.microsoft.com/cs-cz/windows/iot/Downloads.htm 18 http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkID=708576 19 https://www.sdcard.org/downloads/formatter_4/

24

obrázek 16 - Nastavení nového zařízení

Po proběhnutém nainstalování nás program vyzve, abychom vyjmuli SD kartu a vložili ji do

našeho zařízení a to připojili k internetu. Uvidíme načítací obrazovku. Tento proces trvá

několik minut a má dva možné výsledky:

1. Vše proběhlo, jak mělo, a po několika minutách (cca 5 – 10) uvidíme nastavovací

obrazovku a můžeme pokračovat dále

2. Po cca 15 minutách dostaneme chybu CRITICAL_PROCESS_DIED a dojde

k automatickému restartu (opět 2 možnosti)

a. Po restartu naběhne systém do nastavovací obrazovky

b. Neustále se restartuje a nenabíhá (vypadá na problém s SD kartou)

Tady jsem použil 8 GB SD kartu, bohužel jsem na ni nemohl dát

NOOBS

Pokud jste použili 16 GB kartu, pak celý proces udělejte přes NOOB

Po naběhnutí se nám ukáže rádoby plocha, kde uvidíme informace o přístroji a připojení.

Jediná funkční nabídka je nastavení a tři položky v pravém horním menu (viz obrázek 17).

V tutoriálu moc věcí nenalezneme a z příkazové řádky toho v tuto chvíli taky moc

neuděláme20.

20 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/win10/tools/commandlineutils

25

obrázek 17 - Úvodní obrazovka Windows 10 IoT (autor Tomáš Svatek)

Ovládání

Celý mini PC se ovládá pomocí vzdálené správy. Zde přichází opět na řadu náš Dashboard.

Nejen že pomocí něj instalujeme OS na SD kartu, ale taky se pomocí něj připojujeme na

náš počítač.

obrázek 18 - Přehled zařízení (autor Tomáš Svatek)

26

Jak můžeme vidět na obrázku výše, je možné si přes nabídku vybrat, jak budeme

Raspberry Pi ovládat.

PowerShell

- otevře webové rozhraní

V obou případech budeme potřebovat přihlašovací údaje. Výchozí jsou:

Uživatelské jméno: Administrator

Heslo: p@ssw0rd

obrázek 19 - Webové rozhraní Windows IoT (autor Tomáš Svatek)

Hned na úvodní obrazovce můžeme změnit název zařízení a administrátorské heslo. Dále

doporučuji změnit rozlišení, pokud si zařízení nenašlo správné nastavení.

Důležitá položka v menu je Apps21 (viz obrázek 20), přes kterou se instalují aplikace

určené pro mini PC s příponou .appx a .appxbundle. Dále zde vidíme i nainstalované

aplikace, které můžeme spouštět stisknutím tlačítka play.

Co se programování ve Visual Studiu týče, opět jedeme přes vzdálený PC a pomocí IDE

poté nahráváme náš program přímo na Raspberry22,23.

21 https://www.hackster.io/AnuragVasanwala/windows-10-iot-core-setting-startup-app-887ed0 22 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/win10/setuppcrpi 23 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/win10/samples/HelloWorld.htm

27

obrázek 20 - Windows 10 IoT - Apps menu (autor Tomáš Svatek)

Další možností, jak ovládat Raspberry Pi, je přes PowerShell24, což je klasický příkazový

řádek, jak ho známe z desktopových Windows.

obrázek 21 - PowerShell (autor tomáš Svatek)

24 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/win10/samples/powershell

28

2.3.5 OSMC

obrázek 22 - Logo OSMC [1.]

OSMC neboli Open Source Media Center je volně šiřitelný open source multimediální

přehrávač založený na bázi Linuxu. Jeho první verze vyšla v roce 2014 a umožňuje

přehrávat média z lokální sítě, připojených zařízení nebo z internetu a dále je streamovat

do dalších zařízení. Je založen na projektu Kodi25. I když vývojáři tvrdí, že je intuitivní na

ovládání, mně osobně přišlo trochu zmatené a nepřehledné.

Instalace

Celá instalace je jednoduchá a intuitivní. Provede nás jí průvodce a my jenom vybíráme,

jakou verzi chceme na SD kartu nahrát.

Poté se stáhnou potřebné soubory a po vložení do Raspberry Pi se systém sám

doinstaluje. Nás pak už jen čeká základní nastavení včetně vzhledu.

obrázek 23 - OSMC vzhled26

25 https://kodi.tv/ 26 http://distrowatch.com/table.php?distribution=osmc

29

2.3.6 LibreELEC

obrázek 24 - Logo LibreELEC

Jedná se operační systém opět vystavený na projektu Kodi a OpenELEC. To znamená, že

se jedná o další multimediální centrum. Instalace je dostupná i z prostředí NOOBS.

obrázek 25 - vzhled LibreELEC27

Tento systém podporuje nejen Raspberry Pi 0/1/2/3, ale i další mini PC, jako je WeTek,

Odroid C2 či iMX6, stejně jako na Intelu postavené počítače používající grafické adaptéry

od Nvidie, AMD a Intelu [22.].

Osobně se mi líbí o něco více než OSMC zmíněný v předchozí kapitole. Ovládání mi přišlo

jednodušší a mnohem intuitivnější.

27 http://www.cnx-software.com/2016/04/27/libreelec-openelec-fork-v7-0-0-released-with-kodi-16-1/

30

2.3.7 Risc OS

obrázek 26 - Logo RiscOS [1.]

Jedná se o plně desktopový systém, který nevychází ani z Linuxu, ani z Unixu, a ani z MS

Windows. Jedná se o vlastní specializovaný systém založený na ARM technologii. Z toho

důvodu se může chovat mírně nestandardně na rozdíl od klasických desktopových

operačních systémů.

Instalace

Image systému RiscOS [23.]

Win32 Disk Imager

MicroSD kartu (min. 2GB)

Postup instalace je stejný jako u systému Raspbian (viz 2.3.2) či Ubuntu (viz 2.3.3). Při

prvním spuštění se zobrazí uvítací obrazovka s informacemi, jakým způsobem stáhnout

další RISC software, ať už z obchodu (!Store) nebo přes PackMan utilitu.

obrázek 27 - prostředí RiscOS 28

28 http://domoticx.com/raspberry-pi-sd-image-risc-os-operating-system/

31

2.3.8 PINET

obrázek 28 - Logo PiNet [20.]

Jedná se o volně šiřitelný open source projekt [20.], který si klade za cíl pomoci školám

nastavit a spravovat učebnu složenou z Raspberry Pi zařízení. Vznikl za podpory učitelů

z více než 15 zemí světa. Mezi jeho přednosti patří například:

Síťová správa uživatelských účtů – všichni mohou být všude

Síťový operační systém

Sdílené složky

Možnost spolupráce

Automatické zálohy

Uživatelské importy

Hromadná správa softwaru pro učebnu

…

Bohužel v tuto chvíli nepodporuje připojení přes Wi-Fi. Celý software běží potom na

Ubuntu Linux.

obrázek 29 - pracovní plocha PiNetu [20.]

32

Celý postup zprovoznění učebny trvá podle tvůrců zhruba 2 – 3 hodiny. Základem je mít

síťové prvky a volný počítač. Pro nahrání PiNetu na SD kartu jako součásti síťového OS

stačí mít MicroSD kartu o minimální kapacitě 128 MB.

Celá instalace probíhá v několika krocích a jako administrátor provádíme:

1. Instalace Ubuntu Linux

2. Stažení PiNet skriptu a jeho následné spuštění

3. Vyžádá se heslo a zvolí se úplná instalace

4. PiNet je kompatibilní se staršími verzemi sebe sama

5. Můžeme vybrat stabilní nebo experimentální verzi

6. Instalace trvá asi 1 - 2 hodiny

7. Nastaví se IP adresa

8. Vytvoří se spouštěcí MikroSD karty

33

3 Praktická část

Vzhledem k potenciálu, který Raspberry Pi představuje, vznikají utility, jež mají za úkol

zjednodušit práci všem, kteří chtějí s tímto mini PC pracovat. Nesoustřeďují se pouze na

uživatele, kteří u něj budou přímo fyzicky sedět, ale zaměřují se hlavně na možnost

ovládat připojená zařízeně vzdáleně, a to několika způsoby:

přes webové rozhraní

mobilní aplikací

desktopovou aplikací stylem server-klient

3.1 Vzdálené ovládání Raspberry Pi

Existuje několik možných softwarových řešení, jak dosáhnout nejen vzdáleného ovládání,

ale i tvorby aplikací pomocí těchto softwarů.

BerryIO [25.]

WebIOPI [26.]

3.1.1 BerryIO

Jedná se o systém, který je v době psaní práce ve ver. V1.12.5 z 27. 11. 2015. Vzhledem

k datu vydání Raspberry Pi 3 zatím nemá podporu 40 pinů, ale pouze 26. Připojení

k webovému rozhraní je přes zadání IP adresy zařízení do webového prohlížeče (Internet

Explorer 8 a nižší nejsou podporovány).

obrázek 30 - prostředí BerryIO [25.]

34

Vzhledem k typu rozhraní a technologii php je možnost si zbytek pinů rozšířit úpravou

souboru: /etc/berryio/gpio.php.

V nastavení lze nastavit odesílání e-mailů přes SMTP29. Na jaký e-mail mají zprávy chodit,

se BerryIO zeptá při instalaci. Zde stojí za zmínku problém se službou Google, pokud se

používá dvoufázové ověřování. Je nutné nechat si od Googlu vygenerovat pin30 místo

hesla, který zadáme v nastavení /etc/msmtprc a jež vypadá následovně:

defaults

tls on

tls_starttls on

tls_trust_file /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt

account default

host smtp.gmail.com

port 587

auth on

user username@gmail.com

password mypass

from username@gmail.com

logfile /var/log/msmtp.log

Místo username zadáme náš email a namísto mypass vygenerovaný kód.

Instalace

//stáhnutí a spuštění poslední verze skriptu

wget

https://github.com/NeonHorizon/berryio/raw/master/scripts/ber

ryio_install.sh

chmod +x berryio_instal.sh

sudo ./berryio_install.sh

//nastavení msmtp

sudo nano /etc/msmtprc

//Test, jestli BerryIO běží

berryio help

//test emailu

Berryio email_ip

29 https://cs.wikipedia.org/wiki/Simple_Mail_Transfer_Protocol 30 https://support.google.com/accounts/answer/185833

35

3.1.2 WebIOPI

Tento systém je oproti BerryIO více propracovaný, a proto mu bude věnována větší část

práce.

Jedná se o systém, který umožnuje ovládat Raspberry Pi přes webové rozhraní s podporou

převážně Python knihoven. Umožňuje vytvářet konkrétní webové aplikace, a dokonce je

i propojit s WebView31 a udělat z ní mobilní aplikaci pro Android.

obrázek 31 – WebIOPI [26.]

Mezi funkce patří například:

Ovládání portů:

o sériový port

o SPI

o I2C

Ovládání více než 30 zařízení

o analogové konvertory

o I/O expandery

o senzory

Použití Javascriptu32/HTML pro tvorbu uživatelského rozhraní aplikací

Python/Java pro tvorbu Pi-to-Pi systému nebo aplikace pro Android

CoAP protokol pro vzdálené ovládání

Obsahuje jednoduché webové aplikace, debuging GPIO

Na oficiálních stránkách nalezneme úvodní tutoriály a kurzy. Celý „kit“ se jednoduše

instaluje a ovládá.

V době psaní práce je WebIOPi33 ve verzi 0.7.1 s patchem pro Raspberry Pi 3, který je

nezbytný z důvodu rozšířených pinů GPIO.

31 https://developer.android.com/guide/webapps/webview.html 32 http://webiopi.trouch.com/JAVASCRIPT.html 33 https://github.com/doublebind/raspi

36

Instalace

Instalace probíhá pomocí terminálových příkazů:

$ wget http://sourceforge.net/projects/webiopi/files/WebIOPi-

0.7.1.tar.gz

$ tar xvzf WebIOPi-0.7.1.tar.gz

$ cd WebIOPi-0.7.1

$ wget

https://raw.githubusercontent.com/doublebind/raspi/master/web

iopi-pi2bplus.patch

$ patch -p1 -i webiopi-pi2bplus.patch

$ sudo ./setup.sh

Po instalaci musíme službu spustit. To provedeme příkazem:

$ sudo /etc/init.d/webiopi start

Popřípadě stop, pokud chceme službu zastavit. Pokud chceme spustit službu

automaticky při startu systému, použijeme příkaz:

$ sudo update-rc.d webiopi defaults

Pokud chceme službu odstranit:

$ sudo update-rc.d webiopi remove

Pokud vše proběhlo, jak mělo, můžeme si ověřit spuštění služby:

http://raspberrypi:8000 – v prohlížeči na samotném Raspberry Pi

IP_ADRESA_RASPBERRY_PI:8000 – pokud se chceme připojit z jiného PC ve stejné

síti

obrázek 32 - Základní webové rozhraní WebIOPi (autor Tomáš Svatek)

37

Pod nabídkou GPIO Header se nachází ovládání GPIO, a to jednoduchým klikáním.

obrázek 33 – GPIO Header (autor Tomáš Svatek)

Přístup k WebIOPi přes internet

Existují v podstatě dvě možnosti připojení z internetu k našemu PC.

veřejná IP + přesměrování portů

VPN

o Weaved [28.] – jedná se o webovou službu, nutnost vytvoření účtu

SSH (port 22)

VNC (port 5901)

WEB (http) (port 80)

Vlastní TCP nastavení

Porty v aplikaci lze libovolně měnit při vytváření služby.

38

Instalace a nastavení Weaved

sudo apt-get install weavedconnectd

sudo weavedinstaller

Po spuštění instalátoru34 po nás bude nejprve vyžadováno přihlášení do systému Weaved.

Poté bude zobrazena další nabídka. Vzhledem k tomu, že chceme službu vytvořit,

vybereme první volbu.

obrázek 34 - Weaved - nastavení služeb [28.]

Nyní můžeme vybrat, kterou službu chceme využít pro připojení k Raspberry Pi.

obrázek 35 - vybrání služby [28.]

Vybereme Web

Nastavíme port (8000 pro WebIOPi)

Napíšeme jméno relace (např. Raspberry_Pi_WebIOPi)

Zda vše proběhlo v pořádku, se dozvíme tak, že se nám v tabulce ukáže naše

nainstalovaná služba. Další způsob je přihlásit se na web Weaved a otevřít připojení

z jejich webového rozhraní35.

34 http://webiopi.trouch.com/INSTALL.html 35 https://www.hackster.io/idreams/access-your-raspberry-pi-over-the-internet-157ad1

39

obrázek 36 - Webové rozhraní pro výběr služby Weaved (autor Tomáš Svatek)

Výchozí hodnoty pro přihlášení jsou:

Přihlašovací jméno: webiopi

Heslo: raspberry

Ukázka vytvoření webové aplikace

Návod vychází z oficiálního tutoriálu36 pro ovládání LED s automatickým vypnutím.

Vytvoříme si složky pro náš projekt například na ploše nebo v domovském adresáři:

home

- pi

- myproject

- python

- html

Kód HTML a skripty jazyka Python oddělíme do dvou adresářů a v adresáři Python

vytvoříme krátký skript, který nazveme script.py

import webiopi

import datetime

GPIO = webiopi.GPIO

LIGHT = 17 # GPIO pin použífvající BCM číslování

HOUR_ON = 8 # Turn Light ON at 08:00

HOUR_OFF = 18 # Turn Light OFF at 18:00

36 http://webiopi.trouch.com/Tutorial_Basis.html

40

# funkce setup() se automaticky volá při startu WebIOPi

def setup():

# nastavení GPIO používaného světlem

GPIO.setFunction(LIGHT, GPIO.OUT)

# získání informací, kolik je hodin

now = datetime.datetime.now()

# podmínka testující, jestli jsme v čase, kdy má světlo svítit

if ((now.hour >= HOUR_ON) and (now.hour < HOUR_OFF)):

GPIO.digitalWrite(LIGHT, GPIO.HIGH)

# funkce loop() je volána dokola WebIOPi

def loop():

# získání času

now = datetime.datetime.now()

# zapnutí světel v závislosti na čase

if ((now.hour == HOUR_ON) and (now.minute == 0) and (now.second ==

0)):

if (GPIO.digitalRead(LIGHT) == GPIO.LOW):

GPIO.digitalWrite(LIGHT, GPIO.HIGH)

# vypnutí světel

if ((now.hour == HOUR_OFF) and (now.minute == 0) and (now.second ==

0)):

if (GPIO.digitalRead(LIGHT) == GPIO.HIGH):

GPIO.digitalWrite(LIGHT, GPIO.LOW)

# čekej 1s než provedeš další loop()

webiopi.sleep(1)

# destroy() je volána při ukončení WebIOPI

def destroy():

GPIO.digitalWrite(LIGHT, GPIO.LOW)

Teď musíme vytvořit ve složce html soubor index.php

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"

"http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">

<html>

<head>

<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8">

<title>WebIOPi | Light Control</title>

<script type="text/javascript" src="/webiopi.js"></script>

<script type="text/javascript">

webiopi().ready(function() {

// Create a "Light" labeled button for GPIO 17

var button = webiopi().createGPIOButton(17, "Light");

// Append button to HTML element with ID="controls" using jQuery

$("#controls").append(button);

// Refresh GPIO buttons

// pass true to refresh repeatedly of false to refresh once

webiopi().refreshGPIO(true);

});

</script>

<style type="text/css">

41

button {

display: block;

margin: 5px 5px 5px 5px;

width: 160px;

height: 45px;

font-size: 24pt;

font-weight: bold;

color: white;

}

#gpio17.LOW {

background-color: Black;

}

#gpio17.HIGH {

background-color: Blue;

}

</style>

</head>

<body>

<div id="controls" align="center"></div>

</body>

</html>

Přichází na řadu konfigurace pro spuštění skriptu. Musíme se dostat do složky

/etc/webiopi/config a vložíme následující řádky do daných sekcí (jako root).

...

[SCRIPTS]

myproject = /home/pi/myproject/python/script.py

...

[HTTP]

doc-root = /home/pi/myproject/html

...

[REST]

gpio-export = 17

gpio-post-value = true

gpio-post-function = false

...

[REST]nám umožňuje omezit použití GPIO.

gpio-export: omezí export na dané GPIO

gpio-post-value: povolí/zakáže vzdáleně měnit GPIO hodnoty (LOW/HIGH)

gpio-post-function povolí/zakáže vzdáleně měnit GPIO funkci (IN/OUT)

Příkazem sudo webiopi -d -c /etc/webiopi/config zrestartujeme službu WebIOPi

a načteme nový konfigurační soubor. Pak již stačí zadat:

http://rasberrypi:8000

poté bychom měli vidět náš projekt. Pokud se nic nezměnilo, restartujeme Raspberry Pi.

42

obrázek 37 - Výsledný webový projekt z jiného PC (autor Tomáš Svatek)

Pár zajímavých projektů

http://www.ikanbilis.com/64.php

http://www.coderewind.com/2015/10/build-a-raspberry-pi-wifi-rc-car/

https://coderwall.com/p/jsd5mw/raspberry-pi-garage-door-opener-with-garagepi

http://custom-build-robots.com/raspberry-pi-car-junior/raspberry-pi-robot-

steering-internet-smartphone/6961

http://trouch.com/2013/03/04/webiopi-in-the-magpi-cambot-tutorial/

http://webiopi.trouch.com/JAVASCRIPT.html

43

3.2 Obsluha komunikace

Spíše než „dolování“ dat a psaní softwaru přímo pro Wi-Fi modul se vyplatí použít již něco,

co funguje. Tím je propojení klient-server v prostředí Python [29.].

Vše vychází z vytvoření soketu a připojení na cílovou stanici. Poté se přijme odpověď

serveru a vypíše na obrazovku.

obrázek 38 - Python - strana klienta (autor Tomáš Svatek)

# client.py

import socket

# vytvoření objektu socketu

s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)

# adresa a port zařízení, kde běží server

host = '192.168.1.10'

port = 7777

# navázání připojení

s.connect((host, port))

# Přijmutí ne více než 1024 bytů

tm = s.recv(1024)

44

gpio = s.recv(1024)

s.close()

print("The time got from the server is %s" %

tm.decode('ascii'))

print("")

print("GPIO verze: "+ str(gpio))

Ze strany serveru je postup podobný. Vytvoří se soket na portu, který naslouchá

komunikaci. Podmínka while se opakuje pro poslouchání komunikace.

obrázek 39 - Python – strana serveru (autor Tomáš Svatek)

while True:

# vytvoření připojení

clientsocket,addr = serversocket.accept()

print("Got a connection from %s" % str(addr))

currentTime = time.ctime(time.time()) + "\r\n"

clientsocket.send(currentTime.encode('ascii'))

clientsocket.close()

45

socket.socket(): vytvoří nový soket podle adresy a portu

socket.bind(address): připojí soket k adrese

socket.listen(backlog): poslouchá, jestli se připojí klient. Atribut

backlog říká maximální počet připojení

socket.accept(): vrací dvě hodnoty (conn, address), kde conn je

nový objekt soketu používaný k přijímání a odesílání dat, adress je adresa, ke

které je soket připojen (klient)

socket.send(bytes[, flags]): odešle data na soket. Aplikace by si měla

ohlídat, zda došla všechna podle počtu bajtů

socket.close(): uzavře soket. Od té chvíle ho nikdo nemůže používat

obrázek 40 - Python - Komunikace server-klient [29.]

46

4 Využití Raspberry Pi ve výuce

Vzhledem k dostupnosti velikého množství modulů a senzorů je Raspberry Pi jako dělané

pro výuku odborných předmětů.

Výhody:

modely reálných situací

řešení problémů

samostatnost studentů

ovládání dalšího OS (Linux, RISC OS)

dostupnost velkého množství modulů a doplňků

výhodná cena oproti jiným zařízením

Nevýhody:

Nechráněné vstupy a výstupy na přetížení (možnost odpálení elektronických

součástek)

4.1 Výhody podle předmětů

Využití mini PC Raspberry Pi má velký potenciál a to napříč spousty předměty. Já se

zaměřím převážně na technické a přírodovědné, které mi jsou bližší.

Fyzika

náhrada drahých zařízení (Pasco37, Vernier38)

spousta dostupných měřících modulů (teploměr, barometrický tlakoměr,

akcelerometr, gyroskop, vlhkoměr, …)

využití spektrometru39

využití analogově digitálních a digitálně analogových převodníků

využití digitálních vah s USB pro záznamy hmotností

možnost ukládání a vizualizace dat

37 http://www.pasco.cz/ 38 http://www.vernier.cz 39 https://www.raspberrypi.org/blog/ramanpi/

47

Informatika

výroba „superpočítače“ (možnost propojení několika zařízení do jednoho)

programování s okamžitou odezvou na zařízení (vidím, co jsem udělal)

vzdálené ovládání přístrojů (modulů)

možnost vymýšlet vlastní návrhy a rozvíjet tvořivost

řešení problémových úloh

Operační systémy

použití alternativních OS jako Linux, Risc OS

možnost experimentování beze strachu zničení systému

nastavování OS pro síťové služby (server)

Počítačové sítě

ozkoušení síťové komunikace

programování vlastních aplikací pro různé vrstvy TCP/IP

Technické vybavení

sledování chování hardwaru a dalších modulů

sledování rozdílů mezi jednotlivými PC a nutnosti výpočetního systému

Praktické činnosti

rozvíjení manuální zručnosti při sestavování a zapojování modulů

zodpovědnost při zacházení s HW

Biologie a zeměpis

využití infra kamery pro sledování noční přírody40

zaznamenávání pozice a převýšení pomocí GPS modulu

40 https://publiclab.org/notes/khufkens/05-10-2015/multispectral-raspberry-pi-first-light-ndvi-images

48

4.2 Možné využití a nápady na projekty

Všechno se odvíjí od toho, jaké moduly má škola dostupné, nicméně i s relativním málem

se nechají dělat větší projekty:

Tvorba vlastní hudby

Díky softwarovému prostředí Sonic Pi [30.] je možno vytvářet vlastní hudbu pomocí

syntetizátorů, a to napříč širokou škálou žánrů. Na stránkách projektu je dostupná

i elektronická kniha41 v anglickém jazyce a tutoriály.

obrázek 41 - kniha Sonic Pi [30.]

Přínosem je porozumění tvorbě hudby pomocí syntetizátorů a dalšímu programovacímu

jazyku.

Ukázka kódu:

with_fx :reverb, mix: 0.2 do

loop do

play scale(:Eb2, :major_pentatonic, num_octaves: 3).choose, release:

0.1, amp: rand

sleep 0.1

end

end

41 https://www.raspberrypi.org/magpi-issues/Essentials_Sonic_Pi-v1.pdf

49

Programování

Operační systém Raspbian je vybaven několika programovými prostředími, jako jsou:

Scratch

Python

JAVA

Wolfram

…

Hlavně jazyk Python, JAVA i Scratch se potom využívají dále pro komunikaci s GPIO piny.

Jednoduchá simulace křižovatky

Díky použití nepájivých obvodů je možné vytvořit simulaci v podstatě čehokoli. Křižovatka

je jedna ze standardních situací, se kterou se studenti setkávají dnes a denně, ale ve

skutečnosti nemají moc představu, co stojí za jejím fungováním.

obrázek 42 - schéma zapojení dvou semaforů na GPIO42

Ovládání chytrého domu

Pomocí modulů jsme schopni snímat pohyb, teplotu, zapínání a vypínání světel, ovládání

topení, automatické zavlažování, protipožární senzory, zatahování rolet, zavírání

a otevírání dveří, kamerový systém, alarm, ovládání výtahu, odemykání dveří přes čipy,

zvedání závory, …

Jeden pěkný projekt za pomoci Lega®, prostředí Scratch a Raspberry Pi:

https://www.youtube.com/watch?v=WKMiWDeqm2E

42 https://github.com/Utodev/rpiGPIO

50

Závodní auto

Pomocí servo motorů a přenosného zdroje můžeme ovládat otáčení kol a rychlost. Auto

může být klidně postavené z Lego® Technik. Jako přenosný zdroj můžeme použít

jakoukoliv Power Banku, která dává alespoň 2 A43, nebo si můžeme vyrobit vlastní44.

Meteorologická stanice

Vzhledem k rozmanitému množství senzorů můžeme vytvořit malou meteorologickou

stanici45 s velkým potenciálem zaznamenávání a exportu dat, vytváření grafů a to vše, díky

přístupu přes internet, i v reálném čase. Zde by bylo výhodou použití napájení přes

kroucenou dvoulinku (ethernetový kabel)46,47.

Vizualizace a řazení dat

V programování se dost často setkáváme s řazením dat v poli. Pro studenty je dost velký

problém si toto představit. Proto existuje knihovna Matplotlib, se kterou umí pracovat

Pyhton48.

Síťová komunikace

Pochopení komunikace po počítačové síti s Raspberry Pi s dalším počítačem. Možnost

ovládání hardwaru přes síť a nastavení serveru a základní nastavení klienta49.

Další náměty a projekty:

http://pingbin.com/2012/12/30-cool-ideas-raspberry-pi-project/

http://www.pcadvisor.co.uk/how-to/desktop-pc/10-great-raspberry-pi-projects-

for-kids-3589952/

43 http://www.zdnet.com/product/eachine-mini-y5-6000mah-power-bank/ 44 http://www.makeuseof.com/tag/pi-go-x-ways-powering-raspberry-pi-portable-projects/ 45 https://www.raspberrypi.org/blog/school-weather-station-project/ 46 http://www.instructables.com/id/PiPoE-powering-a-Raspberry-Pi-over-Ethernet/ 47 https://www.pi-supply.com/product/pi-poe-switch-hat-power-over-ethernet-for-raspberry-pi/ 48 https://www.raspberrypi.org/learning/visualising-sorting-with-python/ 49 https://newsroom.cisco.com/feature-content?type=webcontent&articleId=1208342

51

5 Závěr

Tato práce mi přinesla mnoho nových zkušeností. Se zařízením Raspberry Pi jsem pracoval

poprvé a bylo zajímavé objevovat, co vše dokáže.

Stanovené cíle práce byly splněny. Bylo popsáno zařízení Raspberry Pi, technologie, jeho

modely a byly zdůrazněny některé dostupné moduly s popisem. Byly nainstalovány

některé operační systémy a ozkoušena jejich funkčnost.

Nejvíce práce si vyžádala instalace těchto systémů, a to z důvodu použití nekvalitní

microSDHC karty. Raspbian mi padal okamžitě poté, co provedl spojení oddílů na kartě.

Nakonec se ale ukázal jako nejlepší systém pro Raspberry Pi a v těsném závěsu za ním

RISC OS. Z multimediálních operačních systémů mě více zaujal LibreELEC. Zdá se mi

intuitivnější a jednodušší na ovládání.

V další složce praktické části práce bylo zajímavé zkoumat možnou komunikaci pro

vzdálenou správu GPIO pinů s možností ovládání přes několik možných médií (web,

mobilní aplikace). Co se těchto systémů týče, WebIOPi u mě vyhrál nejen díky

dalekosáhlým možnostem využití, ale i přehlednými tutoriály a ukázkami kódu.

V neposlední řadě byla podle tutoriálu naprogramována aplikace pro komunikaci po síti

stylem klient-server. Tato část byla dost náročná, protože se jedná o práci se sokety,

a tedy o nízko-úrovňové síťové rozhraní, se kterým jsem neměl žádné zkušenosti.

Největší potenciál vidím v dostupnosti modulů a stále se rozvíjející podpoře toho zařízení.

Navíc je Raspberry Pi cenově dostupnější a méně školu zabolí, pokud se studentovi

povede toto zařízení „odpálit“. Dokáže plnohodnotně nahradit leckteré speciální systémy,

například ve výuce fyziky, jakou jsou Vernier nebo Pasco a to za zlomek jejich pořizovací

ceny.

Řešení modelových situací u studentů rozvíjí logické myšlení a představivost a nutí

k vymýšlení nových postupů. Možnost vyzkoušet si vypínání a zapínání světel, spínání

relátek nebo ovládání dveří umožňuje vidět okamžité výsledky studentovi práce a není to

jen o „mělo by to dělat …“.

Raspberry Pi je všeobecně použitelné zařízení, které se školám určitě vyplatí a lze ho

modifikovat pro každou příležitost.

52

6 Seznam použité literatury a online zdrojů

[1.] Raspberry Pi. Raspberry Pi. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

https://www.raspberrypi.org/

[2.] Raspberry Pi. Wikipedia – The free encyklopedia. [online]. 04.06.2016

[cit. 2016-06-04]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi

[3.] HORÁČEK, Petr. Raspberry π VIII. – Úvod do GPIO. Linuxsoft.cz. [online].

04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

http://www.linuxsoft.cz/article.php?id_article=1953

[4.] MATOUŠEK, David. Práce s mikrokontroléry ATMEL. 2. vyd. Praha: BEN - technická

literatura, 2006. µC & praxe. ISBN 80-7300-209-4.

[5.] NORRIS, Donald. Raspberry Pi: projekty. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2015, 264 s.

ISBN 978-80-251-4346-9.

[6.] VODA, Zbyšek. Průvodce světem Arduina. Vydání první. Bučovice: Martin Stříž,

2015, 239 stran. ISBN 978-80-87106-90-7

[7.] Deep in IT. Diit.cz. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

http://diit.cz/tagy/raspberry-pi

[8.] Root.cz – Raspberry Pi. Root.cz. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

http://www.root.cz/n/raspberry-pi/

[9.] UniPi Technology. UniPi Technology. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04].

Dostupné z: http://unipi.technology/

[10.] Charlie. BitScope – osciloskop, logický analyzátor a generátor nejen pro

Raspberry Pi. Elektronovinky.cz. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

http://www.elektronovinky.cz/zarizeni/bitscope-osciloskop-logicky-analyzator-

generator-nejen-pro-raspberry-pi

[11.] Raspberry Pi 3, Pi 2, B+, A+, Compute Module Dev Kit Comparison Chart.

element14 Community. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

https://www.element14.com/community/docs/DOC-68090?ICID=rpi-comparechart-

link#

[12.] Raspberry Pi – rozšiřující moduly. Minidroid.cz. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-

04]. Dostupné z: https://eshop.minidroid.cz/21-rozsirujici-moduly#/page-3

[13.] Pimoroni – Piglow. Pimoroni.com. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné

z: https://shop.pimoroni.com/products/piglow

53

[14.] Astro Pi. Astro-pi.org. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

https://astro-pi.org/about/hardware

[15.] Představení UniPi. Tzb-info.cz. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

http://elektro.tzb-info.cz/inteligentni-budovy/12038-predstaveni-unipi-nejlevnejsi-a-

nejjednodussi-reseni-pro-inteligentni-budovy-a-iot

[16.] IoT – Get Started. Microsoft.com. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné

z: https://developer.microsoft.com/cs-cz/windows/iot/GetStarted.htm

[17.] Jeremy Lindsay . Windows 10 IoT and the Raspberry Pi 3. Jeremy Lindsay . [online].

04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

https://jeremylindsayni.wordpress.com/2016/05/02/

[18.] Ubuntu Mate. Ubuntu-mate.org. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné

z: https://ubuntu-mate.org/

[19.] Pavel Rampas. Raspberry Pi návody – raspbian. pavelrampas.cz. [online].

04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z: http://raspberry.pavelrampas.cz/raspbian

[20.] PiNet. PiNet.org. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

http://pinet.org.uk/

[21.] OSMC. OSMC. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

https://osmc.tv/about/

[22.] LibreElec. wiki.libreelec.tv. [online]. 06.06.2016 [cit. 2016-06-06]. Dostupné z:

https://wiki.libreelec.tv/index.php?title=Main_Page

[23.] Raspberry Pi. RISC OS Open. [online]. 06.06.2016 [cit. 2016-06-06]. Dostupné z:

https://www.riscosopen.org/content/downloads/raspberry-pi

[24.] Raspberry Pi – Software information. RISC OS Open. [online]. 06.06.2016 [cit.

2016-06-06]. Dostupné z:

https://www.riscosopen.org/wiki/documentation/pages/Software+information:+Raspb

erryPi:+RC14%20SD%20image

[25.] BerryIO. GitHub.com – BerryIO. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné

z: https://github.com/NeonHorizon/berryio

[26.] WebIOPi – The Raspberry Pi Internet of Things Framework. WebIOPI. [online].

04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z: http://webiopi.trouch.com/

[27.] Hackster.io – Access your raspberry pi over the Internet. Hackster.io. [online].

04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z: https://www.hackster.io/idreams/access-your-

raspberry-pi-over-the-internet-157ad1

54

[28.] Weaved – Remote Raspberry Pi. Weaved.com – Remote SSH, VNC and

HTTP. [online]. 04.06.2016 [cit. 2016-06-04]. Dostupné z:

https://www.weaved.com/installing-weaved-raspberry-pi-raspbian-os/

[29.] Network Programming – Server & Client A. bogotobogo. [online]. 04.06.2016 [cit.

2016-06-04]. Dostupné z:

http://www.bogotobogo.com/python/python_network_programming_server_client.php

[30.] Sonic Pi – The Live Coding Synth for Everyone. Sonic Pi. [online]. 4.6.2016 [cit. 2016-

06-04]. Dostupné z: http://sonic-pi.net/

55

7 Seznam obrázků

obrázek 1 – Logo Raspberry Pi [1.] ........................................................................................ 8

obrázek 2 - Raspberry Pi 3 Model B ....................................................................................... 9

obrázek 3 - Raspberry Pi GPIO ............................................................................................. 10

obrázek 4 - z leva: A+; B 1. generace rev. 1.2 [2.] ................................................................ 11

obrázek 5 - model B 2. generace [2.], [11.] .......................................................................... 12

obrázek 6 - Raspberry Pi 3 model B [11.] ............................................................................. 13

obrázek 7 - Raspberry Pi s modulem Sense HAT ................................................................. 15

obrázek 8 - výpočetní modul – kit [11.] ............................................................................... 15

obrázek 9 – UniPi [15.] ......................................................................................................... 16

obrázek 10 - NOOBS 1.9 rozhraní (autor: Tomáš Svatek) .................................................... 18

obrázek 11 - Logo Raspbian [1.] ........................................................................................... 19

obrázek 12 - Raspbian: nastavení a přehled programů ....................................................... 20

obrázek 13 - Logo Ubuntu Mate [18.] .................................................................................. 21

obrázek 14 - Ubuntu Mate ................................................................................................... 22

obrázek 15 - MS Windows 10 IoT Core [1.] ......................................................................... 23

obrázek 16 - Nastavení nového zařízení .............................................................................. 24

obrázek 17 - Úvodní obrazovka Windows 10 IoT (autor Tomáš Svatek) ............................. 25

obrázek 18 - Přehled zařízení (autor Tomáš Svatek) ........................................................... 25

obrázek 19 - Webové rozhraní Windows IoT (autor Tomáš Svatek) ................................... 26

obrázek 20 - Windows 10 IoT - Apps menu (autor Tomáš Svatek)...................................... 27

obrázek 21 - PowerShell (autor tomáš Svatek).................................................................... 27

obrázek 22 - Logo OSMC [1.] ............................................................................................... 28

obrázek 23 - OSMC vzhled ................................................................................................... 28

obrázek 24 - Logo LibreELEC ................................................................................................ 29

56

obrázek 25 - vzhled LibreELEC ............................................................................................. 29

obrázek 26 - Logo RiscOS [1.] ............................................................................................... 30

obrázek 27 - prostředí RiscOS ............................................................................................. 30

obrázek 28 - Logo PiNet [20.]............................................................................................... 31

obrázek 29 - pracovní plocha PiNetu [20.] .......................................................................... 31

obrázek 30 - prostředí BerryIO [25.] .................................................................................... 33

obrázek 31 – WebIOPI [26.] ................................................................................................. 35

obrázek 32 - Základní webové rozhraní WebIOPi (autor Tomáš Svatek) ............................ 36

obrázek 33 – GPIO Header (autor Tomáš Svatek) ............................................................... 37

obrázek 34 - Weaved - nastavení služeb [28.] ..................................................................... 38

obrázek 35 - vybrání služby [28.] ......................................................................................... 38

obrázek 36 - Webové rozhraní pro výběr služby Weaved (autor Tomáš Svatek) ............... 39

obrázek 37 - Výsledný webový projekt z jiného PC (autor Tomáš Svatek) .......................... 42

obrázek 38 - Python - strana klienta (autor Tomáš Svatek) ................................................ 43

obrázek 39 - Python – strana serveru (autor Tomáš Svatek) .............................................. 44

obrázek 40 - Python - Komunikace server-klient [29.] ........................................................ 45

obrázek 41 - kniha Sonic Pi [30.] .......................................................................................... 48

obrázek 42 - schéma zapojení dvou semaforů na GPIO ...................................................... 49