Spannende Projekte mit dem Raspberry Pi® (eBook)
472 Seiten
MITP Verlags GmbH & Co. KG
978-3-8266-9909-2 (ISBN)
Andrew Robinson ist führender Raspberry-Pi-Experte und Entwickler des PiFace, der Erweiterungsplatine für den Raspberry Pi. Er hat am Fachbereich Informatik der Universität Manchester dabei geholfen, den Pi-Projekt-Wettbewerb ins Leben zu rufen, einen landesweiten Wettstreit für Raspberry-Pi-Projekte. Mike Cook, auch unter dem Namen »Grumpy Mike« bekannt, ist tätig als freiberuflicher Berater für alles, was irgendwie mit »Physical Computing« zu tun hat. Er ist ein erfahrener Fachautor und hat mehr als 300 Artikel über Computer und Elektronik verfasst. Jonathan Evans ist in Toronto ansässig und Mitbegründer von »PrivateEyePi«, einem Projekt zur Hausüberwachung. Sean McManus ist freiberuflicher Fachautor.
Andrew Robinson ist führender Raspberry-Pi-Experte und Entwickler des PiFace, der Erweiterungsplatine für den Raspberry Pi. Er hat am Fachbereich Informatik der Universität Manchester dabei geholfen, den Pi-Projekt-Wettbewerb ins Leben zu rufen, einen landesweiten Wettstreit für Raspberry-Pi-Projekte. Mike Cook, auch unter dem Namen »Grumpy Mike« bekannt, ist tätig als freiberuflicher Berater für alles, was irgendwie mit »Physical Computing« zu tun hat. Er ist ein erfahrener Fachautor und hat mehr als 300 Artikel über Computer und Elektronik verfasst. Jonathan Evans ist in Toronto ansässig und Mitbegründer von »PrivateEyePi«, einem Projekt zur Hausüberwachung. Sean McManus ist freiberuflicher Fachautor.
Cover 1
Titel 3
Impressum 4
Inhaltsverzeichnis 5
Über die Autoren 13
Einleitung 15
Teil I: Erste Schritte mit demRaspberry Pi 23
Kapitel 1: Den Raspberry Pi zum Laufen bringen 25
1.1 Das Betriebssystem 25
1.1.1 Das Betriebssystem auf eine SD-Karte schreiben 26
1.2 Den Raspberry Pi anschließen 32
1.2.1 Anschluss eines Bildschirms 34
1.2.2 Anschluss ans Netzwerk 37
1.2.3 Start des Betriebssystems 37
1.2.4 Einschalten! 38
1.3 Der Startvorgang 39
1.3.1 Sprache, Ländereinstellungen und Tastaturbelegung anpassen 40
1.4 Die grafische Benutzeroberfläche starten 41
1.5 Terminal unter X starten 42
1.6 Fehlerbehebung 42
1.6.1 Häufige Fehlerquellen 43
1.6.2 Weitere Hilfestellung 44
1.7 Der Spaß geht los! 44
Kapitel 2: Ein erstes Programm: Der Beschimpfungsgenerator 45
2.1 Das erste Python-Programm 46
2.2 Das Programm speichern 48
2.3 Beschimpfung generieren 51
2.3.1 Variablen 51
2.3.2 Strings 52
2.3.3 Listen 52
2.3.4 Funktionen 52
2.4 Beschimpfung mit Anrede 54
2.4.1 Bedingtes Verhalten 56
2.5 Ein ganzer Schwall an Beschimpfungen 56
2.5.1 Eigene Funktionen erstellen 56
2.5.2 Schleifen 58
2.6 Fazit 60
Teil II: Software-Projekte 61
Kapitel 3: Tic-Tac-Toe 63
3.1 Fehler 64
3.2 Zum Auftakt das Spielbrett 64
3.2.1 Verbesserung der Spielbrettausgabe 66
3.2.2 Gibt es einen Gewinner? 66
3.2.3 Hilfsfunktionen 68
3.3 Ein Spiel für zwei Teilnehmer 68
3.4 Der Computer als Spieler 72
3.4.1 Der Computer als Fünfjähriger 72
3.4.2 Einen siegreichen Spielzug erkennen 74
3.4.3 Eine Strategie hinzufügen 77
3.4.4 Strategieverfeinerung 79
3.5 Sie sind am Zug! 83
Kapitel 4: Hier sind die Nachrichten 85
4.1 Die ersten Teleprompter 85
4.2 Der Pi-Prompter 86
4.3 Erforderliche Schritte 87
4.4 Ein weiterer Schritt zu einem brauchbaren Programm 92
4.5 Das fertige Programm 97
4.6 Mechanischer Aufbau 102
4.7 Sie sind am Zug! 105
Kapitel 5: Ping 107
5.1 Erste kommerzielle Produkte 107
5.2 Das Spiel 108
5.2.1 Bewegung auf dem Bildschirm 108
5.2.2 Kollisionen feststellen 110
5.2.3 Aufpralltest 111
5.3 Das Spiel verfeinern 113
5.4 Version für Einzelspieler 117
5.5 Version für zwei Spieler 125
5.6 Sie sind am Zug! 132
Kapitel 6: Pie-Man: Ein Pac-Man-Klon 133
6.1 Das Spiel 134
6.2 Ressourcen zusammentragen 135
6.2.1 Die Soundeffekte 135
6.2.2 Die Spielfiguren 136
6.3 Bühne frei! 139
6.4 Das Spielgeschehen 144
6.4.1 Pillen verspeisen 147
6.4.2 Das Ende des Pie-Mans – oder eines Geistes 150
6.4.3 Die jagende Meute 152
6.5 Bildschirmdarstellung 153
6.6 Die main()-Funktion 156
6.6.1 Das Spiel beginnt 161
6.6.2 Geisterjagd 161
6.6.3 Spielende 162
6.7 Sie sind am Zug! 162
Kapitel 7: Minecraft Maze Maker 165
7.1 Minecraft installieren 166
7.2 Start des Spiels 167
7.3 Spielablauf 167
7.3.1 Umherstreifen 168
7.3.2 Objekte erzeugen und zerstören 168
7.4 Vorbereitungen für den Einsatz von Python 169
7.5 Verwendung des Minecraft-Moduls 170
7.5.1 Koordinaten in Minecraft 171
7.5.2 Neupositionierung des Spielers 171
7.5.3 Bausteine hinzufügen 172
7.5.4 Änderungen durch den Spieler verhindern 174
7.5.5 Die Parameter des Labyrinths 174
7.5.6 Das Fundament legen 176
7.5.7 Aufbau der Wände 177
7.5.8 Der Labyrinth-Algorithmus 178
7.5.9 Variablen und Listen vorbereiten 178
7.5.10 Funktionen erstellen 179
7.5.11 Die Hauptschleife 181
7.5.12 Eine Decke hinzufügen 183
7.5.13 Die Spielfigur positionieren 183
7.5.14 Der endgültige Code 184
7.6 Sie sind am Zug! 187
Teil III: Hardware-Projekte 189
Kapitel 8: Schnappen 191
8.1 Das Spiel implementieren 192
8.1.1 Die Theorie 192
8.1.2 Das Gehäuse herstellen 200
8.2 Die Software zum Testen des Geräts 205
8.3 Die Spielsoftware 208
8.4 Sie sind am Zug! 214
Kapitel 9: Reaktionstest 215
9.1 Willkommen in einer anderen Computerwelt! 215
9.1.1 Bewährte Verfahrensweisen 216
9.2 Beschaffung von Bauteilen 217
9.2.1 Eine Schnittstellen-Platine 217
9.2.2 PiFace-Digital 217
9.3 PiFace-Digital einrichten 218
9.3.1 Installation der PiFace-Digital-Software 219
9.4 PiFace-Digital anschließen 222
9.5 Den Emulator verwenden 222
9.6 Die Schnittstelle zu Python 223
9.6.1 LED einschalten 223
9.6.2 Schaltzustand erkennen 225
9.7 Der Reaktionstest 226
9.7.1 Die Anschlüsse des PiFace-Digital 227
9.7.2 Einen Taster und eine LED anschließen 231
9.7.3 Mit dem Reaktionstester spielen 236
9.8 Schnittstellen 237
Kapitel 10: Gezwitscher 239
10.1 Das Spielzeug hacken 239
10.1.1 Verdrahtung 241
10.2 Das Huhn zum Sprechen bringen 244
10.2.1 espeak in Python verwenden 245
10.2.2 Test des espeak-Moduls 246
10.3 Bewegungssteuerung 246
10.3.1 Klassen erstellen 248
10.3.2 Objekte erzeugen 249
10.3.3 Ständiges Testen 250
10.4 Verbindungsaufnahme mit Twitter 250
10.4.1 Das Python-Modul kompilieren und installieren 251
10.4.2 Kommunikation mit Twitter 253
10.5 Fertigstellung 256
10.6 Fazit 258
10.6.1 Weitere Ideen 259
Kapitel 11: Disco-Beleuchtung 261
11.1 Die Reihenfolge festlegen 262
11.2 Den Code erweitern 263
11.3 Ein kleiner theoretischer Exkurs 266
11.4 Entwurf des Sequenzers 267
11.5 Implementierung des Sequenzers 267
11.6 Lichterketten 275
11.7 Längere Lichterketten 278
11.8 Musik als Taktgeber 279
11.9 Schaltungsentwurf 280
11.10 Schaltungsaufbau 282
11.11 Anschluss der Schaltung 283
11.12 Sie sind am Zug! 283
Kapitel 12: Türschloss 285
12.1 Überblick 286
12.2 Sicherheitskritische Systeme 286
12.3 Die Türschloss-Hardware 287
12.4 Software-Simulation 288
12.5 Ausgabe 290
12.5.1 Anschluss der Schaltung 290
12.5.2 Programmierung der Türsteuerung 292
12.6 Eingabe 293
12.6.1 Benutzereingabe abfragen 293
12.7 Authentifizierung 293
12.7.1 Vertrauliche Daten speichern 294
12.8 Berührungsloses Türöffnen 295
12.8.1 Anschluss des RFID-Lesegeräts 296
12.8.2 Den RFID-Leser in Python verwenden 299
12.8.3 Die Programmteile zusammenfügen 301
12.9 Programmtest und Schlosseinbau 301
12.10 Mehrere Türen vernetzen 303
12.11 Sie sind am Zug! 304
12.12 Die Kunst der Programmierung 304
Kapitel 13: Hausautomation 307
13.1 Das Internet der Dinge 307
13.2 Projekt 1: Bewegungsmelder und Türkontaktschalter 308
13.2.1 Schaltungsaufbau 310
13.2.2 Software 313
13.3 Projekt 2: Überwachung per Webcam 314
13.3.1 Schaltungsaufbau 314
13.3.2 Software 315
13.4 Projekt 3: Temperaturanzeige 320
13.4.1 Schaltungsaufbau 320
13.4.2 Software 321
13.5 Projekt 4: Warnmeldungen via E-Mail versenden 325
13.5.1 Anforderungen 325
13.5.2 Software 325
13.6 Projekt 5: E-Mail per Funkfernsteuerung versenden 330
13.6.1 Schaltungsaufbau 331
13.6.2 Software 333
13.7 Sie sind am Zug! 337
Kapitel 14: Computergesteuertes Modellbahnrennen 339
14.1 Beschaffung einer Modellrennbahn 339
14.2 Umbau der Rennbahn 340
14.2.1 Test der Schaltung 341
14.3 Spielereingaben 342
14.3.1 Taster 343
14.3.2 Gehäuse 347
14.3.3 Joystick-Test 350
14.4 Die Software 351
14.5 Das Spiel 353
14.6 Sie sind am Zug! 360
Kapitel 15: Drehgeber mit Facebook-Anbindung 361
15.1 Das Konzept 361
15.2 Drehgebertypen 362
15.3 Ausgabe des Drehgebers 362
15.4 Automatisches Hinaufladen 370
15.4.1 Flickr 371
15.5 Das fertige Programm 374
15.6 Symmetrische Muster erzeugen 381
15.7 Sie sind am Zug! 387
Kapitel 16: Das Pi-Pendel – ein Harmonograph 389
16.1 Das Konzept 390
16.2 Der Hall-Effekt 390
16.3 Kurz vorgestellt: Der Arduino 392
16.4 Zusammenbau 393
16.4.1 Sanfte Schwingungen 398
16.4.2 Elektronik 399
16.5 Programmierung des Arduino 403
16.5.1 Der fertige Arduino-Code 409
16.6 Programmierung des Raspberry Pi 417
16.7 Das Pi-Pendel in Aktion 422
16.8 Sie sind am Zug! 424
Kapitel 17: Das Hightech-Vogelhäuschen – Beobachtung der Tierwelt 425
17.1 Bau einer Lichtschranke 427
17.1.1 Erforderliche Bauteile 427
17.1.2 Anschluss des Senders 427
17.1.3 Anschluss des Empfängers 428
17.1.4 Test der Sensoren 430
17.2 Montage der Sensoren 430
17.2.1 Schutz vor Wind und Wetter 432
17.3 Aktivitäten aufzeichnen 433
17.3.1 Verarbeitung in Echtzeit oder im Nachhinein? 433
17.3.2 Das Programm zum Aufzeichnen 435
17.3.3 Das Programm testen 444
17.4 Die Daten verarbeiten 445
17.4.1 Endliche Automaten 446
17.4.2 Ein einfaches Programm zur Auswertung 447
17.5 Störsignale handhaben 451
17.5.1 Störsignale herausfiltern 451
17.5.2 Auswertungsprogramm mit Störsignalfilterung 452
17.6 Ein Diagramm erstellen 457
17.7 Das Vogelhäuschen in Betrieb nehmen 460
17.8 Sie sind am Zug! 460
17.8.1 Teilen Sie Ihre Daten 461
17.8.2 Weitere Sensoren hinzufügen 461
17.9 Unbegrenzte Möglichkeiten 461
Stichwortverzeichnis 463
Einleitung
von Dr. Andrew Robinson
Für Kinder ist es ganz selbstverständlich, Neues zu erschaffen. Sie malen Bilder, denken sich neue Spiele aus, erzählen sich Geschichten und basteln aus einer Spülmittelflasche eine Rakete, von der sie überzeugt sind, dass sie bis zum Mond fliegt. Die Kindheit ist zugleich Abenteuer und Entdeckungsreise – ein ständiges Streben nach Neuem.
Wenn man älter wird und das »wahre Leben« beginnt, bereiten solche Dinge zwar weiterhin Freude, es wird aber schwieriger, die Zeit zu finden, um ihnen Raum zu geben. Dennoch sind einige der bedeutendsten Erfindungen und Entdeckungen der Geschichte durch Leute zustande gekommen, die sich nicht scheuten, einfach etwas auszuprobieren – und das oftmals in den eigenen vier Wänden oder im Gartenhäuschen, nicht in technisch bestens ausgestatteten Ingenieurbüros.
Was das alles in einem Buch über Projekte mit dem Raspberry Pi zu suchen hat?
Nun, wenn Sie weiterlesen und versuchen, einige der Projekte nachzuvollziehen, werden Sie vielleicht entdecken, welche Freude es bereitet, mithilfe des Computers Dinge zum Laufen zu bringen. Der Computer erschließt der Abenteuerlust und der Kreativität eine fantastische neue Welt ungeahnter Möglichkeiten. Er ist in so viele Lebensbereiche vorgedrungen (auch Spielkonsolen, Set-Top-Boxen und Smartphones sind Computer!), dass Sie ihn für fast jedes Hobby oder Steckenpferd einsetzen können.
Sie werden sehen, dass Computerkenntnisse jedem nutzen und dass ein kreativer Augenblick am Küchentisch große Auswirkungen nach sich ziehen kann. Und nebenbei erfahren Sie außerdem die Geschichte, die hinter einem bestimmten kreditkartengroßen Computer steckt.
Die Geschichte des Bastelns
So manche weltbewegende Erfindung kam auf unkonventionelle Weise zustande.
Die Brüder Orville und Wilbur Wright waren einfache Leute aus Ohio, die ein Fahrradgeschäft betrieben. Von der Funktionsweise dieser simplen Maschinen fasziniert, gelangten sie zu der Überzeugung, dass sie eine Flugmaschine bauen könnten. Und das taten sie dann auch. Im Jahre 1902 hoben sie erstmals in der Geschichte mit einem Flugzeug vom Boden ab. Fast ein Jahrhundert später, als Afrika von AIDS heimgesucht wurde, kam Trevor Baylis?, der früher als Stuntman arbeitete, zu der Erkenntnis, dass er helfen könne. In einem Gartenhäuschen am Stadtrand entwickelte er ein preisgünstiges und robustes aufziehbares Funkgerät, um das Gesundheitswesen betreffende Nachrichten in Afrika zu verbreiten. Er hat damit ohne Zweifel viele Leben gerettet. Steve Jobs und Steve Wozniak, die Gründer von Apple, erwarben ihre Computer- und Elektronikkenntnisse durch Experimente in ihren Schlafzimmern und einer Garage. Das sind nur drei Beispiele dafür, wie das heimische Basteln zu weltweiten Auswirkungen für Millionen von Menschen führen kann.
Viele Erfinder haben zwar eine gewisse Vorstellung davon, was sie erschaffen möchten, wissen jedoch nicht, wie sie es praktisch umsetzen können. Angespornt durch die Freude an der Kreativität, bringen sie sich selbst die erforderlichen Fähigkeiten bei, um ihr Vorhaben zu realisieren. Wozniak und Jobs haben das getan, indem sie vorhandene Geräte auseinandernahmen, herausfanden, wie sie funktionierten, und dann wieder zusammenbauten. In einigen Fällen führte dieses Herumbasteln tatsächlich zur Verbesserung eines Geräts – gelegentlich funktionierte es auch überhaupt nicht mehr. Das hielt sie aber nicht vom Weitermachen ab. Manchmal geht es eben nur darum, herauszufinden, wie etwas funktioniert, oder technische Widrigkeiten zu überwinden, und nicht darum, gleich ein gelacktes Produkt anzufertigen.
Computer für den Endverbraucher
Dass ausgerechnet das Herumstochern im Innenleben von technischen Geräten zur Geburtsstunde von Apple-Computern führte, ist wohl die Ironie des Schicksals. Heutzutage werden Computer in schnittigen, eleganten Aluminiumgehäusen verkauft, die es verhindern, herumzuexperimentieren und herauszufinden, wie sie eigentlich funktionieren. Im fortwährenden Bestreben, ihre Produkte wertvoller erscheinen zu lassen, locken die Hersteller ihre Kunden mit möglichst einfach einsetzbaren Produkten und einer mühelosen Benutzerschnittstelle, die ihnen jeden Wunsch von den Lippen abliest.
Dieser Wandel vollzieht sich leider etwas unsanft. Moderne Computersysteme tun nur selten genau das, was der Benutzer wünscht. Wie oft sitzt man frustriert vor einem unfähigen Computer und wird mit einem Hinweis des Herstellers vertröstet, der dann etwa »Wird mit der nächsten Aktualisierung behoben« oder »Um das zu tun, müssen Sie die neueste Version erwerben« lautet? Für technisch Versierte sind solche Hinweise fast schon ein Schlachtruf, der dazu auffordert, so lange am Computer herumzuexperimentieren, bis er ihrem Willen gehorcht. Doch sind dieser Tage die wenigsten Benutzer mutig oder erfahren genug, die Ärmel hochzukrempeln und sich selbst am Computer zu schaffen zu machen.
Computerkenntnisse für alle
Computer sind wirklich allgegenwärtig und durchdringen sämtliche Lebensbereiche. Denken Sie dabei neben Laptop, Desktop und Smartphone auch an die Computer, die lebenserhaltende medizinische Systeme, Online-Banking, Einkaufen im Internet, Produktionsprozesse und die Versorgungskette für Lebensmittel ermöglichen. Computer sind zur Kommunikation, zum Betrieb von digitalem Funk und Fernsehen, für Mobiltelefonnetze und das Internet unverzichtbar. Angesichts der Bedeutung, die Computer für das reibungslose Funktionieren von Medien, Wirtschaft und Verwaltung besitzen, ist es erstaunlich, wie viele Menschen keine Ahnung von der Arbeitsweise eines Computers haben.
Wenn man bedenkt, wie sehr man sich auf korrekt arbeitende Computer verlässt, sollte ein besseres Verständnis von großem Nutzen sein. Wirtschaftsführer und Politiker könnten bei Projekten, die sich um Computer drehen, angemessene Entscheidungen treffen, und Otto Normalverbraucher würde Online-Betrügereien oder verlogenen Werbebehauptungen nicht mehr zum Opfer fallen. Jedermann wäre in der Lage, sich dank Computerhilfe das Leben zu erleichtern.
Ich kann eine gewisse Ähnlichkeit zwischen der Computerei und dem Kochen entdecken. Beim Kochen gibt es Rezepte, denen schrittweise zu folgen ist. Es geht darum, aus mehreren Zutaten ein Gericht zuzubereiten. Sie müssen, um etwa einen Apfelkuchen zu backen, diese Aufgabe in handhabbare Schritte unterteilen (Teig anrühren, Äpfel schälen, Backzeit beachten), die schließlich zu einem (hoffentlich wohlschmeckenden) fertigen Apfelkuchen führen. Hierbei handelt es sich um ein einfaches Beispiel einer Abstrahierung, die der Schlüssel zur Lösung von Computerproblemen ist. Eine bei Computerarbeiten entwickelte Vorgehensweise wie diese Abstraktion, also durch logisches Denken Problemlösungen zu finden, ist auch in anderen Lebensbereichen hilfreich.
Wir lehren unseren Kindern das Kochen nicht, damit sie später einmal professionelle Köche werden, sondern weil es eine entscheidende Fähigkeit darstellt, ohne die man sein Leben lang dazu verdammt wäre, teure und unzufriedenstellende Fertiggerichte aufzuwärmen. Bei vielen Menschen führt das Erlernen dieser grundlegenden Fertigkeiten zu einer dauerhaften Vorliebe fürs Kochen. Sie können beim Kochen ihre Kreativität zeigen – vielleicht indem sie anfangs ein bekanntes Rezept übernehmen und dieses aufpeppen, um es sich zu eigen zu machen. Kochen ist eine soziale Beschäftigung, die es ermöglicht, am lebhaft bevölkerten Esstisch Erfolge vorzuzeigen sowie Verfahrensweisen und Schwierigkeiten zu diskutieren.
Ich möchte behaupten, dass das Erlernen des Umgangs mit Computern einige Parallelen mit dem Kochenlernen aufweist. Die grundlegenden Fertigkeiten benötigen alle. Manche Leute bauen diese Fähigkeiten aus und werden professionelle Programmierer, ich hoffe aber, dass die meisten Leute es als Chance begreifen, nicht nur ihre Kreativität auszuleben, sondern auch besser mit den heutigen modernen Computerumgebungen zurechtzukommen.
Angesichts der Tatsache, dass immer mehr Leute immer mehr über die Funktionsweise und die Verlässlichkeit von Computern wissen müssen, ist es ebenfalls paradox, dass der Einstieg in die Arbeit mit modernen Computern schwieriger geworden ist. Das heißt, bis ein gewisser kreditkartengroßer Computer die Bühne betrat ...
Der Raspberry Pi
Für die meisten Leute ist es eine beängstigende Vorstellung, mit einem 1.000 Euro teuren Laptop Experimente anzustellen, die womöglich auch noch wertvolle Daten in Gefahr bringen. Ich jedenfalls würde es mir zweimal überlegen, ob ich alle meine Digitalfotos, meine Musiksammlung und meine Online-Banking-Daten riskiere! Außerdem halten Spielkonsolen und manche Smartphones viele Leute aktiv davon ab, Spiele und Apps selbst zu entwickeln, womöglich um die Umsätze zu schützen und die Konsumenten zum Kauf industrieller Produkte zu bewegen.
Aus dem Wunsch heraus, den Computerspaß mit anderen zu teilen, und aufgrund des Bedarfs an computerverständigen Leuten entwarf Eben Upton am Küchentisch einen einfachen kleinen Computer. Dank der Hilfe von Dr. Rob Mullins, Professor Alan Mycroft und...
Erscheint lt. Verlag | 10.4.2014 |
---|---|
Reihe/Serie | mitp Professional |
Verlagsort | Frechen |
Sprache | deutsch |
Themenwelt | Informatik ► Weitere Themen ► Hardware |
Schlagworte | Basteln • Betriebssystem • Computer • Elektronik • Hardware • Hausautomation • Mikrocontroller • Physical Computing • Programmierung • Python • Raspberry Pi • Schaltungsentwurf • Schnittstelle • Technik |
ISBN-10 | 3-8266-9909-2 / 3826699092 |
ISBN-13 | 978-3-8266-9909-2 / 9783826699092 |
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