Vom Start bis zur Home-Automation - Raspberry Pi Teil 1

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Aus ELVjournal 04/2015     0 Kommentare
 Vom Start bis zur Home-Automation - Raspberry Pi Teil 1

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Der Einplatinencomputer Raspberry Pi wurde ursprünglich zu Lehrzwecken entwickelt und 2012 auf den Markt gebracht [1]. Schnell stellte sich heraus, dass man mit einem Raspberry Pi und wenigen zusätzlichen Teilen sehr gut und preiswert individuelle Projekte realisieren kann. Für gute 30 Euro erhält man mit dem Raspberry Pi ein universell einsetzbares Gerät, welches sich durch Schnittstellen zu Bildschirm (HDMI), LAN, Tastatur/Maus (USB), WLAN-Stick (USB), USB-Stick, Festplatte (USB), SD-Karte sowie konfigurierbare I/O-Pins für extrem viele Anwendungen einsetzen lässt.

Teil 1 – Der Start mit dem Einplatinencomputer

Es gibt für den Raspberry Pi eine sehr große Community sowie viele Bücher und Zeitschriften, sodass für verschiedenartige Aufgabenstellungen bereits auf detaillierte Anleitungen zurückgegriffen werden kann.
Man kann sich mit einem Raspberry Pi, einem Monitor oder TV-Gerät, einer Tastatur, einer Maus und einer LAN- oder WLAN-Verbindung einen kleinen, preisgünstigen PC für Office-Anwendungen (Textverarbeitung, Tabellenkalkulation usw.) und Internetzugriff zusammenbauen. Man kann eigene Programme auf dem Raspberry Pi schreiben und durch Ein-/ Ausgabepins sehr leicht Daten von Eingabegeräten (Tastern, Schaltern, Sensoren) einlesen oder Ausgaben erzeugen (LEDs oder Relais schalten usw.), und aufgrund der leichten Netzanbindung lässt sich ein individuelles Home-Automationssystem zusammenbauen.
In diesem Artikel wird zunächst die grundlegende Inbetriebnahme eines Raspberry Pi 2 beschrieben. In weiteren Artikeln in den nächsten Ausgaben des ELVjournals wird auf die Programmierung, die Ein-/Ausgabemöglichkeiten und durch Einführung in die Netzzugriffsmöglichkeiten schließlich auf das Erstellen eines Home-Automationssystems eingegangen.

Was braucht man?

Der Einplatinencomputer Raspberry Pi wird als bestückte Platine ohne Peripherie geliefert. Um ihm Leben einzuhauchen, muss man mindestens noch eine 5-V-Spannungsversorgung mit ausreichender Stärke und eine microSD-Karte mit einem unterstützten Linux-Betriebssystem hinzufügen. Eine visuelle Darstellung kann mithilfe eines HDMI-Kabels auf einem Monitor oder Fernsehgerät mit HDMI-Eingang erfolgen. Über vier vorhandene USB-Anschlüsse können Tastatur, Maus, ein WLAN-Stick, ein USB-Datenstick usw. angeschlossen werden. Statt einer WLAN-Verbindung kann auch ein LAN-Anschluss genutzt werden.

Bild 1: Anschluss
Bild 1: Anschluss

Für unsere Zwecke verwenden wir ein Steckernetzteil mit 5 V/2 A, eine microSD-Karte, ein über HDMI angeschlossenes Fernsehgerät, einen USB-WLAN-Adapter sowie eine über USB angeschlossene Funktastatur mit Touchpad (Bild 1).

Bild 2: Raspberry-Pi-2-Set von ELV
Bild 2: Raspberry-Pi-2-Set von ELV

Man kann die genannten Komponenten einzeln kaufen. Listen mit unterstützter Hardware findet man unter [2]. Man kann auch ein komplettes Set erwerben. ELV bietet ein Starter-Set für den Raspberry Pi 2 B an (CA-11 93 80, Bild 2), bei dem die folgenden Komponenten – aufeinander abgestimmt – enthalten sind, und man daher sofort mit dem Zusammenstecken und der Konfiguration beginnen kann:

  • Raspberry Pi 2 B
  • 3 Betriebssysteme auf microSD-Speicherkarte
  • USB-WLAN-Adapter
  • Stromversorgung 5 V/2 A mit Micro-USB-Stecker
  • HDMI-Kabel mit vergoldeten Kontakten
  • Acryl-Gehäuse mit passenden Schnittstellen-Aussparungen

Aufbau

Der mechanische Aufbau beschränkt sich auf das Zusammenstecken der einzelnen Komponenten. Es werden keinerlei Werkzeuge oder gar ein Lötkolben benötigt.
Das Netzgerät wird in die Micro-USB-Buchse (noch nicht an die 230-V-Steckdose) gesteckt, an die HDMIBuchse wird mithilfe des im Set enthaltenen HDMIKabels ein Monitor oder ein (evtl. vorhandenes) TVGerät angeschlossen. In eine der vier USB-Buchsen wird eine USB-Funk-Tastatur mit Trackpad (oder alternativ eine USB-Tastatur und eine USB-Maus) angeschlossen. Der USB-WLAN-Adapter wird in eine USBBuchse eingesteckt (oder der Raspberry per Kabel an die LAN-Buchse angeschlossen). Die microSD-Karte wird in den entsprechenden Slot eingesteckt. Auf weitere vorhandene Schnittstellen wird an dieser Stelle noch nicht näher eingegangen.
Der Raspberry Pi hat keinen Ein-/Ausschalter. Sobald alles zusammengesteckt ist und das Netzteil in die Steckdose gesteckt wurde, fängt der Raspberry mit dem Bootvorgang an.

Basisinstallation

Der Raspberry Pi und die SD-Karte mit dem Betriebssystem werden nicht als fertiges System geliefert, sondern müssen individuell eingerichtet werden. Der Installationsablauf erfolgt in mehreren Schritten anhand folgender Checkliste:


Image-Datei

Bei einem Raspberry Pi befinden sich das Betriebssystem und die Daten nicht auf einer Festplatte wie bei einem PC, sondern auf einer microSD-Karte. Der Raspberry bootet das Betriebssystem von der SDKarte und speichert Daten auf ihr. (Eine externe Festplatte für Daten kann über USB angeschlossen werden.)
Das Betriebssystem für einen Raspberry Pi ist (fast immer) ein Linux-Betriebssytem, welches man gratis im Internet [3] herunterladen und auf eine leere SD-Karte übertragen kann. Der Download und das Entpacken erfolgen auf einem Windows-, Mac-OSoder Linux-Computer.
Alternativ kann man eine fertige SD-Karte mit einem oder mehreren (zur Auswahl verfügbaren) Betriebssystemen käuflich erwerben. Im ELV-Starter-Set des Raspberry Pi 2 ist bereits eine fertige SD-Karte mit Betriebssystem(en) enthalten. Eine einzelne SD-Karte mit Betriebssystem(en) für Raspberry Pi auf einer microSD-Karte ist unter der Best.-Nr. CA-12 01 50 erhältlich.
Für die meisten Projekte (und auch in diesem Journalbeitrag) wird das Betriebssystem Raspbian verwendet, welches ein für den Raspberry Pi optimiertes Linux- Betriebssystem ist.

SD-Karte

Die aus dem Internet heruntergeladene Image-Datei muss auf dem PC entpackt und mithilfe eines kleinen Programms auf eine SD-Karte übertragen werden. Die Übertragung der Image-Daten auf die SD-Karte erfolgt unter Windows mit dem kostenlosen Programm Win32 Disk Imager [4].
Wenn eine fertige SD-Karte (im Set oder einzeln) gekauft wurde, entfallen diese ersten beiden Schritte.

Power on

Die mit dem Betriebssystem vorbereitete SD-Karte wird in den entsprechenden Slot des Raspberry Pi eingesteckt, dann wird das Netzteil an die 230-VSteckdose angeschlossen.
Wichtig ist hierbei, dass das Netzgerät leistungsfähig genug ist, da es sonst zu unerwarteten Fehlern kommen kann. Im ELV-Starter-Set ist ein 2-A-Netzteil enthalten, welches auf jeden Fall ausreichend dimensioniert ist.

Betriebssystemauswahl

Nach dem Starten des Raspberry Pi erscheint ein Menü, in dem das gewünschte Betriebssystem ausgewählt wird. Es wird „Raspbian“ ausgewählt.

Raspi-Config

Als Nächstes erscheint der wichtige Konfigurationsbildschirm (Bild 3).

Bild 3: Konfigurationsbildschirm
Bild 3: Konfigurationsbildschirm

In diesem Konfigurationstool (raspi-config) sind nun ein paar Grundeinstellungen vorzunehmen. Die Navigation im Konfigurationsmenü erfolgt nicht mit der Maus, sondern mit den Tasten der Tastatur (Pfeiltasten, Tab-Taste, Leerzeichen zum Markieren). Unter Punkt 4 (Internationalisation Options) werden eingestellt:
4. Internationalisation
    1. Change Locale: de_DE.UTF-8 und de.DE.UTF-8
4. Internationalisation
    2. Change Timezone: Europe - Berlin
4. Internationalisation
    3. Keyboard: Generic 105 (Intl) PC – Other – German – German – The default - No

Unter Punkt 8 (Advanced Options) stellen wir für einen späteren Netzwerkzugang zum Raspberry Pi SSH ein: 8 Advanced Options A4 SSH <Enable>

Mit der Tab-Taste wird nun gewählt, wonach der Konfigurationsvorgang abgeschlossen und der Bootvorgang fortgesetzt wird, bis schließlich nach dem Usernamen (standardmäßig pi) und dem Passwort (standardmäßig raspberry) gefragt wird:
Raspberry pi login: pi
Password: raspberry
Das Konfigurationsmenü kann später jederzeit wieder (durch Eingabe von sudo raspi-config in einer Kommandozeile) aufgerufen werden.

Kommandozeile

Nach dem Bootvorgang und der Eingabe von Usernamen und Passwort bleibt der Raspberry mit einer Eingabeaufforderung (englisch: Prompt) stehen, die wie folgt aussieht:
pi@raspberrypi ~ $

Erläuterung: pi ist der User und raspberrypi ist der Name des Raspberrypi. Die Eingabeaufforderung sagt aus: Hier ist der User pi auf dem Raspberry mit dem Namen raspberrypi.
Es folgt die Anzeige des aktuellen Verzeichnisses. Die Tilde (~) steht für das Userverzeichnis des aktuellen Users (hier: /home/pi ).
Das Dollarzeichen zeigt an, dass es sich um einen Prompt handelt, hinter dem nun Linux-Befehle eingegeben werden können. Dabei ist immer auf Groß-/Kleinschreibung zu achten!

Bild 4: Kommandozeile (Prompt)
Bild 4: Kommandozeile (Prompt)

Als Beispiel könnte der Befehl date eingegeben werden, welcher das Betriebssystem dazu bringt, das aktuelle Systemdatum und die Uhrzeit anzuzeigen (Bild 4).

pi@raspberrypi ~ $ date gibt als Antwort das Datum aus. (Zu diesem Zeitpunkt der Konfiguration werden Datum und Uhrzeit noch nicht korrekt angezeigt; beides muss erst noch eingestellt werden bzw. sich aus dem Internet updaten).
Bei diesem Prompt können nun auch andere Linux- Befehle wie ls, mkdir, cd, rmdir, nano usw. eingegeben werden. Das Konfigurationsmenü kann man mit sudo raspi-config wieder aufrufen.

Deutschen Desktop einstellen

Damit die deutschen Umlaute usw. später auch in der grafischen Oberfläche korrekt angezeigt werden, wird mit dem Editor nano die Datei .xsessionrc geöffnet:
pi@raspberrypi ~ $ sudo nano .xsessionrc
Im nano-Editor wird in Zeile 1 der folgende Eintrag geschrieben:
setxkbmap de
Mit Strg-o wird die Datei gespeichert (Namen bestätigen), und mit Strg-x wird der nano-Editor verlassen. (Anmerkung: Durch einen Punkt als erstes Zeichen des Dateinamens wird in Linux eine versteckte Datei gekennzeichnet.)

Grafische Desktop-Oberfläche

Bild 5: Grafikoberfläche
Bild 5: Grafikoberfläche

Die grafische Oberfläche von Raspbian wird mit dem Befehl startx aufgerufen:
pi@raspberrypi ~ $ startx
Es erscheint daraufhin ein Desktop, der Ähnlichkeiten mit einer Windows-Oberfläche hat (Bild 5).

Filemanager

In der Desktop-Oberfläche ist die Bedienung sehr ähnlich wie in Windows. Beispielsweise kann man mit der Maus unter Menü-Zubehör-Dateimanager den Dateimanager von Raspbian aufrufen, mit dem man Dateien auflisten, umbenennen, verschieben, löschen usw. kann (Bild 6).

Bild 6: Dateimanager
Bild 6: Dateimanager

WLAN

Natürlich wird noch eine Online-Verbindung benötigt, die über ein LAN-Kabel hergestellt werden kann, aber praktischer mithilfe einer WLAN-Verbindung erfolgt. Zum Einrichten der WLAN-Verbindung wird in der Desktop-Oberfläche mit Menü-Einstellungen-WIFI-Configuration das WLAN-Konfigurationsprogramm aufgerufen. Dort wird zweimal Scan gewählt, um die vorhandenen WLANs aufzulisten. Nach einem Doppelklick auf das gewünschte WLAN, Eingabe des WLAN-Schlüssels (unter PSK) und Klicken von Add erfolgt die Verbindung mit dem WLAN.
Erst jetzt – nach erfolgter Internetverbindung – stellen sich das Systemdatum und die Systemuhrzeit automatisch im Hintergrund korrekt ein. (Es ist keine Realtime-Clock im Raspberry eingebaut.)
Es kann nicht schaden, an dieser Stelle das System durch Eingabe von zwei Anweisungen updaten zu lassen:
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get update
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get upgrade
Die erste Zeile bewirkt ein Update des Programmkatalogs. Der zweite Vorgang dauert sehr lange, aber danach ist das System mit allen installierten Programmpaketen auf dem aktuellen Stand. Diese beiden Anweisungen sollten vor jeder Installation eines neuen Programms und ansonsten in regelmäßigen Abständen erfolgen.

Browser

Durch Klicken des Globussymbols in der oberen Zeile wird der Browser aufgerufen, mit dem im Internet gesurft werden kann (Bild 7).

Bild 7: Browser
Bild 7: Browser

Kommandozeilenfenster

Über Menü-Zubehör-LXTerminal oder durch Klicken des kleinen schwarzen Fensters in der oberen Zeile kann man ein Kommandozeilenfenster öffnen.
In diesem Kommandozeilenfenster können, wie oben bereits für die Kommandozeilenebene beschrieben, Linux-Befehle eingegeben werden.

AbiWord installieren

Nachdem die Basisinstallation inklusive der Internetverbindung komplett ist, können weitere Programme installiert werden. Im Internet findet man eine riesige Auswahl kostenloser Programme für verschiedene Themen. Exemplarisch wird hier die Installation des leistungsfähigen Textverarbeitungsprogramms AbiWord durchgeführt. Vor der Installation eines neuen Programms sollten immer die installierten Programmpakete auf den aktuellsten Stand gebracht werden:
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get update
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get upgrade
Der Download und die Installation der meisten Programme erfolgt mit sudo apt-get install xxx, wobei xxx für das jeweilige Programmpaket steht:
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get install abiword

AbiWord starten

Durch die Installation wurde automatisch unter Menü- Office-AbiWord ein Eintrag erstellt, mit dem das Textverarbeitungsprogramm AbiWord aufgerufen werden kann.

Zusatzinstallationen (Programmpakete)

Je nach gewünschter Verwendung des Raspberry Pi können nun weitere Programmpakete nachinstalliert werden. Dazu ist das System zunächst wieder auf den aktuellen Stand zu bringen:
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get update
pi@raspberrypi ~ $ sudo apt-get upgrade
Dann kann mit sudo apt-get install xxx das gewünschte Programmpaket xxx installiert werden.

Beispiele für Programme:
gnumeric - Tabellenkalkulationsprogramm
gimp - Grafikprogramm GIMP
libreoffice - Office-Paket LibreOffice (ähnlich wie Microsoft Office)
geany - Entwicklungsumgebung Geany (zum Programmieren)
scrot - Screenshot-Programm
cups - Druckprogramm
pacman - Pacman
gthumb - Bildverwaltung gThumb
lxmusic - Musikabspielprogramm

Um z. B. das Tabellenkalkulationsprogramm Gnumeric zu installieren, wird der folgende Befehl einge- geben:
pi@raspberrypi ~ $
sudo apt-get install gnumeric

Back-up

Wenn man mit der Installation bzw. Konfiguration fertig ist, ist es an der Zeit, mit Win32 Disk Imager [4] ein Back-up der SD-Karte auf dem PC zu erstellen. Falls irgendwann einmal etwas schiefgehen sollte, kann man mit Win32 Disk Imager die SD-Karte wiederherstellen. Ein derartiges Back-up sollte regelmäßig erfolgen.

Kommandozeile versus Desktop

In Bild 8 ist dargestellt, dass nach Anlegen der Spannung der Bootvorgang beginnt und je nach Einstellung im Konfigurationsmenü entweder zur Kommandozeile oder zur Desktop-Oberfläche verzweigt wird.

Bild 8: Kommandozeile( nfenster) versus Desktop- Oberfläche
Bild 8: Kommandozeile( nfenster) versus Desktop- Oberfläche

Das Bild zeigt die Befehle, mit denen man jeweils zwischen Kommandozeile bzw. Kommandozeilenfenster und Desktop-Oberfläche hin- und herschalten kann. Man sollte wegen der Gefahr eines Datenverlusts niemals einfach die Spannung des Raspberry Pi ausschalten, sondern den Raspberry entweder in der grafischen Oberfläche oder mit dem Shutdown-Befehl herunterfahren. Ein Neustart ist ebenfalls über die grafische Oberfläche oder von der Kommandozeile mit sudo shutdown –r now möglich.

Ausblick

Im nächsten ELVjournal werden Programmmierungsmöglichkeiten des Raspberry Pi beschrieben. Viele Abläufe lassen sich auf Kommandozeilenebene darstellen. In Bash-Skripten lassen sich komplette Routinen definieren. Mit unterschiedlichen Programmiersprachen wie beispielsweise Python lassen sich komplette Programme schreiben, und schließlich können grafische Programmoberflächen beispielsweise mit Tkinter erstellt werden.

Weitere Infos:

[1] www.raspberrypi.org/about
[2] Unterstützte Hardware: elinux.org/RPi_VerifiedPeripherals
[3] NOOBS, Raspbian: www.raspberrypi.org/downloads/
[4] Win32 Disk Imager: http://sourceforge.net/projects/win32diskimager

• Deutsches Raspberry-Pi-Forum: www.forum-raspberrypi.de
• Englischsprachiges Raspberry-Pi-Forum: www.raspberrypi.org/forums

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