Raspberry Pi – welches Projekt als erstes planen?

Raspberry Pi ist eine Familie von kleinen Einplatinencomputern, die 2012 von der Raspberry Pi Foundation entwickelt wurde. Diese Computer sind für den Einsatz in der Ausbildung und in Hobbyprojekten konzipiert. Sie sind nicht viel größer als eine Kreditkarte, können aber für viele Aufgaben eingesetzt werden, für die normalerweise viel größere Computer verwendet werden – der Raspberry Pi eignet sich für viele ältere Spiele, Textverarbeitung, Tabellenkalkulationen oder als Media-Player. Auf diese Weise kann der Raspberry Pi 4 auch als Heimcomputer genutzt werden.

Darüber hinaus ist dieser Einplatinencomputer eine ideale Basis für Heimautomatisierungssysteme, Roboter und vieles mehr. Die betroffenen Einplatinencomputer verwenden ARM-Core-Prozessoren. Die neueste Version des Raspberry Pi – Modell 4 – verfügt über einen Quad-Core-Prozessor mit ARM Cortex-A72-Kernen, der mit 1,5 GHz getaktet ist. Der Raspberry Pi 4 B kann mit bis zu 4 GB RAM ausgestattet werden.. Der Computer verfügt über zahlreiche integrierte Netzwerkschnittstellen – Wi-Fi (802.11ac) und kabelgebundene Ethernet–Schnittstelle mit einer Geschwindigkeit von 1 Gb pro Sekunde. Darüber hinaus ist er mit zwei USB 2.0-Anschlüssen, zwei USB 3.0-Anschlüssen und drei Videoausgängen in Form von microHDMI-Anschlüssen ausgestattet. Darüber hinaus können die Computer der Raspberry Pi-Familie über einen GPIO-Port mit der Außenwelt interagieren. Es handelt sich um einen 40-poligen Steckverbinder, an dem die Low-Level-Schnittstellen des Prozessors – digitale Ein- und Ausgangsleitungen, IC,²SPI und andere – herausgeführt sind. Sie ermöglichen den Anschluss von zusätzlichen Erweiterungsmodulen in Form von z.B. so genannten HAT-Caps, die von oben auf den Einplatinencomputer aufgesteckt werden. Sie können mit zusätzlichen Ein- und Ausgängen sowie mit Motorsteuerungen, Sensoren usw. ausgestattet werden.

Betriebssysteme für jede Anwendung

Der Einplatinencomputer Raspberry Pi wurde für den Betrieb mit dem Betriebssystem Linux optimiert. Es gibt jedoch viele Distributionen dieses Betriebssystems auf dem Markt, die auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind. Die allgemeinste Distribution, die speziell für den Raspberry Pi entwickelt wurde, ist Raspbian – basierend auf Debian und speziell für diesen Computer entwickelt. Es handelt sich um ein Allzwecksystem für “Raspberry”-Benutzer. Raspbian verwendet den Fenstermanager Openbox und die überarbeitete Pi Xwindows Lightweight Umgebung. Darüber hinaus ist Software wie Minecraft Pi, Java, Mathematica und Chromium vorinstalliert. Dies ist das offizielle und vollständig unterstützte Betriebssystem des Modulherstellers. Raspbian ist in der Lage, jede Aufgabe zu erfüllen, die Sie ihm geben, aber es gibt auch viele andere Distributionen, die für engere Anwendungen entwickelt wurden. In den meisten Fällen werden sie mit zusätzlichen Bibliotheken und der vorinstallierten Software geliefert, die für die jeweilige Aufgabe benötigt werden.

1. OSMC (Open Source Media Center) ist ein kostenloses, einfaches, offenes und leicht zu bedienendes Betriebssystem für den Kodi-Player. Die Software kann praktisch jedes Medienformat abspielen, hat eine moderne, minimalistische Benutzeroberfläche und ist vollständig anpassbar. Der OSMC Raspberry Pi 4 ist eine gute Wahl, wenn Sie mit Ihrem Raspberry Pi ein Mediacenter für Ihr Zuhause aufbauen möchten. Das Raspberry Pi Zero Media Center wird zusammen mit der Basisversion von Kodi geliefert.
2. OpenELEC (Open Embedded Linux Entertainment Center) ist ein kleines, von Grund auf neu entwickeltes Linux-basiertes JeOS-Betriebssystem, das auch für Kodi geeignet ist. OpenELEC ist eine hervorragende Alternative zur OSMC, wenn letztere nicht das bietet, was wir suchen. Mit dem Linux Media Center können Sie die Art von Media Center erstellen, die Sie benötigen.
3. Lakka ist eine kostenlose, leichtgewichtige und quelloffene Distribution, mit der Sie jeden Computer in eine vollwertige Spielkonsole verwandeln können, ohne eine Tastatur oder Maus anschließen zu müssen. Lakka hat eine schöne Benutzeroberfläche und viele Anpassungsmöglichkeiten. Bestens geeignet für Gamer.
4. RetroPie ist eine Debian-basierte Distribution, die entwickelt wurde, um Retro-Spiele auf der Raspberry Pi-Plattform ODroid zu emulieren. Sie ist derzeit die beliebteste Distribution für diese Aufgabe. RetroPie verwendet die EmulationStation, um Benutzern ein Retro-Computer-Erlebnis jeglicher Art zu bieten.
5. Ubuntu Core ist eine Version des Ubuntu-Betriebssystems (eine der Linux-Distributionen), die für Anwendungen des Internets der Dinge entwickelt wurde. Ubuntu ist das beliebteste Linux-basierte Betriebssystem der Welt mit mehr als 20 abgeleiteten Distributionen. Mit seinem aktiven und freundlichen Forum wird es für jeden leicht sein, mit Ubuntu Snappy Core auf seinem Raspberry Pi zu beginnen.
6. Linutop OS ist ein sicheres, auf Raspbian basierendes System für Info-Kioske und Spieler, die sich mit visuellen Identitätssystemen beschäftigen. Es richtet sich an Fachleute, die mit dem beliebten und erschwinglichen “Raspberry” öffentliche Webstände und Digital Signage-Lösungen erstellen wollen. Dieses System ist ideal, wenn unsere Anwendung in einem Hotel, einem Restaurant, einem Geschäft oder sogar einem Rathaus oder Museum funktioniert.
7. RaspBSD ist ein kostenloses FreeBSD 11-Image, das für Raspberry Pi-Computer vorkonfiguriert wurde. FreeBSD ist keine Linux-Distribution – es ist ein völlig anderes Betriebssystem, das jedoch wie Linux auf Unix basiert und vollständig quelloffen und frei ist. Es gehört heute zu den beliebtesten Betriebssystemen – es bildet die Grundlage für das Betriebssystem der Konsolen PlayStation 3 und 4 sowie für das beliebte macOS und andere Systeme von Apple.
8. RISC OS ist ein einzigartiges Betriebssystem. Er wurde von den Entwicklern des ersten ARM-Kerns speziell für ARM-Prozessoren entwickelt. Er basiert weder auf Unix, Linux noch auf Windows. Sie ist völlig unabhängig und wird von einer Gemeinschaft von Freiwilligen gepflegt. RISC OS unterscheidet sich stark von anderen Linux-Distributionen oder Windows-Betriebssystemen, so dass das Erlernen der Bedienung einige Zeit in Anspruch nehmen kann.
9. Windows IoT ist ein Windows-Betriebssystem, das speziell für den Raspberry Pi entwickelt wurde. Es handelt sich in erster Linie um eine Entwicklungsplattform für Entwickler, die Raspberry Pis verwenden möchten, um Prototypen von Geräten für das Internet der Dinge mit Raspberry Pi-Einplatinencomputern und Windows 10 zu bauen.

   

Retro-Spielkonsolen

Mit RetroPie können Sie Ihren Einplatinencomputer Raspberry Pi in einen kompletten Emulator für Retro-Spiele verwandeln. Damit können Sie fast alle alten Lieblingsspiele von Spielautomaten, klassischen Konsolen oder Computern spielen. Für fortgeschrittene Benutzer bietet das System auch eine Reihe von Konfigurationswerkzeugen zur Anpassung des Systems. Das RetroPie-System läuft auf einem normalen Betriebssystem. Sie können es also auf einem vorhandenen System installieren oder das fertige Installations-Image von RetroPie verwenden, um sofort eine konfigurierte Plattform für die Emulation alter Spiele zu nutzen. Wenn wir eine komplette Konsole für die Emulation klassischer Spiele entwickeln wollen, reicht ein Betriebssystem allein mit einem installierten Emulator nicht aus. Wir können eine Desktop-Spielekonsole aus unserem Raspberry bauen. In diesem Fall brauchen wir nur ein geeignetes Gehäuse – vergessen Sie nicht, für Kühlung zu sorgen, vor allem, wenn wir einen Raspberry Pi 3 oder 4 wählen, die dafür bekannt sind, sich zu erhitzen. Für die meisten Anwendungen reichen Kühlkörper aus. Wenn Sie jedoch vorhaben, mehr Zeit mit Spielen zu verbringen, ist es eine gute Idee, ein Gehäuse zu kaufen, in das ein Lüfter eingebaut werden kann.

Wenn Sie eine tragbare Konsole bauen wollen, benötigen Sie neben einem geeigneten Gehäuse auch einige zusätzliche Module, die Sie an den Raspberry Pi anschließen können. Für eine tragbare, kompakte Konsole eignet sich der Raspberry Pi Zero aufgrund der geringen Größe dieses Einplatinencomputers. Außerdem müssen wir ein geeignetes Stromversorgungsmodul kaufen – es gibt spezielle HAT-Kappen usw. mit Platz für den Einbau einer Lithium-Ionen-Zelle und universelle 5-V-Stabilisierungsinverter zur Stromversorgung des Computers. Wir brauchen auch ein Display – es gibt viele Displays in verschiedenen Größen, die an Raspberry Pi Computer angeschlossen werden können.

Wir können die Konsole mit Controllern ergänzen. Sie reichen von Controllern, die an USB angeschlossen werden können, bis hin zu mechanischen Joysticks mit digitalen Ausgängen. Bei der Auswahl des Controllers, den wir in unsere Konsole integrieren wollen, sollten wir darauf achten, dass Software und Treiber für das Raspbian-Betriebssystem für das Gerät verfügbar sind.

Raspberry Pi – nützliche Projekte für zu Hause

Der Einplatinencomputer Raspberry Pi kann für viele Dinge zu Hause verwendet werden. Je nach gewählter Anwendung muss der Computer mit den entsprechenden Peripheriegeräten und Erweiterungsmodulen ergänzt werden, damit er seiner Aufgabe gerecht werden kann. Einige der Heimanwendungen des Raspberry Pi erfordern nur einen geringen Entwicklungsaufwand, während für andere viel zusätzliches Zubehör benötigt wird. Unabhängig vom Grad der Komplexität sind jedoch alle unten vorgestellten selbstgemachten Projekte mit dem Raspberry Pi ideale Einstiegsprojekte, um sich mit den Prinzipien dieses Einplatinencomputers und seiner Verwendung vertraut zu machen.

NAS

NAS (Network Attached Storage) oder Netzwerkspeicher ist nichts anderes als ein einfaches Netzlaufwerk. Um ein solches Gerät auf der Basis des Raspberry Pi zu erstellen, müssen wir einen Datenspeicher an unseren Einplatinencomputer anschließen – wir können eine SD-Karte (microSD), einen Speicherstick oder ein externes Laufwerk verwenden, das über USB mit dem Computer verbunden ist. Gerade im letzteren Fall lohnt es sich, zum Raspberry Pi 4 zu greifen, da dieser Einplatinencomputer mit zwei USB-3.0-Anschlüssen ausgestattet ist. Dadurch wird das gesamte System beschleunigt.

Der NAS sollte mit einem ästhetisch ansprechenden Gehäuse ausgestattet sein – in der Regel wird ein solches Gerät auf einer Kommode oder einem TV-Schrank aufgestellt. Wenn mehrere Festplatten an den Computer angeschlossen sind, kann der Stromverbrauch des gesamten Geräts deutlich höher sein als bei einem typischen Raspberry Pi-Einplatinencomputer. Um den Gesamtstromverbrauch des Systems abzuschätzen, muss der Stromverbrauch aller Peripheriegeräte addiert werden (bei 2,5″-Festplatten kann man von einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 1 A pro Laufwerk ausgehen). Der sich daraus ergebende Wert erhöht sich um die 2,5 A, die ein voll ausgelasteter Raspberry Pi benötigen kann.

Raspberry Pi Multimedia-Zentrum

Der Raspberry Pi ist eines der vielseitigsten Geräte, die Sie jemals kennenlernen werden. Es ist auch eine energieeffiziente Option für den Einsatz als Medienzentrum. Um Ihren Computer in ein Medienzentrum zu verwandeln, müssen Sie die Kodi-Software auf ihm installieren. Die Installation von Kodi auf dem Raspberry Pi 4 ist einfach und ermöglicht es, mehrere Videostreams zu verarbeiten – Inhalte sowohl aus Ihrer persönlichen Bibliothek auf der Festplatte (lokal oder im Netzwerk) als auch aus dem Internet. Der einfachste Weg, Kodi zu installieren, ist die Verwendung einer beliebigen Linux-Distribution, die standardmäßig mitgeliefert wird.

Raspberry Pi Zero – Netflix

Es gibt zwei Distributionen von dedizierten Media-Center-Systemen: LibreELEC und OSMC. Sie sind sich recht ähnlich, außer dass OSMC mehr vom zugrundeliegenden Linux-Betriebssystem für den Benutzer verfügbar hält, um mehr Flexibilität bei der Konfiguration zu ermöglichen – das macht es einfacher, Netzwerkverzeichnisse und zusätzliche Software zu installieren, die für einige Kodi-Add-ons benötigt wird, wie z.B. Netflix.

Für die Einrichtung einer Mediathek benötigen Sie einige grundlegende Dinge. Sie können diese Liste leicht abändern, um sie besser an Ihre spezielle Anwendung anzupassen, aber die meisten dieser Punkte sind absolut unerlässlich. Sie benötigen einen Raspberry Pi 3 B+ oder 4 Einplatinencomputer (wegen der erforderlichen Rechenleistung), ein USB-Netzteil (micro-USB für das Modell 3, USB-C für das Modell 4) und ein geeignetes Gehäuse. Im Computer sollte eine microSD-Karte mit mindestens 16 GB installiert sein, und eine kabellose Tastatur und Maus (z. B. Bluetooth) sollten an den Computer angeschlossen sein. Schließlich brauchen wir noch ein HDMI-Kabel von ausreichender Länge, um unseren Fernseher oder Projektor mit dem Raspberry Pi zu verbinden – bitte beachten Sie, dass das neueste Raspberry Pi-Modul (Modell 4) mit miniHDMI-Anschlüssen ausgestattet ist, so dass ein entsprechender Adapter erforderlich ist.

Hausautomatisierungssystem

Kurz gesagt, handelt es sich bei dieser Art von System um ein integriertes Gerät, das viele Geräte in unserem Haus steuert und eine weitreichende Automatisierung vieler Prozesse ermöglicht. Typischerweise werden solche Systeme zur Steuerung von Beleuchtung, Heizung und zunehmend auch von Schlössern und anderen komplexeren Geräten eingesetzt: Kühlschränke, Waschmaschinen, Trockner oder Kaffeemaschinen. Um ein einfaches Hausautomatisierungssystem einzurichten, benötigen wir den Raspberry Pi Computer in jeder Version und eine Stromversorgung. Sobald das System eingerichtet ist, kann unser Computer eine Verbindung zu allen Geräten im Haus herstellen und diese steuern, die eine externe Steuerung erlauben (z. B. über Wi-Fi oder Bluetooth). Außerdem kann der Computer eine Verbindung zum Internet herstellen, um zum Beispiel Informationen von Wetterdiensten herunterzuladen, was zum Beispiel für die Steuerung der Heizungsanlage sehr wichtig ist. Darüber hinaus ist es möglich, den Einplatinencomputer mit externen Erweiterungskarten zu ergänzen, um netzgespeiste (230 V) Geräte zu steuern. Für die Steuerung dieser Art von Lasten werden meist (elektromechanische oder elektronische) Relais verwendet, die eine galvanische Trennung zwischen dem Steuersystem und dem Hochspannungsnetz aufweisen. Für die Steuerung solcher Systeme gibt es eine Reihe fertiger Open-Source-Plattformen, die kostenlos aus dem Internet heruntergeladen und auf dem Raspberry Pi installiert werden können.

Raspberry Pi Zero – Domoticz

Die beliebtesten Plattformen für die Erstellung individueller Hausautomatisierungssysteme sind Home Assistant und Domoticz. Home Assistant wird von vielen als die beste Wahl für die intelligente Hausautomatisierung bezeichnet. Es ist ein intelligentes Betriebssystem für den Raspberry Pi, das alles von der kompletten Systeminstallation bis zur Verwaltung der Benutzeroberfläche übernimmt. Es gibt eine Reihe von Add-ons für dieses System, darunter Let’s Encrypt zur Unterstützung von Amazon Alexa und Google Assistant. Domoticz hingegen ist eine intelligente Hausautomatisierungsplattform, die mit mehreren Geräten kompatibel ist – viele Geräte wie Fernbedienungen, ferngesteuerte Lichtschalter oder Wi-Fi-Thermostate können mit diesem System verbunden werden. Mit dem Domoticz-System können Sie Ihre Projekte ohne Probleme durchführen. Egal, ob es sich um ein Amateur- oder ein professionelles Projekt handelt.

Aufgrund seiner umfassenden Integration, einschließlich MQTT und Apple HomeKit, ist Domoticz eine ausgezeichnete Wahl für den Betrieb auf einem Raspberry Pi – dank seiner geringen Anforderungen funktioniert es perfekt auf einem Einplatinencomputer. Ein weiterer Vorteil dieser Plattform ist die hervorragende Dokumentation, einschließlich einer umfassenden Wiki-Seite zum Raspberry Pi und der umfangreichen Unterstützung durch die Benutzer- und Entwicklergemeinschaft. Setzen Sie auf den Raspberry Pi – die Projekte, die Sie mit diesem Minicomputer erstellen können, sind wirklich vielfältig. Für welche Sie sich entscheiden, bleibt Ihnen überlassen.

Roboter

Es gibt viele verschiedene Konstruktionen unter dieser Überschrift. Was sie alle gemeinsam haben, ist die Bewegung. Alle Roboter, die mit Raspberry P,i Einplatinencomputern gebaut werden können , sind Maschinen, die mindestens eine Freiheitsachse haben, in der sich einige ihrer Komponenten bewegen können. Der einfachste Roboter könnte zum Beispiel eine Schatulle mit einem elektromagnetischen Schloss sein, das den Riegel bewegt, der die Schatulle verschließt. Diese Art der Konstruktion ist ideal für Anfänger. Um ein solches System aufzubauen, benötigen wir einen Magneten – einen linearen elektromagnetischen Aktuator, bei dem eine Magnetspule einen Stahlstift bewegt. Eine solche Spule zieht einen beträchtlichen Strom, so dass sie nicht direkt über den GPIO-Ausgang des Raspberry Pi versorgt werden kann. Dazu muss eine geeignete Platine mit Leistungstransistoren, Relais oder einer integrierten H-Brücke (letztere ermöglicht es, Strom in beiden Richtungen durch die Spulenwicklung zu leiten, wodurch sich auch die Richtung des Magnetfelds umkehren lässt) angeschafft werden. Eine Schatulle mit elektromagnetischem Schloss kann z. B. mit einem RFID-Lesegerät ergänzt werden, um sie mit einer solchen Karte zu öffnen, oder mit einem Bluetooth-Modul, damit das Schloss über eine Smartphone-App geöffnet werden kann.

Moderne Roboter haben mehr Freiheitsachsen und komplexere Antriebssysteme. Mit zwei Gleichstrommotoren und einem geeigneten Fahrgestell lässt sich zum Beispiel ein einfacher Raupen- oder Radroboter zusammenstellen. Diese Motoren werden am besten durch H-Brücken gesteuert, um ihre Drehrichtung nach Belieben zu ändern. Auf diese Weise kann sich der Roboter vorwärts und rückwärts bewegen, aber auch frei verdrehen. Ergänzt man sie mit zumindest einfachen Sensoren, kann eine autonome Plattform entstehen, die sich nach einem vorgegebenen Algorithmus bewegt. Wenn man ein solches Fahrzeug mit einem einfachen reflektierenden Optokoppler ausstattet, kann man einen Roboter bauen, der einer auf dem Boden gezeichneten Linie folgt. Ist die Konstruktion hingegen mit Ultraschall-Abstandssensoren ausgestattet, ist es einfach, einen Roboter zu konstruieren, der Hindernissen ausweicht.

Wenn Sie sich in der Lage fühlen, ein wirklich fortschrittliches Design zu erstellen, können Sie sich für komplexere Plattformen entscheiden. Ein hervorragendes Beispiel für solche Geräte sind Roboterarme, die von Schrittmotoren gesteuert werden und mehrere Freiheitsgrade nutzen. Schrittmotoren sind präzise rotierende Motoren, die sich um einen bestimmten Winkel bewegen können. Um sie zu steuern, benötigt man spezielle Treiber und zwei digitale GPIO-Leitungen vom Raspberry Pi – eine steuert die Drehrichtung und die andere ist ein Taktgeber, dessen “Ticken” den Motor veranlasst, einen Schritt zu machen (Bewegung um einen Winkel, der vom Motordesign abhängt, Verwendung des Mikroschritts durch den Motorcontroller usw.). Auf diese Weise können mehrere Schrittmotoren an ein einziges Raspberry Pi-Modul angeschlossen werden, wodurch eine hochkomplexe, bewegliche Struktur mit mehreren Freiheitsgraden entsteht.

Meteorologische Stationen

Der Einplatinencomputer Raspberry Pi ist die perfekte Basis für den Bau einer drahtlosen Wetterstation. Da ein solcher Computer – insbesondere die Module der Raspberry Pi Zero-Familie – nur wenig Strom verbraucht, kann er mit einer Batterie, beispielsweise einer Powerbank, betrieben werden. Auf diese Weise kann die Wetterstation zu 100 % kabellos aufgebaut werden – sie benötigt weder für die Stromversorgung noch für die Kommunikation Kabel, da sie Wi-Fi nutzen kann. Indem man den Computer einfach mit den richtigen Sensoren ergänzt, können viele Umweltparameter gemessen werden.

Es gibt verschiedene Sensoren zur Überwachung von Wetter, Luftqualität usw. Die einfachste Wetterstation sollte einen Temperatursensor – ein digitales Thermometer – enthalten, der über eine digitale ^{I2C-Schnittstelle}an den Raspberry Pi angeschlossen werden kann. Über dieselbe Schnittstelle können z. B. ein Hygrometer (ein Sensor, der die Luftfeuchtigkeit misst) oder verschiedene Schaltungen zur Messung der Luftqualität an den Chip angeschlossen werden. Darüber hinaus sollte die Wetterstation über einen Sensor zur Messung von Windrichtung und -stärke (Anemometer) und einen Regenmelder verfügen.