Raspberry Pi

Der Raspberry Pi ist eine wahre Erfolgsgeschichte. Seit 2011 begeistert der kleine Mini-Computer Maker, Kreative und IT-Fachleute. Was Sie mit dem Pi anstellen können, zeigen Ihnen Michael Kofler, Charly Kühnast und Christoph Scherbeck. Das Handbuch ist randvoll mit Grundlagen und Kniffen zu Linux, Hardware, Elektronik und Programmierung. Genau richtig für alle, die Serverdienste hosten möchten, Bastelideen haben und direkt loslegen wollen. Vorwissen? Nicht nötig, Ihr Erfindergeist reicht völlig aus. Legen Sie gleich los und lassen Sie Ihrer Kreativität freien Lauf!

Aus dem Inhalt:

• Den Raspberry Pi kennenlernen: Kauf und Inbetriebnahme, Betriebssysteme, Software
• Ihr Medien-Center: der Raspberry Pi mit Kodi, LibreELEC, als DLNA-Server und als NAS-Gerät (openmediavault)
• Hardware-Grundlagen: Elektrotechnik-Crashkurs, Werkzeuge, Zusatzgeräte u. v. m.
• Sensoren, Servo- und Schrittmotoren, LEDs, Bussysteme, Displays
• Gertboard, PiFace, Raspberry-Pi-HATs, HiFiBerry-Audio-System
• Programmierung: Python, bash, C, Java und PHP mit dem Raspberry Pi
• Projekte: viele spannende Ideen für Einsteiger und Fortgeschrittene
• Servocam, Luftraumüberwachung, Smartlight-Steuerung u. v. m.
• Fingersensor, OLED-Display, ePaper-Display, Feinstaubmessgerät, Wassermelder
• Smart-Home mit Home Assistant

Vorwort . . . 15

Geleitwort von Eben Upton . . . 20

TEIL I. Den Raspberry Pi kennenlernen . . . 21

1. Kauf und Inbetriebnahme . . . 23
1. 1 . . . Kauf . . . 23
1. 2 . . . Raspberry-Pi-Distributionen . . . 37
1. 3 . . . Installation . . . 39

2. Erste Schritte mit Raspberry Pi OS . . . 43
2. 1 . . . Basiskonfiguration . . . 44
2. 2 . . . Der PIXEL Desktop . . . 51
2. 3 . . . Wichtige Programme . . . 53
2. 4 . . . WLAN-Konfiguration . . . 63
2. 5 . . . Bluetooth-Konfiguration . . . 64
2. 6 . . . USB-Sticks und -Festplatten . . . 65
2. 7 . . . Drucker . . . 66

3. Arbeiten im Terminal . . . 69
3. 1 . . . Erste Experimente . . . 69
3. 2 . . . Eingabeerleichterungen und Tastenkürzel . . . 75
3. 3 . . . Die Bourne Again Shell (bash) . . . 78
3. 4 . . . Arbeiten mit Administratorrechten (sudo) . . . 84
3. 5 . . . Textdateien lesen und ändern . . . 87
3. 6 . . . Verzeichnisse und Dateien . . . 92
3. 7 . . . Komprimierte Dateien und Archive . . . 99
3. 8 . . . Prozessverwaltung . . . 103
3. 9 . . . Netzwerkkommandos . . . 108

4. Tipps & Tricks . . . 113
4. 1 . . . Raspberry Pi OS Lite . . . 113
4. 2 . . . WLAN und SSH-Server vorkonfigurieren . . . 116
4. 3 . . . PIXEL Desktop konfigurieren . . . 117
4. 4 . . . Screenshots erstellen . . . 120
4. 5 . . . Mehr Farbe im Terminal . . . 121
4. 6 . . . Overclocking . . . 123
4. 7 . . . USB-Booting . . . 127
4. 8 . . . SSDs mit PCIe verwenden . . . 131
4. 9 . . . Notfall-Tipps . . . 135

5. Arbeitstechniken . . . 143
5. 1 . . . Programme installieren und verwalten . . . 143
5. 2 . . . Updates . . . 147
5. 3 . . . SSH . . . 152
5. 4 . . . Remote-Desktop-Nutzung (VNC) . . . 160
5. 5 . . . Netzwerkverzeichnisse nutzen . . . 166
5. 6 . . . Netzwerkverzeichnisse anbieten (Samba-Server) . . . 171
5. 7 . . . Internetzugriff auf den Raspberry Pi . . . 178
5. 8 . . . Programme beim Systemstart ausführen . . . 187
5. 9 . . . Programme regelmäßig ausführen (Cron) . . . 188
5. 10 . . . Monitor ein- und ausschalten . . . 191
5. 11 . . . Backups erstellen . . . 193

6. Linux-Grundlagen . . . 199
6. 1 . . . Benutzer und Gruppen . . . 200
6. 2 . . . Zugriffsrechte . . . 207
6. 3 . . . Paketverwaltung . . . 214
6. 4 . . . Verwaltung des Dateisystems . . . 216
6. 5 . . . Netzwerkkonfiguration . . . 224
6. 6 . . . Bluetooth . . . 229
6. 7 . . . Systemstart . . . 231
6. 8 . . . Systemeinstellungen in config. txt . . . 239
6. 9 . . . Grafiksystem . . . 243
6. 10 . . . Kernel und Module . . . 246
6. 11 . . . Device Trees . . . 249

7. Ubuntu . . . 253
7. 1 . . . Installation . . . 253
7. 2 . . . Desktop-Nutzung . . . 255
7. 3 . . . Servereinsatz . . . 258

TEIL II. Der Raspberry Pi als Media-Center und Spielekonsole . . . 259

8. Audioplayer mit Smartphone-Fernbedienung . . . 261
8. 1 . . . Musik hören mit dem Raspberry Pi . . . 262
8. 2 . . . HiFiBerry . . . 263
8. 3 . . . MPD-Installation und -Konfiguration . . . 266
8. 4 . . . Volumio . . . 274

9. Multimedia-Center mit Kodi und LibreELEC . . . 279
9. 1 . . . Installation und Konfiguration . . . 280
9. 2 . . . Anwendung . . . 288

10. RetroPie . . . 295
10. 1 . . . Gehäuse und Controller . . . 296
10. 2 . . . Installation . . . 300
10. 3 . . . Spiele starten, speichern und laden . . . 306

TEIL III. Hardware-Grundlagen . . . 309

11. Hardware-Einstieg . . . 311
11. 1 . . . Platinenaufbau . . . 311
11. 2 . . . Der BCM2712 . . . 312
11. 3 . . . GPIO-Kontakte . . . 316
11. 4 . . . Stromversorgung . . . 324
11. 5 . . . Gehäuse . . . 331

12. Elektrotechnik-Crashkurs . . . 335
12. 1 . . . Strom, Spannung und das ohmsche Gesetz . . . 335
12. 2 . . . Grundschaltungen . . . 337
12. 3 . . . Elektronische Grundbauteile . . . 342
12. 4 . . . Das Multimeter . . . 347
12. 5 . . . Breadboard oder Platine? . . . 350
12. 6 . . . Löten . . . 352
12. 7 . . . Breadboardadapter . . . 354

13. LEDs, Motoren und Relais . . . 359
13. 1 . . . Leuchtdioden (LEDs) . . . 359
13. 2 . . . Optokoppler . . . 377
13. 3 . . . Elektromotoren . . . 378
13. 4 . . . Schrittmotoren . . . 389
13. 5 . . . Servomotoren . . . 399
13. 6 . . . Relais . . . 406
13. 7 . . . Remote GPIO . . . 409

14. Bussysteme . . . 413
14. 1 . . . SPI . . . 413
14. 2 . . . Der Analog-digital-Wandler MCP3008 . . . 422
14. 3 . . . Der Digital-analog-Wandler MCP4811 . . . 428
14. 4 . . . I2C . . . 433
14. 5 . . . UART . . . 441
14. 6 . . . Der Audio-Bus I2S . . . 445
14. 7 . . . 1-Wire . . . 446

15. Sensoren . . . 449
15. 1 . . . PIR-Bewegungssensor . . . 449
15. 2 . . . Ultraschallsensor . . . 453
15. 3 . . . Wasserstandssensor . . . 455
15. 4 . . . Bodenfeuchtigkeitssensor . . . 457
15. 5 . . . Temperatursensoren . . . 462
15. 6 . . . Fotowiderstand . . . 466
15. 7 . . . Das Multi-Analogsensor-Board PCF8591 . . . 468
15. 8 . . . Raspberry Pi Camera Boards . . . 471
15. 9 . . . Reed-Kontakt . . . 483
15. 10 . . . Hardware Real-Time Clock . . . 485
15. 11 . . . IR-Empfänger . . . 488
15. 12 . . . Fingerabdruck-Scanner . . . 490
15. 13 . . . Leitfaden für fremde Sensoren . . . 498

16. Erweiterungsboards . . . 501
16. 1 . . . StromPi -- USV und Wide-Range-Spannungsversorgung . . . 501
16. 2 . . . Pimoroni Zero LiPo . . . 505
16. 3 . . . Raspberry-Pi-HATs . . . 506
16. 4 . . . Sense HAT -- das Multitalent . . . 511
16. 5 . . . Adafruit PWM/Servo-HAT . . . 516

17. Displays . . . 521
17. 1 . . . 7-Segment-Anzeige . . . 521
17. 2 . . . 16x2-LC-Display . . . 524
17. 3 . . . PiTFT -- der Touchscreen für den Raspberry Pi . . . 526
17. 4 . . . Kfz-Rückfahrmonitore . . . 530
17. 5 . . . Das offizielle Raspberry-Pi-Touchdisplay . . . 534
17. 6 . . . PaPiRus -- das E-Paper-Display . . . 539

TEIL IV. Programmierung . . . 547

18. Python kennenlernen . . . 549
18. 1 . . . Python ausprobieren . . . 550
18. 2 . . . Python-Konzepte interaktiv kennenlernen . . . 552
18. 3 . . . Eigene Scripts programmieren . . . 562

19. Python-Grundlagen . . . 567
19. 1 . . . Elementare Syntaxregeln . . . 567
19. 2 . . . Variablen und Objekte . . . 572
19. 3 . . . Operatoren . . . 578
19. 4 . . . Verzweigungen (if) . . . 580
19. 5 . . . Schleifen (for und while) . . . 582
19. 6 . . . Zeichenketten . . . 588
19. 7 . . . Listen . . . 593
19. 8 . . . Umgang mit Fehlern (Exceptions) . . . 597
19. 9 . . . Funktionen . . . 602
19. 10 . . . Objektorientiertes Programmieren . . . 612
19. 11 . . . Systemfunktionen . . . 617
19. 12 . . . Externe Module installieren (pip) . . . 620

20. Python-Programmierung . . . 623
20. 1 . . . GPIO-Zugriff mit gpiozero . . . 623
20. 2 . . . GPIO-Zugriff mit lgpio . . . 631
20. 3 . . . GPIO-Zugriff mit rpi-lgpio . . . 632
20. 4 . . . GPIO-Zugriff mit gpiod . . . 634
20. 5 . . . Reset/Shutdown-Taste . . . 634
20. 6 . . . Kamera . . . 637
20. 7 . . . E-Mails versenden . . . 642
20. 8 . . . Textdateien lesen und schreiben . . . 646
20. 9 . . . Grafikprogrammierung . . . 650
20. 10 . . . Grafische Benutzeroberflächen mit tkinter . . . 657
20. 11 . . . matplotlib . . . 669

21. bash-Programmierung . . . 675
21. 1 . . . Einführung . . . 675
21. 2 . . . Variablen . . . 679
21. 3 . . . Schleifen, Bedingungen und Funktionen . . . 684
21. 4 . . . GPIO-Steuerung per Kommando . . . 695
21. 5 . . . GPIO-Informationen ermitteln . . . 697
21. 6 . . . Die Kommandos »gpioget« und »gpioset« . . . 700
21. 7 . . . Das Kommando pinctrl . . . 705

22. C-Programmierung . . . 707
22. 1 . . . Hello World . . . 707
22. 2 . . . GPIO-Steuerung mit C . . . 711

23. PHP-Programmierung . . . 715
23. 1 . . . Apache installieren und konfigurieren . . . 716
23. 2 . . . Webverzeichnisse einrichten und absichern . . . 718
23. 3 . . . HTTPS . . . 724
23. 4 . . . PHP installieren und konfigurieren . . . 728
23. 5 . . . MariaDB installieren und administrieren . . . 730
23. 6 . . . »Hello World« in PHP . . . 735
23. 7 . . . GPIO-Steuerung mit PHP . . . 737
23. 8 . . . Kamerafunktionen mit PHP nutzen . . . 741

24. Mathematica und die Wolfram Language . . . 745
24. 1 . . . Arbeiten mit Mathematica . . . 746
24. 2 . . . Programmieren mit der Wolfram Language . . . 752
24. 3 . . . Grafische Darstellung von Temperaturdaten . . . 758

TEIL V. Projekte . . . 763

25. Der Raspberry Pi im Vogelhaus . . . 765
25. 1 . . . Einbau des Raspberry Pi samt Kameramodul in ein Vogelhaus . . . 765
25. 2 . . . Kamerapraxis . . . 768
25. 3 . . . Bewegungserkennung mit motion . . . 771
25. 4 . . . Das Vogelhaus im praktischen Einsatz . . . 774

26. Zeitmessung mit Lichtschranken . . . 777
26. 1 . . . Versuchsaufbau (Hardware) . . . 777
26. 2 . . . Programmcode . . . 780

27. Das autonome Auto . . . 783
27. 1 . . . Der Bau des Autos . . . 783
27. 2 . . . Die Software . . . 792

28. RFID-Türöffner mit Zutrittskontrolle . . . 795
28. 1 . . . RFID-Hardware . . . 796
28. 2 . . . Software . . . 798
28. 3 . . . Erweiterungsmöglichkeiten und Tipps . . . 804

29. Stromzähler auslesen . . . 807
29. 1 . . . Stromzähler-Grundlagen . . . 807
29. 2 . . . Einführung in RRDtool . . . 811
29. 3 . . . Zählerdaten speichern und zu Graphen aufbereiten . . . 816

30. Hausautomation mit Netzwerksteckdosen . . . 819
30. 1 . . . Einführung . . . 819
30. 2 . . . Programmierung . . . 821

31. Die Schalthebel der Nacht . . . 833
31. 1 . . . Vorbereitung . . . 833
31. 2 . . . Der Lux-Sensor . . . 834
31. 3 . . . IKEAs Trådfri-Beleuchtungssystem mit Linux steuern . . . 837
31. 4 . . . Philips-Hue-Leuchten ansteuern . . . 840
31. 5 . . . Lichtstärke messen, Leuchten steuern . . . 843

32. Ort und Zeit per GPS empfangen . . . 847
32. 1 . . . Haben Sie Zeit? Eine Uhr für den Raspberry Pi . . . 847
32. 2 . . . Ortsbestimmung mit dem Raspberry Pi . . . 855

33. Klingel-Pi -- der Türglockenverstärker . . . 861
33. 1 . . . Geräuschsensor anschließen . . . 861
33. 2 . . . Software . . . 862

34. DLNA-Server . . . 865
34. 1 . . . Inbetriebnahme ohne Tastatur und Monitor . . . 866
34. 2 . . . ReadyMedia alias miniDLNA . . . 869
34. 3 . . . Read-only-Konfiguration . . . 871

35. Pi-hole (Ad-Blocker) . . . 873
35. 1 . . . Installation . . . 874
35. 2 . . . Client-Konfiguration . . . 877
35. 3 . . . Weboberfläche . . . 878

36. WLAN-Router . . . 881
36. 1 . . . Basiskonfiguration . . . 881
36. 2 . . . Routerkonfiguration mit »nmcli« . . . 882
36. 3 . . . RaspAP . . . 886

37. NAS mit openmediavault . . . 891
37. 1 . . . Voraussetzungen . . . 893
37. 2 . . . Installation . . . 895
37. 3 . . . Konfiguration . . . 895

38. Home Assistant . . . 903
38. 1 . . . Installation . . . 904
38. 2 . . . Setup des eigenen Smart Homes . . . 905
38. 3 . . . Terminal, SSH und Backups . . . 916

39. Luftraumüberwachung . . . 919
39. 1 . . . Technischer Hintergrund und Hardware . . . 919
39. 2 . . . Software . . . 921

40. Die Servokamera . . . 925
40. 1 . . . Die Hardware . . . 926
40. 2 . . . Die Python-Software . . . 926
40. 3 . . . Die Streaming-Software . . . 929
40. 4 . . . Die Weboberfläche . . . 930

41. PomodoPi . . . 935
41. 1 . . . Der Bodenfeuchtigkeitssensor . . . 935
41. 2 . . . Die Blumenampel . . . 943
41. 3 . . . Die automatische Bewässerung . . . 945
41. 4 . . . Photosynthese sichtbar machen . . . 950

42. Wassermelder mit Handyalarm . . . 953
42. 1 . . . Hardware . . . 953
42. 2 . . . Push-Benachrichtigungen mit Pushover . . . 955
42. 3 . . . IFTTT . . . 958

43. Dicke Luft -- Feinstaubmessung und Innenluftqualität . . . 961
43. 1 . . . Was ist Feinstaub? . . . 961
43. 2 . . . Welcher Sensor kann PM10 und PM2. 5 messen und wie funktioniert das? . . . 962
43. 3 . . . Anschauliche Grafiken im Web . . . 966
43. 4 . . . Luftqualitätssensor für den Innenraum . . . 970

44. PXE-Boot: Ohne Speicherkarte vom NAS booten . . . 973
44. 1 . . . Das NAS-System vorbereiten . . . 973
44. 2 . . . Den Raspberry Pi und sein Betriebssystem vorbereiten . . . 977

TEIL VI. Raspberry Pi Pico . . . 985

45. Die Hardware . . . 987
45. 1 . . . Der Microcontroller RP2040 . . . 988
45. 2 . . . Platinenaufbau . . . 989

46. MicroPython-Programmierung . . . 995
46. 1 . . . Hello MicroPython! . . . 995
46. 2 . . . Programmiertechniken . . . 1002
46. 3 . . . Pico-Webserver . . . 1012

47. CO2-Ampel . . . 1019
47. 1 . . . Hardware . . . 1019
47. 2 . . . Software . . . 1022

48. Ultraschall-Entfernungsmessung . . . 1025
48. 1 . . . Ultraschallsensor anschließen und auswerten . . . 1025
48. 2 . . . Ultraschallampel . . . 1028

Index . . . 1031