Para que serve o Raspberry Pi?

A pergunta do título pode parecer um pouco estranha – mas a resposta interessa tanto aos completos leigos quanto aos eletrônicos avançados. Vamos então abordar essa questão muito elementar: o que realmente é o Raspberry Pi e para que pode ser usado?

Para começar, é preciso notar que não trataremos aqui de questões de construção, nem das nuances da oferta Raspberry Pi. Essas questões já foram descritas inúmeras vezes, inclusive em nosso artigo sobre o assunto, e certamente as exploraremos novamente no futuro. Para responder da forma mais completa possível à pergunta do título, vamos nos concentrar aqui exclusivamente nos produtos de destaque do fornecedor, ou seja, nos computadores de 4ª e 5ª geração. Muitas das informações abaixo podem ser relacionadas aos modelos miniaturizados "Zero", mas não às placas "Pico", que possuem uma construção completamente diferente e merecem um artigo separado.

Neste artigo, respondemos a perguntas como:

• Por que o Raspberry Pi se tornou tão popular
• Qual é a maneira mais fácil de aprender a programar?
• O que é realmente o Linux?
• Como convencer crianças e alunos a aprender eletrônica?
• Como começar a programar inteligência artificial?
• O que são as aplicações Kodi e RetroArch?
• Quais projetos domésticos com Raspberry Pi vale a pena considerar?
• Para que servem os computadores de placa única na indústria?
• No que consiste o edge computing?
• Como o Raspberry Pi é usado em pesquisas científicas?

O que está na caixa?

Além disso, na placa estão colocados pinos GPIO, ou seja, linhas de entrada e saída, que podem ser controladas por meio de diferentes ambientes de programação. Graças a essa construção, foi alcançado um baixo custo dos dispositivos (com impressionantes capacidades de processamento) e sua extraordinária versatilidade. O RPi pode funcionar como um computador pessoal comum, mas também pode ser uma ajuda no aprendizado de eletrônica – pode controlar sistemas de automação, tornar-se a base de um relé programável, coletar dados de sensores remotos... Bem, vamos tentar listar os propósitos que o Raspberry Pi serve no mundo ao nosso redor.

Educação

Não é de se estranhar que o projeto Raspberry Pi tenha nascido no Reino Unido, onde a geração criada em computadores de 8 bits dos anos 80 se lembra bem dos tempos das marcas Sinclair, Acorn, Tangerine ou Dragon. Além dos jogos, a principal vantagem do BBC Micro, ZX Spectrum ou Commodore 64 era a facilidade de programação, muitas vezes usando linguagens amigáveis ao usuário de alto nível, como Basic. O interesse dos jovens, que se tornou o motor de um programa educacional nacional, deu frutos após algumas décadas, e sua melhor ilustração é a Fundação Raspberry Pi e o fenômeno mundial de seus computadores, que foram projetados principalmente como uma ajuda educacional.

Programação

Logo após iniciar o sistema Raspberry Pi OS, o usuário tem acesso a vários ambientes de programação. A mais básica dessas ferramentas é Scratch, uma aplicação desenvolvida pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology) como uma ajuda educacional para escolas. Comandos e blocos de operações lógicas são apresentados aqui na forma de blocos gráficos, que são conectados como peças de quebra-cabeça, criando um código executável.

Janela do ambiente Scratch: à esquerda, os blocos de comandos disponíveis, no meio, o conteúdo do programa, à direita, o resultado de sua execução.

Claro, esta é uma ferramenta para educação muito inicial, realmente para aprender sobre questões elementares de programação. No entanto, as capacidades do Raspberry Pi não terminam aí.

Entre as muitas vantagens do computador, pode-se apontar o fato de que o Raspberry Pi OS tem instalado desde o início o Python 3. Esta linguagem tem muitas vantagens:

• possui uma sintaxe simplificada em relação a outras linguagens;
• força o programador a criar um código legível e organizado;
• sua popularidade e comunidade amigável fazem com que qualquer usuário encontre facilmente suporte na Internet;
• possui uma rica coleção de bibliotecas de diversas áreas, desde o controle de componentes eletrônicos até aprendizado de máquina e construção de servidores de rede, tornando-o uma solução versátil;
• é uma linguagem promissora, em constante desenvolvimento dinâmico, e seu conhecimento é frequentemente esperado pelos empregadores (não apenas de programadores).

Além disso: um elemento integral do sistema Raspberry Pi OS é o Geany, ou seja, um ambiente para criação de aplicações em C/C++. Esta é uma opção para programadores avançados (ou simplesmente ambiciosos) – mas devido ao baixo nível dessas linguagens, permite aproveitar ao máximo as capacidades do computador, não apenas seu poder de processamento, mas também as interfaces instaladas.

Linux

Linux é um sistema operacional de código aberto, cujas muitas distribuições (ou seja, versões) estão disponíveis gratuitamente. Por definição, é um software destinado ao trabalho em rede, portanto, suporta a maioria das aplicações modernas. A interface gráfica é um elemento opcional do ambiente e permite trabalhar nele de forma semelhante ao que acontece no Windows ou MacOS. Mas nada impede que o Raspberry Pi seja usado em um ambiente de texto, ou mesmo remotamente, por meio de um terminal de rede.

Basear o RPi no Linux tem duas vantagens principais. Em primeiro lugar, o usuário se beneficiará de todas as vantagens do sistema: um vasto repositório de software gratuito, alta segurança, estabilidade, capacidade de adaptação, atualizações regulares. Por outro lado: em tempos de tecnologia onipresente, vale a pena aumentar suas competências em informática. E aqui o computador de placa única é uma ajuda ideal para aprender os fundamentos do Linux e como trabalhar nele.

Eletrônica

Já mencionamos que a placa Raspberry Pi possui um conector GPIO (do inglês general-purpose input/output), ou seja, entradas/saídas de uso geral. O conector é feito na forma de pinos, aos quais é fácil conectar cabos protótipos para levar sinais para uma placa de ensaio. A função que o GPIO desempenhará é totalmente controlável a partir de diferentes ambientes de programação (até mesmo do Scratch).

Na foto, o GPIO é usado para controlar um display OLED e se comunicar com o computador por meio de uma porta serial (e adaptador USB).

As possibilidades oferecidas pelo GPIO serão mencionadas novamente ao discutir as extensões para o RPi. No campo da educação, uma grande vantagem deste conector é a opção de conectar diretamente o computador a componentes e módulos eletrônicos. Outros computadores modernos praticamente não oferecem essa possibilidade (apenas por meio de adaptadores, cuja operação nem sempre é intuitiva e segura).

Com o uso do computador de placa única, o usuário facilmente interagirá com semicondutores e circuitos integrados, aprenderá a operá-los e como funcionam. Esta é uma forma atraente de educação, especialmente para crianças e iniciantes. Ao mesmo tempo, essa funcionalidade, combinada com as linguagens Python/C/C++, abre amplas perspectivas para a construção de dispositivos eletrônicos (até mesmo comerciais), que descreveremos na próxima parte do artigo.

Inteligência artificial

IA, SI, inteligência artificial são termos muito populares nos últimos anos – muito (talvez demais) se escreve sobre seu potencial e implicações sociais, mas muito pouco sobre o princípio de funcionamento em si. Como é uma tecnologia promissora e simplesmente útil, vale a pena conhecê-la "por dentro". Mesmo que seja apenas para poder falar sobre ela de forma competente e ler conscientemente as "notícias" apresentadas na mídia.

O Raspberry Pi oferece a possibilidade de experimentos práticos com inteligência artificial – especificamente aprendizado de máquina e redes neurais. Plataformas como PyTorch ou TensorFlow (com bibliotecas para Python e C++) ajudarão nisso. Ao conectar um módulo de câmera, podemos começar a aprender com projetos de demonstração que reconhecem objetos em tempo real, para depois adaptar o programa a objetivos específicos. Claro, também será possível trabalhar em modelos puramente abstratos.

Extensão Raspberry Pi AI HAT+ é montada na placa-mãe. A placa deixa livre o acesso aos pinos GPIO e aos conectores CSI/DSI (câmera/display).

O fabricante também preparou um cartão de aceleração especial, ou seja, uma extensão conectada à placa-mãe do RPi. Este módulo contém um coprocessador da marca Hailo – projetado para executar rapidamente operações (cálculos) nas quais se baseiam os modelos de redes neurais. O uso da extensão não requer configuração complicada, a placa é reconhecida nativamente pelo computador e sistema.

Programa de reconhecimento de silhuetas humanas em tempo real. Baseado no Raspberry Pi, chip Hailo e módulo de câmera.

As soluções mencionadas acima são destinadas ao trabalho local, portanto, não requerem conexão ativa à Internet. Mas graças à comunicação versátil e segura com a rede, o Raspberry Pi oferece mais uma possibilidade: criar aplicações baseadas na nuvem, como interfaces API fornecidas por provedores como OpenAi, criadores do ChatGPT.

Hobby

Outro campo de aplicação são projetos privados, realizados para uso próprio ou sob encomenda individual. As versões mais recentes do Raspberry Pi têm poder de processamento suficiente para funcionar como um computador pessoal comum – para navegar na Internet, trabalhar com documentos e planilhas (usando o pacote LibreOffice ou Google Workspace) e tarefas semelhantes. No entanto, amadores de eletrônica encontraram muitos outros usos para este produto...

Entretenimento

Um dos projetos mais populares realizados com o RPi é um centro de entretenimento. Existem duas direções aqui que, embora não se excluam mutuamente, a implementação de cada uma delas ocorre de maneira um pouco diferente. A primeira é um reprodutor de filmes e música, a segunda é um console para jogos de vídeo clássicos. Graças a soluções prontas preparadas por entusiastas e disponibilizadas (gratuitamente) na Internet, a construção de tal computador especializado não requer quase nenhum conhecimento de informática – apenas um pouco de coragem e paciência.

A disponibilidade de consoles de gerações anteriores, ou mesmo sua conexão a uma TV moderna, pode causar problemas. O Raspberry Pi torna-se, portanto, uma alternativa atraente.

A segunda aplicação popular do Raspberry Pi é um console para o chamado retro gaming, ou seja, emulação de consoles clássicos: GameBoy, Super Nintendo, Sega, PSX, bem como computadores Commodore, Amiga, Atari etc. Sistemas já preparados para esse fim e configurados para versões específicas do Raspberry Pi estão disponíveis na Internet e são ativamente desenvolvidos pela comunidade de entusiastas. A maioria deles é baseada na interface universal RetroArch, na qual são carregados núcleos, ou seja, programas que reproduzem a arquitetura de consoles específicos (ou mesmo máquinas de arcade, como MAME, ou Multiple Arcade Machine Emulator). Ao conectar um controlador, é possível jogar milhares de títulos clássicos, conhecidos da infância, e às vezes apenas de histórias...

Faça você mesmo

Como já mencionado, a construção do Raspberry Pi facilita a conexão com módulos eletrônicos, como placas de relés, controladores de motores, controladores de iluminação LED, sensores de temperatura, umidade, distância, movimento etc. Isso permite a realização de muitos projetos interessantes nas áreas de robótica e automação residencial.

Robôs serão um desafio atraente especialmente para alunos e estudantes. O poder de processamento do RPi permite criar projetos que podem competir com sucesso em competições. Combinado com motores, servomecanismos, chassis e outros elementos mecânicos modulares acessíveis, é possível construir qualquer plataforma – e depois controlá-la remotamente usando um computador (por exemplo, via Bluetooth). Aqui, vale a pena liberar a imaginação e lembrar das possibilidades oferecidas pela inteligência artificial: nosso robô pode ser um dispositivo totalmente autônomo.

Para construir um robô multifuncional, além do Raspberry Pi, são necessários apenas alguns elementos: motores, rodas, chassi, bateria e, opcionalmente, sensores.

Um campo relacionado de dispositivos que qualquer entusiasta de faça você mesmo pode realizar com o Raspberry Pi é a automação residencial. Usando a conectividade de rede e os pinos GPIO, o construtor pode criar um controlador de iluminação, ventilação, monitor de condições em casa, estufa ou jardim. O computador consome tão pouca energia que pode funcionar praticamente sem interrupção, portanto, sempre estará ouvindo comandos enviados do smartphone ou realizando tarefas programadas pelos moradores. Aqui também é possível usar soluções prontas da Internet, como Home Assistant, openHAB etc. Além disso, não será um grande problema conectar esse controlador a dispositivos do Google Assistant ou Amazon Alexa, permitindo controlar a automação residencial por meio de comandos de voz.

Facilidades de rede

Já mencionamos que a facilidade de conectar o Raspberry Pi ao WiFi ou Ethernet (e, claro, à Internet) permite a realização de muitos projetos interessantes. Mas ainda não abordamos o tema de aplicações que funcionam exclusivamente na rede. Um pequeno computador pode ser colocado perto do roteador doméstico, mesmo completamente escondido, onde desempenhará um papel útil, facilitando a vida dos moradores.

Talvez o projeto mais popular desse tipo seja um servidor NAS, ou seja, um disco de rede. Graças a ele, podemos armazenar arquivos em um local de rede – e ter acesso a eles de qualquer dispositivo. Criar tal servidor requer apenas a instalação de alguns pacotes e a conexão de alguma forma de armazenamento ao RPi (eventualmente, pode-se usar um cartão SD de grande capacidade, embora uma boa prática seja separar os dados do sistema do nosso arquivo). Um pendrive, disco rígido portátil ou módulo SSD pode servir como armazenamento de arquivos. Este último é fácil de conectar usando a extensão M.2 HAT+ fornecida pelo fabricante, que atua como um adaptador entre a saída PCI-E e a interface M.2.

Conexão de um disco SSD (no formato M.2) usando a extensão Raspberry Pi M.2 HAT+.

O Raspberry Pi pode ser programado para criar regularmente uma cópia de nossos dados na nuvem, por exemplo, nos servidores do Google Drive ou Dropbox. Além disso, também é possível executar simultaneamente no computador um servidor VPN, o que nos permitirá conectar ao nosso disco mesmo quando estivermos fora do alcance do WiFi privado. Esta solução também será útil quando o Raspberry Pi gerencia a automação residencial.

Outra aplicação interessante do Raspberry Pi é a implementação de uma câmera da Internet, que transmitirá vídeo (eventualmente também áudio) para nosso próprio site ou para um serviço escolhido (por exemplo, YouTube). Dessa forma, é possível realizar streaming de um ponto de vista atraente, alimentador de animais etc.

Aplicações profissionais

Embora o Raspberry Pi tenha ganhado popularidade principalmente como uma ferramenta educacional, os designers rapidamente perceberam as capacidades deste computador e começaram a usá-lo em aplicações profissionais. Esta tendência acelerou claramente nos últimos anos, provavelmente de acordo com as intenções do fabricante, quando a geração jovem, que cresceu com as primeiras gerações do RPi, se formou e entrou no mercado de trabalho. Para ter uma visão completa das possíveis aplicações do computador britânico, vamos dar uma olhada nos produtos onde ele desempenha o papel de controlador principal.

Sistemas BMS

O uso do RPi em projetos comerciais tem várias vantagens. Em primeiro lugar, está associado a uma redução significativa de custos, pois permite basear o dispositivo e o software em soluções de código aberto. Em segundo lugar, o produto final será baseado em uma arquitetura amplamente descrita, portanto, pode ser facilmente programado pelo cliente, o que em muitas áreas será uma opção muito atraente.

Uma das aplicações em que o uso do Raspberry Pi reduz significativamente os custos são os sistemas de gestão de edifícios, ou BMS (do inglês Building Management Systems). A funcionalidade potencial não se limita aqui à automação da iluminação – também abrange instalações HVAC (do inglês Heating, Ventilation, Air Conditioning). O computador de baixo consumo de energia também é adequado para monitorar as condições internas (iluminação, temperatura, umidade), incluindo em fábricas ou armazéns. Além disso, usando módulos especializados (por exemplo, conversores A/C e transformadores de corrente), é possível agregar dados sobre o consumo de energia, bem como sua obtenção de instalações fotovoltaicas ou outras fontes renováveis.

Modelos de câmeras de marca Raspberry Pi têm propriedades variadas, estão disponíveis em variantes de alta resolução (mais de 12 megapixels), com sensor que registra luz no espectro infravermelho, com lentes grande angulares etc.

Monitoramento

Mencionamos acima que o Raspberry Pi não só foi adaptado para conectar câmeras – ele também possui poder de processamento suficiente para realizar análise de imagem em tempo real. Essas duas características são suficientes para construir um sistema de monitoramento inteligente, que além de observação e controle de acesso, coletará automaticamente informações como números de placas de veículos, retratos de pessoas, data e hora de ocorrência de movimento no campo de visão da câmera.

Automação industrial

Talvez o campo mais amplo onde o Raspberry Pi encontra suas aplicações comerciais seja a automação industrial. Isso está relacionado à crescente popularidade da Internet das Coisas (IoT, Internet of Things) e à tendência contínua de informatização dos processos de produção e logística.

Os dispositivos que foram inicialmente equipados com Raspberry Pi foram controladores PLC (Programmable Logic Controller), módulos que controlam máquinas e robótica em linhas de produção. Aqui, o motivo é óbvio: o computador de placa única é pequeno o suficiente para caber em uma caixa montada em um trilho DIN padrão, e também possui interfaces e capacidades de comunicação que facilitam sua adaptação às necessidades de quase qualquer instalação típica em um parque de máquinas.

Controladores industriais da marca BrainBoxes são produtos profissionais baseados em computadores Raspberry Pi – graças a isso, os técnicos podem programá-los livremente.

Claro, o computador também pode ser usado para outros fins, como coleta e análise de dados de sensores ou registro detalhado das etapas de processamento/produção, o que posteriormente serve para otimizar vários processos (por exemplo, teste, sobre o qual falaremos em breve). Nessas aplicações, muitas das soluções já mencionadas são utilizadas, como o processamento de informações usando redes neurais. A principal diferença aqui será o papel que o Raspberry Pi desempenha: em projetos domésticos, ele é o coração do sistema, enquanto em aplicações comerciais, o computador é frequentemente integrado em um sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ou MES (Manufacturing Execution System).

Vários fabricantes fornecem acessórios tipicamente industriais para o Raspberry Pi, como adaptadores de comunicação que funcionam com barramentos Modbus, CAN, RS-485 etc.

Diagnóstico

Em relação à automação, vale a pena expandir a questão do diagnóstico e controle de qualidade. O Raspberry Pi pode ser programado para realizar ações repetitivas em circuitos realizados para diferentes dispositivos, desde módulos eletrônicos individuais até equipamentos de áudio e vídeo. Os computadores, portanto, desempenham seu papel no controle de qualidade, processos FCT (functional testing) e na programação em série de memórias e microcontroladores já montados na placa (ISP, in-system programming). Eles também permitem automatizar o diagnóstico em serviços – ao conectar à porta serial do dispositivo, se comunicam com seu microprocessador/microcontrolador e realizam automaticamente testes básicos.

Sem robótica e automação, a criação de circuitos miniaturizados seria quase impossível e, acima de tudo, completamente inviável.

Edge computing

Raspberry Pi rastreando e analisando o tráfego rodoviário em tempo real.

A melhor ilustração dessa infraestrutura são as "cidades inteligentes". Por exemplo: um módulo colocado em um poste contém uma câmera, registra o tráfego rodoviário, analisa o número de carros e, em caso de detecção de anomalias, envia para a nuvem um pequeno pacote de dados, que contém informações específicas (por exemplo, sobre um congestionamento, acidente, infração registrada). Tal instalação simplifica e acelera a comunicação. Claro, a transmissão de dados também pode ocorrer na direção oposta, por exemplo, a central recebe um sinal sobre a ocorrência de neblina e ordena aos módulos em uma determinada área que alterem as condições de iluminação – enquanto o cálculo da intensidade e cor da iluminação necessária permanece por conta dos controladores computadorizados que trabalham no campo. Soluções semelhantes são usadas, por exemplo, na gestão de transporte público ou frotas de veículos de distribuição.

O Raspberry Pi atende perfeitamente às exigências dessa informatização – principalmente devido à sua eficiência energética (capacidade de trabalho móvel, usando baterias ou células fotovoltaicas) e à adaptação do sistema Linux para trabalhar em grandes infraestruturas de rede.

Caixas especiais, industriais para Raspberry Pi integradas com placas de expansão facilitam o uso do computador para aplicações incomuns, mesmo em condições ambientais difíceis.

Pesquisa científica

Vale a pena notar que todas as características mencionadas do Raspberry Pi – coleta de dados de sensores, conectividade, eficiência energética, mobilidade – atendem perfeitamente às necessidades de muitas áreas da ciência. Pesquisas estatísticas, urbanísticas, ecológicas, agro-tecnológicas ou meteorológicas exigem a agregação de muitas informações, muitas vezes em uma área extensa. Computadores miniaturizados podem facilitar esses projetos. Outras aplicações mais experimentais do RPi na ciência estão relacionadas à realização de observações em pequena e grande escala: desde microscópicas, como processos biológicos (por exemplo, desenvolvimento de culturas), reações químicas (oxidação ou desenvolvimento de corrosão em longos períodos de tempo), até fenômenos astronômicos (rastreamento de objetos no céu).

Experimentalmente, o Raspberry Pi também é usado para realizar observações médicas, em espectrografia e em muitas outras disciplinas. Pode-se dizer com segurança que em trabalhos científicos – assim como em todas as áreas apresentadas aqui – as aplicações do Raspberry Pi são limitadas apenas pela ambição e imaginação dos usuários.

A Transfer Multisort Elektronik (TME) é um dos maiores distribuidores globais de componentes eletrônicos, peças eletrotécnicas, equipamentos de oficina e automação industrial. O catálogo inclui mais de 1.500.000 de produtos de 1.300 fabricantes líderes. Os modernos centros logísticos da TME em Łódź e Rzgów (Polónia), com uma área total superior a 40.000 m², enviam quase 6.000 pacotes diariamente para clientes em mais de 150 países.

A TME também investe no desenvolvimento do conhecimento e das competências de jovens engenheiros e entusiastas da eletrónica através do projeto TME Education e apoia a comunidade tecnológica organizando a série de eventos TechMasterEvent, promovendo a inovação e a troca de experiências.