Tapiolan Kirjaston Teknologiapaja, Raspberry Pi
laitteen käyttöönotto ja hallinnan perusteet

Dokumentti: Henri Paasovaara

KURSSIN TARKOITUS

Internet of Things -opin perusedellytys on tuntea laitteistoa, ohjelmistoa ja niiden yhteensovittamista ulkomaailman kanssa. Tässä on tarkoitus saada otettua käyttöön kirjastossa käytettävissä olevat Raspberry Pi laitteet, liittää siihen internet yhteys sekä käyttöliittymä sekä hallita ohjelmistoa. Tämän jälkeen laitteeseen voi liittää ulkoisia lisälaitteita kuten sensoreita ja ohjattavia laitteita.

TARVITTAVAT VÄLINEISTÖT

Mikäli osanottajilla on mahdollista niin sinne kannattaisi ottaa mukaan oma laitte ja muistikortti. Mahdollisesti myös oma kannettava tietokone. Näin itse kirjoitettu ohjelmakoodi jäisi itselle talteen ja sitä voisi jatkaa kotonakin.

1. Raspberry Pi – oma tai kirjastosta lainattava.
   1. Muistikortti, 8 GB (saa olla suurempikin)
   2. Näppäimistö (hiiri ei pakollinen, graafisessa käyttöliittymässä ehdoton)
   3. Näyttö, HDMI (tai DVI adapteri) kaapeli
2. Internet yhteys (Kirjaston WLAN), ethernet kytkin (8-12 porttia) ja kaapelit.
   Lisäksi tietokone tai reititin jolla voidaan jakaa yhteys laitteisiin
3. Kytkettäviä lisälaitteita
   Esimerkiksi alkuun pääsee yhdellä LEDillä ja 220-800 ohm vastuksella

AIHEET

1. Ohjeet oman laitteiston hankintaan
2. Käyttöjärjestelmän valinta ja asennus muistikortille
3. Ympäristön kasaus, näyttö, näppäimistö ja laitteen käynnistys
4. Käytön aloitus, kirjautuminen, Linux perusteet
5. Yhteyden aktivointi (kaapeli, wifi, mobiili)
6. Päivitysten asennus, lisäohjelmien haku
7. Raspberry Pi -laitteen konfigurointi
8. Python ohjelmoinnin alkeet
9. Lisälaitteiden käyttö; merkki-LEDin käyttö, painonapin lukeminen

1. Oman laitteiston hankinta

Raspberry Pi laitteet on edullisia, niitä myy useat liikkeet noin 50 € hintaan. Esimerkiksi Teknik Magazinet, Verkkokauppa.com tai cdon.com

Laitteen lisäksi tarvitset muistikortin, suositus olisi mahdollisimman nopea ja vähintään 8 GB kokoinen. Useampi kortti mahdollistaa eri käyttöjärjestelmien välillä vaihtamisen.

Näyttö, näppäimistö ja hiiri – yleensä nämä on jo kotoa saatavilla. Näytöksi kelpaa kotona myös TV jos siinä on HDMI liitin. Myös tietokonenäytöt käy, esimerkiksi DVI sovittimen avulla. Tarkista ennen hankintaa vapaat liitännät ja mahdollisesti tarvittavat adapterit/kaapelit. Langaton näppäimistö kelpaa hyvin, hiiri ei ole pakollinen.

Verkkoyhteys – ethernet kaapelilla tai langattomasti. Mikäli käytössä on vanhempi Raspberry Pi niin tarvitset ethernet kaapelin kotireitittimeen (tai kytkimeen). Uudemmassa Raspissa langaton yhteys on mahdollisuus ottaa käyttöön.

Lisälaitteita voi hankkia myöhemmin joko valmiina settinä tai yksitellen. Esimerkiksi http://osoyoo.com/2016/04/12/raspberry-pi-3-s/ -paketissa on yksittäisiä antureita ja ohjattavia moottoreita ja LEDejä. Näihin löytyy rakennus- ja ohjelmointiohjeita valmiiksi netistä. Muita lisälaitteita on esimerkiksi kamera tai kosketusnäyttö suoraan Raspberry Pi:lle suunniteltuna

2. Käyttöjärjestelmän valinta ja asennus muistikortille

Lähes aina käytetään jotain Linux pohjaista käyttöjärjestelmää mutta muitakin vaihtoehtoja on. Vapaasti ladattavia käyttöjärjestelmän vaihtoehtoja löytää sivulta http://raspberrypi.org/downloads. Myös Microsoft Windows vaihtoehto on tarjolla mutta siihen ei tässä kurssissa voida keskittyä. Pääasiallinen ohjelmointikieli tulee olemaan Python ja Bash -skriptikielet.

Otetaan esimerkiksi Rasbian -käyttöjärjestelmä. Se perustuu suosittuun Debian/GNU Linuxiin ja sille on saataville paras tuki internetissä (keskustelufoorumeissa ja laitteistotuessa).

Lataa käyttöjärjestelmän image Windowsilla (myös Mac ja Linux käy). Tämän jälkeen Windowsille tarvitaan asennusohjelma joka kirjoittaa tämän imagen muistikortille. Siihen käy WinDD. Mac OSX ja Linux sisältää jo komentorivityökalun tähän (komento dd). Vaihtoehtoisesti voit käyttää myös Etcher -ohjelmaa (ilmainen) millä tahansa käyttöjärjestelmällä. Kirjoita image tiedosto muistikortille (ei toimi vain kopioimalla) ja tämän jälkeen sinulla on “puhdas” käyttöjärjestelmä. Imagen voi kirjoittaa tarvittaessa uudelleen jos haluat taas aloittaa alusta.

Ennen käyttöönottoa voit vielä katsoa muistikortin sisältöä. Siellä on yksi tai useampi levyosio ja ensimmäinen niistä on Windows yhteensopiva (FAT). Siellä on Raspberry Pi:n käynnistämiseen tarvittavat tiedot. Hyödyllinen tiedosto siellä on esimerkiksi config.txt jonka avulla laiteen näyttömuistia tai laitteistokiihdytyksiä voi säätää.

2. Ympäristön kasaus, näyttö, näppäimistö ja laitteen käynnistys

Yleiskuvaus verkkoyhteyksistä on kuvassa 1. Eli Raspberry Pi:lle on hyvä saada internet yhteys jotta siihen voidaan asentaa päivityksiä sekä lisäsovelluksia. Useita laitteita voidaan tietysti yhdistää samaan lähiverkkoon ja samassa verkossa voi olla myös tietokoneita joilla Raspberry Pi laitteita voi hallita ja ohjelmoida. Jos käytössä on erillinen tietokone niin et tarvitse Raspberry Pi:lle omaa näyttöä ja näppäimistöä. Sitä voi käyttää yksinäänkin mutta laite ei ole kovin tehokas ja graafinen käyttö vie paljon muistia laitteelta.

Laite itsessään voidaan kytkeä kuvan 2 mukaan. Virtaa Raspberry Pi:lle annetaan USB mikro virtaliittimestä (yleinen puhelimien latureissa). Virtaa tulisi olla noin 2 ampeerin verran (2 A) ja 5 volttia (5 V). Eli 10 watin virtalähde olisi suositeltavin. Laite soveltuu myös autokäyttöön tai ulkoisella USB varavirtalähteellä käytettäväksi.

Näyttö kytketään HDMI porttiin, siinä voit tarvita sovitinta jos näytössä/televisiossa ei ole HDMI liitäntää. Yleensä tietokoneen näytöissä on DVI ja sovitin löytyy monesta eri tietokonekaupasta. HDMI liittimen kautta menee myös digitaalinen ääni, DVI liittimessä sitä ei ole joten joudut käyttämään A/V -liitäntä (analoginen stereo + video).

Näppäimistö ja hiiri kytketään USB porttiin. USB keskitin (hub) voi olla tarpeen jos USB portteja jos portteja on rajoitetusti. USB keskittimen avulla saadaan jaettua yksi portti useammaksi. USB portista loppuu yleensä virta joten keskitin olisi syytä olla omaa virtaa tarjoava (Active USB hub). USB WiFi sovitin ja mobiili-mokkula ei saa riittävästi virtaa Raspberry Pi:n USB porteista.

Omat lisälaitteet voidaan kytkeä Raspberry Pi:n nastoihin. Yleensä käytetään GPIO (General Purpose Input/Output) nastoja. Niistä voidaan lukea oheislaitteiden tietoja tai sinne voidaan lähettää komentoja näiden nastojen kautta. Mutta myös muitakin vaihtoehtoja on käytettävissä, niistä löytyy lisää tietoa Internetistä.

Verkkoyhteys muodostetaan yleensä ethernet kaapelilla. Lähiverkossa tulisi olla reititin ja sen tulisi jakaa IP osoitteita DHCP protokollalla. Myös tietokonetta voi tähän käyttää mutta silloin sen pitäisi osata jakaa osoitteita.

Kun kaikki kytkennät on tehty, tarkista että muistikortti on liitetty paikoilleen ja lopulta kytke virtakaapeli. Näyttöön tulee hetkeksi väriliuku -kuva ja heti sen jälkeen Linux käynnistyy. Odota hetki ja saat joko graafisen käyttöliittymän tai teksti konsolin. Riippuen millaisen käyttöjärjestelmän asensit. 

3. Käytön aloitus, kirjautuminen, Linux perusteet

Tekstikonsoli kysyy login -tietoa sisäänkirjautumiseen, nämä tiedot löytyy yleensä käyttöjärjestelmän lataussivulta. Graafinen käyttöliittymä voi mennä suoraan sisään oletustunnuksella. Ensimmäisenä salasana tulisi vaihtaa jotta ulkopuoliset ei kirjaudu järjestelmään tietämättäsi…

Graafisella puolella avaa ensimmäisenä Pääte (terminal) jonka kautta voidaan syöttää tekstikomentoja. Keskitytään käytössä pääasiassa sen kautta hallintaan. Terminalissa näet komentokehoitteen joka yleensä päättyy $ -merkkiin. Silloin käytät laitetta tavallisen käyttäjän oikeuksilla.

Vaihda ensin salasana, siihen on komento: passwd
Ensin täytyy antaa vanha salasana ja sen jälkeen uusi salasana kaksi kertaa.

Pääkäyttäjäksi päästään yleensä komennolla: sudo -i
Silloin kysytään yleensä oman käyttäjätunnuksen salasana ja komentokehoite on tämän jälkeen #. Tässä tilassa sinulla on “suuremmat voimat” mutta voit myös aiheuttaa suurempia vahinkoja. 

Jos jokin komento ei palaudu takaisin komentokehotteeseen, voit aina painaa Ctrl-C nappia joka keskeyttää menossa olevan komennon. Linux komennoista löytää internetistä paljon ohjeita, suosittelen lukemaan lisää sivulta http://linux.fi/ tai etsimään hakusanoilla “Linux commands quick sheet”.

5. Yhteyden aktivointi 

Mikäli ethernet kaapeli on kytketty niin todennäköisesti sait jo verkkoyhteyden aktivoitua automaattisesti. Tarkista nykyinen IP osoite antamalla komennon: ip addr
Siellä listataan kaikki verkkoyhteyslaitteet joten yritä tunnistaa sieltä ethernet adapteri. Nimi on yleensä enp tai eth -alkuinen. 

Seuraavaksi tarkista oletusreitti komennolla: ip route
Siellä default -rivillä lukee oletusreitittimen IP osoite.
Voit testata yhteyttä siihen pingaamalla 4 kertaa komennolla: ping -c 4 <reititin-ip>

Mikäli verkko ei ole aktivoitunut niin tarkista ensin saako joku muu laite IP osoitteen tässä verkossa. Mikäli Raspberry Pi kaapeliyhteys ei ole kunnossa, sen voi tarkistaa katsomalla syttyykö linkkivalo kytkimessä/reitittimessä tai Raspberryn liittimen vieressä tai komennolla: ip link
Mikäli siellä on teksti NO-CARRIER niin yhteys ei ole kunnossa.

Kuva 1:

Kuva 2:

Ohjeet kirjastolle laitteiden valmisteluun:

1. Ota X kpl Raspberry Pi -laitteita ja niihin 8 GB muistikortit
2. Tarvitaan X kpl virtalähteitä, näppäimistöjä ja hiiriä
3. Tarvitaan X kpl näyttöjä ja HDMI kaapeleita, mahdollisesti sovittimet (HDMI-DVI)
4. Tarvitaan X kpl ethernet kaapeleita ja 1 kpl ethernet kytkimiä (8 porttia)
5. Tarvitaan 1 kpl tietokoneita jossa on WiFi yhteys ja ethernet kytkentä em kytkimeen, tästä tulee reititin
6. Kytke laitteet kuvan 2. Mukaan
7. Lataa muistikortti imagetja valmiiksi kappaleen 2. linkistä: Rasbian ja Raspberry Pi Desktop ja ehkä jotian muutakin

Henri Paasovaara 2019