Die ersten Einplatinencomputer sind in der Mitte der siebziger produziert worden. Heute gibt es viele unterschiedliche Modifikationen von verschiedenen Herstellern. Die SBCs haben eine breite Palette an Einsatzmöglichkeiten, angefangen bei den einfachen Steuerungen bis hin zu voll automatisierten Regelsystemen, die in unterschiedlichen Bereichen des Lebens ihre Anwendung finden. Mit dem Einsatz von SBCs werden verschiedene Ziele verfolgt, die auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden können. Die Projekte können mit bereits entwickelter Software erstellt oder es können eigene Programme geschrieben werden. Dafür gibt es viele Communitys, die diese Arbeit erleichtern. Die vorliegende Ausarbeitung befasst sich mit dem Raspberry Pi. Dabei handelt es sich um einen SBC, der mit einem Betriebssystem aufgerüstet werden muss, damit jegliche Funktionalität vorhanden ist. Der RPi besitzt eine GPIO Schnittstelle, wo zusätzliche Hardwaremodule angeschlossen werden können. Die Module erweitern die Funktionen des RPi und geben ihm die Möglichkeit mit der Außenwelt mittels Sensoren und Aktoren zu interagieren. In erster Linie wurden diese Computer für Studenten, Schüler und Hobbybenutzer entwickelt, um ihnen das Erlernen der Programmiersprachen und der Hardwarearchitektur zu erleichtern. Die meisten veröffentlichten Projekte kommen daher aus dem privaten Bereich. Es existiert aber auch eine Reihe von Entwicklungen, die einen großen Potenzial für den Einsatz in der Industrie haben, z. B. Miniserver, Router, Datenlogger, Messsysteme, Roboter usw. Gegenüber den anderen SBCs hat der RPi einige grundlegende Vorteile. Er ist kostengünstig und erfüllt somit die Voraussetzung für Einsteiger. Wichtig für Anfänger ist ebenfalls das Vorhandensein vieler Open-Source-Projekte und großer Communitys, die den Einstieg in die Hardwareprogrammierung erleichtern. Der RPi ist mittlerweile mit Quadcore-Prozessor ausgestattet, was seine Leistungsfähigkeit verbessert hat. Ein weiterer Aspekt ist die sofortige Arbeitsbereitschaft nach der Betriebssysteminstallation, die nur wenige Minuten in Anspruch nimmt. Um nun auf die GPIO Schnittstelle zugreifen zu können besteht eine Auswahl an mehreren Programmiersprachen. In dieser Ausarbeitung wurde die Auswahl auf Java begrenzt. Die Vorzüge von Java sind die große Bibliothek mit vielen Methoden, ihre Plattformunabhängigkeit sowie die gute Strukturierung der Sprache.
Inhaltsverzeichnis
1 Die Einführung
2 Java auf Raspberry Pi. Addons und weitere Möglichkeiten
2.1 Das Pi4J Projekt
2.2 Direktzugriff über die Linux-Ebene mit Hilfe von sysfs
3 Die Sensoren
3.1 Temperatursensor und Drehpoti über AD-Wandler anschließen
3.2 Magnet und Taster
4 Die Aktoren
4.1 Die LED
4.2 Der Servomotor
5 Das Fazit
A Anhang
A.1 Experimentierplatine
A.2 Schaltplan
B Anhang
B.1 Quelltext – Testprogramm „FileRW“
B.2 Quelltext – Treiberklasse „MCP3008“
B.3 Quelltext – Testprogramm „Poti“
B.4 Quelltext – Testprogramm „Temperatur“
B.5 Quelltext – Testprogramm „Taster“
B.6 Quelltext – Testprogramm „Magnetschalter“
B.7 Quelltext – Testprogramm „LED“
B.8 Quelltext – Testprogramm „pwm“ für Servomotor
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein geeignetes Verfahren zu finden, um den Raspberry Pi mittels Java-Programmierung zur Erfassung von Sensordaten sowie zur Steuerung von Aktoren zu nutzen. Dabei wird untersucht, wie die Hardware-Schnittstellen (GPIO) des Einplatinencomputers angesprochen werden können, wobei die Arbeit insbesondere die Herausforderungen bei der Anbindung analoger Komponenten und der Nutzung von Bibliotheken thematisiert.
- Hardware-Anbindung: Nutzung der GPIO-Schnittstellen des Raspberry Pi.
- Programmierung mit Java: Einsatz der Pi4J-Bibliothek sowie des Linux-Dateisystems (sysfs).
- Analog-Digital-Wandlung: Integration von Sensoren (Temperatur, Drehpoti) mittels SPI-Bus.
- Digitale Interaktion: Steuerung von Tastern, Magnetschaltern, LEDs und Servomotoren.
Auszug aus dem Buch
Die Einführung
Die ersten Einplatinencomputer (SBC) sind in der Mitte der siebziger produziert worden (vgl. Ortmeyer 2014, S.2). Heute gibt es viele unterschiedliche Modifikationen von verschiedenen Herstellern. Die SBCs haben eine breite Palette an Einsatzmöglichkeiten, angefangen bei den einfachen Steuerungen bis hin zu voll automatisierten Regelsystemen, die in unterschiedlichen Bereichen des Lebens ihre Anwendung finden. Mit dem Einsatz von SBCs werden verschiedene Ziele verfolgt, die auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden können. Die Projekte können mit bereits entwickelter Software erstellt oder es können eigene Programme geschrieben werden. Dafür gibt es viele Communitys, die diese Arbeit erleichtern.
Die vorliegende Ausarbeitung befasst sich mit dem Raspberry Pi (RPi). Dabei handelt es sich um einen SBC, der mit einem Betriebssystem aufgerüstet werden muss, damit jegliche Funktionalität vorhanden ist. Der RPi besitzt eine GPIO Schnittstelle, wo zusätzliche Hardwaremodule angeschlossen werden können. Die Module erweitern die Funktionen des RPi und geben ihm die Möglichkeit mit der Außenwelt mittels Sensoren und Aktoren zu interagieren. In erster Linie wurden diese Computer für Studenten, Schüler und Hobbybenutzer entwickelt, um ihnen das Erlernen der Programmiersprachen und der Hardwarearchitektur zu erleichtern (vgl. Ortmeyer 2014, S.2-4). Die meisten veröffentlichten Projekte kommen daher aus dem privaten Bereich. Es existiert aber auch eine Reihe von Entwicklungen, die einen großen Potenzial für den Einsatz in der Industrie haben, z. B. Miniserver, Router, Datenlogger, Messsysteme, Roboter usw.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Die Einführung: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über Einplatinencomputer, stellt den Raspberry Pi als Untersuchungsgegenstand vor und erläutert die Motivation, Java zur Hardwaresteuerung einzusetzen.
2 Java auf Raspberry Pi. Addons und weitere Möglichkeiten: Hier werden die technischen Grundlagen, die Installation von Java auf dem Raspberry Pi sowie die Nutzung der Pi4J-Bibliothek und des Linux-Dateisystems sysfs für den Hardwarezugriff beschrieben.
3 Die Sensoren: Dieses Kapitel behandelt die Anbindung analoger und digitaler Sensoren, insbesondere die Verwendung eines AD-Wandlers zur Messung von Potentiometer- und Temperaturwerten sowie die Nutzung von Magnetschaltern und Tastern.
4 Die Aktoren: Hier wird die Ansteuerung von Aktoren erläutert, konkret die Blink-Funktionalität von LEDs sowie die Servomotor-Steuerung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) und einer Verstärkerschaltung.
5 Das Fazit: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und bestätigt, dass der Raspberry Pi erfolgreich mit Java und der Pi4J-Bibliothek für Hardware-Steuerungsaufgaben genutzt werden kann.
Schlüsselwörter
Raspberry Pi, Java, GPIO, Pi4J, Sensoren, Aktoren, Analog-Digital-Wandler, MCP3008, Servomotor, PWM, Linux sysfs, Hardwareprogrammierung, Mikrocontroller, Automatisierung, Elektronik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie der Raspberry Pi mithilfe der Programmiersprache Java gesteuert und zur Erfassung von Sensorwerten sowie zur Ansteuerung von Hardware-Aktoren genutzt werden kann.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Hardware-Programmierung unter Linux, die Nutzung der Pi4J-Bibliothek, die Anbindung analoger Sensoren via SPI-Bus und die Servomotor-Ansteuerung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, ein geeignetes Verfahren und die notwendige Software-Konfiguration zu finden, um den Raspberry Pi als Steuereinheit mittels Java zu programmieren, auch wenn dies über den nativen Funktionsumfang der Sprache hinausgeht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit verfolgt einen experimentellen Ansatz, bei dem verschiedene Hardwareschaltungen auf einer Experimentierplatine aufgebaut und durch selbst entwickelte Java-Programme gesteuert und ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodischen Grundlagen des Java-Zugriffs auf GPIOs, die praktische Implementierung von Sensoren (mit AD-Wandlung) und die Steuerung von Aktoren (LEDs und Servomotoren).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Raspberry Pi, Java, GPIO, Pi4J, AD-Wandler, Pulsweitenmodulation (PWM) und Hardware-Programmierung.
Wie wird das Problem der fehlenden analogen Schnittstelle am Raspberry Pi gelöst?
Da der Raspberry Pi keinen nativen AD-Wandler besitzt, wird in der Arbeit ein MCP3008-Baustein verwendet, der über die SPI-Schnittstelle angebunden wird.
Warum wird die Pi4J-Bibliothek in der Arbeit eingesetzt?
Pi4J dient als objektorientierte Schnittstelle, die den Zugriff auf die GPIO-Pins und andere Hardware-Funktionen abstrahiert und damit die Programmierung in Java erheblich vereinfacht.
Welche Rolle spielt die Hysterese beim Einsatz der Hall-Sensoren?
Die Hysterese ist notwendig, um mechanische oder elektromagnetische Störeinflüsse zu kompensieren und ein stabiles Schaltverhalten des Magnetsensors zu gewährleisten.
Warum musste die Spannung für den Servomotor angepasst werden?
Der Raspberry Pi liefert an den GPIO-Pins nur 3,3 Volt, während der eingesetzte Modellbauservo eine Betriebsspannung von 4,8 Volt benötigt, weshalb eine externe Verstärkerschaltung integriert wurde.
- Arbeit zitieren
- Bachelor of Engineering Dennis Kiel (Autor:in), 2017, Sensoren und Aktoren über den Raspberry Pi mit Java erfassen und steuern, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/442127
