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Raspberry Pi Plattform

Raspberry Pi: Mini-PC mit schier unbegrenzten Möglichkeiten

Im Bereich DIY-Elektronik erfreut sich ein Einplatinencomputer (Single Board Computer) besonders großer Beliebtheit: der Raspberry Pi. Ursprünglich wurde der kreditkartengroße Minirechner von der gleichnamigen Firma entwickelt, um Schülern und Studierenden den Umgang mit Hardware und Programmierung näherzubringen, da der Mini-Computer im Vergleich zu einem PC sehr einfach gebaut ist. Weit über seinen Bildungszweck hinaus hat der „Raspi“ längst Einzug in die Bastler-Szene und private Haushalte gehalten und gilt mittlerweile mit mehr als 10 Mio. verkauften Einheiten als Klassiker unter den Einplatinencomputern. Die Gründe für den Erfolg des Raspberry Pi liegen nicht zuletzt in seinen vielseitigen und spannenden Anwendungsmöglichkeiten, ob für eine einfache LED-Matrix, ein NAS (Network Attached Storage) oder ein Multimediacenter mit Betriebssystem – den Möglichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt. Des Weiteren ist der Raspi ein schneller Mikrocontroller, hat einen geringen Stromverbrauch und ist kostengünstig in der Anschaffung.

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Die Entwicklung bis zum Raspberry Pi 3 Model B

Die Anfänge des Raspberry Pi gehen auf das Jahr 2006 zurück. Die Raspberry Pi Foundation setzte sich dabei zum Ziel, mit der Entwicklung eines Mikrocontrollers mehr Interessenten für ein Studium der Informatik zu gewinnen. Im Jahr 2011 wurden die ersten Alpha-Boards geliefert und Anfang 2012 erschien schließlich die erste Version des Raspberry Pi auf dem Markt. Es folgten verschiedene Modelle wie beispielsweise das Modell B mit doppelter Arbeitsspeicherkapazität. Zu Beginn des Jahres 2015 war das Raspberry Pi 2 Modell B erhältlich, das über noch mehr Arbeitsspeicher und einen leistungsstärkeren Prozessor verfügt. 2016 erschien schließlich das Raspberry Pi 3 Model B mit einem deutlich schnelleren Prozessor sowie integriertem WLAN und Bluetooth-Unterstützung. Anfang 2017 soll das Raspberry Pi 3 Model A erscheinen.

Hardware des Raspi – technische Ausstattung

Die verschiedenen Raspberry Pi-Versionen verfügen bis auf ein paar Ausnahmen über dieselbe Bauweise. Jeder Mini-Rechner hat ein Ein-Chip-System mitsamt ARM-Mikroprozessor. Daneben besitzen alle Modelle den Grafikprozessor Broadcom Dual Core VideoCore IV sowie einen HDMI-Anschluss und ermöglichen damit eine Full-HD-Auflösung. Weitere Schnittstellen für die Steuerung anderer Systeme oder Schaltungen bestehen über die GPIOs (General Purpose Input Output). Über die typischen GPIO-Ein- und Ausgänge lassen sich digitale Signale von außen annehmen oder nach außen abgeben. Die GPIOs werden entweder als Lötpunkt oder als Pin herausgeführt.
Unterschiede hinsichtlich der Hardware liegen unter anderem darin, dass die A-Modelle im direkten Vergleich zu den B-Versionen lediglich 256 MB RAM sowie nur einen USB-Port und keine Ethernet-Schnittstelle besitzen. Dafür ist der Energieverbrauch ersterer um ein Drittel geringer als letzterer, wodurch ein Betrieb mit Solarzellen möglich ist. Hinsichtlich der Leistung hebt sich insbesondere die Version Raspberry Pi 3 Model B von ihren Vorgängern ab. Mit der neuesten Generation des QUAD Core Broadcom BCM2837 64bit ARMv8 Prozessors, Typ ARM Cortex-A53, ausgestattet, liefert sie eine Geschwindigkeit von 1,2 Ghz und ist damit um ein Zehnfaches schneller als der Raspi 1 und bis zu 60 % schneller als der Pi 2. Des Weiteren besitzt sie 1 GB RAM, ein integriertes WLAN und eine Bluetooth-Unterstützung.
2017 erscheint das Compute Module 3 – eine Raspberry Pi 3-Version im Speicherriegelformat für den industriellen Einsatz. Im Vergleich zum Pi 3 bietet das Module zusätzlich 4 GB eMMC Flash Storage.

Tabelle mit Modell-Vergleich (Bsp.: http://raspberrypiguide.de oder Wikipedia)

Betriebssysteme: Linux, Windows & mehr

Der Raspberry Pi verfügt nicht über dieselbe Hardware-Leistung wie ein heimischer PC, kann diesen aber nahezu ersetzen. Hierzu stehen verschiedene Open-Source-Betriebssysteme zur Verfügung. Aufgrund des geringen Speicherplatzes erfolgt die Installation entweder durch ein Image-Klonen auf eine SD-Karte oder über NOOBS („New out of the box Software“), mit dem die Dateien des Betriebssystems lediglich auf die SD-Karte kopiert werden. Anschließend bootet NOOBS und das Betriebssystem kann installiert werden. NOOBS ist ein Installationsmanager und vereinfacht die Installation eines Betriebssystems wie beispielsweise Raspbian auf dem Raspberry Pi. Die Auswahl an Betriebssystemen für den Raspi ist groß. Im Folgenden werden die wichtigsten Systeme vorgestellt.
Das Standard-Betriebssystem stellt Raspbian dar, das auf Linux-Debian basiert und kostenlos zum Download zur Verfügung steht. Der Raspbian-Desktop erinnert an Windows und bietet zahlreiche Programme, weitere Tools lassen sich gratis herunterladen. Der „Pi Store“ des Raspbian-Systems stellt einen Marktplatz zur Verfügung, unter anderem mit Office-Programmen und Media-Player. Linux-Versionen, die für ARM-Prozessoren kompiliert sind, stellen Arch Linux und CentOS dar, ebenso wie Pidora, eine Version von Fedora. Weitere Linux-Systeme für den Raspberry Pi sind Gentoo Linux, Manjaro Linux und Kali Linux. Auch Ubuntu kann auf dem Raspberry Pi 2 und 3 installiert werden – allerdings nicht auf der ersten Pi-Generation, da das System keine ARMv6-Architektur unterstützt.
Neben den Linux-Systemen ist auch die Installation von Windows möglich. Während dies bei Windows 8 nicht möglich war, da es mindestens 1 GB Arbeitsspeicher erfordert, ist Windows 10 lauffähig, und zwar für Teilnehmer des Entwicklerprogramms für Internet of Things (IoT). Allerdings handelt es sich um eine Small-Device-Variante, die mit den klassischen Desktop-Anwendungen nicht kompatibel ist. Weitere Betriebssysteme, die nicht auf Linux basieren, sind die BSD-Varianten FreeBSD und NetBSD sowie RISC OS 5 und Razdroid, die Android-Version für den Raspberry Pi. Die Liste an Betriebssystemen für den Raspi ist groß und lässt sich endlos fortführen. Letztlich ist für den Anwender entscheidend, welches Betriebssystem sich für die eigenen Einsatzbereiche besser oder schlechter eignet.
Übersicht der wichtigsten Linux-Betriebssysteme:

  • Raspbian (Standard-Betriebssystem auf Basis des Debian 8)
  • Arch Linux (i686- und AMD64-optimierte Version mit Softwareupdates)
  • Pidora (Version von Fedora)
  • Gentoo Linux (für fortgeschrittene Anwender)
  • Maniaro Linux (Betriebssystem mit eigenem Installationsprogramm auf Arch Linux-Basis)
  • Kali Linux (Nachfolger der Security-Distribution BackTrack)
  • Ubuntu (für das Raspberry Pi 2 und 3)
  • CentOS (beliebte Linux-Version neben Debain und Ubuntu)
  • OSMC (Kodi- bzw. XBMC-Mediacenter)

Weitere Betriebssysteme:

  • Windows 10 IoT (Small Device-Variante)
  • FreeBSD (BSD-Betriebssystem, Unix-Derivat)
  • NetBSD (BSD-Betriebssystem, Unix-Derivat)
  • RISC OS 5 (Entwicklerversion)
  • Razdroid (Android-Version)
  • u. v. m.

Anwendungsbeispiel 1: Mediacenter

Die Anwendungsmöglichkeiten des Raspberry Pi sind nahezu unbegrenzt. Mit dem passenden Modul entwickelt man seine eigene Spielkonsole, Kamera oder LED-Matrix. Ein besonders beliebter Bereich des Raspi ist seine Verwendung als Mediacenter, für die er geradezu prädestiniert ist. Wer beispielsweise keinen Smartfernseher besitzt, aber sein TV-Gerät internet- und multimediafähig machen möchte, kann dieses mit dem Raspberry Pi kostengünstig aufrüsten. Das Betriebssystem OSMC (früher Raspbmc) ist beispielsweise speziell auf diese Anwendung zugeschnitten und liefert ein vollwertiges Kodi- bzw. XBMC-Mediacenter. XBMC (Xbox Media Center) wurde für die Spielekonsole Xbox als Mediacenter entwickelt. Um sich von der Konsole rechtlich zu lösen, wurde die XBMC-Version 14 in Kodi umbenannt. Es lässt sich kostenfrei herunterladen und einfach auf eine SD-Karte übertragen, wobei für die Installation ein schneller USB-Stick zu empfehlen ist. Da die Abspielsoftware in der aktuellsten Version nachgeladen wird, ist eine Verbindung via LAN-Kabel ebenfalls zu empfehlen. Nach der Installation erscheint schließlich der Media-Player via HDMI-Schnittstelle auf dem Fernseher in Full-HD-Auflösung. Die kostenlose App Official XBMC Remote bzw. Official Kodi Remote ermöglicht die Fernbedienung über Android- und iOS-Smartphones.

Anwendungsbeispiel 2: Network Attached Storage

Ein weiteres Gebiet, auf dem sich der Raspberry Pi großer Beliebtheit erfreut, ist sein Einsatz als NAS (Network Attached Storage). Ein NAS-System ist ein Dateiserver in einem Netzwerk, allerdings ist es noch kostspielig in der Anschaffung und hat einen erhöhten Stromverbrauch. Der Raspi stellt hierzu eine optimale Alternative dar. Auf der einen Seite ermöglicht er einen Zugriff auf Videos, Fotos und Musikdateien, obwohl der Datentransfer auf etwa 10 MB/s beschränkt ist. Die Unterstützung gängiger Übertragungsprotokolle oder die klassische Netzwerkfreigabe erlaubt den Zugriff von fast jedem Gerät in der Wohnung aus. Auf der anderen Seite überzeugt der Raspberry Pi für die NAS-Anwendung mit seinem geringen Stromverbrauch. Während übliche Netzwerkspeicher teilweise über 50 Watt benötigen, verbraucht der Mini-PC lediglich 2,5-3,5 Watt und für eine eventuelle externe USB-Festplatte zusätzlich 2-8 Watt.

Anwendungsbeispiel 3: Internet of Things

Im DIY-Bereich bekommt eine spezielle Bewegung zunehmende Aufmerksamkeit und Bedeutung: Internet of Things (IoT). Hierbei handelt es sich um Gegenstände, die den Menschen bei unterschiedlichen Tätigkeiten unterstützen sollen und Informationen aus der realen Welt in die virtuelle übertragen. IoT-Geräte können auch über das Internet angesprochen und gesteuert werden. Auch hier sind den Möglichkeiten keine Grenzen gesetzt. Als Beispiel sei ein Bürostuhl genannt, der das Sitzverhalten des Anwenders analysiert und über ein Netzwerk auswertet, um optimale Einstellungen am Stuhl in die Wege zu leiten. Die eingebetteten Computer der Internet of Things werden immer kleiner, um den Menschen bei seiner Tätigkeit nicht zu stören. Der Raspberry Pi als Mikrocontroller eignet sich daher ideal für IoT-Anwendungen, ob als Temperatursensor oder Lichtsteuerung im Smart Home-Bereich.
Weitere spannende Raspberry-Pi-Projekte:

  • Arcade-Automat im Miniaturformat
  • Desktop mit externen Displays wie TV oder Monitor
  • Raumüberwachungsstation mit freier Software
  • Heizungssteuerung
  • Wetterstation
  • Garagentor-Öffner via Smartphone-Steuerung
  • VPN-Server für abhörsichere Verbindung
  • TOR-Netzwerk für anonyme Internetverbindung
  • u. v. m.

Was brauche ich für den Einstieg?

Für den Einstieg in die Welt des Raspberry Pi werden für den Betrieb neben dem Mikrocontroller selbst ein paar weitere Kleinigkeiten benötigt. Essenziell ist zunächst einmal die Stromversorgung: Für den Micro-USB-Anschluss ist ein entsprechendes Kabel mit passendem USB-Netzteil erforderlich. Eine Stromversorgung von mindestens 1.000 mA ist notwendig – für die Raspberry Pis 2 und 3 wird ein Netzteil für 2.000 mA empfohlen. Ebenfalls von großer Bedeutung ist eine Speicherkarte, da der Mikrocontroller nicht von einer Festplatte oder einem USB-Stick gestartet werden kann. Die verschiedenen Modelle verfügen über einen SD- oder microSD-Speicherkartenslot. Je nach Modell und Betriebssystem beträgt die minimale Speicherplatzgröße zwischen 2 und 6 GB. Für die Internetverbindung des Model A ist ein WLAN-Stick erforderlich, während die Modelle B und B+ auch über ein Ethernet-Kabel verbunden werden können. Das Raspberry Pi 3 verfügt über ein integriertes WLAN.

Essenziell für den Einstieg

  • microUSB-Kabel + Netzteil (mind. 1.000 mA, für Pi 2 und 3: 2.000 mA)
  • SD-Karte (je nach Modell mind. 2-6 GB, empfohlen: 8 GB)
  • WLAN-Stick (Modell A) oder Ethernet-Kabel (Modell B) – im Pi 3 bereits integriert
Nicht zwingend notwendig, aber für den Einstieg zu empfehlen, ist ein HDMI-Kabel, zum Beispiel für die Mediacenter-Anwendung. Des Weiteren stehen für das Raspi schicke Gehäuse in verschiedenen Farben und Formen zur Auswahl. Weiterhin sind Kühlkörper empfehlenswert, sofern der Raspberry Pi für eine längere Zeit laufen soll, um die Chips vor Überhitzung zu schützen. Die Kühlkörper sind einzeln oder in Kombination mit einem Gehäuse erhältlich. Darüber hinaus sind ebenfalls von Vorteil: ein Breadboard für den Aufbau und flexiblen Wechsel von Schaltungen, verschiedene LEDs für die Ampelschaltung und entsprechende Widerstände.

Zu empfehlen für Anfänger

  • HDMI-Kabel (z. B. für Mediacenter)
  • Gehäuse (nach Bedarf mit Kühlkörper)
  • Breadboard (Aufbau und Wechsel von Schaltungen)
  • Verschiedene LEDs (für Ampelschaltung)
  • Auswahl an Widerständen

Ideal für Anfänger eignen sich Starter-Kits. Zum Beispiel gibt es für das Raspberry Pi 3 Model B ein Starter-Kit, das neben dem Raspi ein offizielles Gehäuse, Netzteil und HDMI-Kabel umfasst, ebenso wie eine 8 GB NOOBS SD-Karte, eine optische Maus mitsamt Tastatur und ein passendes Einstiegsbuch für die Programmierung.

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