Raspberry Pi Schnittstellen: Von der GPIO über WLAN zum Kameramodul

Raspberry Pi Schnittstellen und Raspberry Pi Module – eine Übersicht
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An dieser Stelle wollen wir euch über die wichtigsten Raspberry Pi Module und Raspberry Pi Schnittstellen informieren. Denn dank dieser Add-ons bieten sich sowohl Einsteigern als auch erfahrenen Bastlern gleichermaßen neue Anwendungsmöglichkeiten für den Einplatinencomputer.

Nachdem wir euch bereits die bekanntesten Raspberry Pi Betriebssysteme vorgestellt haben, ist es an der Zeit, dass wir uns einmal über Erweiterungen unterhalten. Denn es existiert bereits eine große Zahl an Raspberry Pi Schnittstellen und Raspberry Pi Modulen für zahlreiche Anwendungsbereiche. Verbreitet ist beispielsweise die Verwendung des Einplatinencomputers als Mediacenter, da alle Raspi-Modelle mit Ausnahme des Compute Module dank ihrer Broadcom Dual Core VideoCore IV GPU Videodaten mit voller HD-Auflösung dekodieren und über die HDMI-Schnittstelle ausgeben können.

Die GPIO-Schnittstelle erlaubt eine direkte Kommunikation mit Sensoren und elektronischen Bauteilen. Eine native Schnittstelle für Festplattenlaufwerke ist nicht vorhanden, zusätzlicher Massenspeicher kann per USB-Schnittstelle angeschlossen werden, z. B. externe Festplatten/SSDs oder USB-Sticks. Über diese Raspberry Pi Schnittstelle ist auch der Anschluss einer Kamera möglich. Werfen wir also einen Blick auf die wichtigsten Raspberry Pi Schnittstellen und Raspberry Pi Module.

Raspberry Pi Schnittstellen und Raspberry Pi Module

GPIO-Schnittstelle

Eine der wichtigsten Raspberry Pi Schnittstellen ist die frei programmierbare GPIO (General Purpose Input/Output). Über diese können beispielsweise LEDs, Sensoren und Displays angesteuert werden. Beim Raspberry Pi Modell A und Modell B besteht die GPIO aus 26 Pins, bei den Modellen A+, B+, Raspberry Pi 2 B und Raspberry Pi 3 B aus 40 Pins. Diese Pins dienen als physisches Interface zwischen dem Raspi und seiner Umgebung. Vereinfacht gesagt handelt es sich bei den Pins um Schalter für die Signalein- (Input) und die Signalausgabe (Output) angeschlossener Peripherie. 17 von den 26 Pins sind GPIO-Pins, der Rest sind Strom- bzw. Erdungsanschlüsse. Bei den Modellen mit 40 Pins gehören 26 zum GPIO. Theoretisch lassen sich die GPIOs beliebig erweitern, indem man den I2C- oder SPI-Bus nutzt. Einen Überblick bietet das Online-Diagramm von Raspberry Pinout sowie nachfolgende Abbildung.

GPIO-Pins, Quelle: Raspberry Pi

GPIO-Pin-Belegung, Quelle: Raspberry Pi

Die Pins lassen sich nach Belieben programmieren; die Eingabe muss dabei nicht über einen physischen Schalter erfolgen, sondern ist auch über einen Sensor oder per Signal von einem anderen Device möglich. Auch die Ausgabe kann so gut wie alles steuern, vom Anschalten einer LED bis zum Senden von Daten an ein anderes Gerät. Falls der Raspberry Pi an ein Netzwerk angeschlossen ist, können sogar mit diesem verbundene Devices vom Raspi aus kontrolliert werden. Im Raspberry-Pi-Blog findet sich eine ausführliche Anleitung zur Arbeit mit den GPIO-Pins und nicht vergessen:

It all starts with a simple LED, but it can take you to incredible places. Do not underestimate the fun, creativity and sense of achievement you can get from a little computer and a bunch of pins.

WLAN-Modul für Raspberry Pi

Eine Anbindung ans Internet verleiht dem Raspberry Pi eine ganz neue Dimension und erweitert die Zahl möglicher Projekte erheblich. Allerdings ist eine Anbindung via 10/100-MBit-Ethernet erst seit dem Raspberry Pi Modell B möglich. Modell A, A+ und Zero verfügen über keinerlei Netzwerkanbindung. Möchte man seinem Raspi dennoch einen Web-Zugang bescheren, hilft ein WLAN-Modul, das per USB-WiFi-Dongle an das Board angeschlossen wird. Die Raspberry Pi Foundation empfiehlt den für den Einplatinencomputer optimierten WiFi-Dongle von The Foundation. Natürlich können auch Dongles anderer Anbieter verwendet werden, an Angeboten mangelt es nicht. Infos zu unterstützten Geräten bietet folgende Übersicht.

Nachdem das WLAN-Modul an einen freien USB-Port eingesteckt und vom Betriebssystem erkannt wurde, muss die richtige WLAN- und IP-Konfiguration ermittelt werden. Danach geht es an die Konfiguration der WLAN-Schnittstelle: Die grafische Oberfläche des OS Raspbian bietet beispielsweise per Desktopverknüpfung „Wifi Config“ ein Konfigurationstool. Darüber lässt sich dann der WLAN-Adapter auswählen und nach Drahtlosnetzwerken suchen. In den Suchergebnissen müssen jetzt nur noch die gewünschte SSID markiert und die Zugangsdaten eingegeben werden. Hilfe bei der Installation bietet das Raspberry-Pi-Forum, in dem übrigens auch Beiträge auf Deutsch zu finden sind.

Raspberry Pi 3 erweitert die Vorgängermodelle um serienmäßig integriertes WLAN und Bluetooth Low Energy – das manuelle Anschließen und die Nutzung der Raspberry Pi Schnittstellen entfällt ab diesem Modell also.

Raspberry Pi mit Bluetooth ausstatten

Bluetooth ist ein guter Weg, um eine Kommunikation zwischen Raspberry Pi und externen Geräten wie Druckern oder Smartphones herzustellen. Wie oben bereits erwähnt, verfügt der Raspberry Pi 3 bereits über ein eingebautes Bluetooth-Modul, sodass hier keinerlei zusätzliche Hardware benötigt wird. User, die ältere Raspi-Modelle nutzen, brauchen allerdings für den Einsatz von Bluetooth einen Adapter bzw. einen USB-Dongle. Eine Empfehlung seitens Raspberry Pi: der Inateck Bluetooth 4.0 Adapter.

Die Installation eines Bluetooth-Moduls erfolgt dabei ähnlich wie die des WLAN-Moduls: Die nötigen Pakete werden über die Kommandozeile installiert und anschließend der Bluetooth-Dienst gestartet. Daraufhin muss lediglich die Umgebung nach anderen bluetoothfähigen Geräten abgesucht werden; die gefundenen MAC-Adressen lassen sich dann ansteuern. Damit ist eine direkte Verbindung mit den gewünschten Devices möglich – ist eine grafische Benutzeroberfläche vorhanden, kann ab hier der Bluetooth Manager genutzt werden.

Kameramodul an den Raspi anschließen

Auch eine Kamera lässt sich über das Camera Serial Interface (CSI) an den Raspberry Pi anschließen. Derzeit ist das Raspberry Pi Camera Module v2 im Handel, das über einen acht Megapixel auflösenden Bildsensor vom Typ IMX219 von Sony verfügt. Damit sind Bilder in einer Qualität von 3280 x 2464 Pixeln möglich. Dieses Modul ersetzt das seit 2013 auf dem Markt erhältliche Fünf-Megapixel-Modul Omnivision OV5647. Das Kameramodul kann zum Beispiel zum Erstellen von hochauflösenden Videos und Szenenfotos genutzt werden, aber auch Effekte wie Slow-Motion und Zeitraffer lassen sich damit umsetzen. Vor allem in Smart-Home-Sicherheitslösungen und Fotofallen wird das Modul gerne genutzt.

Die Kamera funktioniert mit allen Modellen des Raspberry Pi 1, 2 und 3 und kann über Frameworks bzw. APIs wie MMAL oder V4L angesteuert werden. Zudem gibt es unzählige Libraries von Drittanbietern, darunter die Picamera-Python-Library. Im zugehörigen Tutorial wird Schritt für Schritt erklärt, wie man das Raspberry-Pi-Kameramodul unter Verwendung von Python und Picamera nutzt.

Darüber hinaus existiert auch die Variante Pi NoIR, die ohne eingebauten Infrarotfilter daherkommt (NoIR = No Infrared). Damit sind dank Infrarot Aufnahmen im Dunkeln möglich. Ansonsten bietet Pi NoIR genau dieselben Eigenschaften wie das normale Kameramodul und ist ebenfalls für alle Raspberry-Pi-Modelle außer dem Raspberry Pi Zero geeignet.

Das normale Kameramodul und die Infrarot-Variante, Quelle: Raspberry Pi

Das normale Kameramodul und die Infrarot-Variante, Quelle: Raspberry Pi

Anstelle des Raspberry-Pi-Kameramoduls lässt sich übrigens auch eine einfache USB-Webcam zur Aufnahme von Bildern und Videos nutzen. Allerdings ist hierbei mit Einbußen bezüglich der Bildqualität zu rechnen. Eine Installationsanleitung steht auf der Dokumentationswebsite von Raspberry Pi zur Verfügung.

Display-Schnittstelle (Video/Audio) nutzen

Möchte man auf seinem Raspi auch etwas sehen, kommt das Display Serial Interface (DSI) ins Spiel. Über diese Raspberry Pi Schnittstelle kann direkt ein Display angeschlossen werden. Der Raspberry Pi verfügt über einen HDMI- und Composite-Ausgang, sodass er sich sowohl an moderne Digital-TVs und DVI-Monitore (Digital Visual Interface) als auch an ältere analoge Fernseher anschließen lässt. Ab Modell B+ wurde die RCA-Composite-Buchse durch eine 3,5mm-Klinkenbuchse ersetzt, die Audio und Video kombiniert. Für den Anschluss an einen alten TV wird nun ein Adapter benötigt. Der Pi Zero nutzt einen Mini-HDMI-Anschluss.

VGA wird serienmäßig nicht unterstützt, allerdings befinden sich einige Adapter auf dem Markt. Wichtig bei einem Kauf ist, dass dieser aktiv und mit einer externen Stromversorgung versehen ist.

Seit September 2015 ist offiziell ein Display für den Raspberry Pi erhältlich, das über die DSI-Schnittstelle angeschlossen werden kann. Das Display ist sieben Zoll groß und verfügt über eine Auflösung von 800 x 480 Pixeln. Außerdem gibt es die Möglichkeit, einen Multi-Touchscreen mit integriertem Controller über I2P anzuschließen.

Die analoge Audio-Ausgabe erfolgt über einen vierpoligen Klinkenstecker, allerdings ist der Ton aufgrund fehlender Digital-Analog-Umsetzung eher schwach. Wer eine bessere Klangqualität möchte, kann den HDMI-Ausgang und damit die DSI-Schnittstelle nutzen. Es ist aber auch möglich, Audiolösungen in Form von USB-Soundkarten oder Aufsteck-Platinen zu implementieren. Diese nutzen dann die integrierte I2S-Schnittstelle.

Bonus: Sense HAT

Kein Vertreter der typischen Raspberry Pi Schnittstellen, aber dennoch einen Blick wert: Mit dem Raspberry Pi Modell B+ wurde eine offizielle Spezifikation für Erweiterungsplatinen, sogenannte Hardware attached on top (HAT), vorgestellt. Modell A+ und Raspberry Pi 2 Modell B sind mit dieser ebenfalls kompatibel. Besonders spannend ist hier das Sensor-Board Sense HAT, mit dem es möglich ist, die Umgebung zu entdecken und zu vermessen. Der Sense HAT ist Teil der Astro-Pi-Mission und wird mit dem Raspberry Pi über die GPIO-Pins verbunden.

Sense HAT ist mit einer 8 x 8 RGB LED-Matrix und einem Joystick mit fünf Knöpfen ausgestattet. Zudem enthält er ein Gyroskop, Beschleunigungsmesser, Magnetometer und Sensoren zur Messung von Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit. Mithilfe der LED-Matrix lassen sich die Daten der verschiedenen Sensoren darstellen. Das Board kann durch den Joystick aber auch einfach zum Spielen von Klassikern wie etwa Tetris genutzt werden. Eine Anleitung zur Arbeit mit Sense HAT finden Interessierte im Learning-Bereich von Raspberry Pi.


Die hier vorgestellten Raspberry Pi Schnittstellen und Raspberry Pi Module zählen zu den wichtigsten und können als „Klassiker“ angesehen werden. Habt ihr schon Erfahrungen mit diesen gemacht und könnt uns eure Projekte in den Kommentaren vorstellen? Welche anderen Raspberry Pi Schnittstellen und Module könnt ihr empfehlen? Wir freuen uns über eure Anregungen!

Aufmacherbild: Ekaterina_Minaeva /Shutterstock.com

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