Spannende Projekte mit dem Raspberry Pi®

Andrew Robinson, Mike Cook, Jonathan Evans, Sean Mc Manus

• Verlag: MITP Verlag
• Jahr: 2014
• ISBN drucken:
  9783826696992
• eBook-ISBN:
  9783826699108
• Thema: Informatik
• Thema: Hardware

Ansteuerung von LED-Lichterketten über Musik, Hausautomation mit Webcam und E-Mail-Alarm Twitter- und Facebook-Anbindung, Hightech-Vogelhäuschen, Zusammenarbeit von Arduino und Raspberry Pi Python-Grundlagen anhand mehrerer Software-Projekte Sie haben mit Ihrem Raspberry Pi schon die ersten Schritte unternommen und stellen sich nun die Frage – und jetzt? Genau hier setzt dieses Buch an. Sie finden zahlreiche inspirierende Projekte für den Raspberry Pi, die Sie direkt umsetzen könnenDie Autoren stellen 16 interessante und zunehmend anspruchsvollere Projekte vor, mit denen Sie Ihre Kenntnisse erweitern können. Dazu gehören unter anderem: Erstellen einfacher Programme mit Python, z.B. das Spiel Tic-Tac-Toe Nachprogrammierung von Spieleklassikern wie Pong und Pac Man Minecraft Maze Maker, ein Python-Programm, das Minecraft-Labyrinthe erzeugt Anschluss von Schnittstellen-Hardware und Bau eines Reaktionstesters Ein softwaregesteuertes Spielzeug, das auf Twitter zugreift und Tweets vorliest Disco-Beleuchtung: Ansteuerung von LED-Lichterketten im Takt der Musik Aufbau eines vernetzten Überwachungssystems mit Türkontaktschalter, Bewegungsmelder, Webcam und E-Mail-Alarm Computergesteuerte Projekte wie Modellrennbahn und Türschloss Ein Bilder zeichnender Drehgeber als Zaubertafel mit Facebook-Anbindung Elektronischer Harmonograph: eine Maschine zum Zeichnen komplizierter Muster, ein Arduino hilft beim Sammeln von Daten in Echtzeit Hightech-Vogelhäuschen mit Lichtschranke zum Aufzeichnen und Auswerten von Bewegungsdaten Das Buch zeigt Ihnen, wie Sie den Raspberry Pi programmieren und coole automatisierte, interaktive Technikspielereien basteln. Am Ende aller Kapitel finden Sie Vorschläge zum Ausbau der Projekte.Es werden keine Kenntnisse vorausgesetzt. Für Neulinge wird am Anfang kurz erläutert, wie Sie den Raspberry Pi zum Laufen bekommen. Python-Einsteiger finden eine Einführung in die Programmierung mit Python.

Kapitel 1: Den Raspberry Pi zum Laufen bringen

von Dr. Andrew Robinson

Dieses Kapitel behandelt folgende Themen

• Die Aufgaben des Betriebssystems
• Installation des Betriebssystems auf einer SD-Karte
• Anschließen des Raspberry Pi
• Der Startvorgang
• Fehlerbehebung: Falls Ihr Raspberry Pi nicht startet

Dieses Kapitel ist ein Leitfaden für Einsteiger, der Sie durch die ersten Schritte bei der Einrichtung eines Raspberry Pi führt. Es beginnt mit dem Auspacken des Geräts und endet mit der gewünschten Anzeige auf dem Bildschirm. Auch wenn Sie Ihren Raspberry Pi bereits erfolgreich eingerichtet haben, sollten Sie das Kapitel zumindest überfliegen, denn Sie erfahren hier nicht nur, wie ein 21-jähriger Student die Welt verändert hat, sondern lernen auch die Funktionsweise des Betriebssystems Ihres Raspberry Pi kennen. Nach diesem Kapitel geht der Spaß beim Erstellen neuer Projekte erst richtig los!

1.1 Das Betriebssystem

Der Raspberry Pi verwendet als Betriebssystem weder Microsoft Windows noch Apples OS X, sondern Linux. Das Betriebssystem​ ist ein Programm, das es dem Benutzer erleichtert, die zugrunde liegende Hardware zu verwenden. Obwohl der Prozessor (der Chip in der Mitte des Raspberry Pi) eigentlich immer nur eine einzige Aufgabe erledigen kann, erweckt das Betriebssystem den Eindruck, dass viele Dinge gleichzeitig geschehen, indem es blitzschnell zwischen den verschiedenen Aufgaben hin- und herschaltet. Darüber hinaus steuert das Betriebssystem die Hardware und sorgt dafür, dass der Raspberry Pi mit dem Netzwerk oder einer SD-Karte kommunizieren kann.

Linux

Einen Teil seines Erfolges verdankt der Raspberry Pi der begeisterten Nutzergemeinschaft, die ihn unterstützt. Linux​ ist ein Beleg dafür, was sich durch die weltweite Unterstützung Freiwilliger erreichen lässt.

Im Jahre 1991 begann Linus Torvalds​ als 21-jähriger Student an der Universität Helsinki einfach nur aus Spaß an der Freude mit der Arbeit an einem Betriebssystem. Ein Jahr später war sein Hobby-Betriebssystem für 80386-PCs unter der Bezeichnung Linux online verfügbar. Dadurch war es Freiwilligen weltweit möglich, Beiträge zur Weiterentwicklung zu leisten, Bugs zu finden und zu beseitigen und die Arbeit anderer Freiwilliger wiederzuverwenden oder an eigene Projekte anzupassen. Wenn Sie die Projekte dieses Buches nachvollzogen und Ihre Computerkenntnisse erweitert haben, warum sollte dann nicht eines Ihrer Projekte zu einem ähnlichen Erfolg werden wie dasjenige von Linus Torvalds?

Linux erfreute sich zunehmender Beliebtheit, und neben der Anwendung als normales PC-Betriebssystem wird es heute auch bei einem Großteil der Webserver, für Android-Geräte und in den meisten Supercomputern eingesetzt. Für Sie ist es an dieser Stelle von Bedeutung, dass es auch auf dem Raspberry Pi Anwendung findet.

Linux-Distributionen

Da Linux​ öffentlich verfügbar ist, haben verschiedene Unternehmen und Einrichtungen gewisse Änderungen daran vorgenommen und geben diese modifizierten Versionen ihrerseits weiter. Das hat zu einer Reihe unterschiedlicher Linux-Distributionen wie Red Hat, Fedora, Debian, Arch, Ubuntu und openSUSE geführt. Einige Unternehmen verkaufen ihre Versionen und/oder bieten kostenpflichtigen Support dafür an, während andere Distributionen völlig kostenlos zu haben sind. Raspbian​ beruht auf einer Debian-Distribution mit einigen speziellen Anpassungen für den Raspberry Pi und ist Gegenstand dieses Buches.

Linux ist das auf dem Raspberry Pi am häufigsten eingesetzte Betriebssystem. Der weitreichende Einsatz von Linux (denken Sie nur an die mehr als 2 Millionen Raspberry Pis, Android-Telefone und Webserver) zeigt in beeindruckender Weise, was aus einer wirklich guten Idee werden kann. Wer weiß, ob Ihnen bei der Beschäftigung mit dem Raspberry Pi nicht eine ähnlich gute Idee kommt, deren Auswirkungen diejenigen der Ideen von Linus Torvalds oder der Raspberry Pi Foundation erreichen oder sogar übertreffen? Also nichts wie ran!

1.1.1 Das Betriebssystem auf eine SD-Karte schreiben

Ohne Betriebssystem weiß der Raspberry Pi überhaupt nichts mit seiner Hardware anzufangen. Nach dem Einschalten sucht er daher auf einer eingesteckten SD-Karte nach einem Betriebssystem. Sie müssen Ihrem Raspberry Pi also eine SD-Karte mit Betriebssystem bereitstellen.

Sie können entweder eine SD-Karte​ erwerben, auf der bereits ein Betriebssystem installiert ist, oder mit Ihrem Rechner ein Betriebssystem auf Ihre eigene SD-Karte schreiben. Diese vorbereiteten SD-Karten sind zwar besonders einfach einsetzbar, aber meist auch etwas teurer als normale SD-Karten. Eine solche SD-Karte selbst zu erstellen ist nicht weiter schwierig und erfordert nur minimal mehr Aufwand als ein reiner Kopiervorgang.

Vorbereitete SD-Karten

Startfähige SD-Karten sind Bestandteil von Einsteiger-Kits oder separat bei Elektronikhändlern wie Reichelt, Conrad oder Völkner erhältlich. Für den Anfang ist eine für rund 5 Euro erhältliche 4-GB-Karte ausreichend, aber sparen Sie nicht an der falschen Stelle. 8-GB-Karten sind auch schon für weniger als 10 Euro erhältlich.

Dateisysteme

Massenspeicher für Computer wie SD-Karten, USB-Sticks oder SSD-Festplatten bestehen im Wesentlichen aus Millionen einzelner Speichersegmente, in denen kleinere Datenmengen in einer Art Gitter abgelegt werden. Die einzelnen Speicherelemente, die man als Blöcke​​ bezeichnet, werden mittels eines Koordinatensystems angesprochen. Stellen Sie sich ein Blatt kariertes Papier in der Größe eines Fußballfelds vor, das in verschiedene Bereiche (die einzelnen Speicherblöcke) aufgeteilt ist. Das Betriebssystem verwendet diese Blöcke, um ein Dateisystem​ bereitzustellen. Es kümmert sich darum, wie die Daten in diesem riesigen Speicher abgelegt werden. Wenn der Benutzer einen Dateinamen eingibt, sorgt das Betriebssystem dafür, dass alle Datenblöcke dieser Datei in der richtigen Reihenfolge eingelesen und zusammengesetzt werden. Da es verschiedene Möglichkeiten gibt, diese Speicherblöcke zu organisieren, speichern unterschiedliche Dateisysteme ein und dieselbe Datei daher auch in jeweils eigenen Formaten ab.

Normalerweise verwendet Microsoft Windows das Dateisystem FAT​ (File Allocation Table, Dateibelegungstabelle) oder NTFS​ (New Technology File System, Dateisystem neuer Technologie), OS X nutzt HFS+​ (Hierarchical File System Plus, Hierarchisches Dateisystem Plus) und Linux setzt ext​ (Extended File System, Erweitertes Dateisystem) ein. Die meisten leeren SD-Karten sind ab Werk mit dem Dateisystem FAT formatiert. Da auf dem Raspberry Pi Linux läuft, wird als Dateisystem ebenfalls ext verwendet, das dementsprechend eingerichtet und mit Dateien befüllt werden muss.

Images

Beim Herunterladen des Betriebssystems für den Raspberry Pi ist oft von einem Image​ die Rede, was eine etwas irreführende Bezeichnung ist. Gemeint ist ein Abbild des zugrunde liegenden Speichermediums. (Stellen Sie sich statt der ganzen einzelnen Dateien eine Luftaufnahme des gesamten Fußballfelds vor, auf der sogar die leeren Speicherblöcke sichtbar sind! Wenn Sie die auf der Luftaufnahme erkennbaren Speicherblöcke auf einem anderen Fußballplatz exakt nachstellen, ergibt sich damit eine exakte Kopie sämtlicher Dateien des Originals.)

Nun lässt sich ein solches Image (zum Herunterladen) leicht als eine einzelne Datei innerhalb eines anderen Dateisystems speichern, die in dieser Form aber nicht zum Ausführen auf dem Raspberry Pi geeignet ist. Wenn Sie einfach nur eine Imagedatei auf eine FAT-formatierte SD-Karte kopieren, wird der Raspberry Pi nicht funktionieren. Sie müssen vielmehr Ihr Betriebssystem anweisen, die Daten blockweise auf die SD-Karte zu übertragen, damit die einzelnen Blöcke Ihrer Karte genau den Blöcken auf der Karte des Originals entsprechen. Auf diese Weise »sieht« Linux auf der Karte ein Dateisystem, das exakt mit dem Dateisystem auf der Karte des Originals übereinstimmt.

Kurz: Images bieten eine einfache Möglichkeit, ein vollständiges Dateisystem, inklusive aller Dateien, Zugriffsrechte, Eigenschaften und so weiter, zu klonen.

Vorbereiten einer SD-Karte

Es gibt zwei Methoden, um eine startfähige SD-Karte für den Raspberry Pi einzurichten: Verwenden Sie NOOBS oder übertragen Sie selbst ein Image auf die Karte.

NOOBS verwenden

NOOBS​ steht für New Out Of Box Software (etwa: Neue Software, die sofort einsatzbereit ist; außerdem ein Wortspiel mit dem englischen noobs, was »Anfänger« oder »Neulinge« bedeutet) und dient zur Automatisierung des Übertragens von SD-Kartenimages für den Raspberry Pi. NOOBS startet Ihren Raspberry Pi von einer FAT-formatierten SD-Karte, partitioniert sie neu und klont ein startfähiges Dateisystem darauf. Mehr als das Herunterladen (http://www.raspberrypi.org/downloads) und Entpacken von NOOBS sowie das Formatieren einer SD-Karte auf Ihrem Desktop-PC ist hierfür nicht erforderlich. Einige Betriebssysteme formatieren die Karten allerdings nicht ganz korrekt, daher kann es nötig sein, ein weiteres Programm zur Formatierung der Karte herunterzuladen. NOOBS ist wirklich einfach, funktioniert jedoch nicht in allen Fällen und ist unter manchen Umständen langsamer. Wie dem auch sei, die nachstehend beschriebene selbst gemachte Lösung ist ohnehin zufriedenstellender.

Image übertragen​

Sie benötigen eine SD-Karte mit mehr als 2 GB Speicherplatz. Eine 4-GB-Karte ist also best...

Inhaltsverzeichnis

• Spannende Projekte mit dem Raspberry Pi®
• Impressum
• Widmung
• Über die Autoren
• Einleitung
• Teil I: Erste Schritte mit dem Raspberry Pi
• Kapitel 1: Den Raspberry Pi zum Laufen bringen
• Kapitel 2: Ein erstes Programm: Der Beschimpfungsgenerator
• Teil II: Software-Projekte
• Kapitel 3: Tic-Tac-Toe
• Kapitel 4: Hier sind die Nachrichten
• Kapitel 5: Ping
• Kapitel 6: Pie-Man: Ein Pac-Man-Klon
• Kapitel 7: Minecraft Maze Maker
• Teil III: Hardware-Projekte
• Kapitel 8: Schnappen
• Kapitel 9: Reaktionstest
• Kapitel 10: Gezwitscher
• Kapitel 11: Disco-Beleuchtung
• Kapitel 12: Türschloss
• Kapitel 13: Hausautomation
• Kapitel 14: Computergesteuertes Modellbahnrennen
• Kapitel 15: Drehgeber mit Facebook-Anbindung
• Kapitel 16: Das Pi-Pendel – ein Harmonograph
• Kapitel 17: Das Hightech-Vogelhäuschen – Beobachtung der Tierwelt