Настройка

Промпт DALL·E: лаборатория электроники в мультяшном стиле 1950-х. Винтажное оборудование, большие осциллографы, старые ламповые радиоприёмники и громоздкие компьютеры. Плата Raspberry Pi 5 крупным планом, в реальном размере (примерно как банковская карта), лежит на верстаке. Вокруг — классические инструменты: паяльник, резисторы и провода. Сцена яркая, с утрированными цветами и игривыми деталями, характерными для мультфильма. Логотипов и текста нет.

В этой главе описана настройка моделей Raspberry Pi Zero 2 W (Raspi-Zero) и Raspberry Pi 5 (Raspi-5). Мы рассмотрим настройку оборудования, установку операционной системы, первичную конфигурацию и проверки.

Общие инструкции для Raspi-5 применимы и к более старым версиям Raspberry Pi, например Raspi-3 и Raspi-4.

Обзор

Raspberry Pi — мощный и универсальный одноплатный компьютер, который стал незаменимым инструментом инженеров самых разных специальностей. Эти компактные устройства, разработанные Raspberry Pi Foundation, сочетают доступность, вычислительную мощность и широкие возможности GPIO (General Purpose Input/Output), что делает их идеальными для прототипирования, разработки встраиваемых систем и сложных инженерных проектов.

Ключевые особенности

1. Вычислительная мощность. Несмотря на небольшой размер, Raspberry Pi обладает значительными возможностями: в новейших моделях — многоядерные процессоры ARM и до 8 ГБ оперативной памяти.

2. Интерфейс GPIO. 40-контактный разъём GPIO позволяет напрямую взаимодействовать с датчиками, исполнительными устройствами и другими электронными компонентами, что облегчает проекты интеграции аппаратной и программной частей.

3. Широкие возможности подключения. Встроенные Wi-Fi, Bluetooth, Ethernet и несколько портов USB позволяют реализовать разные коммуникационные и сетевые проекты.

4. Низкоуровневый доступ к аппаратуре. Raspberry Pi предоставляет доступ к интерфейсам I2C, SPI и UART, что позволяет детально управлять внешними устройствами и обмениваться с ними данными.

5. Возможности работы в реальном времени. При правильной настройке Raspberry Pi можно использовать для приложений мягкого реального времени, что делает его пригодным для систем управления и задач обработки сигналов.

6. Энергоэффективность. Низкое энергопотребление позволяет создавать устройства с батарейным питанием и энергоэффективные решения, особенно на моделях Pi Zero.

Модели Raspberry Pi (рассматриваемые в этой книге)

1. Raspberry Pi Zero 2 W (Raspi-Zero):

   • подходит для: компактных встраиваемых систем;
   • ключевые характеристики: четырёхъядерный процессор ARM Cortex-A53 с частотой 1 ГГц, 512 МБ ОЗУ, минимальное энергопотребление.

2. Raspberry Pi 5 (Raspi-5):

   • подходит для: более требовательных задач, таких как периферийные вычисления, компьютерное зрение и периферийный ИИ, включая LLM;
   • ключевые характеристики: четырёхъядерный процессор ARM Cortex-A76 с частотой 2,4 ГГц, до 8 ГБ ОЗУ, интерфейс PCIe для расширений.

Инженерные применения

1. Проектирование встраиваемых систем: разработка и прототипирование встраиваемых систем для реальных задач.

2. IoT и сетевые устройства: создание взаимосвязанных устройств и изучение протоколов MQTT, CoAP и HTTP/HTTPS.

3. Системы управления: реализация контуров обратной связи, ПИД-регуляторов и взаимодействие с исполнительными устройствами.

4. Компьютерное зрение и ИИ: использование библиотек OpenCV и TensorFlow Lite для обработки изображений и машинного обучения на периферии.

5. Сбор и анализ данных: сбор данных с датчиков, анализ в реальном времени и создание систем журналирования данных.

6. Робототехника: создание контроллеров роботов, реализация алгоритмов планирования движения и взаимодействие с драйверами моторов.

7. Обработка сигналов: анализ сигналов в реальном времени, фильтрация и приложения DSP.

8. Сетевая безопасность: настройка VPN, межсетевых экранов и изучение тестирования на проникновение в сеть.

Это руководство поможет настроить самые распространённые модели Raspberry Pi, чтобы быстро приступить к проекту машинного обучения. Мы рассмотрим настройку оборудования, установку операционной системы и первичную конфигурацию, уделяя внимание подготовке Pi к задачам машинного обучения.

Обзор оборудования

Raspberry Pi Zero 2W

• Процессор: 64-битный четырёхъядерный Arm Cortex-A53 с частотой 1 ГГц;
• ОЗУ: 512 МБ SDRAM;
• Беспроводная связь: 2,4 ГГц 802.11 b/g/n (Wi-Fi), Bluetooth 4.2, BLE;
• Порты: mini HDMI, micro USB OTG, разъём камеры CSI-2;
• Питание: 5 В через порт micro USB.

Raspberry Pi 5

• Процессор:
  • Pi 5: 64-битный четырёхъядерный Arm Cortex-A76 с частотой 2,4 ГГц;
  • Pi 4: 64-битная SoC с четырьмя ядрами Cortex-A72 (ARM v8) с частотой 1,5 ГГц;
• ОЗУ: варианты 2, 4 или 8 ГБ (для задач ИИ рекомендуется 8 ГБ);
• Беспроводная связь: двухдиапазонный 802.11ac, Bluetooth 5.0;
• Порты: 2 × micro HDMI, 2 × USB 3.0, 2 × USB 2.0, разъём камеры CSI, разъём дисплея DSI;
• Питание: 5 В постоянного тока через разъём USB-C (3 А).

В лабораторных работах мы будем использовать разные имена для Raspberry Pi: Raspi, Raspi-5, Raspi-Zero и т. д. Обычно Raspi используется, когда инструкция или комментарий относится ко всем моделям.

Установка операционной системы

Операционная система (ОС)

Операционная система (ОС) — это базовое программное обеспечение, которое управляет аппаратными и программными ресурсами компьютера и предоставляет стандартные сервисы для программ. Это основной программный слой, который работает на компьютере и выступает посредником между аппаратурой и прикладным программным обеспечением. ОС управляет памятью компьютера, процессами, драйверами устройств, файлами и протоколами безопасности.

1. Основные функции:
   • управление процессами: выделение процессорного времени разным программам;
   • управление памятью: выделение и освобождение памяти по мере необходимости;
   • управление файловой системой: организация файлов и каталогов и учёт их расположения;
   • управление устройствами: взаимодействие с подключёнными аппаратными устройствами;
   • пользовательский интерфейс: предоставление способа взаимодействия пользователя с компьютером.
2. Компоненты:
   • ядро (kernel): центральная часть ОС, которая управляет аппаратными ресурсами;
   • оболочка (shell): пользовательский интерфейс для работы с ОС;
   • файловая система: организует и управляет хранением данных;
   • драйверы устройств: программное обеспечение, которое позволяет ОС взаимодействовать с аппаратурой.

Raspberry Pi работает под специальной версией Linux, созданной для встраиваемых систем. Эта операционная система, обычно представляющая собой вариант Debian под названием Raspberry Pi OS (раньше — Raspbian), оптимизирована для архитектуры ARM и ограниченных ресурсов Pi.

Последняя версия Raspberry Pi OS основана на Debian Bookworm.

Ключевые особенности:

1. Легковесность: адаптирована для эффективной работы на аппаратуре Pi.
2. Универсальность: поддерживает широкий набор приложений и языков программирования.
3. Открытый исходный код: позволяет настраивать систему и получать улучшения от сообщества.
4. Поддержка GPIO: обеспечивает взаимодействие с датчиками и другой аппаратурой через контакты Pi.
5. Регулярные обновления: система постоянно совершенствуется в части производительности и безопасности.

Встраиваемый Linux на Raspberry Pi предоставляет полноценную операционную систему в компактном корпусе, что делает его идеальным для проектов — от простых IoT-устройств до более сложных приложений периферийного машинного обучения. Совместимость со стандартными инструментами и библиотеками Linux делает его мощной платформой для разработки и экспериментов.

Установка

Чтобы использовать Raspberry Pi, нам понадобится операционная система. По умолчанию Raspberry Pi ищет операционную систему на любой SD-карте, вставленной в слот, поэтому установить систему мы будем с помощью Raspberry Pi Imager.

Raspberry Pi Imager — инструмент для загрузки и записи образов в macOS, Windows и Linux. В нём есть множество популярных образов операционных систем для Raspberry Pi. Imager мы также используем для предварительной настройки учётных данных и параметров удалённого доступа.

Чтобы установить ОС на Raspi, выполните следующие шаги:

1. Скачайте и установите Raspberry Pi Imager на свой компьютер.

2. Вставьте microSD-карту в компьютер (рекомендуется SD-карта объёмом 32 ГБ).

3. Откройте Raspberry Pi Imager и выберите модель вашей Raspberry Pi.

4. Выберите подходящую операционную систему:

   • Для Raspi-Zero: например, можно выбрать Raspberry Pi OS Lite (64-bit).

   

   Из-за небольшого объёма SDRAM (512 МБ) для Raspi-Zero рекомендуется 32-битная версия системы. Однако для запуска некоторых моделей машинного обучения, например YOLOv8 от Ultralytics, нужна 64-битная версия. Хотя на Raspi-Zero можно запустить рабочий стол, мы выберем версию LITE (без рабочего стола), чтобы уменьшить расход ОЗУ при обычной работе.

   • Для Raspi-5: можно выбрать полную 64-битную версию с рабочим столом: Raspberry Pi OS (64-bit).

5. Выберите microSD-карту в качестве устройства хранения.
6. Нажмите Next, затем значок «шестерёнки», чтобы открыть расширенные настройки.
7. Задайте имя хоста (hostname), имя пользователя и пароль Raspi, настройте Wi-Fi и включите SSH (очень важно!).

8. Запишите образ на microSD-карту.

В примерах здесь мы используем разные имена хостов в зависимости от устройства: raspi, raspi-5, raspi-zero и т. д. Замените их на те, которые используете вы.

Первичная настройка

1. Вставьте microSD-карту в Raspberry Pi.
2. Подключите питание, чтобы загрузить Raspberry Pi.
3. Дождитесь завершения первоначальной загрузки (это может занять несколько минут).

Самые распространённые команды Linux для работы с Raspi можно найти здесь или здесь.

Удалённый доступ

Доступ по SSH

Проще всего работать с Raspi-Zero через SSH («headless», то есть без монитора и клавиатуры). Для этого можно использовать Terminal (macOS/Linux), PuTTY (Windows) или любой другой клиент.

1. Узнайте IP-адрес вашей Raspberry Pi (например, в настройках роутера).

2. На компьютере откройте терминал и подключитесь по SSH:

   ssh username@<raspberry_pi_ip_address>
   

   Если IP-адрес неизвестен, можно попробовать так:

   ssh username@hostname.local
   

   например, ssh username@rpi-5.local или ssh username@raspi.local.

   

   Когда вы увидите приглашение:

   username@rpi-5:~ $
   

   значит, вы работаете с Raspi удалённо. Полезно регулярно обновлять систему. Для этого выполните:

   sudo apt-get update
   sudo apt upgrade
   

   Также проверьте IP-адрес Raspi. В терминале это можно сделать так:

   hostname -I
   

Выключение Raspi через терминал

Когда нужно выключить Raspberry Pi, лучше не просто выдёргивать шнур питания. Raspi может ещё записывать данные на SD-карту, и тогда простое отключение питания может привести к потере данных или, что хуже, к повреждению карты.

Для безопасного выключения используйте командную строку:

sudo shutdown -h now

Чтобы избежать потери данных и повреждения SD-карты, перед отключением питания подождите несколько секунд после выключения, пока светодиод Raspberry Pi перестанет мигать и погаснет. Когда светодиод погаснет, питание можно безопасно отключить.

Передача файлов между Raspi и компьютером

Передавать файлы между Raspi и основным компьютером можно с помощью флешки, напрямую в терминале (через scp) или по сети с помощью FTP-клиента.

Использование Secure Copy Protocol (scp)

Копирование файлов на Raspberry Pi

Создадим на компьютере текстовый файл, например test.txt.

Можно использовать любой текстовый редактор. В том же терминале удобен nano.

Чтобы скопировать файл test.txt с личного компьютера в домашний каталог пользователя на Raspberry Pi, выполните следующую команду из каталога, где лежит test.txt, заменив <username> на имя пользователя, под которым вы входите в Raspberry Pi, и <pi_ip_address> на IP-адрес вашей Raspberry Pi:

$ scp test.txt <username>@<pi_ip_address>:~/

Обратите внимание: ~/ означает, что файл будет перемещён в корневой домашний каталог Raspi. Можно выбрать любую папку на Raspi, но её нужно создать до запуска scp, так как scp не создаёт папки автоматически.

Например, перенесём файл test.txt в домашний каталог моей Raspi-Zero с IP-адресом 192.168.4.210:

scp test.txt username@192.168.4.210:~/

Для различения терминалов я использую другой профиль. Описанное выше действие выполняется на вашем компьютере. Теперь подключимся к Raspi по SSH и проверим, что файл на месте:

Копирование файлов с Raspberry Pi

Чтобы скопировать файл myfile.txt из домашнего каталога пользователя на Raspberry Pi в текущий каталог другого компьютера, выполните следующую команду на вашем компьютере-хосте:

$ scp <username>@<pi_ip_address>:myfile.txt .

Например:

На Raspi создадим копию файла с другим именем:

cp test.txt test_2.txt

А на компьютере-хосте (в моём примере — Mac):

scp username@192.168.4.210:test_2.txt .

Передача файлов по FTP

Передавать файлы можно и по FTP, например с помощью клиента FileZilla. Установите программу для операционной системы вашего компьютера и укажите IP-адрес Raspi в поле Host. Например:

sftp://192.168.4.210

Введите имя пользователя и пароль Raspi. Нажатие Quickconnect откроет два окна: одно для рабочего стола вашего компьютера (справа), другое для Raspi (слева).

Увеличение памяти SWAP

С помощью htop — интерактивного монитора процессов, работающего на разных платформах, — можно удобно отслеживать ресурсы Raspi: список процессов, загрузку процессоров и используемую память в реальном времени. Чтобы запустить htop, введите в терминале:

htop

Что касается памяти, среди устройств семейства Raspberry Pi у Raspi-Zero меньше всего ОЗУ (500 МБ), тогда как у Raspi 4 или 5 — от 2 до 8 ГБ. Для любой Raspi можно увеличить объём памяти, доступной системе, с помощью «swap». Swap-память, или область подкачки, — это приём, при котором операционная система временно сохраняет данные из ОЗУ (оперативной памяти) на SD-карту, когда физическая память полностью занята. Это позволяет ОС продолжать работу, когда ОЗУ заполнено, и предотвращает зависания и замедление системы.

Swap полезен устройствам с ограниченным объёмом ОЗУ, таким как Raspi-Zero. Увеличение swap помогает запускать более требовательные приложения и процессы, но нужно учитывать возможное снижение производительности из-за частого обращения к диску.

По умолчанию swap-память Raspi-Zero составляет всего 100 МБ, что очень мало для более сложных и требовательных приложений машинного обучения (например, YOLO). Увеличим её до 2 ГБ.

Сначала отключите файл подкачки:

sudo dphys-swapfile swapoff

Затем откройте и измените файл /etc/dphys-swapfile. Для этого используем nano:

sudo nano /etc/dphys-swapfile

Найдите переменную CONF_SWAPSIZE (по умолчанию 200) и измените её значение на 2000:

CONF_SWAPSIZE=2000

Сохраните файл.

Далее снова включите файл подкачки и перезагрузите Raspi-Zero:

sudo dphys-swapfile setup
sudo dphys-swapfile swapon
sudo reboot

После перезагрузки (снова подключитесь по SSH) вы увидите, что максимальный объём swap в верхней части htop теперь составляет около 2 ГБ (в моём случае — 1,95 ГБ).

Чтобы htop продолжал работать, откройте второе окно терминала и продолжайте взаимодействовать с Raspi в нём.

Установка камеры

Raspi — отличное устройство для приложений компьютерного зрения, и для этого понадобится камера. Можно подключить стандартную USB-веб-камеру к micro-USB-порту через OTG-адаптер (Raspi-Zero и Raspi-5) или модуль камеры, подключённый к порту CSI (Camera Serial Interface) на Raspi.

USB-веб-камеры обычно уступают по качеству модулям камер, которые подключаются к порту CSI. Кроме того, ими нельзя управлять командами raspistill и raspivid в терминале или пакетом записи picamera для Python. Тем не менее есть причины подключить USB-камеру к Raspberry Pi: например, так проще подключить несколько камер к одной плате, можно использовать длинные кабели или просто под рукой уже есть такая камера.

Установка USB-веб-камеры

1. Выключите Raspi:

sudo shutdown -h now

2. Подключите USB-веб-камеру (USB Camera Module, 30 кадров/с, $1280\times 720$) к Raspi. В этом примере используется Raspi-Zero, но инструкции подходят для всех моделей Raspi.

3. Включите питание снова и подключитесь по SSH.
4. Чтобы проверить, распознана ли USB-камера, выполните:

lsusb

Камера должна появиться в выводе команды.

5. Чтобы сделать тестовый снимок с USB-камеры, используйте:

fswebcam test_image.jpg

Эта команда сохранит изображение с именем «test_image.jpg» в текущем каталоге.

6. Поскольку мы подключаемся к Raspi по SSH, снимок нужно перенести на основной компьютер, чтобы его просмотреть. Для этого можно использовать FileZilla или SCP:

Откройте терминал на основном компьютере и выполните:

scp username@raspi-zero.local:~/test_image.jpg .

Замените «username» на своё имя пользователя, а «raspi-zero» — на имя хоста Raspi.

7. Если качество изображения не устраивает, можно изменить настройки. Например, задайте разрешение, подходящее для YOLO ($640\times 640$):

fswebcam -r 640x640 --no-banner test_image_yolo.jpg

Эта команда создаёт снимок с более высоким разрешением без стандартной подписи (баннера).

Обычную USB-веб-камеру тоже можно использовать:

И проверить её командой lsusb:

Потоковое видео

Для потокового видео (это требует больше ресурсов) можно установить и использовать mjpg-streamer.

Сначала установите Git:

sudo apt install git

Теперь установите зависимости для mjpg-streamer, клонируйте репозиторий и выполните установку:

sudo apt install cmake libjpeg62-turbo-dev
git clone https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer.git
cd mjpg-streamer/mjpg-streamer-experimental
make
sudo make install

Затем запустите потоковую передачу:

mjpg_streamer -i "input_uvc.so" -o "output_http.so -w ./www"

Открыть поток можно в веб-браузере по адресу http://<IP-адрес_вашего_Pi>:8080. В моём случае это http://192.168.4.210:8080

Вы увидите страницу с вариантами просмотра. Нажмите на ссылку «Stream» или откройте адрес:

http://<raspberry_pi_ip_address>:8080/?action=stream

Установка модуля камеры в порт CSI

Существует несколько модулей камер Raspberry Pi. Первая камера, 5-мегапиксельная, была выпущена в 2013 году, затем в 2016 году появилась 8-мегапиксельная Camera Module 2. Самая новая модель — 12-мегапиксельная Camera Module 3, выпущенная в 2023 году.

Оригинальная 5-мегапиксельная камера (Arducam OV5647) больше не продаётся Raspberry Pi, но её можно найти у других поставщиков. Ниже показан пример такой камеры на Raspi-Zero.

Вот ещё один пример модуля камеры второй версии, в котором установлен 8-мегапиксельный сенсор Sony IMX219:

Любой модуль камеры будет работать на Raspberry Pi, но для этого нужно обновить файл config.txt:

sudo nano /boot/firmware/config.txt

В конец файла, например для камеры 5 МП Arducam OV5647, добавьте строку:

dtoverlay=ov5647,cam0

Для модуля второй версии с 8-мегапиксельной камерой Sony IMX219 добавьте:

dtoverlay=imx219,cam0

Сохраните файл (CTRL+O, [ENTER], CTRL+X) и перезагрузите Raspi:

sudo reboot

После загрузки можно проверить, видна ли камера в системе:

libcamera-hello --list-cameras

libcamera — это библиотека с открытым исходным кодом, которая напрямую поддерживает камерные системы в Linux на процессорах Arm. Она сводит к минимуму проприетарный код, работающий на GPU Broadcom.

Сделаем тестовый JPEG-снимок с разрешением $640\times 480$ и сохраним его в файл test_cli_camera.jpg:

rpicam-jpeg --output test_cli_camera.jpg --width 640 --height 480

Чтобы убедиться, что файл сохранён, используйте ls -l: команда выводит содержимое текущего каталога в длинном формате. Как и раньше, для просмотра изображения можно использовать scp:

Удалённый запуск рабочего стола Raspi

Мы в основном работали с Raspberry Pi через терминал по SSH, но можно получить удалённый доступ ко всей графической среде рабочего стола, если установлена полная версия Raspberry Pi OS (например, Raspberry Pi OS (64-bit)). Это особенно полезно для задач, где нужен визуальный интерфейс. Чтобы включить такую возможность, нужно настроить сервер VNC (Virtual Network Computing) на Raspberry Pi. Вот как это сделать:

1. Включите сервер VNC:

   • Подключитесь к Raspberry Pi по SSH.
   • Запустите инструмент настройки Raspberry Pi, введя команду:

     sudo raspi-config
     

   • Перейдите к пункту Interface Options, используя стрелки.

   

   • Выберите VNC и Yes, чтобы включить сервер VNC.

   

   • Выйдите из инструмента настройки, сохранив изменения при запросе.

   

2. Установите VNC Viewer на свой компьютер:

   • Скачайте и установите приложение VNC-клиента на основной компьютер. Популярные варианты: RealVNC Viewer, TightVNC или VNC Viewer от RealVNC. Мы будем использовать VNC Viewer от RealVNC.

3. Убедившись, что приложение установлено, уточните IP-адрес Raspi. Например, в терминале можно выполнить:

   hostname -I
   

   

4. Подключитесь к Raspberry Pi:

   • Откройте приложение VNC Viewer.

   

   • Введите IP-адрес и имя хоста Raspberry Pi.
   • По запросу введите имя пользователя и пароль Raspberry Pi.

   

5. Рабочий стол Raspberry Pi 5 должен появиться на мониторе вашего компьютера.

   

6. При необходимости настройте экран:

   • После подключения настройте разрешение экрана для комфортной работы. Это можно сделать в настройках рабочего стола Raspberry Pi или изменив файл config.txt.
   • Сделаем это через настройки рабочего стола. Откройте меню (значок Raspberry в левом верхнем углу) и выберите наилучшее разрешение для вашего монитора:

   

Обновление системы и установка программ

1. Обновите систему:

   sudo apt update && sudo apt upgrade -y
   

2. Установите необходимые программы:

   sudo apt install python3-pip -y
   

3. Включите pip для Python-проектов:

   sudo rm /usr/lib/python3.11/EXTERNALLY-MANAGED
   

Особенности разных моделей

Raspberry Pi Zero (Raspi-Zero)

• Ограниченная вычислительная мощность, лучше подходит для лёгких проектов.
• Лучше работать без монитора, через SSH, чтобы экономить ресурсы.
• Для задач с большим расходом памяти имеет смысл увеличить объём swap-памяти.
• Подходит для лабораторных работ по классификации изображений и обнаружению объектов, но не для LLM (SLM).

Raspberry Pi 4 или 5 (Raspi-4 или Raspi-5)

• Подходят для более требовательных проектов, включая ИИ и машинное обучение.
• Могут плавно работать со всей графической средой рабочего стола.
• Raspi-4 подходит для лабораторных работ по классификации изображений и обнаружению объектов, но плохо работает с LLM (SLM).
• Для Raspi-5 при интенсивной нагрузке, например в лабораторной работе по LLM (SLM), стоит использовать активный кулер для контроля температуры.

Подбирайте требования проекта под конкретную модель Raspberry Pi. Raspi-Zero хорошо подходит для проектов с низким энергопотреблением и ограниченным местом, а Raspi-4 или 5 лучше подходят для более ресурсоёмких задач.