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Findige Tüftler und Firmen haben dem Raspberry Pi nützliche bis kuriose Hardware-Erweiterungen spendiert. Das Linux-Magazin liefert eine Übersicht der wichtigsten Zusatzplatinen.

Kaum war der Raspberry Pi [1], Kosename Raspi, auf dem Markt, stürzten sich schon die Bastler auf den Rechnerzwerg. Einige von ihnen wollten sich mit dem Anschluss von LEDs nicht zufriedengeben, entwickelten einfache und komplexe Zusatzplatinen für sich und ließen sie später in Serie für jedermann ätzen.

Inzwischen machen auch Firmen mit und es gibt für fast alle Aufgaben geeignete Lösungen: angefangen bei einem Kameramodul über Sensoren, Steuerungsplatinen für die Heimautomation bis hin zu kleinen Soundkarten. Einige besonders interessante und beliebte Erweiterungen stellt der Artikel vor. Bis auf wenige Ausnahmen sind sie bei einschlägigen Elektronikversendern wie Conrad, Reichelt oder ELV erhältlich.

Andocken mit System

Die Hardware-Erweiterungen docken in der Regel an die GPIO-Pins des Raspberry Pi an. Anwender verbinden die Platinen entweder über ein Flachbandkabel oder setzen die Erweiterung direkt auf den Raspi, dann sieht das Ergebnis wie ein Hardware-Sandwich aus. Für derlei Huckepackplatinen gibt es sogar eine Spezifikation der Raspberry Pi Foundation [2]. Sie schreibt neben den Abmessungen der Platine und den Positionen der Bohrlöcher auch ein EEPROM vor. Es teilt dem Raspberry Pi mit, wie die Erweiterung die GPIO-Pins nutzt und welche Hardware sich auf der Platine befindet.

Eine Erweiterung, die dieser Spezifikation folgt, heißt Hardware Attached on Top, kurz HAT. Die Spezifikation ist allerdings nur eine Empfehlung: Bewirbt ein Hersteller seine Raspberry-Pi-Erweiterung als HAT, muss sie nicht zwingend die Spezifikation einhalten.

Bitte lächeln

Die Raspberry Pi Foundation selbst steuert eine der wohl beliebtesten Erweiterungen bei: Das offizielle Kameramodul (Abbildung 1) schießt Bilder mit 5 Megapixeln und kann Videos in den Auflösungen 1080p30, 720p60 und VGA90 aufzeichnen [3]. Der Zugriff auf die Kamera erfolgt über Kommandozeilentools (»raspistill« oder »raspivid« ), Video4Linux (V4L) oder eine entsprechende Bibliothek. Die Kamera schließen Anwender über ein Flachbandkabel an den CSI-Port (Camera Serial Interface) des Raspberry Pi an. Im Handel kostet das Modul knapp 27 Euro. Für rund 3 Euro mehr gibt es eine Variante des Kameramoduls, die auch Infrarotstrahlung erfasst [4], sie ermöglicht Nachtaufnahmen.

Abbildung 1: Das offizielle Kameramodul für den Raspberry Pi hängt am CSI-Port.

Es werde Licht

In Kürze soll der Raspberry Pi ein offizielles Touchdisplay erhalten. Die Anwender stecken es einfach auf das Raspi-Board und verwandeln den Minicomputer so in eine Art Tablet-PC [5]. Aufgrund der größeren Höhe des Tandems sieht die Raspberry Pi Foundation einen Einsatz des Touchdisplays primär in eingebetteten Systemen vor. Das Display soll eine Auflösung von 640 mal 480 Pixeln besitzen.

Bereits länger im Handel erhältlich ist das TFT-Display C-Berry von Admatec (Abbildung 2, [6]). Den knapp 40 Euro teuren Bildschirm schließen Anwender über den SPI-Port an. Die Auflösung ist aber auf 320 mal 240 Bildpunkte beschränkt, zudem versteht das C-Berry keine Touchgesten. Dafür braucht das Display keine zusätzliche Stromversorgung.

Abbildung 2: Das C-Berry-Display ist zwar sparsam in Sachen Stromverbrauch, bietet allerdings auch nur eine geringe Auflösung.

Eine Mini-Lichtorgel stellt der Unicorn Hat [7] bereit. Auf der kleinen Platine sind insgesamt 64 RGB-LEDs in einer 8-mal-8-Matrix angeordnet. Jede RGB-LED kann der Raspi einzeln ansteuern und so einfache Bilder präsentieren, visuelle Effekte generieren oder eine bestimmte Lichtstimmung in den Raum zaubern. Da die LEDs laut Hersteller extrem stark leuchten, sollten Nutzer nicht direkt auf den eingeschalteten Unicorn Hat schauen und möglichst mit einem aufgesetzten Diffuser (ein Milchglas) das Licht streuen oder es dimmen.

Der Unicorn Hat nutzt die PWM-Hardware (Pulse Width Modulation) und den GPIO-Pin 18. Auch sollte der Raspberry Pi an einem Netzteil hängen, das 2 Ampere liefert. Der Unicorn Hat kostet 24 britische Pfund, das sind rund 35 Euro.

Messen, steuern, regeln

Wer mit dem Raspberry Pi messen, steuern oder regeln möchte, sollte einen Blick auf das Gertboard riskieren [8], es ist nach seinem Entwickler Gert van Loo benannt. Die Platine erweitert den Raspberry Pi unter anderem um einen Controller für Motoren, A/D- und D/A-Wandler, einen frei programmierbaren AT-Mega-Microcontroller, einen Druckschalter sowie um Kollektorausgänge. Das Gertboard schließen Anwender mit einem Flachbandkabel direkt an die GPIO-Pins an. Im Handel kostet die Platine knapp 50 Euro.

Das Raspicomm rüstet eine serielle RS-232- Schnittstelle nach [9]. Die auf die GPIO-Pins gesteckte Adapterplatine bietet zudem I2C-Verbindungen, zum Beispiel für den Anschluss von Sensoren, einen 5-Wege-Joystickanschluss und eine RS-485-Schnittstelle, an die sich etwa Steuerungen für Schrittmotoren hängen lassen. Das Raspicomm enthält eine Echtzeituhr, die eine Batterie auch nach dem Ausschalten des Raspi in Gang hält, und kostet 50 Euro. Wer nur eine RS-232-Schnittstelle benötigt, greift zum 20 Euro teuren RS232/GPIO-Shield von Linksprite [10].

Analog liefert die Pi-Face Real Time Clock eine batteriegepufferte Echtzeituhr, die für 9 Euro zu haben ist [11]. Hersteller Pi-Face hat zudem eine Erweiterung im Angebot, die zwei Relais, vier Taster, acht LEDs, acht Digitaleingänge und acht Open-Collector-Ausgänge bereitstellt. Die Platine kostet knapp 23 Euro [12].

Position beziehen

Die momentane Temperatur, der Luftdruck und die aktuelle Position fragt der Raspberry Pi beim Mems Sensor Board ab (Abbildung 3, [13]). Die auch als Xtrinsic-Sense-Board bezeichnete Aufsteckplatine enthält zudem einen Magnetfeldsensor sowie einen Beschleunigungssensor, der drei Richtungen unterscheidet. Das Mems Sensor Board ist im Handel für 30 Euro zu haben.

Abbildung 3: Das Mems Sensor Board misst Luftdruck, Temperatur und die aktuelle Position.

Ein komplettes Oszilloskop mit integriertem Logic Analyzer erhält der Elektronikbastler über das Bitscope Micro (Abbildung 4, [14]). Im Gegensatz zu den meisten anderen Hardware-Erweiterungen handelt es sich um eine USB-Erweiterung. Das Digitaloszilloskop besitzt zwei Kanäle mit einer Bandbreite von 20 MHz und löst sie mit 8 und 12 Bit auf. Laut Hersteller benötigt das Bitscope Micro keine eigene Stromversorgung. Dem kleinen Oszilloskop liegt Software bei und es lässt sich über ein API ansprechen. Zu kriegen ist das Bitscope Micro für 110 Euro.

Abbildung 4: Mit dem Bitscope Micro erhält der Anwender neben einem 2-Kanal-Oszilloskop auch einen Logik- und Spektrumanalysator.

Heimatgefühle

Im Haushalt lassen sich immer mehr Geräte drahtlos steuern. Dazu zählen auch die von Philips angebotenen Hue-Lampen [17]. Sie kommunizieren über einen Zigbee genannten Standard.

Derartige Geräte kann ein Aufsteckmodul von Dresden Electronic ansprechen und steuern [18]. Die Raspbee genannte Platine hat eine Reichweite bis zu 500 Metern und ist in zwei Ausführungen erhältlich: Die Basic-Variante kostet 37 Euro und spricht maximal 5 Knoten zugleich an, während die Premium-Variante für 58 Euro mit bis zu 200 Knoten jongliert. Die Raspbee spricht auch mit Xbee-Geräten der Serie 2, kennt andere IEEE-802.15.4-basierte Funkprotokolle und arbeitet mit eigener Firmware. Sie ist aber nicht mit der Philips-Hue-Bridge kompatibel.

Den auch in der Heimautomation eingesetzten Z-Wave-Standard beherrscht das Modul Razberry [19]. Das von Z-Wave.me angebotene SDK ist aber teilweise Closed Source. Der deutsche Handel verkauft das Aufsteckmodul für 60 Euro.

Mit dem Enocean Pi lassen sich auch die batterielosen Funkmodule der Firma Enocean steuern [20]. Diese beziehen ihre Energie aus Bewegungen, Licht oder den Schwankungen der Temperatur. Enocean Pi kostet 35 Euro.

Hast du Töne

Musik und Töne gibt das HAT-Modul Hifiberry wieder (Abbildung 5, [21]). Die Minisoundkarte existiert gleich in mehreren Ausführungen. Unter anderem haben Käufer die Wahl zwischen einem Modell mit analogen Cinch- oder digitalen S/PDIF-Ausgängen. Im zweiten Fall stehen eine optische und eine elektrische Buchse bereit. In jedem Fall verarbeitet das Modul die Tonsignale mit 192 kHz in 24 Bit.

Abbildung 5: Der Hifiberry ist eine kleine Soundkarte.

Der deutsche Hersteller Modul 9 verkauft mit dem Hifiberry Amp [22] sogar einen Miniverstärker mit bis zu zweimal 25 Watt Leistung, an den der Raspberry-Fan direkt Lautsprecher klemmen darf. Während der Hifiberry Amp mit 60 Euro zu Buche schlägt, kosten die anderen Ausführungen zwischen 25 und 30 Euro.

Eine Alternative bietet die Soundkarte von Wolfson Microelectronics (Abbildung 6, [23]). Sie verfügt sogar über Mikrofon- und Stereo-Line-in-Eingänge, wartet aber mit nur einem analogen Stereo-Ausgang auf. Die kleine Adapterplatine kostet im deutschen Einzelhandel 40 Euro.

Abbildung 6: Die Wolfson-Soundkarte bietet im Gegensatz zum Hifiberry HAT auch Audio-Eingänge.

Stromausfall

Ähnlich wie die in einem anderen Artikel beschriebenen Upis fährt die von CW2 entwickelte Aufsteckplatine Pi USV bei einem Stromausfall den Raspi entweder kontrolliert herunter oder schaltet auf Batteriebetrieb um [24]. Die Stromversorgung lässt sich zudem vom Raspberry Pi aus überwachen, eine Monitoringsoftware stellt der Hersteller bereit. Die Pi USV kostet 30 Euro. Der Hersteller hat für Januar 2015 einen verbesserten Nachfolger namens Pi USV+ angekündigt.

Eine Alternative zum Pi USV bietet der Strom Pi [25]. Auch er überwacht die Stromversorgung und schaltet im Notfall auf Batteriebetrieb um. Darüber hinaus kann er den Raspberry Pi mit Stromquellen verbinden, deren Spannungen zwischen 6 und 36 Volt schwanken. Die Aufsteckplatine liefert bis zu 2 Ampere und kostet rund 25 Euro.

Völlig losgelöst

WLAN lässt sich über USB-Sticks nachrüsten, etwa den rund 8 Euro teuren EW-7811Un von Edimax, der in den Standards IEEE 802.11b/g/n funkt. Conrad Electronic bietet für 10 Euro einen eigenen USB-Stick für Bluetooth 4.0 an [26].

NXP und Element 14 liefern ein Aufsteckmodul namens Explore NFC zur Near Field Communication (NFC, [28]). Mit ihm kann der Raspberry Pi RFID-Karten auslesen und mit NFC-fähigen Smartphones kommunizieren. Das Modul beherrscht alle drei NFC-Modi (Reader, P2P und Card Emulation) und kostet etwa 35 Euro.

Zombie-Pi

Ebenfalls von Gert van Loo stammt das Gertduino-Modul [29]. Es handelt sich um einen Arduino, den der Nutzer auf den Raspberry Pi steckt. Anschließend lässt sich der Arduino bequem von der Himbeere aus programmieren und steuern. Der Gertduino ist wiederum kompatibel zum Arduino Uno und kann die dafür gedachten Shields weiterverwenden. Diese kleinen Huckepack-Platinen erweitern die Funktionen des Arduino ähnlich wie die HAT-Module den Raspberry Pi.

Wer das Gertduino-Modul nutzen möchte, sollte allerdings die Arduino-Plattform kennen, die Programme entstehen zum Beispiel mit einem Cross-Compiler. Der Gertduino kostet im “mitteleuropäischen” Einzelhandel 40 Euro.