© Bjoern Wylezich, 123RF

Seit mehr als sechs Jahren hält die Erfolgsgeschichte um den Raspberry Pi mittlerweile an. Der Einplatinenrechner hat Community und Unternehmen zu Tausenden von Projekten angeregt. Die Redaktion stellt eine Auswahl an Raspberry-Pi-Kleinodien für Bastler, Forscher und den Industrie-Einsatz vor.

Entstanden aus der Idee, Kinder zum Programmieren anzuleiten, hat der Raspberry Pi (RPi) seinen Siegeszug angetreten und sich über 18 Millionen Mal verkauft. Kürzlich erschien mit dem RPi 3 B+ ein neues Modell mit verbesserter Hardware. Die Einsatzzwecke des RPi reichen vom Babyphone bis hin zum Cluster der Universität Bozen, der 300 Nodes zu einem Raspberry-Pi-Supercomputer zusammenschaltet [1]. Suse stellt gar seinen Enterprise Server 12 für den Kleinstrechner bereit [2]. Das Linux-Magazin hat aus dem Fundus der Projekte eine persönliche Bestenliste erstellt.

Nextcloud Pi

Der umtriebige Entwickler Nacho Parker aus dem Nextcloud-Umfeld pflegt ein Image für den Raspberry Pi, das die Standard-Distribution Raspbian mit der Cloudspeicher-Software Nextcloud verbindet. Wie er dem Linux-Magazin mitteilte, arbeitet außer ihm noch ein Entwickler am Code der Distribution. Das stetig weiterentwickelte Image basiert auf Raspbian 9 und ist an die aktuelle Nextcloud-Version 13.0.1 angepasst. Nextcloud Pi (NCP, [3]) steht als ARM-Image oder x86-Docker-Container bereit.

Der Code zu NCP (Abbildung 1) wartet auf Github [4], wo auch Anleitungen für die Nutzung des Buildskripts für das Raspbian-Image, ein x86-Image sowie ein Docker-Armhf-Image bereitliegen. Dort finden sich neben dem fertigen RPi-Image auch Docker-Images für den RPi, die x86-Plattform und weitere Hardware, basierend auf Arm-Hardfloat (»armhf«). Der Server verzeichnet am Tag bis zu 1000 Downloads von NCP.

Abbildung 1: Nextcloud PI verbindet den Raspi mit der Filesharing-Software.

Nextcloud Pi enthält ein eigenes Setup-Tool und unterstützt automatische Sicherheitsupdates, Let’s Encrypt und Fail2Ban ebenso wie Redis-, APCu-PHP-Cache und PHP Zend Opcache. Unter anderem sind Apps für Kalender, Kontakte, Aufgaben und Notizen vorinstalliert. Neueste Errungenschaft: NCP unterstützt das Kernelmodul ZRAM, das als Swap oder als generische RAM-Disk dient.

Wer ein stets aktuelles Betriebssystem sucht, das bereits eine sinnvoll vorkonfigurierte Nextcloud-Installation beinhaltet, wird bei NCP bestimmt fündig. Support leistet ein eigens eingerichtetes Nextcloud-Unterforum [5].

Ihr Hauptaugenmerk legen die Entwickler laut Parker derzeit darauf, die Benutzerfreundlichkeit der Web-Schnittstelle zu verbessern, die Funktionen für die Docker-Version zu erweitern und Images für weitere Platinenrechner zu bauen.

Pi-Hole

Bei Pi-Hole handelt es sich um eine Lösung, um Werbebanner und Tracker auf sämtlichen Geräten im privaten Heimnetzwerk zu unterbinden. Sie basiert auf dem kleinen Webserver Lighttpd und Dnsmasq. Jakob Salmela arbeitet seit 2015 an dem Projekt.

Aus technischer Sicht verwaltet Pi-Hole intern eine Liste mit rund 120 000 Domainnamen, die Werbung ausliefern oder Tracker auf Nutzer ansetzen. Da Pi-Hole als DNS-Server im lokalen Netzwerk auftritt, blockiert es effektiv unerwünschte Domains. Eine im Netzwerk angeforderte Webseite kann die auf ihr geschaltete Werbung also gar nicht erst laden.

Die Installation auf dem Raspberry Pi erfolgt Skript-gesteuert über den Befehl »curl -sSL https://install.pi-hole.net | bash«. Die darauf folgende Konfiguration fragt nur einige Eckdaten zum Netzwerk ab. Über eine Webschnittstelle ergänzt der Admin weitere Blocklisten. Danach gilt es, den Pi noch als DNS-Server im Netz bekannt zu machen. Am einfachsten gelingt das über den Router. Die Webseite von Mike Kuketz liefert dafür eine ausführliche Anleitung [6].

Weil Pi-Hole einen Großteil der Werbung auf DNS-Ebene blockiert, müssen Rechner im LAN dafür keine Ressourcen abstellen. Als besonders nützlich erweist sich Pi-Hole bei In-App-Werbung auf Smartphones oder Apps auf Smart-TVs. Zudem kann es als DHCP-Server dienen und ist kompatibel mit DNS Crypt. Das Projekt ist auf Github zu finden [7].

Motion Eye OS

Ein häufiges Einsatzgebiet des Raspberry Pi ist die Überwachung von Räumen oder Außenbereichen mittels einer Kamera. Dazu dient auch das Projekt Motion [8]. Sei es das Beobachten des Haustiers, das Schlüpfen des Nachwuchses im Vogelnest oder die Überwachung einer Maschine im Betrieb – der Pi übernimmt diese Aufgaben im Zusammenspiel mit Motion. Das Aufsetzen einer solchen Lösung ist aber nicht trivial und erfordert Erfahrung im Umgang mit der Kommandozeile.

Hier kommt Motion Eye OS (Abbildung 2) ins Spiel [9]. Das seit 2014 entwickelte System basiert auf Buildroot [10] und nutzt Motion als Backend und Motion Eye als Frontend.

Abbildung 2: Hinzufügen einer Kamera zu Motion Eye OS.

Das Betriebssystem kann mit einer oder mehreren Kameras umgehen. Auch lassen sich mehrere Raspberrys über einen Hub oder Server zusammenschalten und gemeinsam konfigurieren. Neben der Überwachung gelingt mit einer IP-Kamera auch der Betrieb einer Webcam. Außer auf dem Pi ist Motion Eye auf einer Reihe weiterer Platinenrechner oder einem x86-Desktop unter Linux einsetzbar. Das Wiki bietet viele ausführliche Anleitungen [11].

Das von dem Entwickler Calin Crisan vorwiegend im Alleingang betreute Projekt hat nach seinen Angaben rund 10 000 Anwender. In nächster Zeit will er dem Projekt ein API spendieren, auf dem Anwender dann eigene Erweiterungen und abgeleitete Projekte aufbauen.

Speed Camera

Eine weitere Anwendung, die eine Kamera einbindet, stammt von dem Kanadier Claude Pageau. Speed Camera (Abbildung 3) ist ein Python-Programm, das Open Computer Vision (Open CV) verwendet, um das größte sich bewegende Objekt im Blickfeld einer Kamera visuell zu verfolgen sowie Geschwindigkeit und Richtung zu bestimmen.

Abbildung 3: Das Dashboard von Speed Camera.

Es zeichnet ein Bild auf und speichert die Daten optional in einer CSV-Datei zur späteren Verarbeitung. Wenn also der Verkehr vor der Haustür die erlaubte Geschwindigkeit ständig stark übersteigt, lässt sich das mit dieser günstigen Lösung festhalten. Ein weiteres Einsatzgebiet ist der Sportbereich, wenn es etwa gilt, Geschwindigkeiten von Läufern oder Radfahrern zu messen.

Die Software ist unter Unix-stämmigen Systemen, unter Windows und auf dem Raspberry Pi lauffähig und bietet Plugins für Webcams sowie die speziell für den Raspberry Pi entwickelte Pi Cam. Seit einem Jahr bietet das Projekt die Option, gespeicherte CSV-Daten und die entsprechenden Bilder in einem Browser im LAN zu betrachten. Dazu haben die Entwickler ein Menüsystem, den Konverter Makehtml sowie einen Webserver integriert.

Entwickler Pageau empfiehlt mindestens einen Raspberry Pi 2, da dieser über eine Vierkern-CPU verfügt, die durch Threading eine bessere Leistung erreicht.

Voice Kit

Google AIY steht für “Do-it-yourself Artificial Intelligence”. Das Projekt umfasst derzeit zwei Kits. Vision Kit dient dazu, eine Kamera zu entwickeln, die mit Hilfe des Deep-Learning-Framework Tensorflow Objekte erkennt. Der Artikel beleuchtet aber Voice Kit, den zweiten Bausatz des AIY-Projekts [12]. Der soll eine natürliche Spracherkennung an den Start bringen.

Interessierte verwandeln einen Raspberry Pi 3 in einer knappen Stunde in einen Google-Assistenten. Über das hinaus, was das Google-Assistent-SDK bereits leistet, sind eigene Frage-und-Antwort-Paare möglich. All das findet Platz in einem handlichen Kartonwürfel, in dem ein Raspberry Pi steckt, den ein Lautsprecher zum Sprechen bringt.

Tüftler brauchen neben einem Raspberry Pi 3 und einer SD-Karte samt Voice-Kit-SD-Image [13] den Voice-Kit-Bausatz für rund 25 Euro [14]. Darin stecken, neben dem Karton, einem Lautsprecher und allen benötigten Verbindungskabeln, die beiden Erweiterungsboards Voice Hat und Voice Hat Microphone. Der Zusammenbau ist ausführlich dokumentiert [15] und erfordert als Werkzeug lediglich einen Schraubendreher. Für Maker und Hacker bietet der Makers Guide [16] Quellcode und API-Referenzen der beteiligten Software sowie Anleitungen zur Integration zusätzlicher Sensoren.

Cluster mit Docker Swarm

Meist reicht ein einziger Raspberry Pi aus, um ein Projekt zu verwirklichen. Es gibt aber auch Szenarien, die geballte Rechenkraft erfordern. Hier bietet es sich an, einen Pi-Cluster einzusetzen.

Das beschriebene Projekt [17] begnügt sich beispielhaft mit vier Pis (Abbildung 4) und verwaltet diese mit Docker Swarm [18]. Natürlich lassen sich weit größere Cluster aufbauen. So baute Container-Spezialist Resin einen The Beast getauften Pi-Cluster mit 144 Platinen und arbeitet derzeit an einem noch größeren Modell [19]. Der Cluster der Universität Bozen verbindet gar 300 RPis.

Abbildung 4: RaspberryPi im CLuster verbaut. © howchoo.com

Auch ist Docker Swarm nicht die einzige Option, Pi-Cluster zu betreiben. Kubernetes oder Mesos Marathon eignen sich ebenfalls für diese Aufgabe. Aber im Gegensatz zu anderen Lösungen ist Docker Swarm nach der Installation von Docker bereits mit an Bord.

Für den Anfang ist der Umgang mit einem kleinen Projekt übersichtlicher und für den Hobbyisten günstiger. Joseph Tyler Jones, Entwickler der Maker-Plattform Howchoo, hat das Projekt beschrieben. Die einfachste Art, einen kleinen Turm mit vier Raspberry-Pi-3-Platinen zu bauen, sieht er im Einsatz günstiger Abstandshalter im Format M2.5, mit denen er die Platinen zusammensteckt.

Als Betriebssystem verwendet Jones ein gewöhnliches Debian-basiertes Raspbian, das der Admin zusätzlich um Docker erweitert. Anschließend fügt er die vier Platinen per SSH einem Docker Swarm hinzu, wobei der erste Node zugleich als Manager fungiert.

Der erste Dienst, den Jones implementiert, zeigt grafisch die vier Nodes an und verrät, mit welchen Containern sie beladen sind. Dem Setup lassen sich dann einfach weitere, in Container verpackte Dienste hinzufügen und übersichtlich verwalten.

Raspberry-Cluster eignen sich aber nicht nur für Hobbyisten oder den universitären Bereich, auch in der Industrie finden sich Anwendungen – vor allem im Bereich Messen und Regeln.

Revolution Pi

Den Revolution Pi hat die Firma Kunbus GmbH [20] als Open-Source-Kleinsteuerung für den Einsatz in der Industrie konzipiert. Erweiterungen machen ihn auch als IoT-Gateway oder als Edge-Computer tauglich. Er ist als modular erweiterbarer Montageschienen-Industrie-PC aufgebaut und nutzt dazu das Compute Module des Raspberry Pi 3. An ein Basismodul, in dem sich die CPU befindet, lassen sich bis zu zehn Erweiterungsmodule anschließen. Kunbus bietet dafür wahlweise digitale und analoge I/O- sowie Gateway-Module an.

Der Revolution Pi (Rev-Pi, Abbildung 5) erfüllt die Industrienorm EN61131-2. Die legt Anforderungen für Speicher-programmierbare Steuerungen (SPS) fest. Bei der Software bietet Kunbus optional unterschiedliche Anwendungen von mehreren Herstellern an. Von der Firma Logicals stammt etwa die Entwicklungsumgebung Logicad3, mit der Entwickler SPS-Programme nach der internationalen Norm IEC 61131-3 erzeugen und auf dem Rev-Pi ausführen [21].

Für Privatkunden ist der Revolution Pi auch für die Hausautomatisierung interessant, er kostet in der einfachsten Ausführung rund 120 Euro.

Abbildung 5: Revolution Pi: Raspi im Industrielook. © KUNBUS GmbH

Auf Nachfrage teilte Marketingchef Ekkehard Krebs mit, beim Konzipieren des Rev-Pi sei der Open-Source-Gedanke tragend gewesen, um den Kunden Gestaltungsfreiheit zu bieten und keine unnötigen Hürden aufzubauen. An der Hardware arbeiten rund zehn der 30 Entwickler der Firma, die für den Rev-Pi eine vierstellige Kundenzahl angibt.

Der Privatkundenanteil liege bei fünf Prozent. Zu den sechs bestehenden geselle sich im Mai mit dem Rev-Pi Connect ein weiteres Modell. Es erweitere den Rev-Pi Core 3 um zwei RJ45-Buchsen und eine Steckverbindung für RS485. Der Rev-Pi Connect biete sich als Gateway an.

Net-Pi

Aus einer Zusammenarbeit der Firma Hilscher mit dem Raspberry-Pi-Hersteller Farnell entstand der Net-Pi als Custom-Design. Das Gerät verbindet den Schaltplan des Raspberry Pi 3 mit Erlaubnis der Raspberry-Pi-Foundation mit dem Industrienetzwerk Controllerchip NetX von Hilscher zu einem Open Edge Connectivity Ecosystem [21]. Eine Standard-Raspberry-Platine kommt dabei also nicht zum Einsatz.

Der Net-Pi [22] eignet sich für IoT- und Industrie-4.0-Edge-Automationsprojekte. Er bietet einen Erweiterungssteckplatz für Netzwerkmodule. Als Gateway integriert er sich unter anderem in Operational-Technology-Netzwerke des Shopfloor wie Profinet, Ethernet/IP und Ethercat als I/O-Slave und tauscht Daten bidirektional mit Cloud und IoT aus.

Eine Linux-Umgebung und die Container-Virtualisierung Docker ermöglichen es dem Kunden, eigene Entwicklungen oder Software von Drittanbietern in isolierten Containern zu betreiben. Wegen der vollen Kompatibilität lassen sich Docker-Applikationen auf einem RPi3 entwickeln und dann von den Programmierern auf den Net-Pi übertragen. Um die Kunden mit den Möglichkeiten von Docker vertraut zu machen, bietet Hilscher einige Beispielcontainer im Netz an [23]. Die Software-Architektur des Net-Pi entspricht dabei dem IT-Sicherheitsstandard IEC  62443.

Das Unternehmen erklärte auf Anfrage des Linux-Magazins, dass es nach knapp einem halben Jahr der Einführung bereits deutlich über 100 Kunden gebe. Neben der Entwicklung weiterer Module, etwa für den Funkbereich, veröffentlichte Hilscher neben dem für 325 Euro verfügbaren Net-Pi RTE3 erst kürzlich den Net-Pi Core 3, der zu einem günstigeren Preis von 225 Euro auf den Industrie-Netzwerk-Controller verzichtet.

Janz Tec

Die Firma Janz Tec bietet auf Basis des Raspberry Pi 3 zwei Geräte mit den sperrigen Bezeichnungen EmPC-A/RPI3 und EmVIEW-7/RPI3 an. Beide Systeme aus dem Embedded-Bereich eignen sich Branchen-unabhängig für Industrie-Anwendungen jeglicher Art. Laut den Angaben des Unternehmens finden die Raspberry-basierten Geräte besonders bei Kunden Anklang, die sie für unterstützende Prozesse wie die Messdatenerfassung nutzen.

Die Idee zum 2015 noch auf Basis des RPi2 B vorgestellten EmPC-A/RPI entstand nach dem Erscheinen einer Variante der Software Codesys für den Raspberry Pi [24]. Da viele Kunden von Janz Tec diese Software einsetzen, fehlten dem Raspberry Pi nur noch ein paar Schnittstellen und ein robustes Gehäuse, um kleine Industrie-Applikationen umzusetzen. Dazu zählt etwa eine Can-Schnittstelle, für das von Bosch 1986 entwickelte Controller Area Network [25].

Das jetzt eingesetzte Modell Raspberry Pi 3 bietet zusätzlich Bluetooth und WLAN und ermöglicht damit ein vollständig Industrie-taugliches System. Der EmVIEW-7/RPI3 erweitert den EmPC-A/RPI3 durch das Raspberry-Pi-Display zusätzlich um einen Touchscreen.

Bei künftigen Entwicklungen steht nach Angaben der Firma zunächst der neue Raspberry Pi 3 Model B+ im Vordergrund, der neben einer leistungsfähigeren CPU auch mehr Netzwerkdurchsatz bei Ethernet und WLAN erlaubt. (uba)