Inhaltsverzeichnis

Impressum

Einleitung

Wie liest man eine Anleitung?

Zum Aufbau dieses Buches

Aufbau der Kapitel

Downloads auf der Webseite zum Buch​

Kapitel 1: Der Raspberry Pi

Von der Hauptplatine​ zum lauffähigen Computer

Das Betriebssystem installieren

Den Raspberry Pi das erste Mal starten und konfigurieren

Der Desktop​

Den RPi mit dem Funknetz verbinden

Mit dem Dateimanager arbeiten

Im LXTerminal Unix-Befehle eingeben

Fragen

Aufgabe: Hintergrundbild

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgabe: Hintergrundbild

Kapitel 2: Der Raspberry Pi als Mediacenter und Kiosk

Musik hören mit M​OC

Der »kopflose«​ Raspberry Pi

Projekt 1: Der Raspberry Pi als ferngesteuerte Musikanlage​

Projekt 2: Ein Kiosksystem​

Projekt 3: Der Raspberry Pi als Mediacenter​

Fragen

Antworten zu den Fragen

Kapitel 3: Autorennen und Meteore – Wie programmiert man mit Scratch?

Scratch​ starten

Projekt 4: »Huuuh!« – Das erste Scratch-Projekt

Projekt 5: Formel 1​

Projekt 6: Hilfe, Meteore!​

Studios​ auf der Scratch-Website

Aufgaben

Lösungen

Antworten zu den Fragen

Kapitel 4: Animierte Geschichten

Projekt 7: Ein gespielter Witz​

Projekt 8: Interaktive Animationen – Synchronisation durch Nachricht​en

Projekt 9: Ein Quiz

Das Projekt testen

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgaben

Kapitel 5: Projekte mit dem PicoBoard

Das PicoBoard​

Projekt 10: Magische Worte – Spracherkennung​​

Projekt 11: Das Applausometer​

Projekt 12: Pong​

Projekt 13: Die Limonadenmischmaschine​

Fragen

Aufgabe: Belichtungsmesser​

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgabe

Kapitel 6: Interaktive Spiele und Simulatoren

Projekt 14: Hilf der Ente​!

Projekt 15: Mücken fangen​

Projekt 16: Formel 1​

Fragen

Aufgabe: Mondlandung​

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgabe

Kapitel 7: Einstieg in Python

Was ist Python?

Die Python-Shell

Das erste Python-Skript​

Interaktive Programme

Das EVA-Prinzip​

Projekt 17: Bremsweg​

Namen und Zuweisunge​n

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösungen zu den Aufgaben

Kapitel 8: Was blinkt denn da? Mit dem Raspberry Pi Leuchtdioden steuern

SOS – mit Python-Befehlen Leuchtdioden ein- und ausschalte​n

Projekt 18: SOS​ – ein Blinkmuster​ programmieren

Fragen

Aufgabe: Zwei blinkende LEDs

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgabe

Kapitel 9: Der Computer trifft Entscheidungen

Programmverzweigung​en

Projekt 19: Welcher Kunststoff ist das?

Bedingung​en

Bedingte Wiederholung​ – die while​-Anweisung

Projekt 20: Zahlenraten​

Lichtsignale

Projekt 21: Einfaches Blinklicht​

Projekt 22: Blinkmuster

Fragen

Aufgabe: Sport oder nicht Sport?

Antworten zu den Fragen

Lösung: Sport oder nicht Sport?

Kapitel 10: Steuerung mit Schaltern

Schalter​

Projekt 23: Zähler​

Projekt 24: Ein Türgong – Klangdateien abspielen

Projekt 25: Alarmanlage​

Projekt 26: Nullen und Einsen – eine Lochkarte als digitaler Schlüssel

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösungen der Aufgaben

Kapitel 11: Anzeigen mit Leuchtdioden

Projekt 27: Eine LED-Matrix​

Projekt 28: Wandernde Linien

Ein Baustein mit einer LED-Punktmatri​x

Projekt 29: Einzelne LEDs einer Punktmatrix ansteuern

Immer das Gleiche!

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösungen zu den Aufgaben

Kapitel 12: Datensammlungen verarbeiten

Kollektionen

Sequenzen verarbeiten

Projekt 30: Die Planeten​

Projekt 31: Kartenziehen​

Projekt 32: Vokabeln lernen​

Projekt 33: Leuchtzeichen​

Projekt 34: Buchstaben auf einer LED-Punktmatri​x

Fragen

Aufgabe: Horoskop​

Antworten zu den Fragen

Lösung zur Aufgabe Horoskop

Kapitel 13: LCD-Anzeigen

Betrieb eines LCD-Displays​

Text auf einer LCD-Anzeige anzeigen

Ein Stück vom Ganzen: Slicing

Projekt 35: Eine Digitaluhr mit LCD-Anzeige​

Projekt 36: Eine Stoppuhr​

Fragen

Aufgabe: Wandersterne​

Antworten zu den Fragen

Lösung: Wandersterne

Kapitel 14: Projekte mit dem Ultraschallsensor

Funktionen

Projekt 37: Wie groß ist die Fensterfläche des Hauses?

Projekte mit einem Ultraschallsensor

Projekt 38: Messung des Abstands

Projekt 39: Sehen mit Ultraschall

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösungen der Aufgaben

Kapitel 15: Temperaturmessung und Hausautomatisierung

Temperaturmessungen

Projekt 40: Temperaturveränderungen messen

Projekt 41: Daten als CSV-Date​i speichern

Wie steuert man eine Funksteckdose​?

Projekt 42: Nachts eine geheime Botschaft senden

Weitere Projekte

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösungen der Aufgaben

Kapitel 16: Grafische Benutzungsoberflächen

Wie macht man eine Benutzungsoberfläche​?

Projekt 43: »Du siehst heute gut aus!«

Bilder auf Widgets

Farben​

Projekt 44: Farbmischer​

Projekt 45: Flaggensprache​

Projekt 46: Gymnastik mit Ultraschall​

Auswählen mit Radiobuttons und Checkbuttons

Projekt 47: Farbenwahl

Projekt 48: Menüberatung​

Fragen

Aufgabe: Stoppuhr

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgabe

Kapitel 17: Projekte mit der Kamera​

Das Kameramodul​

Das Kameramodul testen

Die Kamerasoftware

Projekt 49: Bewegung erkennen​

Projekt 50: Zeitrafferaufnahmen​

Projekt 51: Zeitlupe​

Projekt 52: Schlüssel aus Farben​

Fragen

Aufgaben

Antworten zu den Fragen

Lösungen zu den Aufgaben

Kapitel 18: Stets zu Diensten – der Raspberry Pi als Webserver​

Raspberry Pi als Webserver

Projekt 53: Wie spät ist es? Dynamische Webseiten​

Projekt 54: Spion im Garten​

Tethering​ – Das Handy zum Hotspot machen

Projekt 55: Streng geheim! Eine Website mit Zugangsschutz

Projekt 56: Über eine Webseite eine LED steuern

Projekt 57: Über das Funknetz Haushaltsgeräte steuern

Fragen

Aufgabe: Temperaturmessung über das Netz

Antworten zu den Fragen

Lösung der Aufgabe

Anhang A: Hinweise für Eltern und Lehrer

Raspberry Pi für Kids

Michael Weigend

Impressum

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar.

ISBN 978-3-8266-7657-4

1. Auflage 2015

www.mitp.de

E-Mail: mitp-verlag@sigloch.de

Telefon: +49 7953 / 7189 - 079

Telefax: +49 7953 / 7189 - 082

© 2015 mitp-Verlags GmbH & Co. KG

Dieses Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Lektorat: Sabine Schulz

Fach- und Sprachkorrektorat: Knut Lorenzen

Covergestaltung: Christian Kalkert

electronic publication: III-satz, Husby, www.drei-satz.de

Dieses Ebook verwendet das ePub-Format und ist optimiert für die Nutzung mit dem iBooks-reader auf dem iPad von Apple. Bei der Verwendung anderer Reader kann es zu Darstellungsproblemen kommen.

Der Verlag räumt Ihnen mit dem Kauf des ebooks das Recht ein, die Inhalte im Rahmen des geltenden Urheberrechts zu nutzen. Dieses Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheherrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

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Einleitung

Der Raspberry Pi – kurz RPi oder Raspi – ist ein kleiner Computer zum Basteln und Erfinden. Er kostet nicht viel und alle Software, die man für seinen Betrieb braucht, ist völlig umsonst. Er verleitet zum Spielen und Ausprobieren – aber er ist kein Spielzeug. Der Raspberry Pi arbeitet zuverlässig und wird für ernsthafte Projekte in Wissenschaft und Technik verwendet.

Ein Computer besteht aus Hardware und Software. Die Hardware ist all das, was man sehen und anfassen kann (Raspberry Pi, Tastatur, Monitor). Die Software sind Daten und die Programme, die auf dem Computer laufen und sein Verhalten steuern. Ein Schwerpunkt dieses Buches ist die Programmierung. Wir verwenden die beiden Programmiersprachen Scratch und Python, die besonders leicht zu lernen sind. Durch Programmierung legst du das Verhalten des Computers fest. Hier kannst du kreativ sein. Ohne Programmierkenntnisse kann man mit dem Raspberry Pi eigentlich nicht viel anfangen.

Scratch ist eine Programmiersprache für Anfänger. Du baust Computerprogramme mit der Maus aus Bausteinen auf dem Bildschirm zusammen. Da kann man nicht viel falsch machen und ganz schnell einige Grundideen der Programmierung lernen. Mit Scratch programmierst du Animationen, Spiele und Messgeräte mit grafischer Anzeige auf dem Bildschirm.

Python ist eine Programmiersprache für Profis, die leicht zu lernen ist und auch in der Industrie für große und spezielle Projekte verwendet wird. Mit Python entwickelst du Programme, die Daten von Sensoren oder Kamerabilder auswerten, Steuerungen für LEDs und vieles mehr.

Das Besondere beim RPi gegenüber einem normalen Computer (PC, Laptop, Tablet) ist, dass du die Hardware verändern und erweitern kannst. Im Prinzip baust du bei jedem Projekt deinen eigenen Computer aus Einzelteilen zusammen. Die Einzelteile sind (neben dem RPi) vor allem

elektronische Geräte wie Monitor, Lautsprecher, Funksteckdose, Maus und Tastatur, die du wahrscheinlich schon zu Hause hast und die du auch für andere Zwecke verwenden kannst,

elektronische Schaltungen, die du auf einer Steckplatine aus preiswerten kleineren Bauteilen (z.B. Widerstände, Sensoren und Leuchtdioden) zusammensetzt,

Schalter und andere mechanische Teile, die du aus Pappe, Alufolie, Draht, Klebeband und anderen Alltagsmaterialien in wenigen Minuten bastelst,

einige spezielle Geräte wie das RPi-Kameramodul und das ScratchBoard.

Wie liest man eine Anleitung?

In diesem Buch findest du viele Schritt-für-Schritt-Anleitungen zum Bauen und zum Programmieren. Es ist manchmal gar nicht so einfach, solche Texte zu verstehen. Nach meiner Erfahrung hilft es, wenn du folgende drei Regeln beachtest:

Schritt für Schritt! Du liest nur den nächsten Schritt der Anleitung und versuchst, das Gelesene zu verstehen. Lies nicht weiter, sondern konzentriere dich nur auf diesen Schritt.

Keine Angst vor Fehlern! Auch wenn du noch Zweifel hast, alles vollständig verstanden zu haben, beginnst du, die Anweisungen eines Schrittes in die Tat umzusetzen. Dazu brauchst du (gerade bei den ersten Schritten) etwas Mut.

Verstehen heißt Experimentieren! Wenn du einen Schritt umgesetzt hast, schaust du dir das Ergebnis an. Stimmt es mit dem überein, was in der Anleitung beschrieben wird? Falls nicht, liest du noch einmal den Schritt durch. Vielleicht kann man eine Passage auch irgendwie anders verstehen. Probiere eine andere Interpretation aus!

Zum Aufbau dieses Buches

Das Buch besteht aus drei Teilen:

Im ersten Teil (Kapitel 1 und 2) geht es zunächst um die Vorbereitung des Raspberry Pi. Dazu gehört vor allem die Installation des Betriebssystems (Raspbian). Du erfährst wie du Anwendungssoftware und Spiele installierst und wie du den Raspberry Pi als »Mediacenter« nutzt, mit dem du Musik hören und Filme anschauen kannst. Es werden keine besonderen Vorkenntnisse vorausgesetzt. Alles, was wichtig ist, wird erklärt.

Im zweiten Teil (Kapitel 3 bis 6) steigst du in die Programmierung mit Scratch ein. Du setzt aus Bausteinen Programmtexte zusammen. Das geht leicht und schnell. So programmierst du Videos, Spiele, einen Autosimulator und vieles mehr. Für einige Projekte brauchst du das PicoBoard. Es enthält Sensoren (z.B. für Schall und Licht) und einen Schieberegler. Damit hast du zusätzliche Möglichkeiten. Du baust z.B. ein Lenkrad und ein Gaspedal für deinen Autosimulator, steuerst mit dem Schieberegler einen Schläger auf dem Bildschirm oder prüfst mit dem Lichtsensor, wie viel Fruchtsaft in einer Limonade ist. Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt.

Im dritten Teil (Kapitel 7 bis 18) entwickelst du Projekte mit der Programmiersprache Python. Du schreibst Programme, die Leuchtdioden ansteuern, über Funk Haushaltsgeräte ein- und ausschalten, Temperaturen messen oder mit einem Ultraschallsensor die Bewegungen bei sportlichen Übungen kontrollieren. Mit einer Kamera (oder Infrarotkamera) beobachtet dein Raspberry Pi den Garten. Ein Python-Programm kann das Livebild der Kamera automatisch auswerten. Dein Computer kann Bewegungen erfassen und darauf reagieren oder ein Farbmuster auf einer Schlüsselkarte erkennen. Im letzten Kapitel geht es darum, wie du den Raspberry Pi als Webserver nutzen kannst. Du programmierst interaktive Webseiten, die du im lokalen Netz (z.B. mit deinem Smartphone oder iPhone) testen kannst. Das klingt alles sehr kompliziert. Dennoch sind die Programmbeispiele klein (fast immer weniger als eine Seite). Du kannst sie schnell aufschreiben, testen und weiterentwickeln.

Im Anhang ist ein Kapitel für Eltern und Lehrer. Dort gibt es auch ein Auflistung der Geräte und elektronischen Bauteile, die du für deine Projekte brauchst. Zum Glück kann man heute alles bequem über das Internet bestellen. Aber bei Online-Geschäften solltest du deine Eltern um Hilfe bitten.

Aufbau der Kapitel

Noch ein paar Dinge zum Aufbau der einzelnen Kapitel. Gegen Ende jedes Kapitels findest du kleine Fragen zum Inhalt, die anregen sollen, noch einmal über die wichtigsten Punkte des Kapitels nachzudenken. Manchmal gibt es hier auch Dinge zum Ausprobieren.

Danach kommen Aufgaben, bei denen etwas programmiert werden soll. Es sind Vorschläge für weitere Projekte aus der Thematik des jeweiligen Kapitels. Meistens gibt es sehr viele Hinweise und Hilfen.

Ganz zum Schluss des Kapitels findest du vollständige Lösungen zu den Aufgaben und Fragen.

Hinweise und Hintergrundinformationen

Ab und zu meldet sich der Hund zu Wort. Die hellblauen Kästen bieten – kurz und knapp – zusätzliche Informationen zu Punkten, die in dem jeweiligen Projekt eine besondere Rolle spielen.

Praktische Tipps

In den violetten Kästen mit dem Ausrufezeichen findest du praktische Tipps und Lösungshilfen für Probleme, die an dieser Stelle auftreten können.

Downloads auf der Webseite zum Buch​

Alle Programmtexte kannst du von der Webseite zu diesem Buch herunterladen. Die Adresse ist www.mitp.de/7648. Die Programmbeispiele kannst du dir als zip-Archiv herunterladen. Klicke in dem Kasten Downloads auf den Link Programmbeispiele. Speichere die Datei in einen geeigneten Ordner und entpacke das Archiv. Du erhältst zu jedem Kapitel, in dem Projekte beschrieben werden, einen Ordner mit den Programmbeispielen. Eine genaue Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie du auf deinem Raspberry Pi die Texte downloadest, findest du in Kapitel 7.

Auf der Webseite findest du außerdem Zusatzkapitel, die im gedruckten Buch keinen Platz mehr hatten. Im ersten geht es um wissenschaftliche Projekte mit dem Raspberry Pi. Hier wird erklärt, wie du Geräte baust, die man für chemische und physikalische Experimente verwenden kann, z.B. ein Photometer, mit dem der Farbstoffgehalt einer Lösung bestimmt werden kann, oder ein einfaches Spektralphotometer, das Farbstoffe durch eine Spektralanalyse unterscheiden kann. Du findest hier auch Beispiele für Simulationen und Modelle zur Veranschaulichung natürlicher Vorgänge.

Das zweite Zusatzkapitel hat den Schwerpunkt Bildbearbeitung. Du erfährst, wie du automatisch Muster erzeugen und als Vektorgrafik speichern kannst. Außerdem wird in das Modul PIL und in einige Grundideen der objektorientierten Programmierung eingeführt (Definition von Klassen).

Das dritte Zusatzkapitel beschreibt Experimente mit der Infrarot-Kamera NoIR.

Wenn du über ein erfolgreiches Projekt berichten oder auf einen Fehler im Buch hinweisen möchtest, erreichst du den Autor unter mw@creative-informatics.de.

Kapitel 1:Der Raspberry Pi

Im ersten Kapitel geht es darum, wie du den Raspberry Pi zu einem funktionierenden Computer ausbaust und Software installierst.

Du lernst das Betriebssystem Linux​ kennen. Schon mal davon gehört? Wir verwenden die Distribution Raspbian, die auf den Raspberry Pi zugeschnitten ist. Du kopierst Dateien, richtest neue Benutzer ein, verbindest den Raspberry Pi mit dem Funknetz und installierst Spiele und nützliche Software.

Von der Hauptplatine​ zum lauffähigen Computer

Der Raspberry Pi ist noch kein fertiger Computer. Er ist nur die Hauptplatine mit dem Prozessor und vielen Anschlüssen für Tastatur, Monitor und andere Geräte. In diesem Abschnitt geht es um die Hardware, also die Teile, die man anfassen kann. Du erfährst, wie du aus deinem Raspberry Pi einen vollständigen Computer zusammenbaust. Das neuste Modell des Raspberry Pi heißt B+​. Achte auf das Plus. Wenn du schon einen älteren Raspberry Pi B (ohne Plus) hast, ist das kein Problem. Alle Projekte in diesem Buch funktionieren auch mit dem Modell B.

Das Wichtigste zuerst

Hinweis

Vielleicht liest du diesen Abschnitt zusammen mit deinen Eltern durch. Im Anhang gibt es noch eine weitere Liste mit speziellen Bauteilen, die du für bestimmte Projekte brauchst. Frag deine Eltern, ob sie dir bei der Beschaffung helfen können.

Du benötigst außer dem Raspberry Pi noch einige weitere Geräte.

Eine SDHC​-Speicherkarte (oder kurz SD-Karte). Auf einer SDHC-Karte (Secure Digital Memory Card High Capacity) werden alle Programme und Daten gespeichert. Für das Modell B+ brauchst du eine kleine Micro-SD-Karte und für das ältere Modell B eine SD-Karte in normaler Größe. Es werden mindestens vier Gigabyte (GB) benötigt, möglichst mit Geschwindigkeitsklasse 10 (schneller Zugriff). Ein Gigabyte ist eine Datenmenge, die rund einer Milliarde Zeichen entspricht.

USB-Tastatur. USB​ steht für Universal Serial Bus. Das kann eine einfache Tastatur mit Kabel oder eine Funktastatur sein.

Energieversorgung. Auf der Platine des RPi gibt es einen Micro-USB-Eingang, den du für die Stromversorgung verwenden kannst. Besorge dir ein Netzteil, das bei einer Spannung von 5 Volt mindestens eine Stromstärke von 1000 Milliampere (1000 mA) liefert. Normalerweise ist ein Ladegerät für ein Mobiltelefon genau das Richtige (ab 8 €).

Monitor​ mit HDMI​-Eingang. Die Buchstaben HD stehen für High Definition, also hohe Auflösung. MI bedeutet Multimedia Interface. Das bedeutet, dass über diesen Anschluss Bild und Ton übertragen werden können. Am besten ist deshalb ein Multimedia-Monitor mit HD-Auflösung (1920 × 1080), der auch Lautsprecher hat. Natürlich brauchst du dann auch ein HDMI-Kabel. Für Monitore mit VGA- oder DVI-Eingang brauchst du einen Adapter (ab 10 €). Mit VGA (engl. ) und DVI (engl. ) kann man auch eine HD-Auflösung erreichen. Der RPi funktioniert aber auch mit älteren Monitoren, die eine geringere Auflösung haben (z.B. 640 × 480).

Lesen Sie weiter in der vollständigen Ausgabe!

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