Der Einplatinen-PC Raspberry Pi erweist sich als Multitalent, das sich gleichermaßen zum Regeln und Steuern wie als kleiner Server eignet.

Vor allem, um günstige Computertechnik in die Hände technisch interessierter Jugendlicher zu geben, rief in Großbritannien ein engagiertes Team um den Ingenieur Eben Upton im Rahmen einer Stiftung ein Projekt namens Raspberry Pi ins Leben [1]. Das erklärte Ziel lautete, einen scheckkartengroßen Einplatinencomputer zu entwickeln und diesen – kompatibel zum oft schmalen Taschengeld der Zielgruppe – auf den Markt zu bringen (siehe Kasten “Historie”).

Wen das an die Zeit des Home-Computers erinnert, der liegt nicht vollkommen falsch: Die Gründer wünschten sich ausdrücklich die Wiederbesiedelung von Hobbyräumen, Jugendkellern und Klassenzimmern im Geiste jener Generation, die mit Atari 400/800, ZX80/81 oder VC20/C64 aufgewachsen war.

Ein halbes Jahr nach dem Erscheinen der ersten Serie, die rund 10?000 Stück umfasste, und bei einem Auslieferungsstand von rund 500?000 Stück bietet es sich ab, Nachschau zu halten: Wie weit ist das Projekt gediehen, welche Möglichkeiten bietet die Hardware, was geht und was (noch) nicht. Dieser Artikel gibt anhand von drei Beispielen eine Übersicht, was dieser Winzling vermag.

Einkaufliste

Ursprünglich hatten die Designer zwei Modelle A und B konzipiert, die sich im Wesentlichen nur in der Anzahl der USB-Ports (einer oder zwei), der Verfügbarkeit eines Ethernet-Ports und natürlich im Preis (25/35 US-Dollar) unterschieden. Tatsächlich steht zur Zeit aber nur Modell B zur Auswahl.

Um den Raspberry Pi, kurz Raspi, in Betrieb zu nehmen, gilt es einen Einkaufsliste für die Basiskomponenten zusammenzustellen. Weitere Tipps für den erweiterten Betrieb finden sich im Netz ([2],[3]). Das eigentlichen Board haben derzeit nur zwei weltweit operierende Distributoren im Programm ([4],[5]). Waren im Frühjahr 2012 noch Lieferzeiten von einigen Monaten nicht ungewöhnlich, so betragen sie jetzt in der Regel höchstens wenige Wochen.

Neben dem Board benötigen Sie ein USB-(Stecker-)Netzteil nicht unter 700 mA. Möchten Sie zusätzliche Hardware mitversorgen, empfiehlt es sich, von mindestens 1 Ampere auszugehen. Als Massenspeicher brauchen Sie eine SD(HC)-Karte mit mindestens 2, besser aber 4 GByte Kapazität. Je nach Einsatzzweck kann auch das noch nicht ausreichen. Da auf der SD-Karte das System untergebracht ist, empfiehlt es sich, eine Karte mit möglichst hoher Geschwindigkeit beim Lesen und Schreiben zu wählen.

Für den drahtlosen Zugang bietet sich ein WLAN-Adapter in Form eines USB-Sticks an. Dieser erweist sich in der Praxis aber als ein schwer einzuschätzender, wohl aber signifikanter Stromverbraucher. Die oberste Priorität gilt aber der Treiberunterstützung und einem schlanken Design, um den zweiten USB-Port nicht zu blockieren. Mit Blick auf die wenigen USB-Ports lohnt es sich, in eine Funktastatur und eine ebenso angeschlossene Maus zu investieren. Das erspart zusätzlich dem – meist knapp bemessenen – USB-Netzteil unnötige Last.

Neben diesen Teilen benötigen Sie noch, ja nach angepeiltem Einsatzzweck, diverse Kabel wie HDMI oder Ethernet. In Bezug auf das HDMI-Kabel gilt: Je kürzer desto besser. Sie haben zwar die Möglichkeit, bei Pixelfehlern die Leistung der Leitungstreiber zu erhöhen, aber das kostet zusätzlichen Strom. Wer Musik hören will oder Filme schaut, benötigt außerdem Kopfhörer oder Boxen.

Für das Expansions-Board im Selbstbau fallen die folgenden Teile an: Die ICs LM75 als Temperatursensor und MAX3232CPE inklusive vier 0.47µF Elkos als Pegelwandler für die serielle Schnittstelle (UART), dazu einen 9-poligen D-Sub-Stecker oder eine Buchse zur Printmontage sowie das Schnittstellenkabel. Hinzu kommen zwei LEDs in verschiedener Farbe, zum Beispiel rot und grün, mit jeweils einem 22-Ohm-Vorwiderstand und einem NPN-Kleinsignaltransistor (etwa BC237) als Treiber sowie zwei Pullup-Widerstände mit 10 kOhm für den I2C-Bus. Diverses Kleinmaterial, wie Lochrasterplatte, Steckerleiste, Flachbandkabel und Blockkondensatoren, dienen als Grundlage.

Erste Schritte

Im ersten halben Jahr seit Erscheinen des Raspberry Pi hat sich in Sachen Aufsetzen eines lauffähigen Systems enorm viel bewegt. Wer trotzdem auf Schwierigkeiten stößt, dem sei als Anlaufstelle im Web Elinux.org [6] für Hilfe und weitere Information empfohlen.

Verglichen mit den Anfängen im Frühjahr dieses Jahres erscheint die Installation der in diesem Workshop eingesetzten, auf Debian basierenden und von der Raspberry Pi Foundation empfohlenen Distribution Raspbian “Wheezy” [7] fast schon von kinderleicht, weil übersichtlich und menügeführt.

Laden Sie als erstes die Image-Datei von Raspbian “Wheezy” herunter. Es handelt ein fertiges Systemabbild, bestehend aus einer etwa 60 MByte großen Boot-Partition und einem Root-Filesystem mit rund 2 GByte. Packen Sie die Datei aus und spielen Sie sie mit dem folgenden Befehl auf eine SD-Card auf:

$ sudo dd bs=1M if=2012-08-16-wheezy-raspbian.img of=SD-Card-Gerätedatei

Nun stecken Sie am Raspberry Pi SD-Card, Tastatur, Maus und Monitor an und booten durch Einstecken ans USB-Netzteil. Es erscheint das Konfigurationsmenü, in dem Sie am besten gleich über die Menüpunkte configure-keyboard und change_locale auf die deutsche Tastatur und Sprache umstellen – ansonsten kommen Sie spätestens bei der Eingabe der Login-Daten in Schleudern. Der voreingestellte Benutzername lautet pi, das Passwort raspberry.

Andere sinnvolle Menüpunkte, wie change_timezone zum Einstellen der richtigen Zeitzone, ssh zum Aktivieren des sicheren Zugangs zum Terminal via Netzwerk sowie expand_rootfs, um das Root-Filesystem von 2 GByte auf die tatsächlichen Größe der SD-Card auszuweiten, kommen je nach Bedarf zum Einsatz. Am Schluss aktualisieren Sie das System in Debian-typischer Art:

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get upgrade

Sie haben die Möglichkeit, das Tool zum Konfigurieren mit sudo raspi-config später wieder zu starten. Das ergibt aber nur dann Sinn, wenn Sie keine tiefgreifenden Änderungen am System an dem Tool vorbei vorgenommen haben.

Desktop und Multimedia

Mit startx gelangen Sie auf den für schlanke Systeme optimierten grafischen Desktop LXDE. Den ultimativen Test für die Hardware stellt sicher das Abspielen eines HD-Videos dar. Die üblichen Abspielprogramme eignen sich dazu aber nicht, denn die GPU auf dem Board ist auf das Dekodieren von Audio- und Video-Daten optimiert. Dementsprechend benötigen Sie einen Player, der die Broadcom-eigene Programmbibliothek (zu finden unter /opt/vc) verwendet. Das tut derzeit nur das bereits installierte Kommandozeilenprogramm omxplayer [8].

Falls die Möglichkeit besteht, mounten Sie einfach das Verzeichnis mit den Dateien über das Netzwerk. Den schnelleren Zugang zur Videosammlung bietet NFS, unkomplizierter geht es per SSHFS. Die entsprechenden Pakete installieren Sie wie in Listing 1 gezeigt. Mit dem Befehl omxplayer Datei starten Sie die dann die Wiedergabe.

$ sudo apt-get sshfs
$ sudo adduser pi fuse
$ mkdir myVideos
$ sshfs User@Host:/Verzeichnis myVideos

Nach einem kurzen Räuspern im Ton mit entsprechendem Schluckauf im Bild spielte die Software im Test HD-Video im Format 720p mit einer Audiospur in 5.1 Dolby-Digital – natürlich auf Zwei-Kanal-Ton heruntergemischt – ohne Ruckeln ab. Das war’s dann aber schon mit der Bedienbarkeit des recht spartanischen Omxplayers. Immerhin demonstriert das Programm beeindruckend die Fähigkeit beim Dekodieren von Audio und Video, mehr aber eben auch nicht. Zwei weitere Wermutstropfen gibt es: Bei der erwähnte Video-Library handelt es sich nicht um offene Software, und für die Formate MPEG-2 und VC-1 müssen Sie Lizenzen erwerben.

Erfreulich niedrig fällt der Energieverbrauch aus: Selbst beim rechenintensiven Übertragen übers Netzwerk beträgt die mittlere Anschlussleistung beim Abspielen des genannten HD-Videoformats nur 3,8 Watt – also alles im grünen Bereich. Wesentlich zur Last bei CPU und Speicher tragen die Programme Omxplayer, SSH und SSHFS bei, wobei der Player den größeren Brocken für sich beansprucht. Möchten Sie allerdings HD-Videos mit 1080i oder 1080p abspielen, lohnt es sich, das Netzlaufwerk per NFS anzuschließen.

Eingebettetes System

Für die zwei folgenden Anwendungsbeispiele genügt es, den Raspberry Pi als vernetztes Embedded-System – ohne Tastatur, Maus oder Monitor, dafür aber mit LAN/WLAN Zugang – zu verwenden. Bei einem solchen System haben Sie die Möglichkeit, die Meldungen beim Start über ein Terminal an der seriellen Schnittstelle mitzulesen.

Liegt zusätzlich ein Fehler in der Konfiguration des Netzwerks vor, bleibt nur dieser Weg offen, um sich ins System einzuloggen und den Fehler zu korrigieren. Daher ist es dringend angeraten, diese Schnittstelle zu aktivieren (siehe Kasten “Serielle Schnittstelle aktivieren”). Der Zugang per SSH übers Netzwerk sollte aber immer die erste Wahl bleiben, der Zugriff über die serielle Schnittstelle dient nur als Hintertür für den Notfall.

Abbildung 1: Zwischen TV-Ausgang und SD-Card finden Sie die Stiftleiste, auf der die Platine unter anderem die TXD- und RXD-Signale einer seriellen Verbindung bereitstellt.

Der nächste Schritt zum Aufbau des Embedded-Systems stellt das Verbinden mit dem Netzwerk dar, im Beispiel via WLAN. Die Standardinstallation von Raspbian enthält bereits die Firmware-Pakete von populären WLAN-Sticks sowie das Clientprogramm Wpa_supplicant. Um zu kontrollieren, ob der WLAN-Stick aktiv ist, stecken Sie die Hardware an und suchen nach einer entsprechenden Meldung des Kernels im Syslog.

Nun steht nur noch das Einrichten von Wpa_supplicant für den Zugriff auf einen Access Point an. Im einfachsten Fall, also in einem Netzwerk mit DHCP-Server im Router, besorgen Sie sich die wesentlichen Basisdaten aus dem Report von iwlist scanning. Dann passen die Konfigurationsdatei /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf entsprechend Listing 2 und /etc/network/interfaces entsprechend Listing 3 an. Schließlich nehmen Sie die Verbindung mittels sudo ifup wlan0 in Betrieb.

ctrl_interface=/var/run/wpa_supplicant
eapol_version=1
ap_scan=1
network={
  ssid="(E)SSID"
  scan_ssid=1
  proto=WPA (oder RSN für WPA2)
  key_mgmt=WPA-PSK
  pairwise=TKIP oder CCMP
  group=TKIP oder CCMP
  psk="Schlüssel"
}

auto wlan0
iface wlan0 inet dhcp
wpa-conf /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

Energieeffizienz

Es geht aber auch anders herum: Der Raspberry Pi kann selbst als Access Point dienen (Abbildung 2). Dabei leitet er den kompletten Funkverkehr über den WLAN-Stick direkt an den LAN-Port weiter – quasi als Brücke. Deshalb heißt diese Arbeitsweise “bridged mode”. So vergrößern Sie die Reichweite eines bestehenden Netzwerks.

Abbildung 2: Der Raspberry Pi beim Betrieb als Access Point mit lediglich 3,5 Watt Stromverbrauch.

Die Konfiguration teilt sich in zwei Schritte. Im ersten stellen Sie den unmittelbaren WLAN-Zugang über den Daemon hostapd bereit. Allerdings sei darauf hingewiesen, dass Hostapd nicht uneingeschränkt mit allen WLAN-Sticks zusammenarbeitet. Im Zweifel hilft ein Blick ins Web bei der Recherche nach geeigneter Hardware [9]. Im zweiten Schritt konfigurieren Sie dann das Weiterleiten der Pakete zwischen den beiden Schnittstellen. Die Installation der notwendigen Pakete erledigen Sie mit

$ sudo apt-get install hostapd bridge-utils

Das Konfigurieren des WLAN Access Points erfolgt in drei Schritten: Zuerst tragen Sie in /etc/default/hostap die folgende Zeile ein:

DAEMON_CONF=/etc/hostapd/hostapd.conf

Dann erhält die Datei /etc/hostapd/hostapd.conf den Inhalt aus Listing 4, den Sie gegebenenfalls an die lokalen Verhältnisse anpassen. Eine Beispielkonfiguration für die Datei /etc/network/interfaces finden Sie in Listing 5. Das Listing 6 zeigt, wie Sie Access Point und Netzwerkbrücke starten.

ctrl_interface=/var/run/hostapd
ctrl_interface_group=0
driver=<$$I>nl80211<$$I> # je nach Treiberunterstützung
macaddr_acl=0
auth_algs=3
ignore_broadcast_ssid=0
wpa=2      # für WPA2 mit PSK
wpa_key_mgmt=WPA-PSK
rsn_preauth=1
rsn_preauth_interfaces=wlan0
rsn_pairwise=CCMP
wpa_passphrase=Passwort
interface=wlan0
hw_mode=g
channel=11 # freier oder schwacher Funkkanal
ssid=(E)SSID

auto wlan0
iface wlan0 inet static
address 192.168.128.1
netmask 255.255.255.0
broadcast 192.168.128.255

$ sudo service hostapd start
$ sudo brctl addbr myBridge
$ sudo brctl addif myBridge eth0
$ sudo brctl addif myBridge wlan0
$ sudo ifconfig myBridge up

Der Stromverbrauch ist natürlich bei LAN-Betrieb am geringsten. Aber auch beim Einsatz im WLAN – unabhängig, ob als Client oder Access Point, aber abhängig von der Entfernung zwischen den Funkpartnern und dem übertragenen Datenvolumen – schwankte der Verbrauch im Test beim WLAN-Betrieb zwischen 3,3 und 3,8 Watt, beim LAN-Betrieb lag er bei 2,9 Watt. Waren beide Schnittstellen aktiv, lag der Wert zwischen 3,5 und 4 Watt.

Steuern

Neben dem Einsatz als flexibler Access Point eignet sich der Raspberry Pi ausgezeichnet als einfacher Prozessrechner. Im folgenden Beispiel misst er zyklisch die Temperatur der Umgebung über einen Sensor und signalisiert das Ergebnis abhängig vom Wert optisch über zwei LEDs. Über 25 Grad Celsius leuchtet die rote LED, unter 22 Grad Celsius die grüne, im Bereich dazwischen beide (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Raspberry Pi mit Expansions-Board als Temperaturwächter – hier bei einer Temperatur von unter 22 Grad Celsius. Das Sensor-IC LM75 ragt an vier Drähten über das Board hinaus. Bei dem DIL-IC mit 16 Pins handelt es sich um den RS232-Pegelwandler MAX3232CPE.

Als Temperatursensor kommt der weit verbreitete Baustein LM75 zum Einsatz, den Sie über den I2C-Bus anschließen. Die beiden LEDs steuert der Rechner über zwei GPIO-Pins und eine Transistorstufe an. Die elektronische Schaltung gestaltet sich recht einfach – bei Bedarf finden Sie im Web eine Vorlage zu diesem Thema.

Tatsächlich verfügt das SoC über zwei Master-Schnittstellen am I2C-Bus, deren Output sich auch im Syslog wiederfinden. Auf der zweireihigen Stiftleiste (P1-03 und P1-05) steht aber nur eine der beiden bereit – die mit der Bus-ID 0. Sie aktiviert den I2C-Bus durch Laden der beiden Treiber i2c-bcm2708 und i2c-dev.

Dazu entfernen Sie ersteren aus der Liste der nicht zu ladenden Treiber in /etc/modprobe.d/raspi-blacklist.conf. Den zweiten Treiber, der die Schnittstelle im Geräteverzeichnis /dev anlegt, tragen Sie in /etc/modules ein. Spätestens beim nächsten Neustart ist der Bus aktiv. Ohne Neustart geht es mit dem Kommando modprobe i2c-bcm2708 i2c-dev.

Damit Sie die Möglichkeit haben, als normaler User am I2C-Bus Transaktionen vorzunehmen, gilt es noch die zugehörigen Werkzeuge zu installieren und die Rechte für die Gruppen zu setzen:

$ sudo apt-get install i2c-tools
$ sudo addgroup pi i2c

An welchen Adressen Sie die Bausteine finden, erfahren Sie durch die Werte in der Ausgabe von i2cdetect -y 0. Je nachdem, wie Sie die drei Adress-Pins des LM75 angeschlossen haben, taucht in der Ausgabe genau ein Wert im hexadezimalen Zahlenbereich 0x48 bis 0x4F auf. Das 2-Byte-Temperaturwort des LM75 lesen Sie dann an der Registeradresse 0 mit folgendem Befehl aus:

$ i2cget -y 0 I2C-Busaddresse Registeradresse w

Beim Umwandeln des kryptischen Rückgabewerts (Beispiel: 0x8015) in den entsprechenden Temperaturwert hilft dann das Datenblatt des Bausteins.

Als Software-Umgebung für den Prozessrechner eignet sich Python, da für den Raspberry Pi bereits Klassenbibliotheken für den Zugriff auf den I2C-Bus und die GPIO-Pins existieren. Darüber hinaus handelt es sich bei Python um eine weit verbreitete Programmiersprache mit einer großen Community. Für dieses Beispiel kamen zwei Bibliotheken zum Einsatz ([10],[11]). Listing 7 zeigt die Installation der notwendigen Pakete und der Bibliotheken.

$ sudo apt-get install git python3 python-pip python-virtualenv
$ git clone https://github.com/quick2wire/quick2wire-gpio-admin.git
$ git clone https://github.com/quick2wire/quick2wire-python-api.git
$ cd quick2wire-gpio-admin
$ make
$ sudo make install
$ sudo adduser pi gpio
$ virtualenv TEMPCONTROL
$ source TEMPCONTROL/bin/activate
$ cd quick2wire-python-api
$ sudo python3 setup.py install

Das eigentliche Programm fällt sehr einfach aus (Listing 8): In einem Zyklus von fünf Sekunden liest es den Sensorwert aus (Zeile 15) und wandelt diesen in den Temperaturwert um (Zeile 16). Anschließend schaltet es die beiden LEDs entsprechend.

#!/usr/bin/env python3
import quick2wire.i2c as i2c
import time
from quick2wire.gpio import Pin, exported
busaddr = 0x48
regaddr = 0x00
redLED = Pin(16, Pin.Out)
greenLED = Pin(18, Pin.Out)
with exported(Pin(16, Pin.Out)) as redLED, \
    exported(Pin(18, Pin.Out)) as greenLED, \
    i2c.I2CMaster() as bus:
  while True:
    temp_hib, temp_lob = bus.transaction(i2c.writing_bytes(busaddr, regaddr),i2c.reading(address, 2))[0]
    temp = (temp_hib << 1 | temp_lob >> 7) / 2.
    if temp > 25:
      redLED.value = 1
      greenLED.value = 0
    elif temp < 22:
      redLED.value = 0
      greenLED.value = 1
    else:
      redLED.value = 1
      greenLED.value = 1
    print ("%02.01f" % temp)
    redLED.value = 0
    greenLED.value = 0
    time.sleep(5)

Etwas verwirrend fällt die unterschiedliche Bezeichnung der GPIO-Pins aus. So sind die rote und die grüne LED laut Stiftleistenbild an GPIO23/GPIO24, aber auch an P1-16/P1-18 angeschlossen. Die erste Bezeichnung entspricht der BCM2835-Dokumentation und den Werten aus dem Kernel. Die verwendeten Python-Bibliotheken jedoch halten sich an die zweite Nomenklatur.

Versehen Sie das Skript mit entsprechenden Rechten zum Ausführen. Nach dem Start gibt es laufend, mit jedem Aktualisieren der LEDs, die gemessenen Werte auf der Konsole aus.

Fazit

Das Offensichtliche gleich vornweg: Beim Raspberry Pi handelt es sich nicht um ein Desktop-System. Wem der Umgang mit Konsole und Terminal zu ungewohnt und kryptisch erscheinen mag, der sollte anfangs mit dem Desktop beginnen, aber das Arbeiten mit der Kommandozeile als Ziel im Auge haben.

Der Einsatz als energiesparender PC im Multimedia-Einsatz wurde dem Winzling praktisch in die Wiege gelegt, eindeutig ist die Positionierung im Embedded-Bereich. Die Hardware eignet sich bestens als Server, Prozessrechner oder zum Steuern für nicht zu leistungshungrige Aufgaben im Hobbybereich.

Die Ausstattung genügt, um die notwendige Peripherie anzuschließen, und die Stiftleiste fordert geradezu dazu auf, sich zusätzliche Funktionen nach eigenen Bedürfnissen zusammenzustellen. Auch gibt es vernünftig abgestimmte Linux-Distributionen, die dem Einsteiger die ersten Schritte erleichtern.

Das ursprüngliche Ziel, Computertechnik für Interessierte – vor allem Jugendliche – (be-)greifbar zu machen, haben die Entwickler jedenfalls erreicht. Der Winter naht, und das neue Schuljahr hat begonnen. Für das nächste Projekt im Hobbykeller oder EDV-Unterricht, bei dem mal was blinkt, rattert oder sich bewegt, kann man den Raspberry Pi nur wärmstens empfehlen.