Conectando na Raspberry Pi por USB

Este post deve servir como guia para configurar o Raspbian de modo permitir obter um terminal interativo capaz de executar comandos em uma Raspberry Pi que esteja ligada ao computador (PC) por uma porta USB. Serão exploradas duas formas de fazer isso:

1ª ligar PC e Raspberry Pi por um cabo USB, configurar o Raspian para tratar essa conexão como uma conexão ethernet e por fim utilizar o SSH.

2ª utilizar um conversor USB-UART, configurar o Raspian para transmitir um console pelos pinos GPIO de comunicação serial e por fim utilizar o GNU/screen para interagir com a porta tty associada à Pi.

Este guia foi desenvolvido realizando testes com Raspberry Pi Zero e Raspberry Pi 3B junto com o Raspbian Stretch. O sistema operacional do computador usado foi o Debian 10 Buster.

Utilizando um cabo USB

Para essa conexão será necessário apenas um cabo USB (ou microUSB) para ligar uma porta USB do computado a uma porta USB da Raspberry.

No seu computador, monte o sistema de arquivos do cartão microSD no qual você instalou o Raspbian. Navegue até a raiz da partição boot do sistema de arquivos montado. Neste local devem ser feitas três coisas:

No final do arquivo config.txt, insira uma nova linha contendo dtoverlay=dwc2.
```
echo dtoverlay=dwc2 >> config.txt
```
Abra o arquivo cmdline.txt. Tenha cuidado pois os parâmetros nesse arquivo são separados por espaçamento simples (isto é, quebra de linha não é utilizada). Insira modules-load=dwc2,g_ether após rootwait.
Obs.: Se você quiser habilitar ambas conexões por ethernet e serial na Raspberry troque g_ether por g_cdc na inserção acima.
Crie um arquivo chamado ssh vazio e sem extensão.
```
touch ssh
```

Navegue até a raiz da partição rootfs do SD. Adicione configurações de IP estático para a interface de rede USB.

echo -e "allow-hotplug usb0 \niface usb0 inet static \naddress=192.168.10.254 \nnetmask 255.255.255.0" | sudo tee -a etc/network/interfaces

Confira se as alterações estão ok.

tail etc/network/interfaces

Concluídos esses passos, o sistema de arquivos pode ser desmontado e o cartão microSD está pronto para ser inserido na Raspberry Pi. O próximo processo de boot do Raspbian pode demorar um pouco mais após as alterações (até 90 segundos).

Antes de ligar a Raspberry Pi ao computador vamos listar as interfaces de rede disponíveis a priori. Isso nos ajudará a identificar a qual interface de rede a Pi estará associada.

ifconfig

Podemos ver que existem três interfaces de rede disponíveis: enp2s0f0, lo, wlp3s0.

Conecte a Raspberry Pi ao computador utilizando um cabo USB.

Note que para o caso da Raspberry Pi Zero é vantajoso usar a porta micro USB que tem escrito “USB” ao seu lado. Conectando nessa porta é possível transmitir dados e alimentar a Pi simultaneamente.

Asegurando que PC e Raspberry Pi estão na mesma rede

Agora devemos nos certificar de que PC e Raspberry estão na mesma rede. Para isso vamos listar as interfaces de rede novamente.

ifconfig

Agora que a Pi está conectada é possível ver que mais uma interface de rede foi criada, a enp0s29u1u1i1. Podemos ver que ela está ativa (UP) e que o IP associado ao computador nesta interface é 192.168.10.200 (inet 192.168.10.200). Este é o estado desejável no qual PC e Pi estão na mesma rede. Caso o endereço IP não esteja na mesma rede (192.168.10) ou não seja exibido nenhum valor para inet será preciso configurar a nova interface de rede para atribuir um novo endereço IP ao PC. No Debian Buster isso pode ser feito de pelo menos duas formas:

Editando as configurações da interface de rede em ‘Conexões de rede’.

É importante definir o método de endereçamento IP como manual e atribuir um endereço IP ao computador que pertença a mesma rede que você definiu no arquivo arquivo /etc/network/interfaces do sistema de arquivos do Raspbian. Neste post eu defini que a Pi pertenceria a rede de endereço 192.168.10 (endereço IP de classe C) logo, o endereço IP do computador deve iniciar com 192.168.10 e o seu ID deve ser um número entre 0 e 255 que eu arbitrariamente escolhi para ser 200.

Outra forma de configurar a interface de rede é editando manualmente o arquivo /etc/NetworkManager/system-connections/<interface>.nmconnection.

sudo vim /etc/NetworkManager/system-connections/<interface>.nmconnection

Deixo aqui uma imagem com o conteúdo do meu arquivo de configuração de interface de rede para a conexão com a Raspberry. Note que aparecem o id da conexão “USB-pi”, o endereço IP definido, e o método de endereçamento.

Se a interface de rede não estiver sendo exibida com ifconfig ou caso você não tenha certeza de qual o nome da configuração associada a interface você pode tentar obter alguma informação relevante com dmesg.

sudo dmesg | grep cdc

Conectando com SSH

Estando configuradas as interfaces de rede do Raspbian e do linux rodando no PC, deverá ser possível conectar à Raspberry Pi utilizando ssh. A maneira mais tradicional de fazer isso é usando o endereço IP do dispositivo e o usuário com o qual conectar.

ssh <usuário>@<endereço IP>

Por exemplo:

ssh pi@192.168.10.254

Se você tiver o avahi-daemon instalado você também poderá conectar informando o hostname da sua Raspberry Pi. Por exemplo:

ssh pi@raspberrypi.local

Utilizando um conversor USB-UART

Para essa conexão serão necessários alguns jumpers (fios) fêmea-fêmea e um conversor USB-UART capaz de operar em TTL 3.3V (vou abordar mais detalhes a diante). Como algumas das configurações são iguais para os casos de conexão por USB-ethernet e serial-UART eu poderia apenas apontar alguns dos passos acima mas vou reescreve-los aqui por praticidade e organização.

No final do arquivo config.txt, insira uma nova linha contendo dtoverlay=dwc2.
```
echo dtoverlay=dwc2 >> config.txt
```
Certifique-se também de que há uma linha contendo enable_uart=1 nesse arquivo. Caso ela não exista ou tenha o valor 0 coloque-a com o valor 1.
Abra o arquivo cmdline.txt. Tenha cuidado pois os parâmetros nesse arquivo são separados por espaçamento simples (isto é, quebra de linha não é utilizada). Insira modules-load=dwc2,g_serial após rootwait.
Obs.: Se você quiser habilitar ambas conexões por ethernet e serial na Raspberry troque g_serial por g_cdc na inserção acima.

Apenas para fazer as configurações finais será preciso que você conecte um teclado e um monitor à Raspberry Pi para executar alguns comandos.

Ligue a Pi e faça login com seu usuário.

Habilite que a Raspberry Pi forneça um console interativo pela serial editando as configurações com raspi-config.
```
sudo raspi-config
```
Entre em Interfacing Options.

Selecione Serial e responda “Yes” para habilitar o console pela serial.

Para utilizar o módulo serial padrão, você deve dizer à Pi para transmitir o console serial a ele.
```
sudo systemctl enable getty@ttyGS0.service
```

Conexão física

Como os pinos GPIO de comunicação serial na Raspberry Pi operam com nível lógico TTL de 3.3V, usar um conversor USB-UART ou USB-TTL cujas tensões nos pinos RX e TX sejam maiores que 3.3V pode danificar a controladora UART da Raspberry Pi! Por isso certifique-se de que o seu conversor trabalha em TTL 3.3V lendo o datasheet ou usando um multímetro (a tensão entre os pinos GND e RX/TX não deve ultrapassar 3.6V).

Em meu experimento utilizei um conversor USB-UART com um CI CH340G da WCH que possui um jumper permitindo selecionar em qual nível lógico os pinos RX e TX devem operar.

Neste módulo, curto circuitar os pinos VCC e 3V3 garante que o nível lógico 1 do TTL será de 3.3V.

Obs.: Curto circuitar os pinos VCC e 5V fará o módulo usar TTL 5V que é utilizado para comunicar com vários modelos de Arduino. Isso é especialmente útil para programar alguns modelos de Arduino Pro-Mini.

Os pinos GND, RX, TX do conversor USB-UART devem ser conectados com os pinos GND, TX, RX da Raspberry Pi, respectivamente como no diagrama e na foto abaixo.

Acessando um terminal interativo

Após conectar PC e Raspberry você pode executar o comando lsusb em seu computador para conferir se um novo dispositivo USB foi reconhecido pelo sistema.

Logo na primeira linha podemos ver que um adaptador USB-Serial foi identificado.

Use o dmesg para rapidamente descobrir a qual porta tty sua Raspberry Pi foi associada.

dmesg | grep tty

No meu caso, ela ficou na porta ttyUSB0.

Para emular um terminal interativo a partir do arquivo tty podemos usar o GNU/screen. Você pode obtê-lo a partir do site ou pelo gerenciador de pacotes apt.

sudo apt install screen

Tendo o screen instalado basta iniciá-lo informando o arquivo que deve ser utilizado.

screen <arquivo tty>

Por exemplo:

screen /dev/ttyUSB0

Você verá o screen iniciar uma nova sessão (isso pode demorar alguns segundos, se nada aparecer após um tempo tecle enter algumas vezes) onde aparecerá a versão do Raspbian sendo executada na Raspberry Pi, o arquivo tty criando nela para comportar a comunicação serial, e um prompt de login.

Pronto, você já está logado em um terminal na Raspberry e pode executar qualquer comando a partir dele.

Para sair do screen tecle Ctrl-a \ (Ctrl + a seguido de \).

Tem como usar um cabo USB macho-macho?

Procurei fazer a conexão utilizando um cabo USB macho-macho ligando uma porta USB do computador a outra porta USB na Raspberry Pi 3. Segundo a literatura, as postas USB da Raspberry Pi 3 são do tipo OTG (On-The-Go) host e, ao que parece, um dispositivo USB que opera em modo host pode apenas estabelecer comunicação com dispositivos USB que operam em modo device e vice-versa. O motivo disso seria porque o dispositivo host é responsável por iniciar todas as comunicações enquanto o dispositivo device apenas responde às requisições do host. Como as portas USB do dos computadores normalmente operam como host, é de se imaginar que ambas as portas tentem iniciar alguma comunicação mas nenhuma delas espera se notificada de forma assíncrona para responder a uma requisição.

Talvez seria possível contornar essa situação utilizando um cabo USBNET (por exemplo https://www.amazon.com/Belkin-Transfer-Cable-Windows-F4U060/dp/B0093HCIQ0), mas não quis investir tempo e dinheiro com isso.