Michael Weigend. Raspberry Pi programmieren mit Python

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3 Michael Weigend Raspberry Pi programmieren mit Python

4 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 Telefon: / Telefax: / mitp Verlags GmbH & Co. KG, Frechen Dieses Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Sabine Schulz Sprachkorrektorat: Petra Heubach-Erdmann Coverbild: Michael Weigend Satz: III-satz GbR,

5 Einleitung Begegnung mit Python Was ist Python? Python-Versionen IDLE Die Python-Shell Hotkeys Die Python-Shell als Taschenrechner Operatoren und Terme Zahlen Mathematische Funktionen Hilfe Namen und Zuweisungen Zuweisungen für mehrere Variablen Rechnen mit Variablen in der Shell Syntaxregeln für Bezeichner Neue Namen für Funktionen und andere Objekte Erweiterte Zuweisungen Mit Python-Befehlen Geräte steuern Projekt: Eine LED ein- und ausschalten Das Modul RPI.GPIO Steuern mit Relais Projekt: Eine Taschenlampe an- und ausschalten Aufgaben Lösungen Python-Skripte Ein Skript mit IDLE erstellen Ein neues Projekt starten Programmtext eingeben Das Skript ausführen Shortcuts

6 2.2 Programme ausführen Programm in der Konsole starten Anklicken des Programmicons im File-Manager Interaktive Programme das EVA-Prinzip Format mit Bedeutung Aufbau eines Python-Programmtextes Eingabe die input()-funktion Verarbeitung Umwandeln von Datentypen und Rechnen Ausgabe die print()-funktion Programmverzweigungen Einfache Bedingungen Wie erkennt man eine gute Melone? Zusammengesetzte Bedingungen Einseitige Verzweigungen und Programmblöcke Haben Sie Ihr Idealgewicht? Eine Besonderheit von Python: Wahrheitswerte für Objekte Bedingte Wiederholung die while-anweisung Projekt: Zahlenraten Have a break! Abbruch einer Schleife Projekte mit dem GPIO Blinklicht Schalter Zähler Grundzustände festlegen und Flankensteuerung Projekt: Eine Alarmanlage Aufbau und Arbeitsweise der Alarmanlage Programmierung Aufgaben Lösungen Kollektionen: Mengen, Listen, Tupel und Dictionaries Die Typhierarchie Gemeinsame Operationen für Kollektionen Kollektionen in Bedingungen Projekt: Kundenberatung Projekt: Sichere Kommunikation

7 3.4 Iteration die for-anweisung Verwendung von break Sequenzen Konkatenation und Vervielfältigung Direkter Zugriff auf Elemente Indizierung Slicing Projekt: Lesbare Zufallspasswörter Tupel Zeichenketten (Strings) Strings durch Bytestrings codieren Der Formatierungsoperator % Listen Listen sind Objekte und empfangen Botschaften Klasse, Typ und Instanz Kopie oder Alias? Listenoperationen Projekt: Zufallsnamen Projekt: Telefonliste Listen durch Comprehensions erzeugen Zahlen in einer Folge range()-funktion Projekt: Klopfzeichen Mengen Projekt: Häufigkeit von Buchstaben in einem Text Projekt: Zufallssounds Wie kommen Töne aus dem Raspberry Pi? Sounds mit PyGame Programmierung Dictionaries Operationen für Dictionaries Projekt: Morsen Projekt: Der kürzeste Weg zum Ziel Aufgaben Lösungen Funktionen Aufruf von Funktionen Unterschiedliche Anzahl von Argumenten Positionsargumente und Schlüsselwort-Argumente Für Experten: Funktionen als Argumente

8 4.2 Definition von Funktionen Funktionen in der IDLE-Shell testen Docstrings Veränderliche und unveränderliche Objekte als Parameter Voreingestellte Parameterwerte Beliebige Anzahl von Parametern Die return-anweisung unter der Lupe Mehr Sicherheit! Vorbedingungen testen Namensräume: Global und lokal Rekursive Funktionen die Hohe Schule der Algorithmik Projekt: Rekursive Summe Projekt: Quicksort Experimente zur Rekursion mit der Turtle-Grafik Turtle-Befehle im interaktiven Modus Projekt: Eine rekursive Spirale aus Quadraten Projekt: Pythagorasbaum Projekt: Eine Koch-Schneeflocke Projekt: Der Sierpinski-Teppich Funktionen per Knopfdruck aufrufen: Callback-Funktionen Projekt: Digitaler Türgong Projekt: Verkehrszählungen Zählen mit mehreren Knöpfen Aufgaben Lösungen Fenster für den RPi Grafische Benutzungsoberflächen Wie macht man eine Benutzungsoberfläche? Projekt: Die digitale Lostrommel Die Gestaltung der Widgets Das Layout-Management Bilder auf Widgets Projekt: Ein visueller Zufallsgenerator Bilder verarbeiten Projekt: Schwarzweißmalerei Projekt: Der Krimiautomat Texteingabe Programmierung

9 5.5 Wer die Wahl hat, hat die Qual: Checkbutton und Radiobutton Projekt: Automatische Urlaubsgrüße Projekt: Digitaler Glückskeks Viele Widgets schnell platziert: Das Grid-Layout Projekt: Rechenquiz Projekt: Farbmixer Projekt: Editor mit Pulldown-Menüs Aufbau einer Menüstruktur Programmierung Aufgaben Lösungen Daten finden, laden und speichern Dateien Daten speichern Daten laden Ein Blick hinter die Kulissen: Die SD-Karte Datenstrukturen haltbar machen mit pickle Versuch und Irrtum Mehr Zuverlässigkeit durch try-anweisungen Projekt: Karteikasten Der Editor Der Presenter Benutzungsoberfläche zum Laden und Speichern Dialogboxen Erweiterung des Editors für Karteikarten Erweiterung des Presenters Daten aus dem Internet Projekt: Goethe oder Schiller? Methoden der String-Objekte Programmierung Daten finden mit regulären Ausdrücken Reguläre Ausdrücke Die Funktion findall() Projekt: Staumelder Programmierung Aufgaben Lösungen

10 7 Projekte mit Zeitfunktionen Projekt: Fünf Sekunden stoppen und gewinnen Datum und Zeit im Überblick Projekt: Digitaluhr Woher bekommt der RPi die Zeit? Was ist ein Prozess? Vollbildmodus Event-Verarbeitung Autostart Projekt: Ein digitaler Bilderrahmen Zugriff auf das Dateisystem: Das Modul os Python Imaging Library (PIL) Die Programmierung Projekt: Wahrnehmungstest Die Programmierung Projekt: Stoppuhr mit Gong Aufgaben Lösungen Objektorientierte Programmierung Überall Objekte Klassen und Vererbung bei Python Einführendes Beispiel: Alphabet Qualitätsmerkmal Änderbarkeit Vererbung Pong revisited Bau eines Fußschalters Die Klasse Canvas Die Programmierung Renn, Lola renn! Vorbereitung Struktur des Programms Background Switch Display Clock Die Klasse Runner Controller Module

11 8.5 Aufgaben Lösungen Sensortechnik Was ist ein digitaler Temperatursensor? Den DS1820 anschließen Temperaturdaten lesen Temperaturdaten eines Sensors automatisch auswerten Projekt: Ein digitales Thermometer mit mehreren Sensoren Ein Modul für die Messwerterfassung Die grafische Oberfläche Temperaturdaten per senden Projekt: Ein Temperaturplotter Temperatur-Zeitdiagramme Programmierung Projekt: Mobile Datenerfassung Experimente mit mobiler Temperaturerfassung Programmierung Wiedergabe der Daten Spannung messen Das SPI-Protokoll Bitverarbeitung Programmierung Aufgaben Lösungen Projekte mit der Kamera Das Kameramodul anschließen Die Kamerasoftware Einzelbilder Projekt: Kameraoptionen testen Projekt: Überwachungskamera Livebild auf dem Bildschirm Projekt: Bewegung erfassen Projekt: Gerichtete Bewegungen erfassen Files verarbeiten mit subprocess und io Die Programmierung Projekt: Birnen oder Tomaten? Magische Methoden das Überladen von Operatoren Programmierung Weiterentwicklungen

12 10.8 Das Modul picamera Die Klasse PiCamera Projekt: Einen Film aufnehmen Projekt: Fotos per verschicken Was ist los am Autobahnkreuz? Bilder einer Webcam auswerten Webcams im Internet anzapfen Auf einem Foto zeichnen das Modul ImageDraw Projekt: Verkehrsdichte auf der Autobahn Randbemerkung: Was darf man? Was soll man? Aufgabe Lösung Webserver Der RPi im lokalen Netz WLAN Eine dauerhafte IP-Adresse für den RPi Über SSH auf dem RPi arbeiten Ein Webserver Der Apache Webserver Ein Webserver mit Python Den Server starten Die Startseite Den Server testen Was ist los im Gartenteich? Projekt: Einfache Webcam mit statischer Webseite CGI-Skripte CGI-Skripte für den Apache-Server Hilfe, mein CGI-Skript läuft nicht! Interaktive Webseiten Eingabekomponenten in einem HTML-Formular Verarbeitung von Eingaben in einem CGI-Skript Zugriff aus der Ferne Geräte über das Internet steuern Privilegierte Rechte für ein CGI-Skript Programmierung Datenbanken Das Modul sqlite Projekt: Freies Obst

13 11.6 Aufgaben Lösungen A Den Raspberry Pi einrichten A.1 Hardware-Ausstattung A.2 Das Betriebssystem installieren A.2.1 Download der Software A.2.2 Die SD-Karte formatieren A.3 Den Raspberry Pi das erste Mal starten und konfigurieren A.4 Die grafische Oberfläche von Raspbian B Der GPIO B.1 Der GPIO B.2 Ein Flachbandkabel mit Pfostenverbindern C Autostart D So entstand das Titelbild Stichwortverzeichnis

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15 Einleitung Der Raspberry Pi kurz RPi ist ein extrem preiswerter, kreditkartengroßer Computer, der fast keinen Strom verbraucht, eine SD-Karte als Peripheriespeicher verwendet und an einen hochauflösenden Monitor angeschlossen werden kann. Der RPi beflügelt die Fantasie von Bastlern, professionellen Technikern und Wissenschaftlern. In Kombination mit der Programmiersprache Python bietet er eine wunderbare Umgebung zur Realisierung technischer Ideen. Dieses Buch erklärt alles, was angesprochen wird. Es werden im Prinzip keine Vorkenntnisse zu Linux, zur Programmierung und zur Hardware des Raspberry Pi vorausgesetzt. Im Anhang finden Sie Hinweise zur Hardware und eine Schrittfür-Schritt-Anleitung zur Installation des Betriebssystems. Was macht man mit dem Raspberry Pi? Dieses Buch ist eine Einführung in die Programmiersprache Python auf dem Raspberry Pi. Doch die Beschäftigung mit dem Raspberry Pi ist oft nicht nur reine Programmierung. Ziel eines typischen RPi-Projekts ist der Prototyp einer kompletten Maschine Hardware und Software. Der RPi legt Technik, die sonst versteckt ist, offen. Auf dem Markt gibt es eine zunehmende Zahl elektronischer Bauteile, die man mit dem RPi verbinden kann. Zudem gibt es immer mehr Firmen, die das benötigte Material im Internet anbieten. Bestellung und Lieferung der oft sehr speziellen Bauteile sind heute kein Problem. Dieses Buch will eine Idee vom Charme der Programmiersprache Python vermitteln. Zweitens soll es inspirieren, das gelernte Programmierwissen in konkrete Projekte einfließen zu lassen. Damit die Beschreibung von Hardwaretechnik und spezieller Schnittstellen nicht ins Uferlose wächst, gehe ich von vier allgemeinen Hardwarekonfigurationen aus. Interaktives Exponat Auf dem Raspberry Pi läuft ein interaktives Programm mit grafischer Benutzungsoberfläche. Das kleine Gerät ist hinter einen großen Touchscreen geklebt und nicht zu sehen. Der RPi startet das Programm automatisch beim Einschalten. Eine solche Anordnung kann ein interaktives Exponat einer Ausstellung oder ein Auskunftssystem im Foyer eines öffentlichen Gebäudes sein. Da der RPi Grafik in 15