Raspberry Pi® a fondo para desarrolladores

Raspberry Pi® a fondo

para desarrolladores

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Derek Molloy

Dedicado a Sally, Daragh, Eoghan, Aidan y Sarah.

(¡Por orden de edad, que no de predilección!)

Acerca del autor

El Dr. Derek Molloy es profesor titular en la Escuela de Ingeniería electrónica, Facultad de ingeniería y computación, de la Dublin City University, en Irlanda. Da clases de programación orientada a objetos en sistemas empotrados, de electrónica digital y analógica y de IoT (Internet of Things, Internet de las cosas, por sus siglas en inglés) a estudiantes de grado y posgrado. Ha realizado sus contribuciones como investigador sobre todo en campos tales como visión por ordenador, gráficos en 3D y visualización, así como en tecnologías de e-Learning o aprendizaje por ordenador.

Derek produce una popular serie de vídeos en YouTube que ha servido a millones de personas para dar sus primeros pasos en los ámbitos de Linux en sistemas empotrados y de la electrónica digital. En 2013 lanzó un blog o web personal, que recibe miles de visitas diariamente, en la que integra sus vídeos de YouTube con otros materiales de apoyo, código fuente y foros de debate para los usuarios. En 2015 escribió un libro sobre la plataforma BeagleBone, Exploring BeagleBone: Tools and Techniques for Building with Embedded Linux, que fue muy bien recibido.

Derek ha recibido varios premios por su labor educativa. Fue merecedor del premio nacional a la innovación educativa "2012 Irish Learning Technology Association (ILTA) national award for Innovation in Teching and Learning". El galardón reconoce su enfoque de aprendizaje por la práctica en la educación de estudiantes de grado de ingeniería, que combina kits de electrónica y contenidos audiovisuales en línea. En 2012, como resultado de la ferviente nominación de sus estudiantes y colegas, recibió también el premio "Dublin City University President's Award for Excellence in Teaching and Learning" que reconoce nuevamente su excelencia en el ámbito de la educación.

El lector puede consultar más datos sobre Dereck, su trabajo y el resto de sus publicaciones en su página web personal: www.derekmolloy.ie.

Acerca del editor técnico

El Dr. Tom Betka llegó al mundo del desarrollo para sistemas empotrados desde su anterior trabajo en la industria aeronáutica. Así mismo, practicó la medicina durante más de diez años. Durante este tiempo, su amor por los ordenadores y el desarrollo de software lo llevó hasta los sistemas empotrados, y su formación en informática, hasta obtener una segunda titulación. Después de abandonar la práctica clínca, el Dr. Betka comenzó a trabajar en el mundo de la programación y como experto en materias de medicina y sistemas empotrados en diferentes compañías de software. Entre sus trabajos más recientes se incluyen proyectos en el Kennedy Space Center de la NASA y la Sierra Nevada Corporation. El primer amor de Tom fueron los lenguajes de programación de la familia del lenguaje C, que empleó para programar microcontroladores de 8 bits. Como usuario de Linux durante más de una década, también ha trabajado unos años con dispositivos BeableBone, BeagleBone Black y Raspberry Pi. Entre sus aficiones se cuentan las matemáticas avanzadas, la aviación, el modelismo de cohetería de gran potencia y la robótica. Es fácil encontrarlo en su taller casero trabajando en proyectos construcción de prototipos de dispositivos. Además, en otra vida por así decir, Tom fue batería profesional y uno de los primeros en adoptar dispositivos con tecnología de percusión digital en sus actuaciones de músca en vivo.

Agradecimientos

Debo dar las gracias a todo el equipo de Wiley Publising una vez más por su trabajo sobresaliente en este proyecto. A Jim Minatel por su empeño en que llevase adelante este concepto de libro y por su apoyo renovado para la realización de un libro que se centrase en el aprendizaje en profundidad. A Aaron Black y Jody Lefevere, por hacer avanzar el proyecto y por su apoyo y ayuda durante todo su desarrollo. A Jennifer Lynn, por hacerme respetar los plazos y por estar siempre disponible para responder a mis preguntas. A Adaobi Obi Tulton, el editor del proyecto, por llevarlo hasta su finalización de la manera más eficiente posible: ha sido un verdadero placer volver a trabajar con un editor de su categoría. A Keith Cline y Marylouise Wiak, los correctores, por hacer este libro legible en inglés americano. A Barath Kumar Rajasekaran, el editor de producción, y Nancy Bell, la revisora, por dar coherencia al conjunto y crear un producto final bien terminado.

Expreso mi más sincero agracedimiento a Tom Betka, el editor técnico, por la increíble cantidad de tiempo y esfuerzo personal que ha invertido para asegurar que el contenido de este libro se pueda utilizar sin problemas por los lectores. Tras la publicación de mi libro sobre BeagleBone, Tom proporcionó motu proprio comentarios muy valiosos en la página web del libro, que sirvieron para afianzar el título.

Así, pensé de inmediato en Tom cuando acepté este proyecto y estuve encantado de que aceptase el papel de editor técnico. Tom es un académico, un erudito e indiscutiblemente toda una inspiración; además siempre ha estado disponible para analizar conmigo cualquier asunto técnico. Este libro se ha beneficiado enormemente de sus conocimientos técnicos, de su experiencia vital y de sus enormes capacidades. Estoy convencido de que no podría haber encontrado mejor editor técnico para el tema tratado.

Debo también agradecer a las miles de personas que se toman la molesta de comentar mis vídeos en YouTube, las entradas de mi blog y los artículos que publico en mi página web. y consejos recibidos, que de verdad me han ayudado en el desarrollo de los temas tratados en mis libros.

La Escuela de ingeniería electrónica de la Dublin City University es un lugar magnífico para trabajar gracias, en gran medida, a su espíritu de grupo y a su compromiso con una educación en ingeniería rigurosa, innovadora y accesible. Agradezco nuevamente a mis colegas de la Escuela por su apoyo, sus ánimos y su tolerancia durante la redacción de este libro. En particular doy las gracias a Noel Murphy y Connor Brenan por compartir la carga de trabajo de la dirección de la Escuela conmigo mientras me encontraba completamente absorto en la escritura del libro. Gracias de nuevo a mi hermano David Molloy por sus expertos consejos de software y por su apoyo. Gracias a Jennifer Bruton por su experta y meticulosa revisión de los circuitos, el software y los contenidos utilizados en este libro. Así mismo, agradezco a Martin Collier, Pascal Landais, Michele Pringle, Robert Sadleir, Ronan Scaife y John Whelan por su continuo apoyo, consejo y asesoramiento experto.

Obviamente, mi mayor agradecimiento es para mi familia. Tardé más de seis meses en escribir este libro; principalmente por las noches y en los fines de semana. Gracias a Sally, mi mujer, y a nuestros hijos Daragah, Eoghan, Aidan y Sarah por aguantarme, una vez más, durante la redacción de este libro. Gracias a mi madre, Catriona, y a mi padre, David, por toda una vida de apoyo, ánimo e inspiración. Por último debo agradecer al resto de mi familia por tolerar, otros seis meses, con buen talante mis ausencias en eventos y fiestas familiares: ya no tengo excusa, ¡a menos que escriba otro libro!

Resumen de contenidos

Introducción

Parte I Aspectos básicos del Raspberry Pi

Capítulo 1 El hardware del Raspberry Pi

Capítulo 2 El software del Raspberry Pi

Capítulo 3 Exploración de sistemas Linux empotrados

Capítulo 4 Interfaz con los componentes electrónicos

Capítulo 5 Programación con Raspberry Pi

Parte II Interfaz, control y comunicaciones

Capítulo 6 Interfaz de entrada/salida en el Raspberry Pi

Capítulo 7 Compilación cruzada y el IDE Eclipse

Capítulo 8 Interfaz con los buses del Raspberry Pi

Capítulo 9 Mejora de las interfaces de entrada/salida en el RPi

Capítulo 10 Cómo interaccionar con el entorno físico

Capítulo 11 Interfaz en tiempo real con el Arduino

Parte III Comunicación e interacción avanzadas

Capítulo 12 IoT (Internet of Things)

Capítulo 13 Control y comunicación inalámbricas

Capítulo 14 Raspberry Pi con una interfaz de usuario enriquecida

Capítulo 15 Imágenes, vídeo y audio

Capítulo 16 Programación del núcleo

Contenidos

Introducción

Estructura del libro

Convenciones utilizadas en este libro

Material necesario

Fe de erratas

Contenido digital y código fuente

Parte I

Aspectos básicos del Raspberry Pi

Capítulo 1

El hardware del Raspberry Pi

Introducción a la plataforma

¿A quién está destinado el RPi?

Cuándo utilizar el RPi

Cuándo no utilizar el RPi

La documentación del RPi

El hardware del RPi

Las versiones del Raspberry Pi

El hardware del Raspberry Pi

Accesorios del Raspberry Pi

Accesorios importantes

Una fuente de alimentación externa de 5 V

Tarjeta micro-SD para iniciar el sistema operativo

Cable Ethernet para conectividad de red

Accesorios recomendados

Cable HDMI para conectar a monitores o televisiones

Cable serie USB a TTL UART 3,3 V para localización de problemas

Accesorios opcionales

Un hub USB para conectar múltiples dispositivos USB

Adaptadores micro-HDMI a VGA para vídeo y sonido

Adaptadores WiFi para conectividad inalámbrica

Dispositivos de almacenamiento USB

Webcam USB para captura de imágenes y streaming de vídeo

Teclado y ratón USB para computación de propósito general

Carcasas para proteger el RPi

Placas de extensión HAT

Cómo destruir su RPi

Resumen

Soporte

Capítulo 2

El software del Raspberry Pi

Linux en el Raspberry Pi

Distribuciones de Linux para el RPi

Cómo crear una imagen Linux en una tarjeta SD para el RPi

Cómo conectarse a una red

Cable Ethernet estándar

Cable Ethernet cruzado

Cómo comunicarse con el RPi

Conexión serie con el cable USB a TTL de 3,3 V

Conexión segura con SSH (Secure Shell)

Conexiones SSH (Secure Shell) mediante PuTTY

Chrome Apps: cliente Secure Shell

Como transferir archivos mediante PuTTY/psftp sobre SSH

Control del Raspberry Pi

Comandos básicos de Linux

Primeros pasos

Comandos básicos del sistema de archivos

Variables de entorno

Edición básica de archivos

¿Qué hora es?

Gestión de paquetes

Configuración del Raspberry Pi

La herramienta de configuración del Raspberry Pi

Actualización del software del RPi

Salida de vídeo

Interacción con los LED de la placa

Apagado y reinicio

Resumen

Capítulo 3

Exploración de sistemas Linux empotrados

Introducción a Linux para sistemas empotrados

Ventajas y desventajas de Linux para sistemas empotrados

¿Es Linux gratuito y de código abierto?

Cómo iniciar el Raspberry Pi

Los gestores de arranque del Raspberry Pi

Espacio del núcleo y espacio de usuario

El gestor de sistema y servicios systemd

Gestión de sistemas Linux

El superusuario

Administración del sistema

El sistema de archivos de Linux

Enlaces a archivos y directorios

Usuarios y grupos

Permisos del sistema de archivos

El directorio raíz (root) de Linux

Comandos para sistemas de archivos

La fiabilidad de los sistemas de archivos en las tarjetas SD

Comandos de Linux

Redirección de entrada y salida (>, >> y <)

Tuberías (| y tee)

Comandos de filtro (de sort a xargs)

Los comandos echo y cat

diff

tar

md5sum

Procesos de Linux

Cómo controlar los procesos en Linux

Procesos en primer y en segundo plano

Otros temas de Linux

Cómo utilizar Git para el control de versiones

Una introducción práctica

Cómo clonar un repositorio (git clone)

Cómo obtener información de estado (git status)

Cómo añadir archivos al área de preparación (git add)

Cómo hacer commit en el repositorio local (git commit)

Envío al repositorio remoto (git push)

Ramas de desarrollo de Git

Cómo crear una rama de desarrollo (git branch)

Cómo fusionar ramas de desarrollo (git merge)

Cómo borrar una rama de desarrollo (git branch -d)

Comandos habituales de Git

Cómo utilizar escritorios virtuales

El código fuente de este libro

Resumen

Otras lecturas

Bibliografía

Capítulo 4

Interfaz con los componentes electrónicos

Cómo analizar nuestros circuitos

Multímetro digital

Osciloscopios

Principios básicos de los circuitos

Voltaje, intensidad de la corriente, resistencia y la ley de Ohm

División de voltaje

División de corriente

Cómo implementar circuitos del RPi en una placa de pruebas

Multímetros digitales (DMM) y placas de pruebas

Circuito de ejemplo: regulación de voltaje

Componentes discretos

Diodos

Diodos emisores de luz (LED)

Condensadores de filtro o aplanamiento y de desconexión

Transistores

Utilización de transistores como conmutadores

Utilización de transistores de efecto campo (FET) como conmutadores

Optoacopladores/optoaisladores

Interruptores y botones

Histéresis

Puertas lógicas

Entradas flotantes

Resistencias pull-up y pull-down

Salidas de colector abierto y de drenador abierto

Interconexión de puertas lógicas

Conversión analógico-digital

Frecuencia de muestreo

Discretización

Amplificadores operacionales

Amplificadores operacionales ideales

Retroalimentación negativa y seguidor de tensiones

Retroalimentación positiva

Consejos finales

Resumen

Otras lecturas

Capítulo 5

Programación con Raspberry Pi

Introducción

Rendimiento de los lenguajes en el RPi

Establecer la frecuencia de trabajo en la CPU del RPi

Un primer circuito para la computación física

Lenguajes de script

Opciones de lenguajes de script

Bash

Lua

Perl

Python

Lenguajes compilados dinámicamente

Javascript y Node.js en el RPi

Java en el RPi

C y C++ en el RPi

Introducción a C y C++

Compilando y enlazando

Cómo escribir el programa C/C++ más corto del mundo

Compilación estática y dinámica

Variables y operadores en C/C++

Punteros en C/C++

Cadenas de caracteres (strings) de estilo C

Control de LED en C

La "C" de C++

Primer ejemplo y gestión de cadenas en C++

Paso por valor, por puntero y por referencia

Control del LED con C++ (sin emplear objetos)

Introducción a la programación orientada a objetos

Clases y objetos

Encapsulación

Herencia

Control de LED orientado a objetos con C++

Interfaz con el sistema operativo Linux

Glibc y syscall

Cómo mejorar el rendimiento de Python

Cython

Cómo ampliar Python con C/C++

La API Python/C

Boost.Python

Resumen

Otras lecturas

Bibliografía

Parte II

Interfaz, control y comunicaciones

Capítulo 6

Interfaz de entrada/salida en el Raspberry Pi

Introducción

Entrada/salida de propósito general

Salida digital GPIO

Entrada digital GPIO

Resistencias pull-up y pull-down internas

Interfaz con circuitos DC con alimentación

Uso de C++ para el control de la salida GPIO con sysfs

Más sobre programación con C++

Funciones de retrollamada

Hilos de ejecución POSIX

Linux poll (sys/poll.h)

Una clase GPIO mejorada

Uso de la memoria para el control de la salida GPIO

Control de GPIO mediante devmem2

Control de GPIO mediante C y /dev/mem

Cambiar la configuración de las resistencias internas

WiringPi

Cómo instalar wiringPi

El comando gpio

Programación con wiringPi

Cambiar el estado de un LED mediante wiringPi

Pulsación de un botón: respuesta LED

Comunicación con sensores One-Wire

PWM y los relojes de propósito general

Pulse-Width Modulation (PWM)

Aplicación PWM: oscurecimiento de un LED

Aplicación PWM: control de un servomotor

Señales de reloj de propósito general

Las salidas GPIO y los permisos

Cómo escribir reglas udev

Los permisos y wiringPi

Resumen

Capítulo 7

Compilación cruzada y el IDE Eclipse

Cómo configurar una toolchain para compilación cruzada

La cadena de herramientas Linaro Toolchain para Raspbian

Comprobación de la toolchain

Cómo actualizar la variable de entorno PATH

Cadenas de herramientas de compilación cruzada para Debian

Emulación de la arquitectura armhf

Compilación cruzada con librerías de terceras partes (multiarch)

Compilación cruzada a través de Eclipse

Cómo instalar Eclipse en Linux

Configuración de Eclipse para compilación cruzada

El explorador de sistemas remotos

Cómo integrar GitHub en Eclipse

Depuración en remoto

Documentación automática en Doxygen

Cómo añadir soporte Doxygen a Eclipse

Compilación de Linux

Cómo descargar el código fuente del núcleo

Compilación del núcleo de Linux

Cómo instalar el núcleo de Linux

Cómo crear una distribución de Linux (avanzado)

Resumen

Otras lecturas

Capítulo 8

Interfaz con los buses del Raspberry Pi

Introducción a las comunicaciones por bus

I2C

Hardware I2C

El bus I2C en el RPi

Cómo habilitar el bus I2C en el RPi

Cómo habilitar un segundo bus I2C

Un circuito de prueba I2C

Un reloj de tiempo real

El acelerómetro ADXL345

Cableado del circuito de pruebas

Utilización de las herramientas I2C-tools de Linux

i2cdetect

i2cdump

i2cget

i2cset

Comunicaciones en C por el bus I2C

Encapsulación de dispositivos I2C en clases C++

SPI

Hardware SPI

SPI en el RPi

Pruebas en el bus SPI

Una primera aplicación SPI (74HC595)

Cableado del circuito de pruebas 74HC595

Comunicaciones SPI utilizando lenguaje C

Comunicación bidireccional SPI en C/C++

La interfaz ADXL345 SPI

Conexión del ADXL345 al RPi

Encapsulación de dispositivos SPI en clases C++

Comunicación SPI de tres hilos

Múltiples dispositivos esclavos SPI en el RPi

UART

El UART del RPi

Ejemplos de UART en C

Cliente serie RPi

Servidor serie LED RPi

Aplicaciones UART: GPS

Traducción de nivel lógico

Resumen

Otras lecturas

Capítulo 9

Mejora de las interfaces de entrada/salida en el RPi

Introducción

Conversión analógico-digital

Conversores analógico-digitales (ADC) SPI

El ADC SPI MCP3208

Cómo cablear el MCP3208 al RPi

Cómo comunicarse con el MCP3208

Una aplicación ADC: fotómetro analógico

Cómo comprobar el rendimiento del ADC SPI

La librería C para el BCM2835 (avanzado)

Conversión digital-analógica

Un conversor digital-analógico de bus I2C

Un conversor digital-analógico SPI

Cómo añadir salidas PWM al RPi

Cómo ampliar las salidas GPIO del RPi

El MCP23017 y el bus I2C

Cómo controlar el circuito LED GPIO

Cómo leer el estado del pulsador GPIO

Un ejemplo de configuración de interrupciones (avanzado)

El MCP23S17 y el bus SPI

Una clase C++ para dispositivos MCP23x17

Cómo añadir UART al RPi

Resumen

Capítulo 10

Cómo interaccionar con el entorno físico

Interfaces con los actuadores

Motores de corriente continua (DC)

Propulsión de motores DC pequeños (hasta 1,5 A)

Propulsión de motores DC mayores (más de 1,5 A)

Motores paso a paso

El controlador de motor paso a paso EasyDriver

Un circuito de control para un motor paso a paso en el RPi

Cómo controlar un motor paso a paso usando C++

Relés

Interfaz con sensores analógicos

Sensores analógicos lineales

Sensores analógicos no lineales

Acondicionamiento de la señal en un sensor analógico

Escalado de la señal mediante división de voltaje

Escalado y voltaje de desequilibrio o desplazamiento (offset) de la señal

Interfaz con un acelerómetro analógico

Interfaz con pantallas locales

Módulos de pantalla MAX7219

Módulos LCD de caracteres

Pantallas OLED

Compilación de librerías C/C++

Makefiles

CMake

Un ejemplo "Hello World"

Compilación de librerías C/C++

Usando una librería compartida (.so) o estática (.a)

Resumen

Capítulo 11

Interfaz en tiempo real con el Arduino

El Arduino

Un dispositivo esclavo serie Arduino

Ejemplo: una prueba de eco UART

Eco de la información de minicom (con parpadeo de LED)

Ejemplos de eco UART en C

Control de comandos UART en un Arduino

Un dispositivo esclavo Arduino I2C

Un circuito de prueba I2C

Ejemplo de eco de registro I2C

Ejemplo de sensor de temperatura I2C

Sensor de temperatura I2C con LED de advertencia

Comunicación en modo esclavo del Arduino usando C/C++

Ejemplo de sensor ultrasónico I2C

Un dispositivo esclavo SPI Arduino

Programación del Arduino en línea de comandos del RPi

Resumen

Parte III

Comunicación e interacción avanzadas

Capítulo 12

IoT (Internet of Things)

IoT (Internet of Things)

El RPi como sensor IoT

El RPi como sensor de servidor web

Nginx

Cómo configurar el servidor web Nginx

Cómo crear scripts y páginas web

PHP en el RPi

Aplicaciones GNU Cgicc (avanzado)

Un cliente web C/C++

Introducción a las comunicaciones en red

Un cliente web C/C++

Comunicaciones seguras mediante OpenSSL

El RPi como "Thing"

ThingSpeak

El programador de tareas Cron de Linux

El sistema crontab

User crontab

Cómo enviar correo electrónico desde el RPi

"Si esto, entonces aquello" (If This Then That, IFTTT)

Frameworks IoT a gran escala

MQ Telemetry Transport (MQTT)

IBM Bluemix Internet of Things

Ejemplo de publicación con IBM IoT MQTT usando Node.js

Ejemplo de publicación con IBM IoT MQTT usando C++

Visualización de datos con IBM Quickstart

Cliente/servidor con C++

Gestión de dispositivos IoT

Monitorización remota del RPi

Temporizadores RPi Watchdog

Direcciones IP estáticas

Alimentación por Ethernet (PoE, Power over Ethernet)

Módulos de extración PoE (PEM) (avanzado)

Resumen

Capítulo 13

Control y comunicación inalámbricas

Introducción a las comunicaciones inalámbricas

Comunicaciones Bluetooth

Cómo instalar un adaptador Bluetooth

Comprobación del módulo LKM

Cómo configurar un adaptador Bluetooth

Cómo hacer que el RPi sea "descubrible"

Desarrollo de aplicaciones Android con Bluetooth

Comunicaciones por WiFi

Cómo instalar un adaptador WiFi

El procesador esclavo WiFi NodeMCU

El firmware más reciente

Cómo conectar NodeMCU a WiFi

Cómo programar el NodeMCU

La interfaz del servidor web NodeMCU

JSON

Comunicación con mensajes JSON

El NodeMCU y el protocolo MQTT

Comunicaciones ZigBee

Introducción a los dispositivos XBee

Modo AT frente a modo API

Configuración XBee

XCTU

Cómo configurar una red XBee usando XCTU

Un ejemplo de XBee en modo AT

Configuración del dispositivo Arduino XBee (XBeeA)

Configuración del dispositivo RPi XBee (XBeePi)

Un ejemplo de XBee en modo API

Configuración del dispositivo RPi XBee (XBee1)

Configuración del dispositivo independiente XBee (XBee2)

El modo XBee API y Node.js

XBee y C/C++

Comunicación de campo cercano (NFC)

Resumen

Capítulo 14

Raspberry Pi con una interfaz de usuario enriquecida

Arquitecturas de interfaz de usuario enriquecida para RPi

El RPi como ordenador de propósito general

Cómo conectar un periférico de entrada Bluetooth

El RPi con una pantalla táctil LCD

Computación virtual en red (VNC)

VNC con el visor VNC Viewer

VNC con Xming y PuTTY

VNC en un PC con Linux

Aplicaciones fat-client o de cliente pesado

Desarrollo de interfaces gráficas de usuario enriquecidas

Introducción a GTK+ en el RPi

Una aplicación "Hello World" GTK+

Modelo de programación orientado a eventos

Aplicación de humedad y temperatura con GTK+

Introducción a Qt en el RPi

Cómo instalar las herramientas de desarrollo Qt en el RPi

La aplicación "Hello World" Qt

Introducción a Qt

Elementos de Qt

La clase QObject