Raspberry Pi für Einsteiger E-Book

Matt Richardson

• Herausgeber: O'Reilly
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2015

Seitenzahl: 240

Beschreibung

Was können Sie mit dem Raspberry Pi machen - einem kreditkartengroßen Computer zum Preis von 35 Euro? Alles! Wenn Sie programmieren lernen oder neue Elektronikprojekte umsetzen möchten, wird Ihnen dieser praktische Ratgeber extrem nützlich sein. Das Buch wurde in der zweiten Auflage auch für das Raspberry-Pi-Modell B+ aktualisiert und führt Sie Schritt für Schritt durch die unterhaltsamen und lehrreichen Möglichkeiten der Mikrocontroller-Plattform. Greifen Sie auf vorinstallierte Programmiersprachen zurück. Nutzen Sie den Raspberry Pi zusammen mit dem Arduino. Erstellen Sie Projekte, die mit dem Internet verbunden sind. Geben Sie Multimedia-Dateien wieder. Mit dem Raspberry Pi können Sie dies und vieles mehr erreichen. • Machen Sie sich mit den Hardware-Features des Raspberry-Pi-Boards vertraut. • Eignen Sie sich so viel Linux-Wissen an, dass Sie mit dem Betriebssystem zurechtkommen. • Erlernen Sie die Grundlagen von Python und Scratch - und beginnen Sie zu programmieren. • Zeichnen Sie Grafiken, erzeugen Sie Klänge und verarbeiten Sie Mausereignisse mit dem Pygame-Framework. • Nutzen Sie die Ein- und Ausgabepins GPIO des Mikrocontrollers für Hardware-Basteleien. • Finden Sie heraus, wie sich Arduino und Raspberry Pi gegenseitig ergänzen. • Erstellen Sie Ihren eigenen Pi-basierten Webserver mit Python. • Lernen Sie das Raspberry-Pi-Kamera-Modul kennen und binden Sie USB-Webcams und andere Peripherie-Geräte in Ihre Projekte ein.

Leseprobe

Raspberry Pi für Einsteiger

MattRichardson

ShawnWallace

Vorwort

Es ist verständlich, dass die Leute bei der ersten Ankündigung des Raspberry Pi skeptisch waren. Ein kreditkartengroßer Computer für 30 € schien zu schön, um wahr zu sein. Das ist der Grund, warum der Raspberry Pi für so großes Entzücken gesorgt hat, als er wirklich verfügbar war.

Die Nachfrage war größer als das Angebot und die Wartelisten für diesen Minicomputer waren sehr lang. Aber abgesehen vom Preis — was ist anm Raspberry Pi dran, dass die Leute so scharf darauf sind? Bevor wir uns anschauen, warum der Raspberry Pi so toll ist, wollen wir erklären, für wen er gedacht ist.

Eben Upton und seine Kollegen an der University of Cambrige stellten fest, dass die Studenten, die heutzutage Informatik studieren wollen, nicht mehr die Fertigkeiten mitbringen, die in den 1990er Jahren noch verbreitet waren. Sie führten das — neben anderen Faktoren — auf das "Aufkommen von Home-PCs und Spielekonsolen zurück, die die Amigas, BBC Micros, Spectrum ZX und Commodore 64er verdrängten, die die Generation zuvor noch nutzte, um das Programmieren zu lernen." Da der Computer für alle Mitglieder einer Familie wichtig wurde, hielt dies die Jüngeren davon ab, mit ihm herumzuexperimentieren und ein für alle so wichtiges Werkzeug eventuell lahmzulegen. Aber die Prozessoren für Mobiltelefone und Tablets sind in jüngster Zeit immer günstiger und gleichzeitig leistungsfähiger geworden. Das bereitete den Weg für den Raspberry Pi als supergünstigen, aber dennoch gut "bearbeitbaren" Rechner. Wie der Vater von Linux, Linus Torvalds, einmal in einem Interview mit BBC News sagte: Mit dem Raspberry Pi ist es nun möglich, "Fehler zu machen".

Was können Sie mit ihm tun?

Eine der tollen Seiten des Raspberry Pi ist, dass es nicht nur einen Weg gibt, ihn einzusetzen. Ob Sie mit ihm nur Videos sehen oder im Internet surfen wollen oder ob Sie mit ihm hacken, lernen und basteln wollen—der Raspberry Pi ist eine flexible Plattform, mit der man Spaß haben kann, die nützlich ist und die ein Experimentierumfeld bietet. Hier nur ein paar der Möglichkeiten, den Raspberry Pi einzusetzen:

Ein universell einsetzbarer Computer

Denken Sie daran: Der Raspberry Pi ist ein Computer, den Sie tatsächlich auch als Computer benutzen können. Nachdem Sie ihn in Kapitel 1 zum Laufen gebracht haben, können Sie sich dazu entscheiden, ihn mit einer grafischen Benutzeroberfläche und einem Webbrowser laufen zu lassen—was heutzutage ein häufiger Einsatzzweck für Computer ist. Aber abgesehen vom Webzugriff haben Sie eine umfangreiche Auswahl an freier Software, wie zum Beispiel die LibreOffice-Suite, mit der Sie Dokumente und Tabellenblätter auch ohne Internet-Verbindung bearbeiten können.

Programmieren lernen

Da der Raspberry Pi als Lernwerkzeug gedacht ist, mit dem Kinder experimentieren sollen, enthält er bereits Interpreter und Compiler für viele verschiedene Programmiersprachen. Für Anfänger gibt es Scratch, eine grafische Programmiersprache vom MIT, die wir in Kapitel 5 behandeln werden. Wollen Sie lieber direkt Code schreiben, können Sie mit der Programmiersprache Python einsteigen. Ihre Grundlagen erklären wir in Kapitel 3. Und Sie sind nicht nur auf Scratch und Python beschränkt: Sie können Programme für Ihren Raspberry Pi in Sprachen wie C, Ruby, Java oder Perl schreiben.

Projektplattform

Der Raspberry Pi unterscheidet sich von einem normalen Computer nicht nur durch seinen Preis und seine Größe, sondern auch durch seine Fähigkeit, gut in elektronische Projekte eingebunden werden zu können. Ab Kapitel 7 zeigen wir Ihnen, wie Sie mit dem Raspberry Pi LEDs steuern und Leitungen schalten können. Zudem lernen Sie dort, wie Sie den Status von Schaltern und Tastern ermitteln.

Produkt-Prototyping

Bei immer mehr Elektronikprodukten kommen Linux-Computer zum Einsatz, und nun ist die Welt des eingebetteten Linux besser verfügbar als jemals zuvor. Wenn Sie an einem tollen Produkt arbeiten, das für den täglichen Gebrauch gedacht ist, können Sie das Raspberry Pi Compute Module (eine kleinere Version des Boards, auf die wir später noch zurückkommen werden) benutzen, um ein Produkt mit einem Raspberry Pi als Kern zu entwickeln.

Raspberry Pi für Bastler

Als Bastler können wir aus einer ganzen Reihe Plattformen auswählen, wenn wir technologiebasierte Projekte bauen wollen. In letzter Zeit haben Entwicklerboards mit Mikrocontroller an Beliebtheit gewonnen, wie zum Beispiel der Arduino, da man sehr einfach mit ihnen arbeiten kann. Aber System-on-a-Chip-Plattformen wie der Raspberry Pi unterscheiden sich von den klassischen Mikrocontrollern in vielerlei Hinsicht. Tatsächlich hat der Raspberry Pi mehr mit Ihrem Computer gemeinsam als mit einem Arduino.

Wir wollen damit nicht sagen, dass ein Raspberry Pi besser ist als ein klassischer Mikrocontroller—er ist nur anders. Wollen Sie zum Beispiel ein einfaches Thermostat bauen, fahren Sie aus Gründen der Einfachheit vermutlich besser mit einem Arduino Uno oder einem ähnlichen Mikrocontroller. Aber wenn Sie per Web aus der Ferne auf das Thermostat zugreifen wollen, um seine Einstellungen zu ändern und die Log-Dateien mit den Temperaturdaten herunterzuladen, sollten Sie eher darüber nachdenken, einen Raspberry Pi einzusetzen.

Die richtige Wahl hängt sehr von den Anforderungen Ihres Projekts ab, und tatsächlich müssen Sie sich auch gar nicht für einen von beiden entscheiden. In Kapitel 7 zeigen wir Ihnen, wie Sie den Raspberry Pi benutzen können, um den Arduino zu programmieren, und wie beide miteinander kommunizieren.

Mit Hilfe dieses Buches werden Sie ein besseres Verständnis für die Stärken des Raspberry Pi und seine Einsatzmöglichkeiten für Bastler erhalten.

Das ist noch nicht alles!

Sie können so viel mit dem Raspberry Pi anstellen—wir können das alles gar nicht in einem Buch unterbringen. Hier noch zwei Einsatzmöglichkeiten:

Media Center

Da der Raspberry Pi sowohl HDMI- als auch Composite-Video-Ausgänge besitzt, lässt er sich einfach an Fernseher anschließen. Er besitzt auch ausreichend CPU-Leistung, um HD-Videos im Vollbild abzuspielen. Um das zu unterstützen, haben die Beteiligten am Media-Player XBMC (http://xbmc.org/), bei dem es sich um Open-Source-Software handelt, dieses Projekt auf den Raspberry Pi portiert. XBMC kann viele verschiedene Medienformate abspielen, und seine Benutzeroberfläche ist mit großen Buttons und Texten ausgestattet, so dass sie sich auch leicht vom Sofa aus bedienen lässt. XBMC verwandelt den Raspberry Pi in eine umfassend konfigurierbare Komponente für ein Home Entertainment Center.

"Bare Metal" Computer-Hacking

Die meisten Leute, die Computerprogramme schreiben, schreiben Code, der innerhalb eines Betriebssystems läuft, wie zum Beispiel Windows, Mac OS oder—beim Raspberry Pi—Linux. Aber was wäre, wenn Sie Code schreiben könnten, der ohne ein Betriebssystem direkt auf dem Prozessor läuft? Sie könnten sich sogar Ihr eigenes Betriebssystem schreiben, wenn Sie daran Spaß haben. Das Computer Laboratory der University of Cambridge hat einen kostenlosen Online-Kurs (http://www.bit.ly/1BW2e3C) veröffentlicht, in dem Sie Schritt für Schritt erfahren, wie Sie mit Assembly-Code Ihr eigenes Betriebssystem erstellen.

Linux und Raspberry Pi

Auf einem klassischen Computer läuft ein Betriebssystem, wie zum Beispiel Windows, OS X oder Linux. Es wird gestartet, wenn Sie Ihren Computer starten, und es ermöglicht Ihren Anwendungen Zugriff auf die Hardware-Funktionen Ihres PCs. Schreiben Sie zum Beispiel eine Anwendung, die auf das Internet zugreift, können Sie dazu die Funktionen des Betriebssystems nutzen. Sie müssen nicht jede mögliche Ethernet- oder WLAN-Hardware kennen und eigens ansprechen, die es in der Welt gibt.

Wie jeder andere Computer verwendet auch der Raspberry Pi ein Betriebssystem—standardmäßig Raspbian, eine Linux-Variante. Linux ist für den Raspberry Pi die perfekte Wahl, weil es frei und Open Source ist. Der Preis für die Plattform wird dadurch gering gehalten und gleichzeitig hat man mehr Eingriffsmöglichkeiten. Sie sind aber nicht auf Raspbian beschränkt, es gibt viele andere Linux-Distributionen, die Sie einsetzen können. Es gibt sogar einige Nicht-Linux-Varianten. In diesem Buch werden wir aber die Standard-Raspbian-Distribution einsetzen, die auf der Download-Seite des Raspbian Pi (http://www.raspberrypi.org/downloads) verfügbar ist.

Sie brauchen sich keine Sorgen zu machen, wenn Sie mit Linux nicht vertraut sind. In Kapitel 2 werden Sie die Grundlagen kennenlernen, mit deren Hilfe Sie die Themen im Buch bearbeiten können.

Was andere mit dem Raspberry Pi gemacht haben

Wenn Sie mit einer spannenden neuen Technologie arbeiten, können Sie sich manchmal nicht entscheiden, was Sie damit anstellen wollen. Wenn Sie noch unschlüssig sind, gibt es zum Glück keinen Mangel an Ideen für interessante und kreative Raspberry-Pi-Projekte, von denen Sie sich inspirieren lassen können. Als Herausgeber von MAKE haben wir viele tolle Anwendungen für den Raspberry Pi kennengelernt, einige unserer Favoriten möchten wir Ihnen vorstellen.

Spielautomaten-Sofatisch (http://www.bit.ly/1oTTkxK)

Der Instructables-User grahamgelding hat eine Schritt-für-Schritt-Anleitung veröffentlicht, wie man einen Sofatisch so umbaut, dass er als Basis für einen Spielautomaten-Emulator mit dem Raspberry Pi dient. Damit die Spiele auf dem Pi laufen, hat er den MAME (Multiple Arcade Machine Emulator) genutzt — ein Open-Source-Software-Projekt, mit dem Sie klassische Automatenspiele auf modernen Computern laufen lassen können. In den Tisch ist ein 24-Zoll-LCD-Bildschirm eingebaut, der mit dem Raspberry Pi per HDMI verbunden ist, dazu klassische Joystick-Knöpfe und der eigentliche Joystick, die mit den GPIO-Pins des Pi verbunden sind und als Eingabequelle dienen.

RasPod (https://github.com/lionaneesh/RasPod)

Aneesh Dogra, ein Teenager aus Indien, war auf einem der vorderen Plätze beim 2012 Summer Coding Contest der Raspberry Pi Foundation. Er hat RasPod gebaut, ein über das Web steuerbarer MP3-Player auf Basis des Raspberry Pi. Mit Hilfe von Python und einem Web-Framework namens Tornado können Sie sich mit dem RasPod aus der Ferne am Raspberry Pi anmelden, um Musik abzuspielen und wieder zu stoppen, die Lautstärke anzupassen, Lieder auszuwählen und Playlists zu erstellen. Die Musik kommt aus einer der Audio-Buchsen des Raspberry Pi, so dass Sie ein Paar PC-Lautsprecher oder Ihre Stereoanlage nutzen können, um der Musik zu lauschen.

Raspberry-Pi-Supercomputer (http://bit.ly/1riOHN7)

Viele Supercomputer sind aus Clustern mit Standard-PCs aufgebaut, die miteinander verknüpft sind. Die Rechen-Jobs werden unter allen Prozessoren aufgeteilt. Eine Gruppe Informatiker an der University of Southampton hat 64 Raspberry Pis miteinander verbunden, um einen günstigen Supercomputer aufzubauen. Seine Leistung reicht natürlich nicht annähernd an die heutiger Top-Supercomputer heran, aber er zeigt die Prinzipien bei der Entwicklung solcher Systeme. Das Tüpfelchen auf dem i ist, dass das Racksystem für sämtliche Raspberry Pis mit den Legosteinen des sechsjährigen Sohnes des Gruppenleiters gebaut wurde.

Wenn Sie mit Ihrem Raspberry Pi etwas Interessantes tun, lassen Sie es uns wissen. Sie können Ihre Projekte bei der Redaktion von MAKE: einreichen, indem Sie das Formular auf makezine.com (http://blog.makezine.com/contribute/) ausfüllen.

In diesem Buch genutzte Konventionen

Die folgenden typografischen Konventionen werden in diesem Buch verwendet:

Kursiv

Steht für neue Begriffe, URLs, E-Mail-Adressen, Dateinamen und Dateierweiterungen.

Feste Breite

Programmlistings und Programmelemente im Fließtext, zum Beispiel Variablen oder Funktionsnamen, Datenbanken, Datentypen, Umgebungsvariablen, Anweisungen und Schlüsselwörter.

Feste Breite Fettdruck

Befehle oder anderer Text, der genau so vom Anwender eingegeben werden sollte.

Feste Breite kursiv

Text, der vom Anwender durch eigene Werte ersetzt werden sollte.

Danksagungen

Wir möchten uns bei ein paar Leuten bedanken, die uns Wissen, Unterstützung, Rat und Rückmeldung zu Getting Started with Raspberry Pi gaben:

Brian Jepson

Frank Teng

Anna France

Marc de Vinck

Eben Upton

Tom Igoe

Clay Shirky

John Schimmel

Phillip Torrone

Limor Fried

Kevin Townsend

Ali Sajjadi

Andrew Rossi

Kapitel 1. Fahrt aufnehmen

Einige Begriffe tauchen immer wieder auf, wenn sich Leute über den Raspberry Pi unterhalten: klein, günstig, hackbar, für die Ausbildung geeignet. Eines ist er aber nicht: aus dem Stand lauffähig. Es ist nicht besonders schwierig, ihn in einen Fernseher einzustöpseln und etwas angezeigt zu bekommen. Aber der Pi ist kein Consumer-Gerät. Abhängig von Ihren Zielen werden Sie eine Reihe von Entscheidungen zur Peripherie und Software Ihres Raspberry Pi treffen müssen.

Natürlich brauchen Sie als Allererstes den Raspberry Pi selbst. Wahrscheinlich haben Sie jetzt schon einen, aber wenn nicht, hat die Raspberry Pi Foundation Vereinbarungen mit ein paar Herstellern getroffen, bei denen Sie einen Pi direkt zum üblichen Preis im Preissegment von 25 bis 35 Euro kaufen können. Es handelt sich um:

Pi Swag (www.swag.raspberypi.org)

Der Online‐Store der Foundation

Premier Farnell/Element 14 (www.bit.ly/1oTTuVK)

Ein britischer Elektronikhändler mit vielen Vertretungen auf der ganzen Welt (auch in Deutschland)

RS Components (www.rs-components.com/raspberrypi)

Ein weiterer aus Großbritannien stammender Elektronikhändler

Darüber hinaus ist der Raspberry Pi über zahlreiche Elektronik-Versender in Deutschland (z. B. Elektronik-Reichelt, Watterott oder Elektronik Conrad) erhältlich.

Der niedrige Preis des Raspberry Pi ist natürlich ein zentraler Bestandteil der ganzen Geschichte. Es ist ungewöhnlich, dass normale Privatnutzer direkt bei einem Distributor wenige Geräte zu dem gleichen Preis kaufen können wie große Reseller. Einige potenzielle Reseller waren vom Preis in den ersten Ankündigungen verwirrt—sie konnten sich nicht vorstellen, damit noch Gewinn zu machen. Das ist der Grund, warum manche Reseller noch etwas auf die 35 Euro aufschlagen (meist bis 40 Euro). Die Allgemeinheit kann immer noch direkt bei den hier erwähnten Distributoren kaufen, aber die Retailer und Reseller liefern häufig schneller. Sowohl MAKE:'s eigenes Maker Shed (http://www.bit.ly/1sfkHgA ) als auch Adafruit ( http://www.www.bit.ly/1oTTzZF ) sind zwei Firmen, die Raspberry Pis und das Zubehör zu etwas höheren Preisen verkaufen.

Genug Mikroelektronik‐Klatsch—lassen Sie uns das Board des Raspberry Pi endlich genauer anschauen.

Eine Tour über das Board

Es gibt vier verschiedene Versionen des Raspberry-Pi-Boards. Die erste Version ist das Modell B, auf das das einfachere und preiswertere Modell A folgte. 2014 kündigte die Raspberry Pi Foundation eine erhebliche Überarbeitung (und Verbesserung) des Designs des Pi-Boards an: das Modell B+. Dieses Modell B+ wird für die absehbare Zukunft das Standardmodell sein. Die Raspberry Pi Foundation hat außerdem eine Version mit dem Namen Compute Module entwickelt, mit der der Pi in Produkte eingebunden werden kann. In Abbildung 1.1 sehen Sie alle vier Versionen des Boards.

Abbildung 1.1 Die vier Versionen des Raspberry Pi: Modell B+, Modell B, Modell A und Compute Module (im Uhrzeigersinn von oben) — Modell B ist das Standard‐Referenzdesign, Foto von Modell A mit freundlicher Genehmigung von SparkFun. Electronics (CC BY 2.0)