Exotische Projekte rund um den Raspberry Pi

Über den rein akademischen und didaktischen Bereich hinaus fand der Raspberry Pi seit seiner Vorstellung vor zwei Jahren schnell eine riesige Fan-Gemeinde. Für Elektronikbastler und Linux-Anwender stellt das Gerät genau das passende Puzzleteil für die Realisierung eigener Projekte dar. Über Breakout- Boards, welche die Pins des Raspberry Pi auf eine separate, bestückbare Platine herausführen, lassen sich auch ambitionierte Vorhaben umsetzen. Dort, wo ein ausgewachsenes Betriebssystem mit mehreren Programmiersprachen und Bildschirmausgabe gebraucht wird und ein programmierbarer Mikro-Controller wie der ebenfalls sehr erfolgreiche Arduino mit ihren Möglichkeiten eine Spur zu karg wären, hat sich der Raspberry Pi eine Nische erobert und eine echte Mini-PC-Revolution ausgelöst. Neben den bekannten Verwendungsmöglichkeiten als Player und winziger Linux-Server haben findige Bastler und Elektronikspezialisten geniale, kuriose oder schlicht extreme und abgehobene Einsatzbereiche gefunden.

USB-Scanner: Netzwerkfähigkeit ergänzen

Scanner mit Netzwerkanschluss für die automatisierte Zustellung digitalisierter Dokumente an eine Mailadresse oder an Ordner auf einem zentralen Server sind nicht günstig. Diese „Push-Scanner“ sind für den Einsatz in Großraumbüros gedacht und rangieren in der Preisklasse ab 1000 Euro. Für den Hausgebrauch und für kleinere Büros ist das zu viel.

©Eduardo Luís (http://eduardoluis.com)

Mit einem Raspberry Pi als Scanner-Server können auch gewöhnliche USB-Scanner mit Netzwerkfähigkeiten nachgerüstet werden, wie ein Selbstbauprojekt von Eduardo Luís zeigt. Auf seiner Webseite skizziert er den Aufbau seiner Scanner-Umrüstung, inklusive Pin-Belegung und den verwendeten Scripts in BASH und Python, um einen Scanner an den Raspberry Pi anzuschließen und einen Scan per Knopfdruck an eine E-Mail-Adresse zu schicken. Der verwendete USB-Scanner muss mit dem Backend „Sane“ kompatibel sein, das unter Linux für die Ansteuerung von Scannern zum Einsatz kommt und damit auch für den Raspberry Pi relevant ist. Als Distribution verwendet dieses Projekt den Debian-Ableger Raspbian . Das eingescannte Bild wird mit Imagemagick konvertiert und mit Sendmail an eine Mailadresse verschickt, wobei sich die BASH- und Python-Scripts auch so anpassen lassen, dass ein Scan stattdessen über SSH in ein Verzeichnis auf einem Server im lokalen Netzwerk oder im Internet kopiert wird. Damit die Scripts auf dem Raspberry Pi automatisch nach der Betätigung der separaten Scan-Taste aktiv werden, ist nur eine Ansteuerung einer der Pins auf der Platine nötig, Modifikationen am Scanner selbst entfallen.

Die besten Verwendungsmöglichkeiten für den Raspberry Pi

©http://brewpi.com

Brew Pi: Automatisiert Bier brauen

Ein ausgefallenes Projekt, das mit Hilfe des Raspberry Pi realisiert wurde, ist die Brau- Vorrichtung Brew Pi: Es handelt sich um einen Aufbau, um für den Eigenbedarf Bier zu brauen und dabei den Fermentierungsprozess in einer streng temperaturgeregelten Umgebung auf 0,1 Grad genau zu kontrollieren. Brew Pi besteht aus einer Kombination von einem Arduino-Mikro-Controller, einem Raspberry Pi und mehreren Sensoren. Der Braubehälter befindet sich in einem modifizierten Kühlschrank mit regelbarer Temperatur. Ein LCD gibt die aktuellen Temperaturen aus, die zur Auswertung auch aufgezeichnet werden. Der Raspberry Pi dient hier als Kommandozentrale, zur Aufzeichnung der Logfiles und zur Ausgabe des Fortschritts über einen Webserver, währen der Arduino die Temperatursensoren ausliest und Heizung sowie Kühlaggregat steuert. Die Temperaturkontrolle läuft unabhängig nur auf dem Arduino, während der Raspberry Pi zur Änderung und Überwachung des Brauvorgangs dient. Auf https://brewpi.com haben die Hobby-Braumeister hinter dem Projekt einen Webshop für Boards zum Raspberry Pi und Arduino aufgemacht. Ein englischsprachiges Wiki unter http://wiki.brewpi.com liefert dazu Teilelisten, Anleitungen mit Bauplänen und Vorschläge von erfolgreichen Anwendern, die ihre Brew- Pi-Setups vorstellen. Der komplette Aufbau erfordert die Modifikation eines Kühlschranks zum Heizen und Kühlen eines Braubehälters, und dies ist der anspruchsvollste Teil des Projekts.

©Dexter Industries

Brick Pi Schnittstelle zu Lego Mindstorms

Mit Mindstorms hat Lego eine Produktserie im Programm, die einen spielerischen Einstieg in das Thema Robotik ermöglicht. Diese Lego-Bausätze bestehen aus Lego-Bausteinen, einem programmierbaren Controller, an den Sensoren und Motoren angeschlossen werden, sowie einer Entwicklungsumgebung für Windows und Mac-OS zur Programmierung über ein visuelles Menüsystem. Lego pflegt Mindstorms seit zehn Jahren und stellte im letzten Jahr vor dem Weihnachtsgeschäft mit EV3 die dritte Generation des Baukastensystems vor.

Der Raspberry Pi wird mit dem Zusatzboard Brick Pi zu einem mächtigen, inoffiziellen Ersatz für den Controller von Lego. Brick Pi wurde von der kleinen US-Firma Dexter Industries nach einer erfolgreichen Finanzierungskampagne auf Kickstarter entwickelt und liefert Anschlüsse für bis zu fünf Sensoren und vier Motoren von Lego Mindstorms NXT und EV3. Das Board verbindet sich huckepack mit der Stiftleiste des Raspberry Pi und wird über ein gemeinsames Akku-Pack mit Strom versorgt. Für die Verbindung mit den Lego-Steinen gibt es ein passendes Gehäuse. Der Controller von Lego ist nicht nötig, die Ansteuerung der Lego-Robotik gelingt so allein mit dem Raspberry Pi, und als Programmiersprachen können Python 2, Scratch und C dienen. Die Projektwebseite https://www.dexterindustries.com stellt den Brick Pi und seine Fähigkeiten vor, und eine Preisübersicht zu den verschiedenen Sets gibt es auf http://www.dexterindustries.com/ BrickPi.html . Da beim Versand aus den USA noch Gebühren für den deutschen Zoll fällig werden, ist Amazon Deutschland eine bessere Quelle für den Kauf. Den Brick Pi gibt es dort (falls verfügbar) in der Basic-Variante ab 85 Euro .

Webcam: Überwachung und Bewegungsmelder

Eine simple Webcam, die sich per USB mit dem Raspberry Pi verbindet, kann nicht nur als netzwerkfähige Überwachungskamera verwendet werden, sondern auch als Bewegungsmelder. Als Alarmsystem kann der Raspberry so dazu dienen, bei erkannten Bewegungen ein Bild per Mail zu verschicken, eine Videoaufzeichnung zu starten, oder um per Relais Lichter und akustische Signale zu steuern. Üblicherweise sind Webcams weder als Überwachungssysteme noch als Bewegungsmelder geeignet. Die USB-Spezifikation erlaubt lediglich Kabellängen von maximal fünf Metern, und die USB-Webcams lassen sich nur in der Nähe des PCs aufstellen. Zudem funktioniert das Ganze nur, wenn die Kamera an einen PC angeschlossen ist, der natürlich auch permanent eingeschaltet ist. Mit einem Raspberry Pi für die Webcam wird der Aufbau dagegen praktikabel und ist für kleinere Projekte gut zu gebrauchen. Der Vorteil ist, dass die Linux-Distribution Raspbian für den Raspberry Pi nicht nur alle Software-Komponenten liefert, um aus dem Mini-Computer einen Webcam-Server zu machen, der sich sicher über eine Internetverbindung mittels Passwortschutz und HTTPS aufrufen lässt. Mit dem Paket „motion“ gibt es zudem eine Software, um über Bewegungserkennung von angeschlossenen Webcams andere Aktionen auszulösen. Alex Nikolaidis beschreibt auf https://medium.com/@Cvrsor den einfachen Aufbau eines Alarmsystems mit einer zerlegten USB-Webcam, die zum Raspberry Pi kompatibel ist. Eine Liste geeigneter Webcams findet sich auf elinux.org . Wichtig ist dabei, die Webcam an einen aktiven USB-Hub anzuschließen, da der kleine Raspberry die Kamera nicht ausreichend mit Strom versorgen kann.

Bastel-Grundlagen für den Raspberry Pi

©Simon Monk; Lizenz: Attribution Creative Commons

Player und Mediacenter: Infrarot-Fernsteuerung

Wenn der Raspberry Pi hauptsächlich als Player, Mediacenter oder Streaming-Client zur Verwendung kommt, braucht der Winzling natürlich ein passendes Eingabegerät. Um beispielsweise eine Infrarot-Verbindung anstatt einer Tastatur oder Maus zur Eingabe nutzen, ist nicht mal viel Aufwand nötig. Ein Set aus Infrarot-Fernbedienung mit IR-Receiver als USB-Dongle ist ab 11 Euro zu haben. Unter Verwendung der GPIO-Stiftleiste des Raspberry Pi ist auch nicht mal nötig, für den Receiver extra einen USB-Port zu belegen, denn ein IR-Sensor kann auch direkt an den GPIO-Pins angebracht werden. Auf der Betriebssystemseite kümmert sich, wie unter Linux üblich, die Software LIRC (Linux Infrared Remote Control) um die Auswertung der Signale, und das Mediacenter Raspbmc sowie viele andere Player sind auf die Bedienung über LIRC zugeschnitten. Auf dem Raspberry Pi muss LIRC über dessen Konfigurationsdateien noch für den Receiver, USB oder GPIO eingerichtet werden. Alle diese Schritte beschreibt der Projekteintrag von Simon Monk für den Anschluss eines Infrarot-Receivers an die Stiftleiste. Die mitgelieferte Beispielkonfiguration bezieht sich auf eine bestimmte Fernbedienung. Wer eine andere verwendet, die unterschiedliche Codes sendet, braucht nicht zu verzagen: LIRC bietet mit dem Tool Irrecord ein Kommandozeilenprogramm, um die Codes der Fernbedienung schrittweise manuell auszulesen.

©Dave Akerman

Wetterballon: Raspberry Pi in höheren Sphären

Mit einer Serie von professionell aufgezogenen Projekten, den Raspberry Pi mit Hilfe eines Wetterballons in die Stratosphäre zu schicken, ist der Brite David Akerman bekannt geworden. Mit einem kleinen Team ließ er einen kälteisolierten Mini-PC mit 5-Megapixel-Kamera, GPS-Modul und zwei CB-Funk-Sendern im Gepäck unter einem mit Latex-Wetterballon vom südwestlichen England aus steigen. Zuvor genehmigte die UK Civil Aviation Authority den Flug, der es auf eine Höhe von 39 994 Metern schaffte. In einem späteren Flug Mitte 2013 erreichte der Versuchsaufbau sogar 43.639 Meter. Die Bordkamera war so vorkonfiguriert, per Script alle drei Minuten Bilder zu machen. Die hochauflösenden Bilder wurden auf der SD-Karte gespeichert, die niedrigen Auflösungen waren über den Funkkanal verfügbar. Bei der Suche der Nutzlast nach der Landung des Wetterballons half das GPS-Modul bei der Ortung. Beschreibungen des Aufbaus, vergangene Ballonreisen mit Bildern und Berichte über zukünftige Projekte liefert dieser Blogeintrag . Die dokumentierten Ballonreisen nehmen in ihrer Komplexität zu. Das letzte Projekt war Ende 2013 vor der witterungsbedingten Winterpause die Reise des Raspberry Pi von England bis in die Ukraine auf 34 000 Metern Höhe. Danach ging die Nutzlast verloren, was allerdings einkalkuliert war.

©Dave Akerman

Cluster: Raspberry Pi mal 64

An der englischen Universität von Southampton stemmte ein Team um Professor Simon Cox mit dem Raspberry Pi ein größeres Selbstbauprojekt und verband 64 Platinen des Mini-PCs zu einem Cluster . Jedes der Einzelsysteme (Nodes) startet von SD-Karte sein eigenes Betriebssystem, ein Debian Wheezy für ARM-Prozessoren. Damit aus dem Verbund ein Parallelrechner wird, ist der Cluster per Message Passing Interface (MPI) über Ethernet zusammengeschaltet. Der gesamte Cluster mit seinen einzelnen Netzteilen wird – anders als die üblichen Cluster mit dieser Anzahl an Nodes – ganz normal aus der Steckdose mit Strom versorgt. Das Gehäuse besteht aus Lego-Steinen und ist eine Konstruktion von Simon Cox’ damals sechsjährigem Sohn. Zusammen mit der nötigen Netzwerk-Hardware, um alle Platinen per Ethernet zu einem Cluster zu verbinden, lag der Materialaufwand bei umgerechnet 3000 Euro. Aufgrund der eher bescheidenen Rechenleistung der ARM-Prozessoren ist dieser Cluster natürlich kein Superrechner, und das Entwicklerteam hat zur Ermittlung einer Leistungsangaben in Flops (Fließkommaoperationen pro Sekunde) den Benchmark Linpack, der üblicherweise bei Superrechnern zum Einsatz kommt, für den Raspberry Pi kompiliert. Auf einem einzigen Raspberry Pi liefert Linpack 65.000 Kiloflops. Wird ein komplexes Problem auf den gesamten Cluster verteilt, kommt das Gesamtsystem auf 1,14 Gigaflops. Zum Vergleich: Ein Intel Core i5 kommt in einem vergleichbaren Benchmark mit Linpack auf 90 Gigaflops. Das Flaschenhals des Rasbperry-Pi- Clusters ist natürlich das Netzwerk, das auf 100 MBit begrenzt ist. Dafür ist der Cluster aber gut als Testplattform geeignet, um Programme für den tatsächliche Supercomputer der Universität zu entwickeln.

Mit dem Raspberry Pi die Wohnung überwachen

©David Hunt (http://davidhunt.ie)

Lapse Pi: Zeitraffer-Steuerung

Was passiert, wenn sich der Raspberry Pi und ein professioneller Fotograf mit Elektronikbegeisterung treffen, zeigt das Projekt von David Hunt. Das „Lapse Pi“ genannte Projekt dokumentiert David Hunt mit beeindruckenden Demovideos im Detail. Ambitionierte Bastler finden bei ihm auch Schaltpläne und Beispielcode zur Steuerung. Der Mini-PC kommt hier als programmierbarer Mikro-Controller zum Einsatz, um bewegte Zeitrafferaufnahmen zu steuern. Die Kamera sitzt dabei auf einem Dolly und wird mittels Keilriemen langsam und schrittweise entlang von Schienen gezogen. Dem Raspberry Pi kommen hier gleich mehrere Ausgaben zu: Es betätigt in Intervallen den Selbstauslöser der Kamera über die GPIO-Pins der Platine und steuert zusätzlich den Motor unter dem Dolly, um es langsam über die Schienen gleiten zu lassen. Da alles transportabel sein soll, erfolgt die gesamte Stromversorgung über ein Akku-Pack mit acht AA-Batterien, das direkt unter dem Dolly angebracht ist. Als Antrieb dient ein Elektromotor mit 12 V (DC) und hohem Drehmoment. Der Motor ist stark genug, um den gesamten Schlitten mit Kamera, Objektiv und Akku-Pack in einer Ebene über die Schienen zu ziehen. Für Steigungen ist die Motorleistung zwar nicht ausreichend – dies ist aber kein Hindernis, wenn der Schlitten mittels Seilzug ein Gegengewicht am höheren Ende der Schienen bekommt. Ein HD-Video von den Ergebnissen, die David Hunt mit dem Lapse Pi erzielte, ist auf Youtube zu bewundern.

©Michael Castor (http://mkcastor.com)

Pi Pad: Selbstbau-Tablet im Holzkasten

Das Tablet „Pi Pad“ steckt in einem Gehäuse aus Sperrholz und Kohlefaser, um ein Raspberry Pi Modell B mit einem 10-Inch-Touchscreen und einem Akku zu 10.000 mAh zu kombinieren. Was dem Macher Michael Castor bei der Realisierung des ehrgeizigen Projekts zugute kam, ist seine hauptberufliche Anstellung in der Werkstatt des US-Magazines „Make“. Und so war es auch kein Problem, für den exakten Birkenholzrahmen des Tablets eine CNC-Fräse aufzutreiben. Die anderen verwendeten Komponenten sind teilweise angepasste Standardbaugruppen. So ist der kapazitive Touchscreen über LVDS (Low Voltage Differential Signaling) und einen Adapter mit dem Raspberry Pi verbunden. Damit der Raspberry Pi in das flache Gehäuse passt, musste noch der Ethernet-Port von der Platine gelötet werden. Ein Manko des Raspberry Pi ist, dass er keinen Verstärker für den Kopfhörerausgang auf der Platine besitzt, und das Audiosignal ist für Kopfhörer in belebten Umgebungen zu leise. Im Gehäuse steckt deshalb noch ein edler Fiio-E5-Kopfhörer-Verstärker. Der Akku hält bis zu sechs Stunden durch. Unter den Linux-Dsitributionen für den Raspberry Pi funktionieren nicht alle grafischen Programme mit Touchscreen, deshalb ist bisweilen noch der Anschluss einer Maus und die Verwendung einer Bluetooth-Tastatur nötig. Eine Teileliste und einige Bilder vom Zusammenbau finden sich auf der Webseite von Michael Castor.

Den Raspberry Pi als Mediencenter einsetzen

©http://contractorwolf.wordpress.com

Internet-Radio: Empfang mit dem Raspberry Pi

Eine Aufgabe, die ein Raspberry Pi quasi nebenbei erledigen kann, ist das Abspielen von Internet- Radio-Streams. Mit etwas Bastelei ist es auch möglich, ein Abspielgerät für Radio-Streams mit zwei Tasten zu bedienen , um zwischen vorbereiteten Radiostationen zu wechseln. Der Bastler hinter dem Projekt nutzt ein Breakout-Board von Adafruit, das die GPIO-Pins an einem Flachbandkabel aus dem Gehäuse des Raspberry Pi heraus führt. Auf dem Raspberry läuft der Music Player Daemon (MPD) als Abspielprogramm und wird vom Music Player Client (MPC) gesteuert. Python-Scripts lauschen auf Impulse an den Pins des Raspberry Pi, um per Tastendruck den Stream zu wechseln. Als Verstärker des schwachen Audiosignals dient eine fertig gekaufte, externe Lautsprecherbox wie sich auch für MP3-Player verwendet wird.

©Valkyrie Savage, Mark Fuge, Shiry Ginosar

H2O IQ: Der Raspberry Pi im Garten

Studenten an der University of California, Berkeley, haben den Raspberry Pi als Schaltzentrale und Webserver für ein automatisches Gartenbewässerungssystem zur Tröpfchenbewässerung eingesetzt . Einzelne, von Solarzellen mit Strom versorgte Feuchtigkeitssensoren sind in Kunststoffgehäusen aus dem 3D-Drucker untergebracht und funken den Feuchtigkeitsgehalt der Gartenerde an den Raspberry Pi. Als Funkprotokoll dient Xbee, das im zulassungsfreien Band um 900 MHz und 2,4 GHz liegt, beispielsweise auch in der Robotik und Haus-Atomatisierung verbreitet ist und als Modul fertig für die Bestückung vorliegt. In jedem der Gehäuse ist ein Servo für die Steuerung eines Bewässerungsventils untergebracht. Die Boards und die Schaltung dafür sind aus eigener Herstellung. Ein zentrales Raspberry Pi als Bewässerungs- Computer kann die Tröpfchenbewässerung so bei Bedarf automatisch in Gang setzen, und ein Webserver informiert den Gärtner über die Wasserbedarf des Gartens.

©Dexter Industries

Gehäuse aus dem Drucker

Den Raspberry Pi als nackte Platine zu betreiben, ist nur in frühen Stadien eines DIY-Projekts praktikabel. Früher oder später braucht die Platine ein passendes Gehäuse. Entweder ein selbst gebautes oder eine fertiges Case, das Aussparungen für alle Anschlüsse hat und sich damit universell verwenden lässt. Daneben gibt es auch Bausätze von Gehäusen für jeden Anspruch. Die mit Abstand einfachste Form ist die faltbare Verkleidung „Punnet“, die jeder selbst aus stabilem Karton oder auch Blech herstellen kann. Eine Vorlage als PDF dazu gibt es auf dieser Webseite . Wer über die Möglichkeiten eines Laser-Cutters verfügt, kann das praktische Acryl-Gehäuse von Build-to-Spec selbst nachbauen. Die CAD-Daten gibt es dort in mehreren Formaten zum Download.

©kano.me

Kickstarter und Raspberry Pi

Die Entwicklung von Ergänzungen, Modulen und Zusatz-Boards rund um den Raspberry Pi ist auch bei Kleinserien nicht ohne Grundkapital möglich. Für kleine Firmen mit nur einem oder zwei Entwicklern sind auch einige Tausend Euro eine stolze Summe. „Schwarmfinanzierung“ lautet das Zauberwort, um von einer losen Interessengemeinschaft potenzieller Anwender Geld zu bekommen. Zur größten Plattform für Schwarmfinanzierung ist in den letzten vier Jahren Kickstarter aufgestiegen. Spiele, Home-Entertainment und DIY-Projekte haben sich darüber teils mit enormen Erfolg Startkapital geholt. Schwarmfinanzierung funktioniert auch für den Raspberry Pi, und mehrere bekannte Ergänzungen für den Ein-Platinen-Computer haben das Startkapital über Kickstarter bekommen: das vorgestellte Zusatz-Board Brick Pi für Lego-Mindstorms beispielsweise, das dort umgerechnet über 90.000 Euro sammeln konnte. Mit über 300 000 Euro hat das transportable 9-Inch-Display HDMIPi , das Mitte 2014 ausgeliefert wird, auch sein Finanizerungsziel mehr als erreicht. Das Einsteigerset „ Kano “ konnte sich ebenfalls über Kickstarter realisieren. Es kombiniert einen Raspberry Pi Modell B mit Gehäuse, simpler Gummitastatur plus Touchpad, Speicherkarte, WLAN-Dongle und Lautsprecher in einem unkomplizierten Bausatz, der sich bestens für Schulen eignet.