Raspberry Pi Kochbuch LÖSUNGEN FÜR ALLE SOFTWARE- UND HARDWARE-PROBLEME. Simon Monk Übersetzung von Peter Klicman

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1 Raspberry Pi Kochbuch LÖSUNGEN FÜR ALLE SOFTWARE- UND HARDWARE-PROBLEME Simon Monk Übersetzung von Peter Klicman

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3 Raspberry Pi Kochbuch Simon Monk Deutsche Übersetzung von Peter Klicman Beijing Cambridge Farnham Köln Sebastopol Tokyo

4 Die Informationen in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Autoren und Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für eventuell verbliebene Fehler und deren Folgen. Alle Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt und sind möglicherweise eingetragene Warenzeichen. Der Verlag richtet sich im Wesentlichen nach den Schreibweisen der Hersteller. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten einschließlich der Vervielfältigung, Übersetzung, Mikroverfilmung sowie Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Kommentare und Fragen können Sie gerne an uns richten: O Reilly Verlag Balthasarstr Köln Tel.: 0221/ Fax: 0221/ kommentar@oreilly.de Copyright der deutschen Ausgabe: 2014 by O Reilly Verlag GmbH & Co. KG 1. Auflage 2014 Die Originalausgabe erschien 2013 unter dem Titel Raspberry Pi Cookbook bei O Reilly Media, Inc. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Lektorat: Volker Bombien, Köln Übersetzung: Peter Klicman, Köln Korrektorat: Tanja Feder, Bonn Umschlaggestaltung: Karen Montgomery, Boston & Michael Oreal, Köln Produktion: Karin Driesen, Köln Satz: Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld, Belichtung, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Druckerei Kösel, Krugzell; ISBN Dieses Buch ist auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.

5 Inhalt Vorwort.... IX 1 Setup und Betrieb Einführung Ein Raspberry Pi-Modell wählen Ein Gehäuse für den Raspberry Pi Wahl eines Netzteils Eine Betriebssystem-Distribution wählen Eine SD-Karte mit NOOBS beschreiben Eine SD-Karte manuell beschreiben (Mac) Eine SD-Karte manuell beschreiben (Windows) Eine SD-Karte manuell beschreiben (Linux) Das System anschließen Einen DVI- oder VGA-Monitor anschließen Einen Composite-Monitor oder Fernseher verwenden Den gesamten Speicher der SD-Karte nutzen Die Bildgröße auf Ihrem Monitor anpassen Die Leistung maximieren Das Passwort ändern Den Pi direkt in ein Windowing-System booten Den Raspberry Pi herunterfahren Das Raspberry Pi-Kameramodul installieren Vernetzung Einführung Kabelgebundener Anschluss an ein Netzwerk Die IP-Adresse ermitteln III

6 2.3 Eine statische IP-Adresse einstellen Den Netzwerknamen eines Raspberry Pi einstellen Eine WLAN-Verbindung einrichten Anschluss per Konsolenkabel Den Pi entfernt über SSH steuern Den Pi entfernt per VNC steuern Filesharing in einem Mac-Netzwerk Den Pi-Screen auf dem Mac nutzen Einen Raspberry Pi als NAS (Network Attached Storage) nutzen Im Netzwerk drucken Betriebssystem Einführung Dateien grafisch verschieben Eine Terminal-Session starten In einem Terminal durch das Dateisystem navigieren Dateien oder Ordner kopieren Dateien oder Ordner umbenennen Eine Datei editieren Den Inhalt einer Datei ansehen Eine Datei ohne Editor erzeugen Ein Verzeichnis anlegen Dateien oder Verzeichnisse löschen Befehle mit Superuser-Rechten ausführen Dateizugriffsrechte verstehen Dateizugriffsrechte ändern Den Eigentümer einer Datei ändern Einen Screenshot erzeugen Software installieren mit apt-get Installierte Software mit apt-get löschen Dateien über die Kommandozeile herunterladen Quellcode mit git herunterladen Ein Programm oder Skript beim Booten automatisch ausführen Ein Programm oder Skript in regelmäßigen Intervallen automatisch ausführen Das Verzeichnissystem durchsuchen Die Kommandozeilen-History nutzen Die Prozessoraktivität überwachen Mit Archivdateien arbeiten IV Inhalt

7 3.26 Angeschlossene USB-Geräte auflisten Ausgaben der Befehlszeile in eine Datei umleiten Dateien verketten Pipes nutzen Die Ausgabe im Terminal unterbinden Programme im Hintergrund ausführen Befehls-Aliase anlegen Datum und Uhrzeit setzen Freien Speicherplatz auf der SD-Karte ermitteln Software Einführung Ein Media Center einrichten Office-Software installieren Andere Browser installieren Den Pi Store nutzen Einen Webcam-Server einrichten Einen Emulator für klassische Spielekonsolen ausführen Minecraft ausführen Open Arena ausführen Raspberry Pi-Radiosender GIMP ausführen Internetradio Python-Grundlagen Einführung Zwischen Python 2 und Python 3 wählen Python-Programme mit IDLE editieren Die Python-Konsole nutzen Python-Programme über das Terminal ausführen Variablen Werte ausgeben Benutzereingaben einlesen Arithmetik Strings erzeugen Strings verketten (verbinden) Zahlen in Strings umwandeln Strings in Zahlen umwandeln Die Länge eine Strings bestimmen Inhalt V

8 5.14 Die Position eines Strings in einem anderen String suchen Einen Teilstring extrahieren Einen Teilstring durch einen anderen ersetzen Einen String in Groß- oder Kleinbuchstaben umwandeln Befehle bedingt ausführen Werte vergleichen Logische Operatoren Anweisungen genau x Mal ausführen Befehle wiederholen, bis sich eine Bedingung ändert Aus einer Schleife ausbrechen Eine Funktion in Python definieren Python-Listen und -Dictionaries Einführung Eine Liste erzeugen Auf Elemente einer Liste zugreifen Die Länge einer Liste ermitteln Elemente zu einer Liste hinzufügen Elemente aus einer Liste entfernen Eine Liste durch Parsing eines Strings erzeugen Iteration über eine Liste Eine Liste durchzählen Eine Liste sortieren Eine Liste zerlegen Eine Funktion auf eine Liste anwenden Ein Dictionary anlegen Auf ein Dictionary zugreifen Elemente aus einem Dictionary entfernen Iteration über Dictionaries Python für Fortgeschrittene Einführung Zahlen formatieren Datum & Uhrzeit formatieren Mehrere Werte zurückliefern Eine Klasse definieren Eine Methode definieren Vererbung In eine Datei schreiben VI Inhalt

9 7.8 Aus einer Datei lesen Pickling Ausnahmebehandlung Module nutzen Zufallszahlen Web-Anfragen aus Python versenden Kommandozeilen-Argumente in Python aus Python versenden Einen einfachen Webserver in Python entwickeln GPIO-Grundlagen Einführung Den GPIO-Anschluss verstehen Den Raspberry Pi bei der Arbeit mit dem GPIO-Anschluss schützen RPi.GPIO installieren I2C einrichten Die I2C-Tools nutzen SPI einrichten Den seriellen Port freigeben PySerial installieren, um aus Python heraus auf den seriellen Port zugreifen zu können Minicom zum Testen des seriellen Ports installieren Ein Steckbrett und Drahtbrücken nutzen Ein Steckbrett mit einem Pi-Cobbler nutzen V-Signale mit zwei Widerständen in 3,3V umwandeln V-Signale mit einem Pegelwandler-Modul in 3,3V umwandeln Den Raspberry Pi mit Batterien betreiben Einen Raspberry Pi mit einem LiPo-Akku betreiben Erste Schritte mit einem PiFace Digital Interface Board Erste Schritte mit dem Gertboard Erste Schritte mit dem RaspiRobot-Board Erste Schritte mit dem Humble Pi Prototyping-Board Erste Schritte mit einem Pi Plate Prototyping-Board Ein Paddle Board nutzen Hardware steuern Einführung Eine LED anschließen Die Helligkeit einer LED steuern Inhalt VII

10 9.3 Einen Summton erzeugen Hochleistungs-Gleichstromgeräte mit einem Transistor schalten Ein Hochspannungsgerät mit einem Relais schalten Ein Hochspannungs-Wechselstromgerät steuern Eine Benutzerschnittstelle, um Komponenten ein- und auszuschalten Eine Benutzerschnittstelle für die PWM-Steuerung von LEDs und Motoren Die Farbe einer RGB-LED ändern Mit vielen LEDs arbeiten (Charlieplexing) Ein Analoginstrument als Anzeige nutzen Mit Interrupts programmieren GPIO-Ausgänge über eine Web-Schnittstelle steuern Motoren Einführung Servomotoren steuern Eine große Anzahl von Servomotoren steuern Die Geschwindigkeit eines Gleichstrommotors steuern Die Drehrichtung eines Gleichstrommotors steuern Einen unipolaren Schrittmotor nutzen Einen bipolaren Schrittmotor nutzen Ein RaspiRobot-Board zur Steuerung eines bipolaren Schrittmotors nutzen Einen einfachen Robot-Rover bauen Digitale Eingänge Einführung Einen Taster anschließen Etwas per Taster umschalten Einen Wipp- oder Schiebeschalter nutzen Einen Drei-Wege-Schalter nutzen Eine Taste entprellen Einen externen Pull-Up-Widerstand nutzen Einen Drehgeber nutzen Eine Matrixtastatur nutzen Bewegungen erkennen Den Raspberry Pi um GPS erweitern Tastendruck abfangen VIII Inhalt

11 11.12 Bewegungen der Maus abfangen Eine Echtzeituhr nutzen Sensoren Einführung Ohmsche Widerstände nutzen Licht messen Methan erkennen Eine Spannung messen Spannungen zu Messzwecken reduzieren Ohmsche Sensoren mit in A/D-Wandler nutzen Temperatur mit einem A/D-Wandler messen Beschleunigung messen Die Temperatur mit einem digitalen Sensor messen Entfernungen messen Sensorwerte ausgeben Daten auf einem USB-Laufwerk speichern Displays Einführung Ein vierstelliges LED-Display nutzen Nachrichten auf einer I2C-LED-Matrix ausgeben Pi-Lite nutzen Nachrichten auf einem alphanumerischen LC-Display ausgeben Arduino und Raspberry Pi Einführung Einen Arduino per Raspberry Pi programmieren Mit dem Arduino über den seriellen Monitor kommunizieren PyFirmata einrichten und einen Arduino von einem Raspberry Pi steuern Digitale Ausgänge des Arduino vom Raspberry Pi steuern PyFirmata mit der seriellen Schnittstelle (TTL-Pegel) nutzen Digitale Eingänge des Arduino mit PyFirmata einlesen Analoge Eingänge des Arduino mit PyFirmata einlesen Analoge Ausgänge (PWM) mit PyFirmata nutzen Einen Servo mit PyFirmata steuern Maßgeschneiderte serielle Kommunikation mit dem Arduino Maßgeschneiderte Kommunikation mit dem Arduino über I2C Kleine Arduinos mit dem Raspberry Pi nutzen Inhalt IX

12 14.13 Erste Schritte mit dem alamode-board und einem Raspberry Pi Ein Arduino-Shield mit einem alamode-board und einem Raspberry Pi nutzen Ein Gertboard als Arduino-Interface nutzen Anhang: Teile und Lieferanten Index X Inhalt

13 Vorwort Seit seiner Einführung im Jahre 2011 hat sich der Raspberry Pi gleichermaßen als sehr günstiger, Linux-basierter Computer sowie als Plattform für das Embedded-Computing etabliert. Er ist im Ausbildungsbereich ebenso beliebt wie bei Bastlern und hat sich bereits über 2 Millionen mal verkauft. In diesem Buch finden Sie eine Vielzahl von Rezepten für den Raspberry Pi. Diese reichen vom Einstieg und der Einrichtung Ihres Pi, über die Nutzung der Programmiersprache Python bis hin zu einer Reihe von Rezepten, die die Verwendung von Sensoren, Displays, Motoren und ähnlichen Komponenten beschreiben. Das Buch enthält darüber hinaus ein Kapitel, in dem die Nutzung von Arduino-Boards mit dem Raspberry Pi erläutert wird. Sie können dieses Buch (wie jedes andere Buch auch) von vorne bis hinten durchlesen. Alternativ können Sie aber auch im Inhaltsverzeichnis oder im Index nach einem bestimmten Rezept suchen und sich diesem direkt widmen. Wenn Sie bei einem Rezept zusätzliche Dinge wissen müssen, finden Sie Verweise auf weiterführende Rezepte, genau wie bei einem normalen Kochbuch, in dem das Zubereiten einfacher Saucen beschrieben wird, die dann für aufwändigere Gerichte erforderlich sind. Die Welt des Raspberry Pi dreht sich sehr schnell. In der sehr großen und aktiven Community werden ständig neue Interface-Boards und Software-Bibliotheken entwickelt. Neben vielen Beispielen, bei denen konkrete Interface-Boards genutzt werden oder spezielle Software zum Einsatz kommt, werden in diesem Buch auch Grundlagen erläutert, damit Sie besser verstehen, wie Sie neue Techniken nutzen können, wenn sich das Raspberry Pi-Ökosystem weiterentwickelt. Wie Sie es wohl erwarten, enthält das Buch sehr viel Programmcode (meist in Form von Python-Programmen). Diese Programme sind alle Open Source und auf GitHub verfügbar. Einen entsprechenden Link finden Sie auf der Raspberry Pi Cookbook-Website ( Für die meisten softwarebasierten Rezepte benötigen Sie nur einen Raspberry Pi. Ich empfehle das Raspberry Pi Modell B. Bei Rezepten, in denen zusätzliche Hardware mit dem Raspberry Pi gekoppelt wird, habe ich versucht, bereits vorhandene Module zu nutzen und mit Steckbrettern und Drahtbrücken zu arbeiten, um Lötarbeiten zu vermeiden. XI

14 Wer steckbrettbasierte Projekte dauerhaft nutzen will, dem empfehle ich Prototyping- Boards mit dem Layout von kleinen Steckbrettern, wie Sie z.b. von Adafruit vertrieben werden. Auf diese Weise können Sie den Entwurf recht einfach in eine fest verlötete Lösung überführen. Verwendete Konventionen In diesem Buch werden die folgenden typografischen Konventionen verwendet: Kursivschrift wird für neue Begriffe, URLs, -Adressen, Dateinamen und Dateierweiterungen verwendet. Nichtproportionalschrift wird für Programmlistings verwendet. Im normalen Fließtext werden damit Programmelemente wie Variablen- oder Funktionsnamen, Datenbanken, Datentypen, Umgebungsvariablen, Anweisungen und Schlüsselwörter hervorgehoben. Nichtproportionalschrift fett wird für Befehle oder andere Eingaben verwendet, die Sie wortwörtlich eingeben müssen. Nichtproportionalschrift kursiv wird für Text verwendet, der durch benutzereigene oder durch den Kontext bestimmte Werte ersetzt wird. Mit diesem Symbol wird ein Tipp, ein Vorschlag oder ein allgemeiner Hinweis angezeigt. Hiermit wird eine Warnung angezeigt. Mit diesem Symbol wird auf ein Video zum betreffenden Abschnitt verwiesen. Codebeispiele Ergänzendes Material (Codebeispiele, Übungen etc.) steht unter zum Download bereit. Dieses Buch soll Ihnen bei der Arbeit helfen. Den Code, den wir hier zeigen, dürfen Sie generell in Ihren Programmen und Dokumentationen verwenden. Sie müssen uns nicht um Genehmigung bitten, sofern Sie nicht große Teile des Codes reproduzieren. Wenn Sie XII Vorwort

15 zum Beispiel ein Programm schreiben, in dem mehrere Codeabschnitte aus diesem Buch genutzt werden, benötigen Sie dazu nicht unser Einverständnis. Falls Sie allerdings eine CD-ROM mit Codebeispielen aus O Reilly-Büchern verkaufen oder verteilen möchten, müssen Sie sehr wohl eine entsprechende Erlaubnis einholen. Wenn Sie eine Frage mit einem Zitat aus diesem Buch und seinen Codebeispielen beantworten möchten, ist dazu keine Erlaubnis erforderlich, aber es ist nicht ohne Weiteres gestattet, große Teile unseres Textes oder Codes in eine eigene Produktdokumentation aufzunehmen. Wir freuen uns über eine Quellenangabe, verlangen sie aber nicht unbedingt. Zu einer Quellenangabe gehören normalerweise der Titel, der Autor, der Verlag und die ISBN. Zum Beispiel:»Raspberry Pi Kochbuch von Simon Monk (O Reilly). Copyright 2014 Simon Monk, «Wenn Sie das Gefühl haben, dass Ihr Einsatz unserer Codebeispiele über die Grenzen des Erlaubten hinausgeht, schreiben Sie uns bitte eine an permissions@oreilly.com. Danksagungen Wie immer danke ich Linda für ihre Geduld und Unterstützung. Ich danke auch den technischen Korrektoren Duncan Amos, Chaim Krause und Steve Suehring. Ihre Kommentare waren sehr hilfreich. Rachel Roumeliotis hat als Lektorin dieses Projekts einen großartigen Job gemacht. Durch ihren pragmatischen Ansatz wird die Arbeit sehr erleichtert und es entstehen interessante Projekte. Danke auch an das gesamte O Reilly-Team, insbesondere für die Gastfreundlichkeit bei meinem Besuch im Büro in Cambridge. Und natürlich auch einen Dank an Nan Reinhardt für ihre Korrekturen. Vorwort XIII