Los 8 proyectos más ambiciosos para Raspberry Pi

Las posibilidades de Raspberry Pi van mucho más allá de lo que podría parecer. Este pequeño ordenador nos da la oportunidad de realizar proyectos ambiciosos, ampliar nuestro conocimiento sobre muchas tecnologías y adquirir nuevas competencias – ¡no vale la pena limitarse!

En los artículos que hablan sobre las aplicaciones típicas de Raspberry Pi, siempre se mencionan los mismos proyectos: reproductor multimedia, robot sencillo, aprendizaje de programación, etc. Pero, ¿qué ideas debería considerar un constructor más avanzado? ¿Cuáles ofrecen la posibilidad de aprender en campos inusuales, el uso práctico de análisis de imágenes, comunicación con módulos electrónicos, conexión de sensores...? En este artículo describimos 8 propuestas para construcciones interesantes para aficionados, estudiantes, universitarios y otros usuarios ambiciosos.

En este artículo abordamos temas como:

• ¿Cómo enviar una sonda cerca del espacio?
• Robótica avanzada con Raspberry Pi
• Observaciones de la naturaleza y el entorno
• Grabación automatizada de radio y televisión
• Escucha de señales de radioaficionados y satelitales
• Versión ambiciosa de un emulador para juegos retro
• Raspberry Pi al servicio de los conductores
• Automatización en el jardín y observaciones meteorológicas

Al cielo y hacia el espacio

Que nuestro proyecto sea amateur no significa que deba carecer de aspiraciones a largo plazo. Un pequeño ordenador permite adentrarse en campos que, a principios de siglo, solo estarían disponibles para los más apasionados. Así que comencemos nuestro repaso con las inspiraciones más ambiciosas.

La Tierra vista desde una sonda estratosférica.

Globo meteorológico

Vivimos en una capa de la atmósfera llamada troposfera. Aproximadamente en su borde superior, a unos 8000 m sobre la superficie, se mueven los aviones de pasajeros. Por encima se encuentra la estratosfera, donde la escasez de oxígeno es suficiente para que el cielo pierda su color azulado y el negro abismo del espacio se haga visible. Alcanzar el espacio mismo está más allá de las posibilidades de un proyecto casero, ya que requeriría elevar la sonda a más de 100 km (por supuesto, esta es una frontera convencional). Sin embargo, literalmente nada impide que construyamos un dispositivo que vuele sobre montañas, nubes, la capa de ozono y nos permita ver nuestro planeta desde una perspectiva completamente diferente. Sin embargo, es importante prestar atención a las regulaciones aéreas locales para evitar problemas potenciales derivados de violaciones de las normas vigentes.

Hay que admitir honestamente que comenzamos nuestra lista de propuestas con probablemente el proyecto más costoso. Para "impulsar" nuestro proyecto, utilizaremos un globo meteorológico. La envoltura se puede adquirir de muchos vendedores especializados. Los más grandes pueden levantar una carga de más de 1 kg, pero en el caso de un dispositivo en miniatura construido sobre la base de Raspberry Pi (especialmente en su versión compacta, es decir, Zero), podemos optar por un modelo mucho más pequeño. Al presupuesto también habrá que añadir los costos relacionados, como el helio, que llenará el globo, así como el paracaídas, que servirá para asegurar el descenso de la sonda (las regulaciones exigen incluir este elemento en nuestra misión!). Con un poco de suerte, recuperaremos el paracaídas intacto. Generalmente, se coloca entre el globo y la carga. A cierta altura, la disminución de la presión hará que el globo se expanda hasta romperse, y la carga comenzará a caer rápidamente, lo que hará que el aire despliegue automáticamente la cúpula y amortigüe la caída. En este punto, vale la pena señalar que en el presupuesto de la misión es recomendable incluir los gastos de nuestro viaje, ya que puede suceder que para recuperar la sonda tengamos que viajar varias horas. Aquí subrayamos que la carcasa del dispositivo debe ser altamente resistente mecánicamente y hermética, en caso de aterrizar en un terreno duro o húmedo.

Cómo equipemos el Raspberry Pi, que será el corazón de nuestra sonda, depende de la función que el dispositivo deba cumplir, pero teniendo a disposición todas las capacidades del ordenador, vale la pena abordar el proyecto con ambición. Casi con certeza querremos equipar la carga con cámaras – Raspberry Pi puede grabar simultáneamente desde varias fuentes, por ejemplo, un objetivo dirigido hacia abajo, otro hacia el horizonte. Un tercero puede tomar fotos de un objeto colocado en un brazo (por ejemplo, una mascota u otro objeto pequeño), que luego conservaremos como recuerdo junto con la fotografía con el fondo del espacio. Otros elementos de la sonda son, por supuesto, sensores (de temperatura, presión/altura), que registrarán las condiciones durante el vuelo. Un desafío sería incluir en la carga un transmisor que permita la comunicación remota con nuestro vehículo, aunque será difícil encontrar un módulo de transmisión con la potencia y capacidad óptimas. El último elemento del proyecto es un receptor GPS y un módulo GSM (o más bien LTE), que después de aterrizar la sonda nos informará de su ubicación. Este localizador se puede adquirir como un producto terminado, pero sería una pena desperdiciar una oportunidad para aprender sobre geolocalización y transmisión de datos a través de la red celular.

Rover terrestre

En primer lugar, centrémonos en la construcción del chasis, el método de propulsión de nuestro robot y su funcionalidad final. La construcción debe ser resistente a condiciones climáticas adversas y permitir que el vehículo se mueva en condiciones de terreno difíciles. Además, es necesario considerar la funcionalidad final de la máquina: puede estar equipada con un brazo con garra, una cabeza de cámara giratoria, sensores, etc. Si en el futuro quisiéramos participar en competiciones, vale la pena leer detenidamente el reglamento de la competencia: los organizadores especifican con precisión qué tareas se le asignarán al robot.

Hay que admitir honestamente que esta propuesta está dirigida principalmente a personas interesadas en la construcción de máquinas, ya que el aspecto constructivo domina sobre la programación de Raspberry Pi. Este se utilizará para recopilar datos del entorno, transmitir información de los sensores y la imagen. Preguntémonos si observaremos nuestro rover durante su trabajo o si lo controlaremos completamente de forma remota, como ocurre en las misiones interplanetarias. Si el dispositivo debe funcionar de manera autónoma hasta cierto punto, la lista de tareas a cargo del ordenador de a bordo se amplía significativamente (detección de inclinación, detección de colisiones, monitoreo del consumo de energía, etc.). Afortunadamente, en el mercado hay una gran cantidad de módulos de expansión para Raspberry Pi, que facilitarán la realización de todas las tareas mencionadas.

Visión y televisión

En la placa Raspberry Pi hay conectores para conectar cámaras y pantallas, lo que facilita la construcción de una serie de proyectos multimedia interesantes.

Trampa fotográfica colocada en el tronco de un árbol en una estructura de camuflaje de madera.

Trampa fotográfica

A menudo, en artículos sobre las posibles aplicaciones de Raspberry Pi se habla de automatización del hogar y el monitoreo que inevitablemente lo acompaña. Y aunque de hecho el ordenador británico es excelente para realizar tal proyecto, es un poco una pena encerrarlo entre cuatro paredes. El bajo consumo de energía hace que el módulo RPi se pueda alimentar con baterías con éxito, y por lo tanto colocarlo en cualquier lugar. Esto permite realizar, entre otras cosas, un dispositivo llamado "trampa fotográfica", es decir, una cámara colocada en una ubicación inaccesible (por ejemplo, en el bosque o dentro de un comedero/caseta para pájaros), que tomará fotografías o videos solo cuando detecte movimiento. Esto nos da la oportunidad de ver la vida desconocida de espacios conocidos: el patio, el bosque cercano, la reserva, etc.

Alimentar Raspberry Pi con baterías recargables es relativamente fácil de realizar, ya que el ordenador tiene estabilizadores de voltaje integrados y se puede alimentar directamente desde el puerto GPIO – el circuito que suministra 5V a este conector no tiene que ser excepcionalmente preciso.

En general, la "trampa fotográfica" se puede realizar de dos maneras. Si preferimos un dispositivo de bajo consumo de energía (por ejemplo, adicionalmente equipado con paneles solares), será mejor utilizar un circuito detector externo (un simple sensor de movimiento). En este caso, el script ejecutado en el ordenador monitoreará el estado de un pin específico y activará la grabación solo cuando reciba una señal de movimiento detectado. Alternativamente, el manejo se puede realizar por software. Entonces la cámara está activa todo el tiempo, y el script analiza la imagen grabada y guarda solo los fragmentos de grabaciones donde ocurrió una anomalía, es decir, por ejemplo, cuando apareció un animal en el cuadro. Sin embargo, hay que recordar que tal sistema consumirá más energía, lo que no permitirá su funcionamiento prolongado sin cambiar/cargar las baterías. Hay que tener en cuenta que nuestro dispositivo probablemente funcionará también de noche, por lo que utilizaremos una cámara que registre luz en el rango infrarrojo, así como iluminación LED IR adicional, lo que contribuirá a un mayor consumo de energía. Por supuesto, si colocamos nuestro ordenador cerca de casa, podemos simplemente alimentarlo con un cable largo o a través de redes LAN y módulo PoE (Power over Ethernet).

Una gran ventaja de usar Raspberry Pi en tal proyecto es la posibilidad de acceso remoto a nuestro dispositivo. La mayoría de los productos comerciales de este tipo requieren acceso físico a la tarjeta SD, donde se guardan las imágenes. Sin embargo, en el caso de nuestro propio proyecto, podemos iniciar un servidor de archivos en el ordenador, que nos permitirá observar remotamente los resultados del trabajo de la cámara, por ejemplo, a través de WiFi.

PVR

Ya que hemos ampliado la funcionalidad de una de las aplicaciones populares de Raspberry Pi, dirijámonos hacia otra. En el contexto de este ordenador, se habla muy a menudo de centros multimedia multifuncionales basados en el software Kodi. Esto permite convertir un monitor común en un televisor tipo "smart" capaz de reproducir materiales del portal YouTube, todo tipo de archivos multimedia, etc. Además, con el uso de un módulo DVB-T2 (es decir, un sintonizador), también podemos recibir televisión digital terrestre a través de Raspberry Pi. ¿Cómo ampliar la funcionalidad de tal proyecto?

Nuestro sistema receptor puede recibir señales de muchas fuentes de diferentes tipos, no solo televisión terrestre, sino también satelital, así como radio.

La mayor desventaja de la televisión o radio tradicional es su programación, a la que el espectador y oyente están obligados a adaptarse. Muchos programas/audiciones interesantes, que tal vez nunca lleguen a Internet en forma de OD (On Demand), simplemente se nos escapan. Evitaremos esto realizando un grabador automatizado que grabará cada transmisión interesante, según los gustos individuales del usuario. Tal dispositivo no difiere mucho de un centro multimedia típico, pero puede recibir señales de muchas fuentes diferentes, y también – si lo programamos así – iniciar la grabación no solo según el reloj, sino también en función de buscar palabras clave en los títulos y descripciones de las audiciones. Nuestro dispositivo agregará esta información de fuentes seleccionadas (tanto del calendario transmitido en las señales DVB como de Internet). Un script en lenguaje Python con tal funcionalidad está dentro de las capacidades estándar de este entorno – también es un ejercicio interesante y satisfactorio que enseña a analizar código HTML y cuantificar datos.

Subrayemos: limitarse a la recepción de DVB-T2, es decir, televisión terrestre, sería una pérdida para las posibilidades de nuestro dispositivo. Con un poco de esfuerzo y relativamente bajos costos, podemos realizar un grabador con capacidades mucho más amplias: capaz de recibir señales de radio (analógicas y digitales), así como satelitales.

Radio aficionado

Ya que hemos entrado en el tema de las transmisiones de radio, echemos un vistazo a las posibilidades que ofrece la tecnología SDR, es decir, Software-Defined Radio. Es un término general para los sistemas en los que el ajuste del receptor/transmisor de ondas electromagnéticas se realiza con componentes digitales. En el mercado hay disponibles módulos SDR conectados al ordenador a través del puerto USB (se compran por separado, ya que no están incluidos en los kits de RPi). Se pueden adquirir en versiones con funcionalidad básica (limitada al papel de receptor que opera en una banda limitada), así como en forma de dispositivos avanzados capaces de transmitir en muchas frecuencias abiertas para aficionados. Vale la pena señalar que en ambos casos el precio será muy atractivo, especialmente si lo comparamos con la oferta de transceptores producidos para radioaficionados. Un pequeño dispositivo de comunicación combinado con Raspberry Pi y el software adecuado (de lo que hablaremos en un momento) es una excelente introducción al hobby de la radioafición – económico, fácil de usar, pero también con capacidades muy amplias.

El software gratuito SDRangel fue creado por entusiastas. Contiene una amplia gama de funciones útiles, comodidades y herramientas para el análisis de señales de radio.

La recepción y análisis de señales de radio puede servir para muchos propósitos: desde escuchar transmisiones realizadas por radioaficionados (para transmitir se requiere una licencia especial), hasta experimentos con grabación y emulación de señales enviadas por controles remotos, dispositivos inalámbricos, etc. El software más popular para manejar SDR en Raspberry Pi se llama SDRangel y está disponible de forma gratuita. Arriba se muestra una captura de pantalla que ilustra algunas de las posibilidades de esta aplicación.

Lo amplias que son las posibilidades de SDR se demuestra mejor por el hecho de que permite alcanzar el espacio al menos de tres maneras:

1. Recepción de conversaciones desde un satélite de radioaficionados. En 2018, se lanzó al espacio el satélite catarí Es'hail 2. Además de los transmisores de televisión que envían una señal hacia los países africanos, se colocó en él un transpondedor para comunicación de radioaficionados, disponible para usuarios en América del Sur, Europa, el norte de África y el oeste de Asia. Se puede encontrar información sobre este proyecto buscando el término QO-100, que es un acrónimo de Qatar-OSCAR 100 ("OSCAR" es un nombre tradicional que significa Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio). Usando una antena parabólica y una antena adecuadamente preparada, podemos usar el módulo SDR para escuchar señales enviadas por aficionados de cuatro continentes.
2. Una instalación similar nos permitirá recibir transmisiones de satélites meteorológicos. Sus señales son algo más débiles, pero no están cifradas. La mayoría de ellas contienen imágenes actuales de grandes áreas geográficas: estas fotografías se toman para monitorear el clima a gran escala.
3. La tercera opción, que sería una pena omitir aquí, son las periódicas oportunidades de comunicarse con astronautas en la Estación Espacial Internacional (proyecto ARISS, Amateur Radio on the International Space Station). Los científicos que trabajan allí regularmente mantienen conversaciones (principalmente con instituciones educativas), así como envían imágenes a la Tierra, utilizando la tecnología SSTV (Slow Scan Television). Para recibir estas transmisiones se utiliza una antena direccional, que debe apuntarse hacia la ubicación actual de la estación, pero Raspberry Pi con la ayuda de servomecanismos y datos obtenidos de Internet permitirá automatizar esta tarea.

Consola

Hacer una consola para juegos retro es un proyecto muy satisfactorio, pero también sin ningún desafío. Solo requiere instalar el software adecuado en Raspberry Pi y eso es todo. Pero en nombre del aprendizaje y la ambición, podemos complicarnos la vida, y al mismo tiempo construir un dispositivo del que no todos pueden presumir.

La emulación de juegos permite acceder no solo a títulos antiguos y recordados con cariño, sino también a juegos que nunca llegaron a nuestra región, como los juegos destinados exclusivamente a la Nintendo original japonesa.

Aquí, por supuesto, hay muchas posibilidades, pero las dos más interesantes son un dispositivo móvil o el llamado retrofitting. El primer proyecto implica construir nuestra propia consola. Esto requerirá conectar una pantalla y hacer nuestro propio controlador (se pueden usar las entradas GPIO para este propósito, o hacer un circuito que emule un teclado USB con un microcontrolador). El mayor desafío probablemente será diseñar y construir nuestra propia carcasa. Una gran ventaja de una consola hecha de esta manera es la posibilidad de adaptarla a nuestras necesidades (tamaño, capacidad de las baterías). La segunda opción para los constructores es dar nueva vida a una consola rota o una carcasa de un ordenador antiguo. Nada impide colocar Raspberry Pi en el cuerpo de una Amiga o Playstation. Un desafío adicional será realizar el proyecto de manera que se utilicen los puertos, teclado, luces indicadoras instalados de fábrica en el equipo antiguo.

Automatización en la vida diaria

Al idear proyectos que utilizan ordenadores en miniatura, hay que recordar que existen principalmente para servir a nuestra comodidad. Raspberry Pi tiene el potencial de mejorar muchas tareas diarias o realizar un dispositivo que cumpla funciones inusuales, tal vez incluso extrañas, que ningún fabricante de electrónica ha pensado...

Mejoras automotrices

El conector de la interfaz OBD2 a menudo está oculto detrás de un panel de tapicería desmontable.

El bricolaje individual en el automóvil generalmente se limita a reparaciones, intervenciones en el sistema de sonido, introducción de pequeñas modificaciones en el interior. Pero la estandarización de la electrónica automotriz hoy permite realizar algunos otros proyectos interesantes. El acceso a la red CAN (Controller Area Network), que utilizan todos los componentes electrónicos del automóvil para comunicarse (incluidos los sensores y controladores del motor), es posible a través de la interfaz OBD2. Su conector generalmente se encuentra cerca del asiento del conductor, a menudo detrás de un panel desmontable. Con el adaptador adecuado (no es una gran inversión) y bibliotecas gratuitas disponibles para varios entornos (incluido Python), podemos monitorear el estado del vehículo en tiempo real. Por lo general, estarán disponibles para nosotros todos los datos que tiene la computadora de a bordo, es decir, velocidad del motor, marcha actual, temperatura y presión de los fluidos, cantidad de combustible, etc. Es posible, por lo tanto, realizar un programa que analice el viaje, su economía, etc. Con el uso de un ordenador y una pantalla LED o OLED, también podemos realizar un HUD (Heads Up Display), es decir, una pantalla visible en el reflejo del parabrisas, que permite al conductor monitorear parámetros seleccionados, por ejemplo, la velocidad, sin apartar la vista.

Otro proyecto interesante es la observación de la carretera a través del parabrisas del vehículo, utilizando una cámara colocada en el tablero o detrás del espejo retrovisor interior. Usando bibliotecas para el procesamiento de video (por ejemplo, OpenCV), no solo podemos grabar el recorrido de la ruta, sino también someter la imagen a análisis. Por ejemplo, registrar matrículas de vehículos y guardar o mostrar su país/región de origen. De manera similar funcionaría un dispositivo que recopile datos sobre las señales de tráfico pasadas y proporcione el límite de velocidad actual.

Monitor de jardín

El monitoreo de las condiciones en el jardín, e incluso en las macetas de la casa, es un proyecto típico pero escalable, que debería considerar cualquier aprendiz de electrónica. Por supuesto, siempre que no se limite a la tarea banal de monitorear la humedad del suelo.

Las capacidades de Raspberry Pi en términos de comunicación inalámbrica permiten crear una red extensa de sensores y módulos ejecutores, que juntos facilitarán el cuidado de las necesidades de las plantas. Raspberry Pi verificará con su ayuda la luz solar y la temperatura, realizará riegos periódicos, fertilización, e incluso registrará el crecimiento. Este proyecto tiene muchas ventajas educativas debido a la diversidad de tecnologías necesarias para aplicar. Requerirá cierto conocimiento sobre métodos de comunicación, realización de un controlador de bomba y válvulas, recopilación de datos de sensores (aquí se puede intentar registrarlos en la nube o en un servidor SQL ejecutado localmente en Raspberry Pi). También se requerirá algo de trabajo para preparar manualmente la interfaz para tal dispositivo. Se puede basar, por ejemplo, en una página HTML. Aprovechando la oportunidad, vale la pena ampliar nuestro proyecto con la funcionalidad de una estación meteorológica, que obtendrá pronósticos de fuentes públicas (muchas universidades e instituciones proporcionan estos datos de forma gratuita), investigará las condiciones atmosféricas, proporcionará la temperatura percibida, calculándola en función de los valores obtenidos del termómetro y el anemómetro.

El monitoreo de las condiciones y la automatización del riego en el invernadero puede servir tanto a aficionados como a jardineros profesionales.

Transfer Multisort Elektronik (TME) es uno de los mayores distribuidores mundiales de componentes electrónicos, partes electrotécnicas, equipos de taller y automatización industrial. El catálogo incluye más de 1.500.000 de productos de 1.300 fabricantes líderes. Los modernos centros logísticos de TME en Łódź y Rzgów (Polonia), con una superficie total de más de 40.000 m², envían casi 6.000 paquetes diarios a clientes en más de 150 países.

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