À quoi sert le Raspberry Pi ?

La question du titre peut sembler un peu étrange – mais la réponse intéressera aussi bien les novices que les électroniciens avancés. Occupons-nous donc de cette question très élémentaire : qu'est-ce que le Raspberry Pi et à quoi peut-il être utilisé ?

D'emblée, il faut noter que nous ne traiterons ni des questions de construction ni des nuances de l'offre Raspberry Pi. Ces questions ont déjà été décrites à plusieurs reprises, notamment dans notre article à ce sujet, et nous les approfondirons certainement à nouveau à l'avenir. Pour répondre le plus complètement possible à la question du titre, nous nous concentrerons ici uniquement sur les produits phares du fournisseur, à savoir les ordinateurs de 4e et 5e génération. Beaucoup des informations ci-dessous peuvent s'appliquer aux modèles miniaturisés "Zero", mais pas aux cartes "Pico", qui ont une construction complètement différente et méritent un article séparé.

Dans cet article, nous répondons à des questions telles que :

• Pourquoi le Raspberry Pi est-il devenu si populaire
• Comment apprendre le plus facilement la programmation ?
• Qu'est-ce que Linux exactement ?
• Comment convaincre les enfants et les élèves d'apprendre l'électronique ?
• Comment commencer à programmer l'intelligence artificielle ?
• Quelles sont les applications Kodi et RetroArch ?
• Quels projets domestiques avec Raspberry Pi valent la peine d'être envisagés ?
• À quoi servent les ordinateurs monocartes dans l'industrie ?
• En quoi consiste le edge computing ?
• Comment le Raspberry Pi est-il utilisé pour la recherche scientifique ?

Que contient la boîte ?

De plus, la carte comporte des broches GPIO, c'est-à-dire des lignes d'entrée-sortie, qui peuvent être gérées à l'aide de divers environnements de programmation. Grâce à cette conception, un prix bas des appareils a été atteint (avec des capacités de calcul impressionnantes) ainsi qu'une polyvalence extraordinaire. Le RPi peut servir de simple ordinateur personnel, mais aussi devenir une aide à l'apprentissage de l'électronique – il peut contrôler des systèmes d'automatisation, devenir la base d'un relais programmable, collecter des données à partir de capteurs distants... Eh bien, essayons de lister les objectifs que sert le Raspberry Pi dans le monde qui nous entoure.

Éducation

Il n'est pas surprenant que le projet Raspberry Pi soit né au Royaume-Uni, où la génération élevée sur les ordinateurs 8 bits des années 80 se souvient bien des marques Sinclair, Acorn, Tangerine ou Dragon. Outre les jeux, l'atout principal du BBC Micro, du ZX Spectrum ou du Commodore 64 était la facilité de leur programmation, souvent à l'aide de langages conviviaux de haut niveau, comme le Basic. L'intérêt des jeunes, qui est devenu le moteur d'un programme éducatif national, a porté ses fruits après quelques décennies, et sa meilleure illustration est la Fondation Raspberry Pi et le phénomène mondial de ses ordinateurs, qui ont été conçus avant tout comme une aide éducative.

Programmation

Dès le démarrage du système Raspberry Pi OS, l'utilisateur a accès à plusieurs environnements de programmation. Le plus basique de ces outils est Scratch, une application développée par le MIT (Massachusetts Institute of Technology) comme aide pédagogique pour les écoles. Les commandes et les blocs d'opérations logiques y sont présentés sous forme de blocs graphiques, qui se connectent comme des briques pour créer du code exécutable.

Fenêtre de l'environnement Scratch : à gauche, les blocs de commandes disponibles, au centre, le contenu du programme, à droite, le résultat de son exécution.

Bien sûr, c'est un outil d'éducation très précoce, en fait d'apprentissage des concepts élémentaires de la programmation. Cependant, les possibilités du Raspberry Pi ne s'arrêtent pas là.

Parmi les nombreux atouts de l'ordinateur, on peut citer le fait que Raspberry Pi OS a installé dès le départ Python 3. Ce langage présente de nombreux avantages :

• il possède une syntaxe simplifiée par rapport à d'autres langages ;
• il oblige le programmeur à créer un code lisible et ordonné ;
• sa popularité et sa communauté amicale font que chaque utilisateur trouvera facilement du soutien sur Internet ;
• il dispose d'une riche collection de bibliothèques dans divers domaines, de la gestion des composants électroniques à l'apprentissage automatique et à la construction de serveurs réseau, ce qui en fait une solution polyvalente ;
• c'est un langage d'avenir, en développement dynamique constant, et sa connaissance est souvent attendue par les employeurs (pas seulement des programmeurs).

De plus : un élément intégral du système Raspberry Pi OS est Geany, c'est-à-dire un environnement pour créer des applications en C/C++. C'est une option pour les programmeurs avancés (ou simplement ambitieux) – mais en raison du bas niveau de ces langages, elle permet d'exploiter pleinement les capacités de l'ordinateur, non seulement sa puissance de calcul, mais aussi les interfaces installées.

Linux

Linux est un système d'exploitation de type open-source, dont de nombreuses distributions (lire : versions) sont disponibles gratuitement. Par définition, c'est un logiciel destiné au travail en réseau, et il prend donc en charge la plupart des applications modernes. L'interface graphique est un élément optionnel de l'environnement et permet de travailler dessus de manière similaire à ce qui se passe avec Windows ou MacOS. Mais rien n'empêche d'utiliser le Raspberry Pi dans un environnement textuel, voire à distance, via un terminal réseau.

Le fait de baser le RPi sur Linux présente deux avantages principaux. Tout d'abord, l'utilisateur bénéficiera de tous les avantages du système : un vaste dépôt de logiciels gratuits, une sécurité élevée, une stabilité, des possibilités d'adaptation, des mises à jour régulières. D'autre part : à l'ère de la technologie omniprésente, il vaut la peine d'améliorer ses compétences informatiques. Et ici, l'ordinateur monocarte est une aide idéale pour apprendre les bases de Linux et la méthode de travail avec celui-ci.

Électronique

Nous avons déjà mentionné que la carte Raspberry Pi possède un connecteur GPIO (ang. general-purpose input/output), c'est-à-dire des entrées/sorties à usage général. Le connecteur est réalisé sous forme de broches, auxquelles il est facile de connecter des fils prototypes pour amener les signaux sur une plaque d'essai. La fonction que remplira le GPIO est entièrement contrôlable depuis divers environnements de programmation (même Scratch).

Sur la photo, le GPIO sert à contrôler un écran OLED et à communiquer avec l'ordinateur via un port série (et un adaptateur USB).

Nous mentionnerons encore les possibilités offertes par le GPIO lors des extensions pour le RPi. Dans le domaine de l'éducation, un énorme avantage de ce connecteur est l'option de connexion directe de l'ordinateur aux composants et modules électroniques. D'autres ordinateurs modernes ne permettent pas vraiment cette possibilité (seulement à l'aide d'adaptateurs, dont la manipulation ne s'avère pas toujours intuitive et sûre).

Avec un ordinateur monocarte, l'utilisateur entrera facilement en interaction avec les semi-conducteurs et les circuits intégrés, apprendra à les utiliser et à comprendre leur fonctionnement. C'est une forme d'éducation attrayante surtout pour les enfants et les débutants. En même temps, cette fonctionnalité combinée aux langages Python/C/C++ ouvre de larges perspectives pour la construction d'appareils électroniques (même commerciaux), que nous décrirons dans la suite de l'article.

Intelligence artificielle

AI, SI, intelligence artificielle sont des mots très en vogue ces dernières années – beaucoup (peut-être trop) est écrit sur leur potentiel et leurs implications sociales, mais très peu sur le principe même de leur fonctionnement. Étant donné qu'il s'agit d'une technologie d'avenir et simplement utile, il vaut la peine de la connaître "de l'intérieur". Ne serait-ce que pour pouvoir en parler de manière compétente et lire consciemment les "nouvelles" présentées dans les médias.

Le Raspberry Pi offre la possibilité de faire ses propres expériences avec l'intelligence artificielle – plus précisément l'apprentissage automatique et les réseaux neuronaux. Les plateformes PyTorch ou TensorFlow (avec des bibliothèques pour Python et C++) aideront à cela. En connectant un module caméra, nous pouvons commencer l'apprentissage avec des projets de démonstration reconnaissant des objets en temps réel, pour ensuite adapter le programme à des objectifs spécifiques. Bien sûr, il sera également possible de travailler sur des modèles purement abstraits.

Extension Raspberry Pi AI HAT+ se monte sur la carte mère. La carte laisse un accès libre aux broches GPIO et aux connecteurs CSI/DSI (caméra/écran).

Le fabricant a également préparé une carte d'accélération spéciale, c'est-à-dire une extension attachée à la carte mère RPi. Ce module contient un coprocesseur de marque Hailo – conçu pour exécuter rapidement les opérations (calculs) sur lesquelles reposent les modèles de réseaux neuronaux. L'utilisation de l'extension ne nécessite pas de configuration compliquée, la carte est reconnue nativement par l'ordinateur et le système.

Programme de reconnaissance des silhouettes humaines en temps réel. Basé sur Raspberry Pi, le système Hailo et le module caméra.

Les solutions mentionnées ci-dessus sont destinées à un travail local, et ne nécessitent donc pas de connexion Internet active. Mais grâce à la communication polyvalente et sécurisée avec le réseau, le Raspberry Pi offre une autre possibilité : créer des applications basées sur le cloud, c'est-à-dire par exemple des interfaces API fournies par des fournisseurs tels qu'OpenAi, les créateurs de ChatGPT.

Loisirs

Un autre domaine d'application est celui des projets privés, réalisés pour un usage personnel, éventuellement sur commande individuelle. Les dernières versions de Raspberry Pi ont une puissance de calcul suffisante pour jouer le rôle d'un ordinateur personnel ordinaire – pour naviguer sur Internet, travailler avec des documents et des feuilles de calcul (en utilisant le pack LibreOffice ou Google Workspace) et des tâches similaires. Cependant, les amateurs d'électronique ont également trouvé de nombreuses autres utilisations pour ce produit...

Divertissement

L'un des projets les plus populaires réalisés avec le RPi est le centre de divertissement. Il y a ici deux directions, qui ne s'excluent pas mutuellement, mais dont la réalisation est légèrement différente. La première est un lecteur de films et de musique, la seconde une console pour les jeux vidéo classiques. Grâce aux solutions prêtes préparées par des passionnés et mises à disposition (gratuitement) sur Internet, la construction d'un tel ordinateur spécialisé ne nécessite presque aucune connaissance en informatique – juste un peu de courage et de patience.

La disponibilité des consoles de générations plus anciennes, voire leur connexion à un téléviseur moderne, peut poser des problèmes. Le Raspberry Pi devient donc une alternative attrayante.

La deuxième application populaire du Raspberry Pi est une console pour le soi-disant retro gaming, c'est-à-dire l'émulation de consoles classiques : GameBoy, Super Nintendo, Sega, PSX, ainsi que des ordinateurs Commodore, Amiga, Atari etc. Les systèmes déjà préparés à cet effet et configurés pour des versions spécifiques de Raspberry Pi sont disponibles sur Internet et activement développés par la communauté des passionnés. La plupart d'entre eux sont basés sur le frontend universel RetroArch, dans lequel on charge des cœurs, c'est-à-dire des programmes reproduisant l'architecture de consoles spécifiques (voire de bornes d'arcade, comme MAME, c'est-à-dire Multiple Arcade Machine Emulator). En connectant un contrôleur, on peut jouer à des milliers de titres classiques**, connus de l'enfance, et parfois seulement des histoires...

Bricolage

Comme déjà mentionné, la construction du Raspberry Pi facilite la connexion avec des modules électroniques, par exemple des cartes relais, des contrôleurs de moteurs, des contrôleurs d'éclairage LED, des capteurs de température, d'humidité, de distance, de mouvement etc. Cela permet de réaliser de nombreux projets intéressants dans le domaine de la robotique et de l'automatisation domestique.

Les robots seront un défi attrayant surtout pour les élèves et les étudiants. La puissance de calcul du RPi permet de créer des projets qui peuvent participer avec succès à des compétitions. En combinaison avec des moteurs, des servomécanismes, des châssis et d'autres éléments mécaniques modulaires abordables, on peut construire n'importe quelle plateforme – puis la contrôler à distance à l'aide d'un ordinateur (par exemple via Bluetooth). Ici, il vaut la peine de faire preuve d'imagination et de rappeler les possibilités offertes par l'intelligence artificielle : notre robot peut être un appareil entièrement autonome.

Pour construire un robot multifonctionnel, en plus du Raspberry Pi, il suffit de quelques éléments : moteurs, roues, châssis, batterie et, éventuellement, capteurs.

Un domaine connexe d'appareils que tout bricoleur peut réaliser avec le Raspberry Pi est l'automatisation domestique. En utilisant la connectivité réseau et les broches GPIO, le constructeur réalisera un contrôleur d'éclairage, de ventilation, un moniteur des conditions à la maison, dans la serre ou le jardin. L'ordinateur consomme si peu d'énergie qu'il peut fonctionner pratiquement en continu, et sera donc toujours à l'écoute des commandes envoyées depuis le smartphone ou exécutera les actions programmées par les habitants. Ici aussi, on peut s'appuyer sur des solutions prêtes sur Internet, comme Home Assistant, openHAB, etc. De plus : il ne sera pas difficile de connecter un tel contrôleur aux appareils Google Assistant ou Amazon Alexa, et donc de contrôler l'automatisation domestique par commandes vocales.

Facilités réseau

Nous avons déjà mentionné que la facilité de connexion du Raspberry Pi au WiFi ou à l'Ethernet (et, bien sûr, à Internet) permet de réaliser de nombreux projets intéressants. Mais nous n'avons pas encore abordé le sujet des applications fonctionnant uniquement en réseau. Un petit ordinateur peut être placé à proximité du routeur domestique, même complètement caché, où il jouera un rôle utile, facilitant la vie des habitants.

Peut-être le projet le plus populaire de ce type est un serveur NAS, c'est-à-dire un disque réseau. Grâce à lui, nous pouvons stocker des fichiers dans un emplacement réseau – et y accéder depuis n'importe quel appareil. La réalisation d'un tel serveur nécessite seulement l'installation de quelques paquets et la connexion à RPi d'une forme de mémoire (éventuellement, on peut utiliser une carte SD de grande capacité, bien qu'une bonne pratique soit de séparer les données système de notre archive). Un clé USB, un disque dur portable ou un module SSD peuvent servir de stockage de fichiers. Ce dernier est facile à connecter à l'aide de l'extension M.2 HAT+ fournie par le fabricant, qui sert d'adaptateur entre la sortie PCI-E et l'interface M.2.

Connexion d'un disque SSD (au format M.2) à l'aide de l'extension Raspberry Pi M.2 HAT+.

Le Raspberry Pi peut être programmé de manière à créer régulièrement une copie de nos données dans le cloud, par exemple sur les serveurs Google Drive ou Dropbox. De plus, on peut également lancer simultanément un serveur VPN sur l'ordinateur, ce qui nous permettra de nous connecter à notre disque même lorsque nous sommes hors de portée du WiFi privé. Cette solution sera également utile lorsque le Raspberry Pi gère l'automatisation domestique.

Une autre utilisation intéressante du Raspberry Pi est la réalisation d'une caméra Internet, qui diffusera l'image (éventuellement aussi le son) sur notre propre site Web ou vers un service choisi (par exemple YouTube). De cette manière, on peut réaliser un streaming depuis un point de vue attrayant, une mangeoire pour animaux, etc.

Applications professionnelles

Bien que le Raspberry Pi ait gagné en popularité principalement comme outil éducatif, les concepteurs ont rapidement réalisé les possibilités de cet ordinateur et ont commencé à l'utiliser dans des applications professionnelles. Cette tendance s'est nettement accélérée ces dernières années, probablement conformément aux intentions du fabricant, lorsque la jeune génération, qui a grandi avec les premières générations de RPi, a terminé ses études et est entrée dans la vie professionnelle. Pour avoir une image complète des applications possibles de l'ordinateur britannique, examinons les produits où il joue le rôle de contrôleur principal.

Systèmes BMS

L'utilisation du RPi dans les projets commerciaux présente plusieurs avantages. Tout d'abord, elle est associée à une réduction significative des coûts, car elle permet de baser l'appareil et le logiciel sur des solutions de type open source. Deuxièmement, le produit final sera basé sur une architecture largement décrite, et pourra donc être facilement programmé par le client, ce qui sera une option très attrayante dans de nombreux domaines.

L'une des applications où l'utilisation du Raspberry Pi réduit considérablement les coûts est celle des systèmes de gestion des bâtiments, c'est-à-dire BMS (ang. Building Management Systems). La fonctionnalité potentielle ne se limite pas ici à l'automatisation de l'éclairage – elle inclut également les installations HVAC (ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning). L'ordinateur économe en énergie sera également utile pour surveiller les conditions intérieures (éclairage, température, humidité), y compris dans les halls de production ou les entrepôts. De plus : en utilisant des modules spécialisés (par exemple des convertisseurs A/C et des transformateurs de courant), on peut agréger des données sur la consommation d'énergie, ainsi que sa production à partir d'installations photovoltaïques ou d'autres sources renouvelables.

Les modèles de caméras de marque Raspberry Pi ont des propriétés variées, se présentent en variantes haute résolution (plus de 12 mégapixels), avec un capteur enregistrant la lumière dans le spectre infrarouge, avec des objectifs grand angle, etc.

Surveillance

Nous avons mentionné ci-dessus que le Raspberry Pi n'est pas seulement adapté pour connecter des caméras – il possède également une puissance de calcul suffisante pour effectuer une analyse d'image en temps réel. Ces deux caractéristiques suffisent pour construire un système de surveillance intelligent, qui, en plus de l'observation et du contrôle d'accès, collectera automatiquement des informations telles que les numéros d'immatriculation des voitures, les portraits des personnes, la date et l'heure de l'apparition de mouvements dans le champ de vision de la caméra.

Automatisation industrielle

Peut-être le domaine le plus vaste où le Raspberry Pi trouve ses applications commerciales est celui de l'automatisation industrielle. Cela est lié à la popularité croissante de l'Internet des objets (IoT, Internet of Things) et à la tendance persistante à l'informatisation des processus de production et logistiques.

Les appareils qui ont été équipés en premier lieu de Raspberry Pi étaient des contrôleurs PLC (Programmable Logic Controller), des modules contrôlant les machines et la robotique sur les lignes de production. Ici, la raison est évidente : l'ordinateur monocarte est suffisamment petit pour tenir dans un boîtier monté sur un rail DIN standard, il possède également des interfaces et des capacités de communication facilitant son adaptation aux besoins de presque toutes les installations typiques dans un parc de machines.

Les contrôleurs industriels de la marque BrainBoxes sont des produits professionnels basés sur des ordinateurs Raspberry Pi – grâce à cela, les techniciens peuvent les programmer à leur guise.

Bien sûr, l'ordinateur peut également être utilisé à d'autres fins, telles que la collecte et l'analyse des données des capteurs ou l'enregistrement détaillé des étapes de traitement/production, ce qui sert ensuite à optimiser divers processus (par exemple, le test, dont nous parlerons dans un instant). Dans de telles applications, de nombreuses solutions déjà mentionnées sont utilisées, telles que le traitement de l'information à l'aide de réseaux neuronaux. La différence fondamentale ici sera le rôle que joue le Raspberry Pi : dans les projets domestiques, il constitue le cœur du système, tandis que dans les applications commerciales, l'ordinateur est le plus souvent intégré dans un système de type SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) ou MES (Manufacturing Execution System).

De nombreux fabricants fournissent des accessoires typiquement industriels pour le Raspberry Pi, par exemple des adaptateurs de communication compatibles avec les bus Modbus, CAN, RS-485 etc.

Diagnostic

En ce qui concerne l'automatisation, il convient de développer la question du diagnostic et du contrôle qualité. Le Raspberry Pi peut être programmé pour effectuer des actions répétitives sur les circuits réalisés pour divers appareils, des modules électroniques individuels aux équipements audiovisuels. Les ordinateurs trouvent donc leur rôle dans le contrôle qualité, les processus FCT (functional testing) et dans la programmation en série des mémoires et microcontrôleurs déjà montés sur la carte (ISP, in-system programming). Ils permettent également d'automatiser le diagnostic dans les services – après connexion au port série de l'appareil, ils communiquent avec leur microprocesseur/microcontrôleur et effectuent automatiquement des tests de base.

Sans robotique et automatisation, la création de circuits miniaturisés serait presque impossible, et surtout totalement non rentable.

Edge computing

Raspberry Pi suivant et analysant le trafic routier en temps réel.

La meilleure illustration de cette infrastructure est celle des "villes intelligentes". Par exemple : un module placé sur un poteau contient une caméra, enregistre le trafic routier, analyse le nombre de voitures et, en cas de détection d'anomalie, envoie un petit paquet de données au cloud, contenant une information spécifique (par exemple, sur un embouteillage en formation, un accident, une infraction enregistrée). Une telle installation simplifie et accélère la communication. Bien sûr, la transmission des données peut également se faire dans l'autre sens, par exemple, le centre reçoit un signal indiquant la présence de brouillard et ordonne aux modules dans une zone donnée de modifier les conditions d'éclairage – tandis que le calcul de l'intensité et de la couleur de l'illumination requises reste du ressort des contrôleurs informatisés travaillant sur le terrain. Des solutions similaires sont utilisées, par exemple, pour la gestion des transports publics ou des flottes de véhicules de distribution.

Le Raspberry Pi répond parfaitement aux exigences de cette informatisation – avant tout en raison de sa faible consommation d'énergie (possibilité de travail mobile, en utilisant des batteries ou des cellules photovoltaïques) et de l'adaptation du système Linux à travailler dans de grandes infrastructures réseau.

Des boîtiers industriels spéciaux pour Raspberry Pi intégrés à des cartes d'extension facilitent l'utilisation de l'ordinateur pour des applications atypiques, même dans des conditions environnementales difficiles.

Recherche scientifique

Il convient de noter que toutes les caractéristiques du Raspberry Pi mentionnées ici – collecte de données à partir de capteurs, connectivité, faible consommation d'énergie, mobilité – répondent parfaitement aux besoins de nombreux domaines scientifiques. Les recherches statistiques, urbanistiques, écologiques, agrotechniques ou météorologiques nécessitent l'agrégation de nombreuses informations, souvent sur un vaste territoire. Les ordinateurs miniatures peuvent faciliter de tels projets. D'autres applications plus expérimentales du RPi dans la science sont liées à la conduite d'observations à petite et grande échelle : des observations microscopiques, comme les processus biologiques (par exemple, le développement de cultures), les réactions chimiques (oxydation ou développement de la corrosion sur de longues périodes), jusqu'aux phénomènes astronomiques (suivi d'objets dans le ciel).

Expérimentalement, le Raspberry Pi est également utilisé pour mener des observations médicales, en spectrographie et dans de nombreuses autres disciplines. On peut dire sans hésiter que dans les travaux scientifiques – comme dans tous les domaines présentés ici – les applications du Raspberry Pi ne sont limitées que par l'ambition et l'imagination des utilisateurs.

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