Sensoren messen und experimentieren mit Arduino und Raspberry Pi

Transkript

1 Sensoren messen und experimentieren mit Arduino und Raspberry Pi

2 Tero Karvinen lehrt Linux und Embedded-Systeme in Haaga Helia University of Applied Sciences, wo seine Arbeit auch Lehrplanentwicklung und Forschung im Bereich der drahtlosen Vernetzung umfasst. Kimmo Karvinen arbeitet als CEO in einem führenden Unternehmen in der AV- Automatisierung in Finnland. Davor war er u.a. CTO bei einem Hardwarehersteller, der sich auf intelligente Gebäudetechnik spezialisiert hatte. Ville Valtokari arbeitet als Chefprogrammierer bei einem Hersteller von Automatisierungs-Hardware. Zuvor gestaltete und programmierte er modernste AV-Systeme. Zu diesem Buch sowie zu vielen weiteren dpunkt.büchern können Sie auch das entsprechende E-Book im PDF-Format herunterladen. Werden Sie dazu einfach Mitglied bei dpunkt.plus + :

3 Tero Karvinen Kimmo Karvinen Ville Valtokari Sensoren messen und experimentieren mit Arduino und Raspberry Pi

4 Tero Karvinen Kimmo Karvinen Ville Valtokari Lektorat: Dr. Michael Barabas Copy-Editing: Ursula Zimpfer, Herrenberg Herstellung: Frank Heidt Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, Umschlagfoto: Kimmo Karvinen Fotografien: Kimmo Karvinen Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Auflage 2015 Copyright 2015 dpunkt.verlag GmbH Wieblinger Weg Heidelberg 2015 dpunkt.verlag GmbH Authorized German translation of the English edition of Make: Sensors, ISBN/EAN: Tero Karvinen, Kimmo Karvinen, Ville Valtokari, published by Maker Media, Inc. This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to sell the same. Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. Die Verwendung der Texte und Abbildungen, auch auszugsweise, ist ohne die schriftliche Zustimmung des Verlags urheberrechtswidrig und daher strafbar. Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigung, Übersetzung oder die Verwendung in elektronischen Systemen. Make:, Maker Shed und Maker Fair sind eingetragene Warenzeichen der Maker Media, Inc. Das Maker-Media-Logo ist ein Warenzeichen der Maker Media, Inc. Es wird darauf hingewiesen, dass die im Buch verwendeten Soft- und Hardware-Bezeichnungen sowie Markennamen und Produktbezeichnungen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen warenzeichen-, marken- oder patentrechtlichem Schutz unterliegen. Alle Angaben und Programme in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt kontrolliert. Weder Autor noch Verlag können jedoch für Schäden haftbar gemacht werden, die in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen

5 v Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 1 Raspberry Pi Raspberry Pi: Von null zum ersten Start NOOBS*.zip entpacken Kabel anschließen Raspbian hochfahren und installieren Fehlersuche bei der Raspberry Pi-Installation Willkommen bei Linux Die allgegenwärtige Kommandozeile Schauen Sie sich um Textdateien für die Konfiguration sudo mach mir ein Butterbrot! Elektronische Bauteile an die Pins des Raspberry Pi anschließen Hallo GPIO, lass eine LED blinken Die Schaltung aufbauen Zwei Nummerierungssysteme: Zweck und Ort GPIO-Pins über die Kommandozeile steuern Dateien ohne Editor bearbeiten Die LED aufleuchten lassen Fehlerbehebung GPIO-Steuerung ohne Root-Berechtigungen Fehlersuche bei der GPIO-Steuerung GPIO in Python Hello Python Wie geht es weiter?

6 vi Inhaltsverzeichnis 2 Arduino Grundinstallation des Arduino Ubuntu Linux Windows 7 und Windows OS X Hello World Der Aufbau eines Arduino-Programms Einfach und vielseitig dank Shields Entfernung Experiment: Abstände mit Ultraschall messen (Ping) Code und Schaltung für den Ping am Arduino Code und Schaltung für den Ping am Raspberry Pi Ultraschallsensor HC-SR Code und Schaltung für den HC-SR04 am Arduino Code und Schaltung für den HC-SR04 am Raspberry Pi Echoberechnungen Praxisexperiment: Unsichtbare Objekte Experiment: Hindernisse mit Infrarot erkennen (IR-Abstandssensor) Code und Schaltung für den IR-Sensor am Arduino Code und Schaltung für den IR-Sensor am Raspberry Pi Praxisexperiment: Infrarotlicht sichtbar machen Experiment: Bewegungen mit Infrarot verfolgen (IR-Facettenauge) Code und Schaltung für das Facettenauge am Arduino Code und Schaltung für das Facettenauge am Raspberry Pi Bibliothek spidev installieren Alternative Schaltungen für den Raspberry Pi Testprojekt: Haltungswarner (Arduino) Lernziele Piezo-Summer Alarm! Piezo-Summer und IR-Sensor kombinieren Eine elegante Verpackung für das Projekt

7 Inhaltsverzeichnis vii 4 Rauch und Gas Experiment: Rauchmelder (analoger Gassensor) Code und Schaltung für den MQ-2 am Arduino Code und Schaltung für den MQ-2 am Raspberry Pi Praxisexperiment: Rauch steigt nach oben Experiment: Alkotest (Alkoholsensor MQ-303A) Praxisexperiment: Nüchtern bleiben beim Experimentieren Testprojekt: Rauchalarm per senden Lernziele Python für s und Social Media Das Projekt bauen Wie funktioniert ? Kann der Arduino s senden? Nicht ohne Weiteres! Code für den Raspberry Pi Gehäuse Berührung Experiment: Drucktasten Pullup-Widerstand Code und Schaltung am Arduino Code und Schaltung am Raspberry Pi Experiment: Mikroschalter Code und Schaltung für den Mikroschalter am Arduino Code und Schaltung für den Mikroschalter am Raspberry Pi Experiment: Potenziometer (regelbarer Widerstand, Poti) Code und Schaltung für das Potenziometer am Arduino Code und Schaltung für das Potenziometer am Raspberry Pi Experiment: Berührungsfreier Berührungssensor (kapazitiver Berührungssensor QT113) Code und Schaltung für den QT113 am Arduino Code und Schaltung für den QT113 am Raspberry Pi Praxisexperiment: Berührungen durch eine hölzerne Oberfläche hindurch erkennen Experiment: Druck messen (FlexiForce) Code und Schaltung für den FlexiForce am Arduino Code und Schaltung für den FlexiForce am Raspberry Pi. 124

8 viii Inhaltsverzeichnis 5.7 Experiment: Berührungssensor im Eigenbau Code und Schaltung für den kapazitiven Sensor am Arduino Code und Schaltung für den kapazitiven Sensor am Raspberry Pi Testprojekt: Geisterglocke Lernziele Servomotoren Code und Schaltung für die Geisterglocke am Arduino Servo an der Glocke montieren Bewegung Experiment: Wo ist oben? (Tilt-Schalter) Code und Schaltung für den Kippsensor am Arduino Code und Schaltung für den Kippsensor am Raspberry Pi Experiment: Good Vibrations mit Interrupts (digitaler Vibrationssensor) Code und Schaltung für den Vibrationssensor am Arduino Code und Schaltung für den Vibrationssensor am Raspberry Pi Experiment: Am Regler drehen Code und Schaltung für den Drehgeber am Arduino Code und Schaltung für den Drehgeber am Raspberry Pi Experiment: Analoger Zweiachs-Daumen-Joystick Code und Schaltung für den Joystick am Arduino Code und Schaltung für den Joystick am Raspberry Pi Praxisexperiment: Teile eines Xbox-Controllers wiederverwenden Experiment: Alarmanlage (passiver IR-Sensor) Code und Schaltung für die Alarmanlage am Arduino Code und Schaltung für die Alarmanlage am Raspberry Pi Praxisexperiment: Eine Alarmanlage überlisten Testprojekt: Pong Lernziele Tipps für ein ansprechendes Gehäuse Das Spiel beim Hochfahren des Raspberry Pi automatisch starten

9 Inhaltsverzeichnis ix 7 Licht Experiment: Feuer erkennen (Flammensensor) Code und Schaltung für den Flammensensor am Arduino Code und Schaltung für den Flammensensor am Raspberry Pi Praxisexperiment: Genauigkeit bei der Erkennung von Flammen Experiment: Siehst du dieses Licht? (Fotowiderstand, LDR) Code und Schaltung für den Fotowiderstand am Arduino Code und Schaltung für den Fotowiderstand am Raspberry Pi Praxisexperiment: Die Richtung erkennen Experiment: Linien verfolgen Code und Schaltung für den Liniensensor am Arduino Code und Schaltung für den Liniensensor am Raspberry Pi Praxisexperiment: Schwarz ist weiß Experiment: Alle Farben des Regenbogens Code und Schaltung für den Farbsensor am Arduino Code und Schaltung für den Farbsensor am Raspberry Pi Testprojekt: Chamäleonkuppel Lernziele RGB-LEDs Code und Schaltung für RGB-LEDs am Arduino Gleitender Mittelwert Beliebige Farben mit RGB-LEDs erzeugen Eingänge in Ausgänge umwandeln Code für eine Kombination aus RGB-LED und Farbsensor Tipps zum Bau der Kuppel Beschleunigung Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit Experiment: Beschleunigung mit dem MX2125 messen Impulslängen des MX2125 entschlüsseln Code und Schaltung für den Beschleunigungsmesser am Arduino Code und Schaltung für den Beschleunigungsmesser am Raspberry Pi Experiment: Beschleunigungsmesser und Gyroskop Code und Schaltung für den MPU 6050 am Arduino Code und Schaltung für den MPU 6050 am Raspberry Pi 227

10 x Inhaltsverzeichnis Hexadezimale, binäre und andere Zahlen Bitweise Operationen Experiment: Den Wii Nunchuk zweckentfremden (über I2C) Code und Schaltung für den Nunchuk am Arduino Code und Schaltung für den Nunchuk am Raspberry Pi Testprojekt: Steuerung einer Roboterhand mit dem Wii Nunchuk Lernziele Die Mechanik der Roboterhand Identität Tastenfelder Code und Schaltung für das Tastenfeld am Arduino Code und Schaltung für das Tastenfeld am Raspberry Pi Praxisexperiment: Fingerabdrücke erkennen Fingerabdruckscanner GT-511C Code und Schaltung für den Fingerabdrucksensor am Arduino Mega Code und Schaltung für den Fingerabdrucksensor am Raspberry Pi RFID mit dem ELB149C5M Code und Schaltung für das RFID-Lesegerät am Arduino Mega Code und Schaltung für das RFID-Lesegerät am Raspberry Pi Testprojekt: Futuristische Schatztruhe Lernziele Die Funktionsweise der Truhe Die Truhe Code und Schaltung für die futuristische Schatztruhe am Arduino Menschen und Objekte erkennen Elektrizität und Magnetismus Experiment: Spannung und Stromstärke Code und Schaltung für den AttoPilot am Arduino Code und Schaltung für den AttoPilot am Raspberry Pi.. 299

11 Inhaltsverzeichnis xi 10.2 Experiment: Ist es magnetisch? Code und Schaltung für den Hall-Effekt-Sensor am Arduino Code und Schaltung für den Hall-Effekt-Sensor am Raspberry Pi Experiment: Magnetischer Norden mit dem Kompass/ Beschleunigungsmesser LSM303 bestimmen Den Sensor kalibrieren Code und Schaltung für den LSM303 am Arduino Code und Schaltung für den LSM303 am Raspberry Pi Das Protokoll für den LSM Berechnungen für die Kompassrichtung Experiment: Hall-Schalter Code und Schaltung für den Hall-Schalter am Arduino Code und Schaltung für den Hall-Schalter am Raspberry Pi Testprojekt: Webüberwachung von Solarzellen Lernziele Die Solarzellen anschließen Der Raspberry Pi als Webserver Die IP-Adresse ermitteln Eine Homepage auf dem Raspberry Pi einrichten Code und Schaltung für die Solarzellenüberwachung am Raspberry Pi Zeitliche Planung von Aufgaben mit cron Wie geht es weiter? Schall Experiment: Stimmen hören/lautstärke Code und Schaltung für das Mikrofon am Arduino Code und Schaltung für das Mikrofon am Raspberry Pi Praxisexperiment: Eine Stecknadel fallen hören Testprojekt: Töne über HDMI sichtbar machen Lernziele Den seriellen Port des Raspberry Pi aktivieren Code und Schaltung für die Visualisierung am Raspberry Pi Schnelle Fourier-Transformation Wie geht es weiter?

12 xii Inhaltsverzeichnis 12 Wetter und Klima Experiment: Heiß hier drin, oder? Code und Schaltung für den LM35 am Arduino Code und Schaltung für den LM35 am Raspberry Pi Praxisexperiment: Temperaturwechsel Experiment: Wie feucht ist es? Wie feucht ist Ihr Atem? Code und Schaltung für den DHT11 am Arduino Code und Schaltung für den DHT11 am Raspberry Pi Kommunikation vom Raspberry Pi zum Arduino Luftdrucksensor GY Code und Schaltung für den GY-65 am Arduino Arduino-Bibliotheken verwenden Die Arduino-Bibliothek für den GY Code und Schaltung für den GY-65 am Raspberry Pi Experiment: Brauchen Ihre Pflanzen Wasser? (Sensor für Bodenfeuchtigkeit) Code und Schaltung für den Bodenfeuchtigkeitssensor am Arduino Code und Schaltung für den Bodenfeuchtigkeitssensor am Raspberry Pi Testprojekt: Wettervorhersage auf E-Paper Lernziele Code und Schaltung für die Wetterstation am Arduino Praxisexperiment: Schau mal, ganz ohne Stromanschluss! Bilder in Headerdateien speichern Programm zur Umwandlung von BMP-Bildern in C-Dateien Tipps für das Gehäuse A Linux-Befehle für den Raspberry Pi 387 Index 391