Raspberry Pi goes Industry (Leseprobe) by Elektor

Die besten Artikel über Raspberry Pi im Industrie-Einsatz Der Raspberry Pi wurde ursprünglich für die Forschung und Lehre entwickelt. Der kleine Bastler-PC hat jedoch bewiesen, dass er auch in der Industrie vielseitig einsetzbar ist. Aufgrund der zahlreichen Anwendungen des Raspberry Pi in privaten Hobbykellern und Hochschullabors ist er etlichen angehenden Ingenieuren bereits bekannt, daher ist es nicht verwunderlich, dass er schon in unterschiedlichsten industriellen Betrieben zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zu vielen anderen PCs, die in der Industrie verwendet werden, bringt der Raspberry Pi einige Vorteile mit sich. Er ist nicht nur kostengünstig, sondern auch einfach in der Anwendung. Dies zeigt sich besonders anhand der benutzerfreundlichen Standard-Software Raspbian, welche sich sehr einfach und ohne viel Zeitaufwand installieren lässt. Besonders einzigartig ist jedoch die große Support-Community, die über soziale Netzwerke für Hilfe bei der Anwendung und Problemlösungen bereitsteht. Mitbegründer des Raspberry Pi, Eben Upton, sieht Chancen für den Raspberry Pi, in der Industrie Fuß zu fassen und so die industrielle Steuerung erheblich zu erleichtern.

ISBN 978-3-89576-348-9

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de www.elektronikpraxis.de

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Raspberry Pi goes Industry

Raspberry Pi goes Industry Die besten Artikel über Raspberry Pi im Industrie-Einsatz • Übersicht der Raspberry-Pi-Boards • 40 Betriebssysteme für Raspberry Pi • Raspberry Pi für die industrielle Steuerung • Die besten Anwendungsbeispiele • Und vieles mehr!

Dieses Buch bietet eine anschauliche Übersicht über die Möglichkeiten der industriellen Anwendung des Raspberry Pi. Von Sensoren, Blockchain-Technologie, Industriecontroller über Automatisierung und KI, werden zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für den Raspberry Pi anschaulich erklärt. Außerdem werden unterschiedlichste Tools zur erweiterten Nutzung des Raspberry Pi sowie die verschiedenen Betriebssysteme vorgestellt. Die Möglichkeiten und Grenzen für den Raspberry Pi in der Industrie und konkrete Anwendungsbeispiele liefern ein realistisches Gesamtbild.

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Raspberry Pi goes Industry Die besten Artikel über Raspberry Pi im Industrie-Einsatz

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Die in diesem Buch veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen und Illustrationen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch auszugsweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet. Die Informationen im vorliegenden Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Die in diesem Buch erwähnten Soft- und Hardwarebezeichnungen können auch dann eingetragene Warenzeichen sein, wenn darauf nicht besonders hingewiesen wird. Sie gehören dem jeweiligen Warenzeicheninhaber und unterliegen gesetzlichen Bestimmungen. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Verlag und Autoren dankbar.

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Erklärung

Die Autoren und Elektor als Herausgeber dieses Buches, sowie ELEKTRONIKPRAXIS als Co-Produzent, haben alle Anstrengungen unternommen, um die Richtigkeit der in diesem Buch enthaltenen Informationen sicherzustellen. Sie übernehmen keine Haftung für Verluste oder Schäden, die durch Fehler oder Auslassungen in diesem Buch verursacht werden, unabhängig davon, ob diese Fehler oder Auslassungen auf Fahrlässigkeit, Unfall oder andere Ursachen zurückzuführen sind. Umschlaggestaltung: Elektor, Aachen Redaktion: Margit Kuther, ELEKTRONIKPRAXIS Satz und Aufmachung: D-Vision, Julian van den Berg | Oss (NL) Druck: Ipskamp Printing, Enschede Printed in the Netherlands

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ISBN 978-3-89576-348-9

Elektor-Verlag GmbH, Aachen www.elektor.de www.elektronikpraxis.de

Das Fachmedium ELEKTRONIKPRAXIS konzentriert sich auf den speziellen Informationsbedarf von Hardund Softwareentwicklern, Produktverantwortlichen und Führungskräften in allen Anwendungsfeldern der Elektronik. Mit Grundlagen, Entwicklungs-Knowhow und Praxisorientierung begleiten wir die Menschen der Elektronik von Idee und Design bis hin zu Engineering und Fertigung. Unsere Leser informieren wir mit 45 Printausgaben, sieben dedizierten Webseiten, zahlreichen zielgruppengenauen Newslettern, 20 Konferenzen und Seminarreihen sowie via Xing, LinkedIn, YouTube, Facebook und Twitter.

Elektor ist Teil der Unternehmensgruppe Elektor International Media (EIM), der weltweit wichtigsten Quelle für technische Informationen und Elektronik-Produkte für Ingenieure und Elektronik-Entwickler und für Firmen, die diese Fachleute beschäftigen. Das internationale Team von Elektor entwickelt Tag für Tag hochwertige Inhalte für Entwickler und DIY-Elektroniker, die über verschiedene Medien (Magazine, Videos, digitale Medien sowie Social Media) in zahlreichen Sprachen verbreitet werden.

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Inhalt Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Interview mit Eben Upton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Kapitel 1 • Raspberry Pi 3 Model A+, performancestarker Energiesparer . . . . . . . 18 Top-CPU, Dualband-WLAN-ac und BLE 4.2 im kompakten Formfaktor . . . . . . . . . . . . 18 Kapitel 2 • Raspberry Pi 4 B: Endlich 1,5 GHz, USB 3.0 und 4-GByte-DDR4-RAM . 20 Raspberry Pi, komplett überarbeitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Die Neuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3-A-Netzteil erforderlich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Video, Ethernet und USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Abwärtskompatibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Eben Upton zum Raspberry Pi 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Kapitel 3 • Raspberry Pi CM3+: Höchstleistung auf kleinem Formfaktor . . . . . . . . 25 Fünf Varianten mit 8-, 16- und 32-GB-eMMC-Flash und eine ohne Flash . . . . . . . . . . . 25 Bis 32-GB-eMMC-Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 E/A-Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Kapitel 4 • 45 Betriebssysteme für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Für jeden erdenklichen Einsatz das passende OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 NOOBS-Sammlung der Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Das Standardsystem Raspbian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Schlankere Raspbian-Varianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Vielversprechendes Ubuntu Mate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Snappy Ubuntu Core fürs IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 PiNet vernetzt Klassenzimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 BASIC-Interpreter IchiGoJam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Arch Linux, Individualität für Profis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Security-Profis Kali und Alpine Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Fedora und Fedberry Remix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Red-Hat-Linux CentOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 OPENSuse für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Software-Kontrolle mit Gentoo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 OpenWRT für Wireless-Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 OctoPi steuert 3D-Drucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

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Raspberry Pi goes Industry Kommerzielles Max2Play . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Musik-Streaming mit Volumio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 moOde Audio Player . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Mediacenter: OpenELEC, LibreELEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Recalbox, über 30 Emulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 RetroPie für über 50 Konsolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Lakka emuliert libretro-API-Cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 RISC OS: Speziell auf ARM-Architektur ausgelegtes Betriebssystem . . . . . . . . . . . . . . 45 Windows 10 IoT Core: Speziell für Stand-Alone-Embedded-Systeme . . . . . . . . . . . . . 45 Windows 10 dank Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 FreeBSD und NetBSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Echtzeit mit Linux PREEMPT_RT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Echtzeit mit ChibiOS/RT und FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Google-Betriebssysteme: Android, LineageOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Fuchsia, das OS der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Amiga-Erbe AEROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Samsungs Tizen für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Plan 9: Mehr Unix als Unix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Kapitel 5 • Mit Raspberry Pi die Blockchain Ethereum entdecken . . . . . . . . . . . . . 55 Einführung in die Blockchain-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Ethereum 101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Kryptowährung Ether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Ethereum-Einmaleins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Kontoerstellung und Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Kapitel 6 • R aspbian via virtuellem Linux auf dem Compute Module 3 installieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Vorteile einer virtuellen Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Zwei Varianten des CM3 plus Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Betriebssystem auf dem eMMS-Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Funktionstest des CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Die virtuelle Maschine vorbereiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Virtuelle Debian-Linux-Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

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Speicher zuweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Installation von Debian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Feintuning: Guest Additions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Pakete für die VM installieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Hauptarbeit: CM3 flashen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Die Stunde der Wahrheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Letzte Tat: WLAN hinzufügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Remote-Anmeldung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Anwendung: DOS-Spiele unter Win 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Anwendung: Schadsoftware testen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Kapitel 7 • So erstellen Sie Ihre private Blockchain mit Raspberry Pi . . . . . . . . . . 79 Blockchain-Netzwerk mit zwei Knoten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Konto erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Ethereum-Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Start des ersten Knotens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2. Knoten erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Anbindung der Peers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Kapitel 8 • So wird Raspberry Pi 3 zum Industrie-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Zusatzmodule für die Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Industriesteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Hardware-Erweiterungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Phyton-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Echtzeitfunktionalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Echtzeit mit dem Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Motorsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Shields und Grove-Erweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Fertige Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Kapitel 9 • Professionelle Automatisierung mit Raspberry Pi 3 B+ . . . . . . . . . . . . 92 Speicherprogrammierbare Steuerung PiXtend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Den Gesamtprozess beschleunigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

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Raspberry Pi goes Industry Raspberry Pi, Basis für IoT-Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 FCC-zertifizierts Funkmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Technische Highlights des Raspberry Pi 3 B+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Open-Source-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Schnittstellenvielfalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Offenes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Speicherprogrammierbare Steuerung PiXtend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 IoT-fähige Kleinsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 PiXtend V2 -L- bietet mehr Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Anwendung Roboter R2D2-NT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Automatischer Befüller Uniqster Feeder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Fazit: Preiswerte IoT-Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Kapitel 10 • M öglichkeiten und Grenzen des Raspberry Pi im Industrieeinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Nicht der Preis, sondern Software und Community sprechen für Raspberry Pi . . . . . . 100 Einfache Software-Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Support und Community . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Kapitel 11 • Warum Raspberry Pi ideal für die Industrie ist . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Vorzertifiziertes WLAN-Modul für eigene Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Dualband WLAN-ac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Optimierter SoC BCM2837B0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Höhere Taktraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2,5-A-Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 GBit LAN, PXE Boot, PoE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 WLAN-/Bluetooth-Upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Vorteil des 5-GHz-Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Realer Datendurchsatz von rund 170 MBit/s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Vorzertifiziertes WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Bluetooth 4.2 und GATT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Software-Update . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Ausblick: Raspberry Pi 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Kapitel 12 • Motorsteuerung mit Arduino und Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . 112

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Adressiert Maker, die Motoren einsetzen möchten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Kapitel 13 • StromPi 3: RTC-Stromversorgungs-Lösung für Raspberry Pi & Co. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Notstromquelle dank optionalem Akku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Echtzeituhr für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Optionaler Akku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Kapitel 14 • S.USV pi industrial, unterbrechungsfreie Stromversorgung samt Akku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Autarke Stromversorgung im Spannungsbereich von 7 - 48 Volt . . . . . . . . . . . . . . . 117 Kapitel 15 • Vom Prototyp zur Serienreife mit Kontrons Raspberry-Pi-Kit . . . . . . 120 Industrieschnittstellen RS 232, RS 485 und CAN-Bus inklusive . . . . . . . . . . . . . . . . 120 RS 232, RS 485 und CAN-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Hintergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Kapitel 16 • Neues Power-over-Ethernet-Modul für Raspberry PI 3 B+ liefert jetzt 2,5 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Worin sich altes und neues PoE-HAT unterscheiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 PoE-HAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Anfangsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Kapitel 17 • Das beliebteste Raspberry-Pi-Zubehör für Entwickler . . . . . . . . . . . 125 Erweitert die Möglichkeiten des Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Steuerung mit PiFace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Touch statt Klick: PiFace Control & Display 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Kamera für Tageslicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Nachtkamera Pi NoIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Kapitel 18 • Nemo-Pi rettet das Korallenriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Kontrolle des Wasserzustands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Einsatz133 Kapitel 19 • Schneller VLC Media Player für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Vorteile von Raspbian 2018-11-13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 VLC Media Player . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Python-Verbesserung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

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Raspberry Pi goes Industry Desktop-Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Image aktualisieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Kapitel 20 • R aspberry Pi 3 B+ mit 1,4 GHz Takt, Highspeed-WLAN, Gigabit Ethernet und PoE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Performance-stärkste Raspberry Pi mit Lieferzusage bis 2023 . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Höhere Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Gigabit Ethernet und PoE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Verbessertes Wärmemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Ausgebremst: 1 GB-DDR2-RAM und USB 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Kapitel 21 • Entwickeln Sie mit am Raspberry Pi der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . 143 Raspberry Pi für die Industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Wirken Sie mit am Raspberry Pi der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Kapitel 22 • Raspberry Pi: Grundlagen serieller Kommunikation . . . . . . . . . . . . . 147 Die serielle Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Von Bits, Bytes und ASCII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Start-Bit und Stop-Bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Die Zustände „high“ und „low“ beim UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Erweiterte Kommunikationsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 PuTTY Flow-Control-Möglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 RS232-Schnittstellenstandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Signale zwischen -3 V und +3 V gelten als undefiniert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 RS485 für erhöhte Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 RS485 spezifiziert nur den physikalischen Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Kapitel 23 • A MBER PI: Eine stromsparende 868-MHz-Funkanwendung für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Funkverbindung mit einer Reichweite von bis zu 10 km . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Aufsteckboards mit Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Aus dem PC wird eine Funkgegenstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Treibercode und wie der AMBER Pi angesprochen wird . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Erweitertes Design-Kit mit verschiedenen Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Kapitel 24 • M IPI-Kameramodule für Raspberry Pi und die Industrie . . . . . . . . . 163

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Vielfalt an Bildsensoren mit Auflösungen bis 13 MP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Hohe Verarbeitungsstandards der MIPI-Kameraplatinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Kundenspezifische Carrier Boards und weiteres Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Der MIPI-Schnittstellen- Standard ist weit verbreitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Geschirmtes Kabel für hohe Datenraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Treibersoftware, etwa für Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Kapitel 25 • Mit diesen Tools peppen Sie Ihr Produkt mit Maschinellem Lernen auf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Maschinen, die hören, sind ein Hit bei den Verbrauchern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Spracherkennungssysteme von Drittanbietern nutzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Plattformen zur Personenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Eine wachsende Auswahl fertiger Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Der schnellste Weg zur Implementierung von KI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Kapitel 26 • Überwachung eines Labors mit Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Kapitel 27 • Hörgeräte-Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Kapitel 28 • Fuzzy Duck Brauerei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

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Einleitung

Einleitung Der Raspberry Pi wurde ursprünglich für die Forschung und Lehre entwickelt. Der kleine Bastler-PC hat jedoch bewiesen, dass er auch in der Industrie vielseitig einsetzbar ist. Aufgrund der zahlreichen Anwendungen des Raspberry Pi in privaten Hobbykellern und Hochschullabors ist er etlichen angehenden Ingenieuren bereits bekannt, daher ist es nicht verwunderlich, dass er schon in unterschiedlichsten industriellen Betrieben zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zu vielen anderen PCs, die in der Industrie verwendet werden, bringt der Raspberry Pi einige Vorteile mit sich. Er ist nicht nur kostengünstig, sondern auch einfach in der Anwendung. Dies zeigt sich besonders anhand der benutzerfreundlichen StandardSoftware Raspbian, welche sich sehr einfach und ohne viel Zeitaufwand installieren lässt. Besonders einzigartig ist jedoch die große Support-Community, die über soziale Netzwerke für Hilfe bei der Anwendung und Problemlösungen bereitsteht. Mitbegründer des Raspberry Pi, Eben Upton, sieht Chancen für den Raspberry Pi, in der Industrie Fuß zu fassen und so die industrielle Steuerung erheblich zu erleichtern. Dieses Buch bietet eine anschauliche Übersicht über die Möglichkeiten der industriellen Anwendung des Raspberry Pi. Von Sensoren, Blockchain-Technologie, Industriecontroller über Automatisierung und KI, werden zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für den Raspberry Pi anschaulich erklärt. Außerdem werden unterschiedlichste Tools zur erweiterten Nutzung des Raspberry Pi sowie die verschiedenen Betriebssysteme vorgestellt. Die Möglichkeiten und Grenzen für den Raspberry Pi in der Industrie und konkrete Anwendungsbeispiele liefern ein realistisches Gesamtbild.

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Interview mit Eben Upton Elektor-Redakteur Jan Buiting führte auf der electronica in München ein zwangloses Gespräch mit Eben Upton, dem Mitbegründer des weltbekannten Raspberry Pi. Dieser winzige Computer hat der Elektronikwelt einen beispiellosen kreativen Impuls gegeben. Der Erfolg des Raspberry Pi ist so enorm, dass sich selbst die Industrie dafür interessiert und Raspberry Pi zunehmend in ihre Produkte integriert. Das Videointerview [1] auf dem Elektor-Stand anlässlich des „Fast Forward Award“ drehte sich um die außergewöhnliche Erfolgsgeschichte und die professionellen Ambitionen der Raspberry Pi.

Interview Eben Upton während der electronica 2018 Jan: Wieso hatte der Raspberry Pi so einen enormen Erfolg auch im professionellen Bereich. Wie kam es dazu? Eben: Ganz einfach: Man muss viele Jahre zurückblicken, bis ins Jahr 2012. In diesem Jahr hatten wir unsere erste Million Raspberry Pis verkauft. Aufgrund der demographischen Daten wissen wir, wer die vielen Raspberry Pis gekauft hat. Es waren vor allem jungen Hobbybastler. Und diese Leute sind heute professionelle Ingenieure geworden. Jan: Das ist ganz ähnlich wie bei Elektor-Lesern. Auch die sind heute vielfach Profis. Eben: Was sehr schnell klar war: Diese Leute verwenden einen Raspberry, weil es sich um eine stabile und preiswerte Plattform handelt. Man kann damit technische Probleme lösen. Ganz wie das Jahre vor uns mit dem Arduino passiert ist. Jan: Raspberry Pi-Entwickler wirken sehr entspannt. Sie arbeiten wahrscheinlich am Wochenende an Projekten oder wohl auch direkt nachdem sie aus der Dusche steigen, denn da hat man ja oft die besten Ideen.

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Interview mit Eben Upton

Eben: Natürlich, Entwickeln macht wirklich Spaß. Auch ich beschäftige mich nicht nur bei der Arbeit, sondern auch zu Hause damit. Jan: Und wenn man die richtigen Leute trifft… Eben: Genau. Es hängt viel von den richtigen Leuten ab. Das sieht man gerade am industriellen Erfolg. Wir haben schon oft darüber gesprochen, dass Kinder zu den anspruchsvollsten Verbrauchern gehören. Wenn etwas dem Kinderzimmer standhalten kann, wird es sicherlich gut sein. Was man zum Spaß oder für die private Nutzung gekauft hat, wird man auch zur Arbeit mitnehmen und dort einsetzen. Es hat sich gezeigt, dass dies mittlerweile zur Hälfte zu unserem Geschäft beiträgt. Das ist der Bereich „industrielle IoT“. Jan: Der Raspberry Pi hat ja viel zu bieten, was Flexibilität, IO-Leitungen, Boards und seine große Offenheit angeht. Denken Sie, dass das Vor- und Nachteile für die Industrie birgt? Eben: Es hat definitiv Vorteile, doch wir hatten auch ein paar Probleme. In den ersten Jahren mussten wir uns sehr darum bemühen, dass unsere Erfindung nicht als Spielzeug abgestempelt wird. Auf unserer Website finden Sie zwar auch Cartoon-Roboter, aber wir haben ein Produkt hergestellt, das zuverlässiger ist als viele Geräte, denen Industriequalität zugeschrieben wird. Jan: Was hat es mit den „Gurken“ auf sich? Eben: Das ist eines meiner Lieblingsprojekte. Es gibt viele, ernst zu nehmende Beispiele für den Einsatz des Raspberry Pi in der Industrie. Die „Gurkensortierung“ ist mein bestes Beispiel, denn es zeigt einige wichtige Prinzipien. Ein Ingenieur in Japan, dessen Eltern eine Gurkenfarm betreiben, hat mit dem Raspberry Pi eine Gurken-Sortiermaschine gebaut. Er hat dabei Google Tensorflow als KI-System einsetzt. Sein auf Raspberry Pi basierendes System hat die Gurken in 23 Kategorien vorsortiert. Es hört sich trivial an, ist aber ein faszinierendes Beispiel dafür, wie Raspberry Pi ausgehend von der privaten Anwender-Basis zur industriellen Anwendung mutiert ist. Jan: Das stellt übliche Prozesse auf den Kopf. Normalerweise sagt die Industrie: „Das ist das beste Produkt, das Sie verwenden sollten.“ Raspberry Pi zeigt eine gegensätzliche Entwicklung. Was verfügbar ist, wird durch die Industrie aufgenommen. Kann man zurecht behaupten, dass Raspberry Pi die Akzeptanz durch die Industrie aufgrund eigener Stärken erreicht hat? Eben: Raspberry Pi war eben nicht im Fokus von Entscheidungsträgern, sondern von Influencern, Makern und von Leuten, die es tatsächlich nutzen und neue Projekte entwickeln. Es handelt sich also um einen Bottom-Up- und nicht um einen Top-Down-Prozess. Jan: Nun zu Fragen, die meine Kollegen vom MagPi-Magazin gestellt haben: Was hat es mit RISC-V auf sich?

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Eben: Nichts. Wir sind sehr zufrieden mit unserem Kundenstamm. Es gibt Parallelen zwischen den Ansätzen von Raspberry und ARM. Die Märkte überschneiden sich nicht sehr. Das ARM-Ökosystem, ist sehr groß und umfassend. Wir profitieren natürlich von ARM-CPUCores. Wir verwenden zum Beispiel den in Cambridge entwickelten ARM A53, ein erstaunlicher CPU-Core, und ich denke, dass wir noch sehr lange ARM-Core einsetzen werden. Jan: Schön zu hören. Wir stehen kurz vor Weihnachten und jeder übergibt dem Weihnachtsmann seinen Wunschzettel. Hier die wichtigsten Wünsche: Mehr RAM, USB 3.0 und wann kommt SATA? Eben: Okay. Gut nachvollziehbare Wünsche, vielleicht noch mehr CPU-Leistung und schnelleres Netzwerk - das sind die klassischen Erwartungen an den RPI der nächsten Generation. Wir sind uns diesen Wünschen bewusst. Im Herbst haben wir unsere Pipeline bereinigt, denn wir wollen neue Produkte auf den Markt bringen. Wir haben a eine ganze Reihe von Produkten, die zu 80-90% fertig gestellt sind und vor der Markteinführung stehen. Wir sind jetzt in der Definitionsphase und unsere Aufmerksamkeit ist jetzt eher darauf gerichtet, diese Wunschliste anzusehen und überlegen, was gut umsetzbar ist. Die beiden angeführten Aspekte stehen ganz weit oben. Noch sind wir noch ein Stück von der nächsten Version entfernt. Jetzt stehen wir vor der Entscheidung, welche Silizium-Fab wir nutzen werden. Wenn wir wissen, welche Fab es uns ermöglicht den machbaren Teil der Wunschliste realisieren, wird bald ein neues Modell kommen. Jan: Was passiert nun mit diesen Erweiterungen? Also mehr RAM, SATA und USB. Wird sich da was tun? Und wie wird das umgesetzt? In separaten Chips oder sind Sie auf der Suche nach einer verbesserten Prozessorplattform? Was bevorzugen Sie? Eben: Ich glaube nicht, dass wir eine andere Wahl haben, als die Prozessorplattform zu überarbeiten. Alle Raspberry Pis basieren auf 40-nm-Chips. Als wir den Raspberry Pi 3+ auf den Markt brachten, waren wir hier am Ende des Weges angelangt. Das betrifft schon die mögliche Anzahl der Transistoren in 40-nm-Technologie. Jan: Sie können so nicht noch die komplette SATA-Schnittstelle hineinquetschen? Eben: Wir können nicht mehr viel in die CPU hineinquetschen. Was auch immer wir vor haben wird neues Silizium erfordern. Schon ein neuer Prozessor wird neues Silizium benötigen, um mehr Leistung zu erreichen und die Dinge der Wunschliste zu realisieren. Wir sind also auf der Suche nach einem Stück Silizium, mit dem das möglich ist. Wir können nicht viele unterschiedliche 1-$-Chips auf das Board packen. Jan: Ein letzter Punkt: Es gab Probleme mit hohem Stromverbrauch und einige Anwender waren davon sogar enttäuscht. Gibt es Pläne, in Richtung „lower power“ zu gehen? Eben: Ich glaube nicht, dass es in Richtung „ultra low power“ geh, also ULP im Sinne von einstelligen Milliwatt-Verbräuchen. Unsere Entscheidungen für diese Plattform lassen diese Energieverbräuche nicht zu. Für Vieles kann man einen Raspberry Pi nehmen – gerade die Plus-Linie hat ein viel besseres thermisches Design als die anderen Modelle. Man kann den

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Interview mit Eben Upton

Raspberry Pi 3+ länger mit höherer Leistung laufen lassen und er bleibt trotzdem kühler als seine Vorgänger. Die Lösung für Anwendungen ohne großen Leistungsbedarf ist, einfach den Takt zu senken, denn selbst bei 600, 300 oder gar 100 MHz hat die CPU kein wirkliches Performance-Problem. Jan: Also auch bei niedrigem Takt hat die CPU immer noch ausreichend Leistung. Vielen Dank für dieses Interview, Eben! [1] www.elektormagazine.de/news/eben-upton-rpi-kinder-sind-die-anspruchsvollstenkonsumenten

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Kapitel 1 • R aspberry Pi 3 Model A+, performancestarker Energiesparer Autor: Farnell Top-CPU, Dualband-WLAN-ac und BLE 4.2 im kompakten Formfaktor Raspberry Pi Modell 3 A+ hat, wie alle A-Raspberry Pis, den gleichen Prozessor wie die korrespondierenden B-Modelle, hier Raspberry Pi B+. Raspberry Pi 3 A+ ist kleiner und funktionsreduziert im Vergleich zu Raspberry Pi 3 B+, verfügt aber wie dieser über das Dualband-Funkmodul für WLAN-ac (2,4 und 5 GHz) und Bluetooth 4.2. Raspberry Pi 3 A+ eignet sich daher bestens für mobile Industrieanwendungen. Wie der Raspberry Pi 3 Model B+, der im März 2018 auf den Markt kam, verfügt das Modell A+ vom November 2018 über einen 64-Bit Quadcore Broadcom BCM2837 als SoC (System on Chip). Dieser taktet mit 1,4 GHz und ist damit deutlich schneller als das Vorgängermodell. Das Board verfügt auch über ein Dual-Band-WLAN-Modul für Verbindungen im 2,4und 5-GHz-Band nach dem IEEE-Standard 802.11ac und Bluetooth 4.2. Weitere Merkmale finden Sie im Kasten: „Technische Details“.

Bild 1. Der funktionsreduzierte Raspberry Pi 3 A+ bietet wie Raspberry Pi 3 B+ das zertifizierte, gekapselte Funkmodul (mit Raspberry-Pi-Logo). Raspberry Pi 3 A+ eignet sich daher etwa für mobile Industrieanwendungen. Bildquelle: Farnell Mithilfe der modularen Zertifizierung des Funkmoduls (Bild 1) lassen sich die Konformitätstests in der Entwicklung von Endprodukten reduzieren. So ist es möglich, Kosten und Entwicklungszeit zu senken. Raspberry Pi 3 Model A+ hat die gleiche Größe wie der Vorgänger Raspberry Pi 1 Model A+ und wird mindestens bis Januar 2023 produziert.

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Kapitel 1 • Raspberry Pi 3 Model A+, performancestarker Energiesparer

Eben Upton, CEO der Raspberry Pi Trading, äußerte sich zur Einführung des Raspberry Pi 3 A+ folgendermaßen: „Raspberry Pi 3 Model A+ schließt eine Lücke in der Raspberry-Pi-Produktlinie und erweitert unser preisgünstigstes Board mit der Leistung und Geschwindigkeit eines Raspberry Pi 3 Model B+. Das Board ist ideal für den Einsatz im Unterricht und für Projekte, für die mehrere USB-Ports, Ethernet-Konnektivität und 1 GB RAM nicht erforderlich sind; es ist außerdem eine kostengünstige Option für den professionellen Einsatz und bietet die gleiche modulare Konformitätszertifizierung wie der Raspberry Pi 3 Model B+“. Technische Details • 512MB LPDDR2 SDRAM • Erweiterter 40-poliger GPIO-Stecker • Full Size HDMI, MIPI DSI Display Port, MIPI CSI Kamera-Port, 4 poliger Stereoausgang und Composite Video Port H.264 • MPEG-4 -Dekodierung (1080p30); H.264 Kodierung (1080p30); OpenGL ES 1.1, 2.0 Grafiken • Micro-SD-Format zum Laden von Betriebssystem und Datenspeicher • 5 V/2,5 A DC über Micro-USB-Anschluss, 5 V DC über GPIO-Stecker • Verbessertes Booten von USB-Massenspeichern • Verbessertes Wärmemanagement, 0 – 50 °C Quelle: https://www.elektronikpraxis.vogel.de/raspberry-pi-3-modell-a-ab-jetztverfuegbar-a-776536/

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Kapitel 2 • R aspberry Pi 4 B: Endlich 1,5 GHz, USB 3.0 und 4-GByte-DDR4-RAM Autor: Margit Kuther Raspberry Pi, komplett überarbeitet Raspberry Pi 4 B soll bis zu drei Mal schneller als der Vorgänger Raspberry Pi 3 B+ sein. Er bietet echtes GBit-LAN, DDR4-RAM und Dual-Monitorbetrieb bei bestehender Abwärtskompatibilität – zu einem Preis ab 37 Euro. Rundum überarbeitet ist Raspberry Pi 4, auch wenn die Foundation dem Broadcom-SoC (System on Chip) treu geblieben ist: Im Raspberry Pi 4 taktet jetzt Broadcoms BCM2711 mit 4 x 1,5 GHz – ein 64-Bit-Quadcore-SoC mit Cortex-A72 (ARM v8). Mein erster Gedanke war: 4 x 2 GHz Takt – das wäre super gewesen. Doch in der Summe überzeugt die Ausstattung, denn Käufer erhalten eine Singleboard-Platine, deren Komponenten wie RAM, USB und LAN technisch endlich auf aktuellem Stand sind – und das alles zum bisherigen Preis eines Raspberry-Pi-Topmodells, der bei 37 Euro beginnt. Ja, Raspberry Pi 4 ist jetzt nicht mehr nur in einer, sondern in mehreren Ausstattungsvarianten mit 1, 2 oder 4 GByte RAM erhältlich. Sicher sind Sie gespannt, was Raspberry Pi 4 zu bieten hat. Deshalb beginnen wir gleich mit der Detailübersicht (Kasten: „Technische Daten des Raspberry Pi 4 auf einen Blick“. Raspberry Pi Trading, der Teil der Foundation, der für die Produktion und Vermarktung zuständig ist, hat verschiedenste Raspberry-Pi-Produkte Konformitätsprüfungen unterzogen. Kopien der entsprechenden Zertifikate und Konformitätsdokumente finden Sie auf der Online-Seite der Foundation [1]. Die Neuerungen

Bild 1. Raspberry Pi 4: gut zu erkennen sind die zwei blauen USB-3.0-Ports und die beiden HDMI-Anschlüsse für Dual-Monitoring. Bildquelle: Raspberrypi.org

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Kapitel 2 • Raspberry Pi 4 B: Endlich 1,5 GHz, USB 3.0 und 4-GByte-DDR4-RAM

Einschneidende Neuerungen im Vergleich zu den Vorgängern sind der Broadcom-SoC BCM2711 mit 4 x 1,5 GHz Takt, DDR4-RAM statt wie bisher LPDDR2 mit bis zu 4-GByteSpeicher (bisher: 1 GByte RAM), USB 3.0 (Bild 1) und USB 2.0 statt wie bisher nur USB 2.0, Dual-Monitorbetrieb in 4K dank 2 x HDMI, Bluetooth 5.0 statt 4.2 wie beim Raspberry Pi 3 B+ und verbesserte Video- und Grafikleistung. Endlich bietet Raspberry Pi 4 echtes GBit-LAN. Auch Raspberry Pi 3 B+ verfügt bereits über einen GBit-LAN-Anschluss. Doch die Transferrate liegt beim Raspberry Pi 3 B+ bei maximal ca. 300 MBit/s, da alle Daten der vier USB- und der LAN-Buchse durch den Broadcom-SoC und den einzigen USB-2.0-Port laufen müssen. Bei Raspberry Pi 4 ist dieser Flaschenhals [2] gekappt, denn GBit-Ethernet ist jetzt im Broadcom-SoC integriert und muss sich die Bandbreite nicht mehr mit den USB-Buchsen teilen, wie bei den früheren Raspberry Pis mit LAN-Anschluss. Eben Upton, CEO der Raspberry Pi Trading, kommentiert: „Der Ethernet-Controller auf dem Haupt-SoC ist über eine dedizierte RGMII-Verbindung (Reduced Gigabit Media Independent Interface) mit einem externen Broadcom PHY gekoppelt und bietet so einen vollen Durchsatz. USB wird über einen externen VLI-Controller realisiert, der über eine einzige PCI Express Gen 2 Lane verbunden ist und insgesamt 4 GBit/s Bandbreite bereitstellt, die sich die vier Ports teilen.“ Die Leistung des Raspberry Pi 4 ist, so Eben Upton weiter, „bis zu drei Mal schneller als beim Vorgänger Raspberry Pi 3 B+ und vergleichbar mit einem Einsteiger-PC.“ Zur weiteren Ausstattung zählen der von den Vorgängern bekannte DSI-Port für einen (Industrie-) Monitor und der CSI-Port für die Raspberry-Pi-Kamera [3]. 3-A-Netzteil erforderlich Interessant für Maker und Industriekunden ist sicher, dass die Abwärtskompatibilität der 40-Pin-Stiftleiste zu Vorgängermodellen beibehalten wurde. Allerdings zeigt die Leistungsaufnahme von 3 A, dass der Raspberry Pi 4 alles andere als ein Energiesparer ist; er benötigt ein 5-V- / 3-A-Netzteil. Raspberry Pi 4 B läuft zwar auch mit Netzteilen, die weniger Strom liefern, doch nur bei 3 A ist Stabilität gewährleistet. Sie sollten deshalb Netzteile älterer Raspberry Pi-Modelle nicht verwenden. Denn selbst der bisherige „Stromfresser“ Raspberry Pi 3 B+ beansprucht „nur“ ein 2,5-A-Netzeil (5 Volt), beim Raspberry Pi Zero beispielsweise reichen 1,2 A / 5 Volt. Eine weitere Neuerung beim Stromanschluss ist der Wechsel von USB micro-B auf USB-C (Bild 2), denn, so Raspberry Pi Trading: „Der Umstieg auf USB C für unseren Stromanschluss ist nötig, da dieser zusätzliche 500 mA Strom unterstützt und so sicher stellt, dass wir auch bei hoher CPU-Belastung volle 1,2 A für nachgeschaltete USB-Geräte haben“.

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Bild 2. Links befindet sich der USB-C-Anschluss für die Stromversorgung, mittig befinden sich zwei HDMI-Buchsen für Dual-Monitoring und rechts die Leiste für eine MIPI-CSI-Kamera. Bildquelle: Raspberrypi.org Video, Ethernet und USB Um den Dual-Display-Ausgang innerhalb der bestehenden Platine unterzubringen, wurde der Typ-A-(Full-Size) HDMI-Anschluss durch ein Paar Typ-D- (Micro) HDMI-Anschlüsse ersetzt. Der Gigabit-Ethernet-Anschluss auf der Platine wurde von unten rechts nach oben rechts verlagert, was das PCB-Routing erheblich vereinfacht. Der 4-polige Power-overEthernet (PoE)-Stecker bleibt am gleichen Ort, so dass Raspberry Pi 4 mit dem aktuellen Zusatzmodul PoE-HAT kompatibel bleibt.

Hinweis: Beachten Sie, dass es vom PoE-HAT eine ältere und eine neuere Variante gibt. Greifen Sie zur neueren, denn nur diese bietet tatsächlich die spezifizierte Leistung. Woran Sie beide PoE-HATs (Bild 3) unterscheiden, verrät Ihnen der Online-Beitrag: „Neues Power-over-Ethernet-Modul für Raspberry PI 3 B+ liefert jetzt 2,5 A“ [4].

Bild 3. PoE-HAT für Raspberry Pi – links ein Ausschnitt der alten, rechts die neue, optimierte Variante. Bildquelle: Raspberrypi.org Margit Kuther (bearbeitet)

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Kapitel 2 • Raspberry Pi 4 B: Endlich 1,5 GHz, USB 3.0 und 4-GByte-DDR4-RAM

Abwärtskompatibilität Alle drei Steckverbinder auf der rechten Seite des Raspberry Pi 4 B überragen die Platine um einen weiteren Millimeter im Vergleich zu dem Vorgänger Raspberry Pi 3 B+. Dies ist erforderlich, um das Gehäusedesign zu vereinfachen. Unverändert bleiben die Stecker- und Montagelochanordnungen, um die Kompatibilität mit bestehenden HATs und anderem Zubehör zu gewährleisten. Um all diese Neuerungen des Raspberry Pi 4 nutzen zu können, ist eine neue Software erforderlich: „Um Raspberry Pi 4 zu unterstützen, liefern wir ein grundlegend überarbeitetes Betriebssystem, das auf der Debian-10 Buster-Version [5] basiert. Dies bringt zahlreiche technische Verbesserungen hinter den Kulissen, etwa eine umfassend modernisierte Benutzeroberfläche und aktualisierte Anwendungen wie den Webbrowser Chromium 74“, so Eben Upton. Eben Upton zum Raspberry Pi 4 „Raspberry Pi 4 ist ein umfassendes Upgrade, das fast jedes Element der Plattform betrifft. Zum ersten Mal bieten wir den meisten Anwendern ein PC-ähnliches Leistungsniveau, wobei die Schnittstellenfähigkeit und Hackbarkeit der klassischen Raspberry-Pi-Linie erhalten bleibt.“ Technische Daten des Raspberry Pi 4 auf einen Blick • Prozessor: Broadcom BCM2711, Quadcore Cortex-A72 (ARM v8), 64-Bit SoC @ 1,5 GHz • Speicher: 1, 2 oder 4 GByte LPDDR4-RAM, abhängig vom Modell • Wireless: 2,4 GHz und 5.0 GHz IEEE 802.11b/g/n/ac • Bluetooth: 5.0, BLE • LAN: Gigabit Ethernet (echtes im Gegensatz zu Raspberry Pi 3 B+) • USB: 2 × USB 3.0, 2 × USB 2.0 • GPIO: 40-Pin GPIO-Header mit voller Abwärtskompatibilität zu früheren Raspberry Pis • Display: 2 x Mikro-HDMI 2.0 bis zu 4Kp60; MIPI-DSI • Kamera: MIPI-CSI-Kamera-Anschluss • Multimedia: H.265 (4Kp60-Dekodierung); H.264 (1080p60-Dekodierung, 1080p30-Encoder); • OpenGL ES, 3 .0 • Eingangsleistung: 5 VDC via USB C (3 A) • Power over Ethernet (PoE): enabled, erfordert ein optionales PoE HAT • Betriebstemperatur: 0 – 50 ºC • Verfügbarkeit: garantiert bis Januar 2026.

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Weblinks [1] www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/conformity.md [2] www.elektronikpraxis.vogel.de/raspberry-pi-3b-ideal-fuer-industrial-a-717988 [3] https://www.elektronikpraxis.vogel.de/tag-und-nacht-kameras-fuer-raspberrypi-a-535747/index1.html [4] www.elektronikpraxis.vogel.de/neues-power-over-ethernet-modul-fuer-raspberrypi-3-b-liefert-jetzt-25-a-a-788867 [5] www.raspberrypi.org/downloads/raspbian Quelle: https://www.elektronikpraxis.vogel.de/raspberry-pi-4-endlich-15-ghz-usb-30-und-4gbyte-ddr4-ram-a-840812/

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Index

Index Symbolen

5-Zoll-HDMI-Touch-Display 126

C++ 133

6LoWPAN 110

Camera Pi NoIR v.2

40-Pin-GPIO-Stiftleiste 143

CAN-Bus 120

40-Pin-Stiftleiste 21, 147

CentOS 38, 39

(PoE)-Stecker 22

chainId 80 ChibiOS/RT 49

A Alpine Linux

129

Chromium 38, 51 Chromium 74“

AMBER Pi

161

AMBER PI

144, 158

Cloud-Computing 33

AMBER-RF-Stack 159

CM 144

Android 50

CM3 61

Anonymebox 109

CM3+ 25, 26, 61

Arch Linux

35, 36, 40

CMIO-Platine 76

arkOS 40

CMOS-Sensoren 163

ARM 46, 177

CODESYS 97

ARM-Architektur 45

CPU-Boards 163, 164

AROS 51

CYW43455 107, 108, 110, 139

ASCII 148

Asus Tinker Board

DDR4-RAM 20, 21

asynchron 149

Debian 47, 62, 65, 72

Azure IoT Edge

Debian-10 Buster-Version

DietPi 32

B balenaOS 47, 48

DS18B20 180

Banana Pi

BASIC 35

EEG 174

BCM283x 111

EIPs 81

BCM2709 48

Embedded Linux

BCM2711 20, 21

Embedded Systeme

BCM2837 18, 61

eMMC-Flash 26

BCM2837B0 25, 26, 105, 107, 138

Ether 56

BeagleBone 48

Ethereum 55, 56, 79

Blockchain 55, 56, 79

Ethereum-Client 57

Blockchain-Netzwerk 84

Ethernet 122

Boolean 161

EVM 56

Broadcom 18, 25, 46, 61, 86, 138 Broadcom PHY

Broadcom-SoC 20, 21

101 48

F FCC-Regeln 144 Fedberry 38

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Raspberry Pi goes Industry Fedora 38

Flow Control

Lab Monitor

151

173

FOSS 41

Lakka 30, 44

FPGA 167, 169, 171

LCDproc 127

FPGA iCE40

169

Leiterplatte 166

Frame 149

LibreELEC 30, 42

FreeBSD 46

LiFePO4-Akku 118

FreeRTOS 49

LineageOS 51

Fuchsia 51

Linux 30, 33, 35, 36, 39, 62, 78, 101

Funkmodul 144

LPC1114-Mikrocontrollers 35 LUT 169

G GATT 110

LXDE 32, 136

GBit-LAN 20

Gentoo 39

MAC OSX

GND 149, 152

Magjack 140

GPIO 87

Max2Play 40

GPIO Port

Microsoft Windows 10 IoT Core

111

GPU 55

Mikrocontroller 167

GUI 31, 36, 44, 46, 177

Mikroprozessor 167 Minibian 32

H HAT 87, 174 Himax HM01B0 UPduino Shield

169, 170

Hörgeräte-Algorithmen 176 HypriotOS 47

I IchiGoJam 35 IIoT 161 i.MX RT106C

171

i.MX Voice Solution Board

170

Infrarot-Bewegungsmelder 174 IoT 92, 94, 110, 122, 132, 158

J JavaScript 56, 59, 83

K Kali Linux

Kano OS

KI 167, 168, 171 Knoten 58, 79, 84 Kodi 42

Mini Black HAT Hack3r

174

miniUART 147, 149, 152 MIPI 163, 164, 165 MIPI-Kameramodulen 163 moOde Audio Player

Motor-HAT 2348

MxL7704 PMIC

106

N Nemo-Pi 132 NetBSD 46 NetBSD8 46 Netzwerk 79 nmap-Tool 77 Node-RED 94 NOOBS 29, 30, 34, 37, 42, 110 NOOBS-Installer 40 NTP 89 NXP 35

O OctoPi 39

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Index Odroid 32

Raspberry Pi Zero

OEM 167, 168

Raspberry Pi Zero W

Onboard-Drahtlosigkeit 177

Raspbian 30, 31, 86, 94, 97, 135

OpenCV 97

Raspbian-Lite 32

OpenELEC 42

Razdroid 50

openMHA 177

Recalbox 30, 43

OpenPLC 94

RetroPie 44

OPENSuse 39

RGMII-Verbindung 21

OpenWRT 39

RISC OS

OSMC 30, 42

ROM-Dateien 43 RPi Boot

44, 46, 133, 165 42

30, 45 63

Peer-to-Peer-Netzwerk 56

RS 232

Phyton 94

RS232 153, 154, 155, 156

Picamera 129

RS 485

PiFace Control & Display 2

127

RS485 155, 156, 157

PiFace Digital 2

127

RS485-Transceiver 147

PiNet 34

RTC 115, 141

PIN Header

RTC-HAT 3013

123

120 120

PiXtend 92, 94, 99

RTEMS 49

PL011-UART 147

RTR 152

Plan 9

RTS 152

PoE HAT

52 107

PoE-HAT 22, 122, 123

SBC 121

PROTO SPI

Scratch 34

162

Putty 77

Screenly OSE

PuTTY 150

Sense HAT

174

PXE 122, 140

SHIM RTC

128

PXE Boot

Smart Contracts

Snappy Ubuntu Core

107

Python 31, 88, 129, 133, 181

SoC 106

Q Quadcore-SoC 20

SODIMM-Format 103

Qualcomm 46

Solaris 78 SoM 27

R R2D2-NT 96 RAM 57, 65, 83 Rasbian Lite

RaspAnd 50 Raspberry Pi Camera v.2

129

Raspberry Pi Foundation

27, 31, 107, 126

Raspberry Pi.GPIO-Modul

180

SPS-Norm 94 Start-Bit 149 Stop-Bit 149 Stretch 32 StromPi 3

115

T Tarvos-III-Funkmodul 159

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Raspberry Pi goes Industry ThingSpeak 174 Thonny 136 Tizen 52 TLXOS 30

U UART 110, 149, 153 Ubuntu Mate

Uniqster Feeder

V Videoschnittstellen 170 VirtualBox 64, 69 virtuelle Linux-Maschine

VLI-Controller 21 Volumio 40

W Wheezy 31 Windows IoT Core

101

X X.org 32

Y Yocto-Core 47 Yocto Linux

103

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ISBN 978-3-89576-348-9

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de www.elektronikpraxis.de

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