¿Para qué sirve Raspberry Pi?

La pregunta del título puede parecer un poco extraña, pero la respuesta interesará tanto a los completos principiantes como a los electrónicos avanzados. Ocupémonos entonces de esta cuestión muy elemental: ¿qué es realmente Raspberry Pi y para qué puede ser utilizado?

Al principio, es importante señalar que no abordaremos aquí ni cuestiones de construcción ni los matices de la oferta de Raspberry Pi. Estas cuestiones ya han sido descritas muchas veces, por ejemplo, en nuestro artículo sobre el tema, y seguramente las exploraremos nuevamente en el futuro. Para responder lo más completamente posible a la pregunta del título, nos centraremos aquí exclusivamente en los productos emblemáticos del proveedor, es decir, en las computadoras de 4ª y 5ª generación. Mucha de la información a continuación se puede aplicar a los modelos miniaturizados "Zero", pero no a las placas "Pico", que tienen una construcción completamente diferente y merecen un artículo separado.

En este artículo respondemos a preguntas como:

• ¿Por qué Raspberry Pi se ha vuelto tan popular?
• ¿Cuál es la forma más fácil de aprender a programar?
• ¿Qué es realmente Linux?
• ¿Cómo convencer a los niños y estudiantes a aprender electrónica?
• ¿Cómo empezar a programar inteligencia artificial?
• ¿Qué son las aplicaciones Kodi y RetroArch?
• ¿Qué proyectos domésticos con Raspberry Pi vale la pena considerar?
• ¿Para qué sirven las computadoras de placa única en la industria?
• ¿En qué consiste el edge computing?
• ¿Cómo se utiliza Raspberry Pi para la investigación científica?

¿Qué hay en la caja?

Además, en la placa se han colocado líneas de entrada/salida GPIO, que pueden ser manejadas mediante diferentes entornos de programación. Gracias a esta construcción, se ha logrado un bajo costo de los dispositivos (con impresionantes capacidades de cálculo) y su extraordinaria versatilidad. RPi puede funcionar como una computadora personal común, pero también convertirse en una ayuda para aprender electrónica: puede controlar sistemas de automatización, convertirse en la base de un relé programable, recopilar datos de sensores remotos... Bueno, intentemos enumerar los propósitos que Raspberry Pi sirve en el mundo que nos rodea.

Educación

No es de extrañar que el proyecto Raspberry Pi naciera en el Reino Unido, donde la generación criada con computadoras de 8 bits de los años 80 recuerda bien las marcas Sinclair, Acorn, Tangerine o Dragon. Además de los juegos, la principal ventaja de BBC Micro, ZX Spectrum o Commodore 64 era la facilidad de programación, a menudo utilizando lenguajes amigables para el usuario de alto nivel, como Basic. El interés de los jóvenes, que se convirtió en el motor de un programa educativo nacional, dio sus frutos después de algunas décadas, y su mejor ilustración es la Fundación Raspberry Pi y el fenómeno mundial de sus computadoras, que fueron diseñadas principalmente como una ayuda educativa.

Programación

Justo después de iniciar el sistema Raspberry Pi OS, el usuario tiene acceso a varios entornos de programación. La más básica de estas herramientas es Scratch, una aplicación desarrollada por el MIT (Massachusetts Institute of Technology) como una ayuda educativa para las escuelas. Los comandos y bloques de operaciones lógicas se presentan aquí en forma de bloques gráficos que se conectan, como piezas de un rompecabezas, para crear un código ejecutable.

Ventana del entorno Scratch: a la izquierda los bloques de comandos disponibles, en el centro el contenido del programa, a la derecha el resultado de su ejecución.

Por supuesto, es una herramienta para la educación temprana, en realidad para aprender sobre temas elementales de programación. Sin embargo, las capacidades de Raspberry Pi no terminan ahí.

Entre las numerosas ventajas de la computadora se puede señalar que Raspberry Pi OS tiene instalado desde el principio Python 3. Este lenguaje tiene muchas ventajas:

• tiene una sintaxis simplificada en comparación con otros lenguajes;
• obliga al programador a crear un código legible y ordenado;
• su popularidad y comunidad amigable hacen que cualquier usuario pueda encontrar fácilmente apoyo en Internet;
• posee una rica colección de bibliotecas de diversas áreas, desde el manejo de componentes electrónicos hasta el aprendizaje automático y la construcción de servidores de red, lo que lo convierte en una solución versátil;
• es un lenguaje con perspectivas, en constante desarrollo dinámico, y su conocimiento a menudo es esperado por los empleadores (no solo de los programadores).

Además: un elemento integral del sistema Raspberry Pi OS es Geany, es decir, un entorno para crear aplicaciones en C/C++. Es una opción para programadores avanzados (o simplemente ambiciosos), pero debido al bajo nivel de estos lenguajes, permite aprovechar al máximo las capacidades de la computadora, no solo su potencia de cálculo, sino también las interfaces instaladas.

Linux

Linux es un sistema operativo de código abierto, cuyas muchas distribuciones (es decir, versiones) están disponibles de forma gratuita. Por diseño, es un software destinado al trabajo en red, por lo que admite la mayoría de las aplicaciones modernas. La interfaz gráfica es un elemento opcional del entorno y permite trabajar en él de manera similar a como se hace en Windows o MacOS. Pero nada impide usar Raspberry Pi en un entorno de texto, e incluso de forma remota, mediante un terminal de red.

Basar RPi en Linux tiene dos ventajas principales. En primer lugar, el usuario se beneficiará de todas las ventajas del sistema: un extenso repositorio de software gratuito, alta seguridad, estabilidad, capacidad de adaptación, actualizaciones regulares. Por otro lado: en tiempos de tecnología omnipresente, vale la pena mejorar nuestras competencias informáticas. Y aquí, la computadora de placa única es una ayuda ideal para conocer los fundamentos de Linux y su método de funcionamiento.

Electrónica

Ya mencionamos que la placa Raspberry Pi tiene un conector GPIO (del inglés general-purpose input/output), es decir, entradas/salidas de propósito general. El conector está hecho en forma de pines, a los que es fácil conectar cables prototipo para llevar señales a una placa de pruebas. La función que desempeñará el GPIO es totalmente controlable desde varios entornos de programación (incluso Scratch).

En la foto, el GPIO se utiliza para controlar una pantalla OLED y comunicarse con la computadora a través de un puerto serie (y un adaptador USB).

Las posibilidades que ofrece el GPIO se mencionarán nuevamente en relación con las expansiones para RPi. En el ámbito educativo, una gran ventaja de este conector es la opción de conectar directamente la computadora con componentes y módulos electrónicos. Otras computadoras modernas prácticamente no ofrecen esta posibilidad (solo mediante adaptadores, cuyo manejo no siempre resulta intuitivo y seguro).

Con el uso de la computadora de placa única, el usuario podrá interactuar fácilmente con semiconductores y circuitos integrados, aprender a manejarlos y comprender su funcionamiento. Es una forma atractiva de educación principalmente para niños y principiantes. Al mismo tiempo, esta funcionalidad combinada con los lenguajes Python/C/C++ abre amplias perspectivas para la construcción de dispositivos electrónicos (incluso comerciales), que describiremos en la siguiente parte del artículo.

Inteligencia artificial

IA, AI, inteligencia artificial son términos muy populares en los últimos años: se escribe mucho (quizás demasiado) sobre su potencial e implicaciones sociales, pero muy poco sobre el principio de funcionamiento en sí. Dado que es una tecnología con perspectivas y simplemente útil, vale la pena conocerla "desde adentro". Aunque solo sea para poder hablar de ella con competencia y leer conscientemente las "noticias" presentadas en los medios.

Raspberry Pi ofrece la posibilidad de experimentar personalmente con la inteligencia artificial, específicamente el aprendizaje automático y las redes neuronales. Plataformas como PyTorch o TensorFlow (con bibliotecas para Python y C++) ayudarán en este proceso. Al conectar un módulo de cámara, podemos comenzar el aprendizaje con proyectos demostrativos que reconocen objetos en tiempo real, para luego adaptar el programa a objetivos específicos. Por supuesto, también será posible trabajar en modelos puramente abstractos.

Extensión Raspberry Pi AI HAT+ se monta en la placa base. La placa deja libre acceso a las salidas GPIO y a los conectores CSI/DSI (cámara/pantalla).

El fabricante también ha preparado una tarjeta de aceleración especial, es decir, una extensión que se conecta a la placa base de RPi. Este módulo contiene un coprocesador de la marca Hailo, diseñado para realizar rápidamente las operaciones (cálculos) en las que se basan los modelos de redes neuronales. El uso de la extensión no requiere una configuración complicada, la placa es reconocida de forma nativa por la computadora y el sistema.

Programa de reconocimiento de siluetas humanas en tiempo real. Basado en Raspberry Pi, el chip Hailo y el módulo de cámara.

Las soluciones mencionadas anteriormente están destinadas al trabajo local, por lo que no requieren una conexión activa a Internet. Pero gracias a la comunicación versátil y segura con la red, Raspberry Pi ofrece otra posibilidad: crear aplicaciones basadas en la nube, como interfaces API proporcionadas por proveedores como OpenAi, creadores de ChatGPT.

Aficiones

Otro campo de aplicación son los proyectos privados, realizados para uso personal o por encargo individual. Las versiones más recientes de Raspberry Pi tienen suficiente potencia de cálculo para funcionar como una computadora personal común: para navegar por Internet, trabajar con documentos y hojas de cálculo (usando el paquete LibreOffice o Google Workspace) y tareas similares. Sin embargo, los aficionados a la electrónica han encontrado muchos otros usos para este producto...

Entretenimiento

Uno de los proyectos más populares realizados con RPi es un centro de entretenimiento. Hay dos direcciones aquí que, aunque no se excluyen mutuamente, la realización de cada una de ellas es un poco diferente. La primera es un reproductor de películas y música, y la segunda es una consola para juegos de video clásicos. Gracias a las soluciones preparadas por entusiastas y disponibles (gratuitamente) en Internet, la construcción de una computadora especializada de este tipo no requiere casi ningún conocimiento de informática: solo un poco de valentía y paciencia.

La disponibilidad de consolas de generaciones anteriores, e incluso su conexión a un televisor moderno, puede presentar problemas. Raspberry Pi se convierte así en una alternativa atractiva.

La segunda aplicación popular de Raspberry Pi es una consola para el llamado retro gaming, es decir, la emulación de consolas clásicas: GameBoy, Super Nintendo, Sega, PSX, así como computadoras Commodore, Amiga, Atari, etc. Los sistemas ya preparados para este propósito y configurados para versiones específicas de Raspberry Pi están disponibles en Internet y son desarrollados activamente por la comunidad de entusiastas. La mayoría de ellos se basan en el frontend universal RetroArch, al que se cargan núcleos, es decir, programas que reproducen la arquitectura de consolas específicas (e incluso máquinas arcade, como MAME, es decir, Multiple Arcade Machine Emulator). Al conectar un controlador, se puede jugar a miles de títulos clásicos, conocidos de la infancia, y a veces solo de historias...

Bricolaje

Como ya se mencionó, la construcción de Raspberry Pi facilita la conexión con módulos electrónicos, como placas de relés, controladores de motores, controladores de iluminación LED, sensores de temperatura, humedad, distancia, movimiento, etc. Esto permite realizar muchos proyectos interesantes en el campo de la robótica y la automatización del hogar.

Los robots serán un desafío atractivo especialmente para estudiantes y universitarios. La potencia de cálculo de RPi permite crear proyectos que pueden competir con éxito en competiciones. Combinado con motores, servomecanismos, chasis y otros elementos mecánicos modulares asequibles, se puede construir cualquier plataforma y luego controlarla de forma remota usando una computadora (por ejemplo, a través de Bluetooth). Aquí vale la pena dejar volar la imaginación y recordar las posibilidades que ofrece la inteligencia artificial: nuestro robot puede ser un dispositivo completamente autónomo.

Para construir un robot multifuncional, además de Raspberry Pi, se necesitan algunos elementos: motores, ruedas, chasis, batería y, opcionalmente, sensores.

Un campo relacionado de dispositivos que cualquier aficionado al bricolaje puede realizar con Raspberry Pi es la automatización del hogar. Utilizando la conectividad de red y las salidas GPIO, el constructor puede realizar un controlador de iluminación, ventilación, monitor de condiciones en el hogar, invernadero o jardín. La computadora consume tan poca energía que puede funcionar prácticamente sin interrupciones, por lo que siempre estará escuchando los comandos enviados desde el teléfono inteligente o realizando las acciones programadas por los residentes. Aquí también se pueden utilizar soluciones listas de Internet, como Home Assistant, openHAB, etc. Además, no será un gran problema conectar dicho controlador con dispositivos Google Assistant o Amazon Alexa, y así controlar la automatización del hogar mediante comandos de voz.

Facilidades de red

Ya mencionamos que la facilidad de conexión de Raspberry Pi con WiFi o Ethernet (y, por supuesto, Internet) permite realizar muchos proyectos interesantes. Pero aún no hemos tocado el tema de las aplicaciones que funcionan exclusivamente en la red. La pequeña computadora se puede colocar cerca del enrutador doméstico, incluso completamente oculta, donde desempeñará un papel útil, facilitando la vida de los residentes.

Quizás el proyecto más popular de este tipo es un servidor NAS, es decir, un disco de red. Gracias a él, podemos almacenar archivos en una ubicación de red y tener acceso a ellos desde cualquier dispositivo. La creación de dicho servidor requiere solo la instalación de algunos paquetes y la conexión de alguna forma de almacenamiento a RPi (eventualmente se puede usar una tarjeta SD de gran capacidad, aunque una buena práctica aquí será separar los datos del sistema de nuestro archivo). Como almacenamiento de archivos se puede utilizar un pendrive, disco duro portátil o módulo SSD. Este último se puede conectar fácilmente utilizando la extensión M.2 HAT+ proporcionada por el fabricante, que actúa como un adaptador entre la salida PCI-E y el interfaz M.2.

Conexión de un disco SSD (en formato M.2) mediante la extensión Raspberry Pi M.2 HAT+.

Raspberry Pi se puede programar de tal manera que cree regularmente una copia de nuestros datos en la nube, por ejemplo, en los servidores de Google Drive o Dropbox. Además, también se puede ejecutar simultáneamente en la computadora un servidor VPN, lo que nos permitirá conectarnos a nuestro disco incluso cuando estemos fuera del alcance de la red WiFi privada. Esta solución también funcionará cuando Raspberry Pi gestione la automatización del hogar.

Otra aplicación interesante de Raspberry Pi es la realización de una cámara web, que transmitirá imágenes (y posiblemente sonido) a nuestro propio sitio web o a un servicio seleccionado (por ejemplo, YouTube). De esta manera, se puede realizar la transmisión en vivo desde un punto de vista atractivo, un comedero para animales, etc.

Aplicaciones profesionales

Aunque Raspberry Pi ganó popularidad principalmente como herramienta educativa, los diseñadores rápidamente se dieron cuenta de las posibilidades de esta computadora y comenzaron a utilizarla en aplicaciones profesionales. Esta tendencia ha acelerado claramente en los últimos años, probablemente de acuerdo con las intenciones del fabricante, cuando la generación joven que creció con las primeras generaciones de RPi terminó sus estudios y comenzó su carrera profesional. Para tener una imagen completa de las posibles aplicaciones de la computadora británica, echemos un vistazo a los productos donde desempeña el papel de controlador principal.

Sistemas BMS

El uso de RPi en proyectos comerciales tiene varias ventajas. En primer lugar, está asociado con una reducción significativa de costos, ya que permite basar el dispositivo y el software en soluciones de código abierto. En segundo lugar, el producto final estará basado en una arquitectura ampliamente descrita, por lo que puede ser fácilmente programado por el cliente, lo que en muchos campos será una opción muy atractiva.

Una de las aplicaciones en las que el uso de Raspberry Pi reduce significativamente los costos son los sistemas de gestión de edificios, es decir, BMS (del inglés Building Management Systems). La funcionalidad potencial no se limita aquí a la automatización de la iluminación, sino que también abarca instalaciones HVAC (del inglés Heating, Ventilation, Air Conditioning). La computadora de bajo consumo también es adecuada para monitorear las condiciones interiores (iluminación, temperatura, humedad), incluidas las naves de producción o almacenes. Además, mediante el uso de módulos especializados (por ejemplo, convertidores A/C y transformadores de corriente), se pueden agregar datos sobre el consumo de energía, así como su obtención de instalaciones fotovoltaicas u otras fuentes renovables.

Los modelos de cámaras de marca Raspberry Pi tienen diversas características, están disponibles en variantes de alta resolución (más de 12 megapíxeles), con sensor que registra luz en el espectro infrarrojo, con lentes gran angular, etc.

Monitoreo

Mencionamos anteriormente que Raspberry Pi no solo está diseñado para conectar cámaras, sino que también tiene suficiente potencia de cálculo para realizar análisis de imágenes en tiempo real. Estas dos características son suficientes para construir un sistema de monitoreo inteligente, que además de observar y controlar el acceso, recopilará automáticamente información como números de matrícula de automóviles, retratos de personas, fecha y hora de la aparición de movimiento en el campo de visión de la cámara.

Automatización industrial

Quizás el campo más amplio donde Raspberry Pi encuentra sus aplicaciones comerciales es la automatización industrial. Esto está relacionado con la creciente popularidad del Internet de las Cosas (IoT, Internet of Things) y la tendencia continua hacia la informatización de los procesos de producción y logística.

Los dispositivos que primero se equiparon con Raspberry Pi fueron controladores PLC (Programmable Logic Controller), módulos que controlan máquinas y robótica en líneas de producción. Aquí la razón es obvia: la computadora de placa única es lo suficientemente pequeña como para caber en una carcasa montada en un riel DIN estándar, y también tiene interfaces y capacidades de comunicación que facilitan adaptarla a las necesidades de casi cualquier instalación típica en un parque de máquinas.

Los controladores industriales de la marca BrainBoxes son productos profesionales basados en computadoras Raspberry Pi, lo que permite a los técnicos programarlos libremente.

Por supuesto, la computadora también se puede utilizar para otros fines, como recopilar y analizar datos de sensores o registrar detalladamente las etapas de procesamiento/producción, lo que posteriormente sirve para optimizar varios procesos (por ejemplo, pruebas, de las que hablaremos en un momento). En tales aplicaciones, se utilizan muchas de las soluciones ya mencionadas, como el procesamiento de información utilizando redes neuronales. La diferencia principal aquí será el papel que desempeña Raspberry Pi: en proyectos domésticos, constituye el corazón del sistema, mientras que en aplicaciones comerciales, la computadora generalmente se integra en un sistema más amplio tipo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) o MES (Manufacturing Execution System).

Varios fabricantes proporcionan accesorios típicamente industriales para Raspberry Pi, como adaptadores de comunicación que funcionan con buses Modbus, CAN, RS-485, etc.

Diagnóstico

En cuanto a la automatización, vale la pena desarrollar el tema del diagnóstico y control de calidad. Raspberry Pi puede ser programado para realizar acciones repetitivas en circuitos realizados para diferentes dispositivos, desde módulos electrónicos individuales hasta equipos de consumo. Las computadoras, por lo tanto, encuentran su papel en el control de calidad, procesos FCT (functional testing) y en la programación en serie de memorias y microcontroladores ya montados en la placa (ISP, in-system programming). También permiten automatizar el diagnóstico en servicios: al conectarse al puerto serie del dispositivo, se comunicarán con su microprocesador/microcontrolador y realizarán automáticamente pruebas básicas.

Sin robótica y automatización, la creación de circuitos miniaturizados sería casi imposible y, sobre todo, completamente no rentable.

Edge computing

Raspberry Pi rastreando y analizando el tráfico en tiempo real.

La mejor ilustración de tal infraestructura son las "ciudades inteligentes". Por ejemplo, un módulo colocado en un poste contiene una cámara, registra el tráfico, analiza el número de automóviles y, en caso de detectar una anomalía, envía a la nube un pequeño paquete de datos que contiene información específica (por ejemplo, sobre un atasco en formación, un accidente, una infracción registrada). Esta instalación simplifica y acelera la comunicación. Por supuesto, la transmisión de datos también puede realizarse en sentido contrario, por ejemplo, la central recibe una señal sobre la aparición de niebla y ordena a los módulos en un área determinada cambiar las condiciones de iluminación, mientras que el cálculo de la intensidad y el color de la iluminación requerida queda a cargo de los controladores computarizados que trabajan en el campo. Soluciones similares se utilizan, por ejemplo, en la gestión del transporte público o flotas de vehículos de distribución.

Raspberry Pi se adapta perfectamente a los requisitos de esta informatización, principalmente debido a su eficiencia energética (posibilidad de trabajo móvil, utilizando baterías o células fotovoltaicas) y la adaptación del sistema Linux para trabajar en grandes infraestructuras de red.

Carcasas industriales especiales para Raspberry Pi integradas con tarjetas de expansión facilitan el uso de la computadora para aplicaciones inusuales, incluso en condiciones ambientales difíciles.

Investigación científica

Vale la pena señalar que todas las características mencionadas aquí de Raspberry Pi: recopilación de datos de sensores, conectividad, eficiencia energética, movilidad, se ajustan perfectamente a las necesidades de muchas disciplinas científicas. Investigaciones estadísticas, urbanísticas, ecológicas, agro-técnicas o meteorológicas requieren la agregación de mucha información, a menudo en un área extensa. Las computadoras miniaturizadas pueden facilitar tales proyectos. Otras aplicaciones más experimentales de RPi en la ciencia están relacionadas con realizar observaciones a pequeña y gran escala: desde microscópicas, como procesos biológicos (por ejemplo, desarrollo de cultivos), reacciones químicas (oxidación o desarrollo de corrosión en largos períodos de tiempo), hasta fenómenos astronómicos (seguimiento de objetos en el cielo).

Experimentalmente, Raspberry Pi también se utiliza para realizar observaciones médicas, en espectrografía y en muchas otras disciplinas. Se puede decir con confianza que en trabajos científicos, al igual que en todas las áreas presentadas aquí, las aplicaciones de Raspberry Pi están limitadas solo por la ambición y la imaginación de los usuarios.

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