Raspberry Pi für Windows 10 IoT Core (eBook)

Der praktische Einstieg für Anwender und Entwickler

Stephan Hüwe (Autor)

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2016
192 Seiten
Hanser, Carl (Verlag)
978-3-446-44809-4 (ISBN)

Infos

Raspberry Pi für Windows 10 IoT Core
Realisieren Sie gerne hardwarenahe Projekte? Ziehen Sie die Werkzeuge aus der Windows-Welt denen von Linux vor? Dann hielt sich Ihre Begeisterung für den Raspberry Pi bislang sicher in Grenzen. Doch damit ist jetzt Schluss! Der Raspberry Pi ist nun fit für den Einsatz im Microsoft-Umfeld. In diesem Buch erfahren Sie alles, was Sie wissen müssen, um Ihre Projekte mit dem Raspberry Pi und Windows 10 IoT Core erfolgreich in die Tat umzusetzen.
Schritt für Schritt führt Stephan Hüwe Sie in die Welt von Windows 10 IoT Core auf dem Raspberry Pi ein. Folgende Themen erwarten Sie:
- Einstieg in die Welt des Raspberry Pi: Aufbau, Schnittstellen, Breadboarding, Kaufempfehlungen u.v.m.
- Elektrotechnische Grundlagen & Energieversorgung am Raspberry Pi
- Installation, Inbetriebnahme & Administration von Windows 10 IoT Core
- Umsetzung, Deployment & Debugging von Projekten mit dem Raspberry Pi, Windows 10 IoT Core & Visual Studio
- Raspberry Pi, Cloud & Internet der Dinge: Anbindung an Azure IoT Hub
- Exkurs: Windows 10 IoT Core mit Arduino
Zahlreiche Beispielanwendungen, z.B. für Licht- und Kamerasteuerung, Temperatursensoren oder mobile Datenerfassung, liefern Ihnen Impulse für eigene Projekte. Die Codebeispiele basieren auf C#. Für schnelle Lernerfolge sollten Sie über Grundkenntnisse in einer .NET-Programmiersprache verfügen.
Wenn Sie darauf brennen, Ihre eigenen Projekte mit dem Raspberry Pi zu verwirklichen, aber kein Fan von Linux sind, dann liefert Ihnen dieses Buch alle wichtigen Skills, um das Dreigespann von Raspberry Pi, Windows 10 IoT Core und Visual Studio souverän zu meistern.

Autor

Dipl.-Inf. (FH) Stephan Hüwe ist selbstständiger Softwareentwickler, Coach und Consultant sowie Lehrbeauftragter für Elektrotechnik/Informatik an der Hochschule Augsburg. Zum Thema "Raspberry Pi und Windows" hält er Kurse und Vorträge.

Inhalt

Inhaltsverzeichnis 6
1 Einführung 12
1.1 Für wen ist dieses Buch interessant? 12
1.2 Wie ist dieses Buch aufgebaut? 13
1.3 Wichtige Hinweise 14
1.4 Material zum Buch 15
2 Schnelleinstieg in die Welt des Raspberry Pi 16
2.1 Ursprung 16
2.2 Varianten 17
2.3 Der Weg zu Windows 10 19
2.4 Aufbau 19
2.5 Schnittstellen 20
2.5.1 GPIO 21
2.5.2 SPI 22
2.5.3 I2C 22
2.5.4 UART 23
2.6 Prototyping und Testaufbauten 24
2.6.1 Breadboarding 24
2.6.2 Softwareunterstützung 25
2.6.2.1 Fritzing 25
2.6.2.2 Virtual Breadboard 27
2.7 Elektrotechnische Grundlagen 28
2.7.1 Vorsichtsmaßnahmen im Umgang mit Spannung 28
2.7.2 Statische Aufladung vermeiden 28
2.7.3 Ohmsches Gesetz 29
2.7.4 Energieversorgung am Raspberry Pi 29
2.7.4.1 Stromstärke und Wahl des Netzteils 30
2.7.4.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 31
2.7.4.3 Mobile Stromversorgung 31
2.7.4.4 Energieversorgung und GPIO 32
2.7.5 Stromversorgung von Bauteilen (z.?B. Motoren) 33
2.7.6 LEDs 34
2.7.7 Widerstände 36
2.7.8 Weitere Bauteile 37
2.8 Benötigte Ausrüstung 38
2.8.1 Raspberry Pi-Ausrüstung 38
2.8.2 Offizielles Zubehör 39
2.8.2.1 Offizieller WLAN-Adapter 39
2.8.2.2 Raspberry Pi-Touchscreen-Display 39
2.8.3 Allgemeine Elektronik 41
2.8.4 Was brauche ich sonst noch? 41
3 Internet of Things mit Windows 10 IoT Core 42
3.1 Chancen für Windows 10 IoT Core 42
3.2 Internet of Things (IoT) 45
3.2.1 Ursprung und Idee 45
3.2.2 IoT als wachsender Markt 46
3.3 Beschaffung und Wartung 47
3.4 Sicherheit 48
3.5 Rechtliche Themen 49
4 Windows 10 auf dem Raspberry Pi 52
4.1 Eine letzte Windows-Version für alle 52
4.2 Bezugsvarianten und Updates 53
4.3 Lizenzierung 54
4.4 Installation 55
4.4.1 Voraussetzung 55
4.4.2 Unterstützte Schnittstellen und Geräte 56
4.4.3 Download 57
4.4.4 Installation der Windows 10 IoT Core-Tools 57
4.4.5 Hinweise zur Netzwerkumgebung 59
4.4.5.1 Verbindung in das lokale Netzwerk 60
4.4.5.2 Direktverbindung zu Ihrem PC 60
4.4.6 Raspberry Pi für den ersten Start vorbereiten 60
4.4.7 Bootvorgang und erster Start 61
4.4.8 Administration des Raspberry Pi 63
4.5 Inbetriebnahme und Administration 63
4.5.1 Default-App 64
4.5.2 Raspberry Pi im Netzwerk finden 64
4.5.3 Verbindung über FTP 64
4.5.4 Verbindung über SSH 65
4.5.5 Verbindung über PowerShell 67
4.5.6 Allgemeine Kommandos 69
4.5.6.1 Lokale Benutzer anlegen 69
4.5.6.2 Benutzer zu Gruppen zuweisen 69
4.5.6.3 Passwort setzen 70
4.5.6.4 Gerätenamen abrufen und setzen 70
4.5.6.5 Netzwerkkonfiguration 70
4.5.6.6 Kopierwerkzeuge 70
4.5.6.7 Prozessverwaltung 70
4.5.6.8 Administration der Startup-App 71
4.5.6.9 Boot-Option festlegen 72
4.5.6.10 Geplante Aufgaben 72
4.5.6.11 Gerätetreiber 72
4.5.6.12 Zugriff auf die Registry 72
4.5.6.13 Dienste 72
4.5.6.14 Bootkonfiguration 72
4.5.6.15 Gerät herunterfahren oder neu starten 73
4.5.6.16 Bildschirmauflösung ändern 73
4.5.7 Weboberfläche 73
4.5.7.1 Grundlegendes 73
4.5.7.2 Administrationsbereiche 74
4.5.8 Bereich Home 74
4.5.9 Bereich Apps 75
4.5.10 Bereich Processes 76
4.5.11 Bereich Performance 76
4.5.12 Bereich Debugging 77
4.5.13 Bereich Realtime Event Tracking 78
4.5.14 Bereich Performance Tracing 79
4.5.15 Bereich Devices 80
4.5.16 Bereich Bluetooth 80
4.5.17 Bereich Networking 80
4.5.18 Bereich Windows Update 81
5 Entwicklung mit dem Raspberry Pi 82
5.1 Vorbereitung 82
5.2 Installation und Einrichtung 83
5.3 Windows IoT Core-Projektvorlagen 84
5.4 Das Konzept der Universal Apps 86
5.5 Beispielanwendung: Hello Pi 88
5.5.1 Benötigte Bauteile 89
5.5.2 Hardwareaufbau 89
5.5.3 Projekt in Visual Studio anlegen 90
5.5.4 Programmaufbau 92
5.5.4.1 Hinterlegen des Begrüßungstexts und Start-Buttons 93
5.5.4.2 Timer-Komponente 94
5.5.4.3 GPIO 94
5.5.5 Das gesamte Programm 95
5.5.6 Deployment und Debugging 97
5.5.6.1 Deployment und Test über Visual Studio 97
5.5.6.2 App-Pakete für den Store oder die lokale Verwendung 99
6 Projekte mit dem Raspberry Pi 106
6.1 Grundinformationen zum Source Code 106
6.2 Remote-Lichtschalter 107
6.2.1 Benötigte Komponenten 108
6.2.2 Hardwareaufbau 108
6.2.3 Softwareaufbau 108
6.2.4 Projektstruktur und Source Code 109
6.2.4.1 Besondere Projekteigenschaften 109
6.2.4.2 Modifizierung des Projekts 110
6.2.4.3 Hauptanwendung – HttpServer 111
6.2.5 Code auf GitHub 114
6.2.6 Demo 115
6.2.7 Ausblick 116
6.2.7.1 Verschönerung der Weboberfläche/Webservice 116
6.2.7.2 Schaltung einer „echten“ Lampe statt LED 116
6.3 Begrüßungsscreen für Besucher 119
6.3.1 Benötigte Komponenten 120
6.3.2 Hardwareaufbau 120
6.3.3 Softwareaufbau 120
6.3.4 Projektstruktur und Source Code 121
6.3.4.1 Format der Quelldaten 121
6.3.4.2 ViewModel 122
6.3.4.3 Hauptanwendung – Code Behind 123
6.3.4.4 Hauptanwendung – XAML 125
6.3.5 Code auf GitHub 127
6.3.6 Demo 127
6.3.7 Ausblick 127
6.3.7.1 Darstellung von Geschäftszahlen 127
6.3.7.2 Unser eigener TV-Sender 128
6.3.7.3 Wochenplaner für die Familie 128
6.4 Temperatursensor mit SPI 128
6.4.1 Benötigte Komponenten 128
6.4.2 Hardwareaufbau 129
6.4.2.1 Temperatursensor TMP36GT9Z 129
6.4.2.2 A/D-Wandler MCP 3002 130
6.4.2.3 Aufbau der Schaltung 131
6.4.3 Softwareaufbau 133
6.4.4 Projektstruktur und Source Code 134
6.4.4.1 Hauptanwendung – Code Behind 134
6.4.4.2 Hauptanwendung – XAML 136
6.4.5 Code auf GitHub 137
6.4.6 Demo 137
6.4.7 Ausblick 137
6.5 Kamera-Projekt (Mobile und IoT) 139
6.5.1 Benötigte Komponenten 139
6.5.2 Hardwareaufbau 139
6.5.3 Softwareaufbau 140
6.5.4 Projektstruktur und Source Code 140
6.5.4.1 Hauptanwendung – Code Behind 140
6.5.4.2 Hauptanwendung – XAML 143
6.5.5 Code auf GitHub 144
6.5.6 Demo 145
6.5.7 Ausblick 146
6.6 Mobile Datenerfassung mit dem Raspberry Pi 146
6.6.1 Benötigte Komponenten 147
6.6.2 Hardwareaufbau 147
6.6.2.1 Stromversorgung 147
6.6.2.2 Benutzerinteraktion und Bildschirmausgaben 151
6.7 Raspberry Pi und Cloud 152
6.7.1 Benötigte Komponenten 154
6.7.2 Hardwareaufbau 155
6.7.3 Softwareaufbau 155
6.7.4 Einrichtung der Cloud 155
6.7.4.1 Registrierung des Raspberry Pi am IoT Hub 158
6.7.5 Projektstruktur und Source Code 161
6.7.5.1 Projekt zum Nachrichtenversand – MessageSender 162
6.7.5.2 Projekt zur Nachrichtenverarbeitung – MessageProcessor 164
6.7.6 Code auf GitHub 166
6.7.7 Demo 166
6.7.8 Ausblick 166
6.8 Weitere Projektideen 168
6.8.1 Kommunikation über Bluetooth 168
6.8.2 Sprachausgabe 170
6.8.3 Bildschirmausgabe 172
6.8.4 Motoren 175
6.8.4.1 Gleichstrommotoren 176
6.8.4.2 Schrittmotoren 176
6.8.4.3 Servo-Motoren 177
6.9 Exkurs: Arduino Wiring/Sketch 178
6.9.1 Der Arduino 178
6.9.2 Crashkurs Arduino Sketch 180
6.9.3 Arduino Wiring-Apps mit Visual Studio 182
6.9.4 Umstellung des Controller-Treibers 185
Stichwortverzeichnis 188

Textauszug

3	Internet of Things mit Windows 10 IoT Core

Das Erscheinen von Windows 10 IoT erweitert die Zielgruppe des Raspberry Pi erheblich. Die Leistungsfähigkeit des Raspberry in Kombination mit Windows macht ihn zunehmend auch für den Einsatz in Unternehmen attraktiv. Der Raspberry entwächst somit seinem Nischendasein in der Maker-Szene und im Linux-Umfeld und wird die IT-Welt in den nächsten Jahre sicherlich stark verändern.

Daraus ergeben sich natürlich auch neue Anforderungen an den Entwickler und die IT-Infrastruktur. Dieses Kapitel beleuchtet die Chancen und Risiken des Raspberry Pi ? sowohl im privaten als auch im kommerziellen Umfeld.

In diesem Kapitel erfahren Sie, welche Chancen und Risiken das Internet der Dinge mit sich bringt, und warum es sich lohnt, in diesem Bereich einzusteigen.

3.1	Chancen für Windows 10 IoT Core

Der RasPi war bislang nahezu untrennbar mit Linux verbunden. Eine Unterstützung für Windows war lange Zeit nicht in Sicht. Microsoft hat sich nun der großen Verantwortung angenommen und setzt mit der Verfügbarkeit von Windows 10 IoT Core auf dem Raspberry einen weiteren Meilenstein in der Erfolgsgeschichte des Raspberry Pi. Endlich können auch Windows-Entwickler mitmischen. Die Einstiegshürden sind gering, da mit Visual Studio das gewohnte Entwicklungswerkzeug eingesetzt werden kann. Der Name Microsoft wird zusätzlich die bestehenden Zweifel am Internet der Dinge schmälern.

Windows 10 IoT Core ist zwar kein vollwertiges Desktop-Betriebssystem ? von daher ist es für den breiten Markt der Endanwender zunächst eher noch uninteressant, zumindest als Desktop-Ersatz. Dennoch gibt es zwei interessante Bereiche für Windows 10 IoT Core und den Raspberry Pi, in denen großes Potential steckt. Dabei handelt es sich einerseits um den Bereich der klassischen Maker-Projekte, wie es sie bereits seit Jahren im Linux-Umfeld gibt. Auf der anderen Seite sind es die Projekte im Bereich der Heimautomatisierung (Smart Home).

Während es bereits zahlreiche geschlossene Produkte im Bereich der Heimautomatisierung gibt, liefert Microsoft jetzt auch eine offene Plattform für Eigenentwicklungen aus der Windows-Welt. Alleinstellungsmerkmal ist aktuell die Kombination mit Microsofts Cloud-Dienst Azure. So eine Kombination findet man im Linux-Umfeld bis dato nicht. Microsoft sieht großes Potential in der Kombination aus Windows, IoT und der Cloud. Dieser Bereich liegt in der IT-Branche weitestgehend brach. Konkurrenten wie Google und Amazon liefern hier kein Konzept aus einer Hand so wie Microsoft es tut. Somit bekommt der aus Redmond stammende Slogan „One Platform“ eine ganz neue Bedeutung.

Das Internet der Dinge benötigt zwar auf den ersten Blick keine Cloud, aber spätestens mit den ersten größeren Projekten wird eine Anbindung unverzichtbar. Auf diese Weise können Daten von Sensoren ohne große Infrastrukturen zentral gespeichert und ausgewertet werden. Flexibler, einfacher und kostengünstiger geht es nicht.

Auf der Entwicklerkonferenz Build im April 2016 stellte Microsoft verschiedene Entwicklerboards vor. Diese Starterkits1 ermöglichen einen einfachen und kostengünstigen Einstieg in die Welt von IoT mit Azure. Diese Komplett-Sets bestehen aus einem Entwicklerboard (wie z.?B. dem RasPi) und den benötigten Bauteilen (LEDs, Steckverbindungen, Sensoren etc.), um verschiedenste Experimente zu ermöglichen. Preislich liegen diese Sets zwischen 50 und 100 Euro, waren zum Zeitpunkt der Drucklegung aber noch nicht in Deutschland erhältlich. Zusammen mit den bereitgestellten Tutorials2 bieten sie einen schnellen Einstieg in das Auslesen und Verwalten von Sensoren über die Azure-Cloud und ermöglichen die Umsetzung eigener IoT-Projekte innerhalb kürzester Zeit.

Bild 3.1 Ausschnitt der Microsoft IoT Starter Kits

Für Microsoft führt der Weg in den Markt offenkundig über die Entwickler. Es wird mit Hochdruck an Windows 10 IoT Core gearbeitet. Das Betriebssystem und die Entwickler-Tools gibt es kostenlos. Das Know-How im .NET-Umfeld ist auf dem Markt vorhanden und kann nun auf einfachste Weise auf IoT angewendet werden. Einsteiger entwickeln im ersten Schritt entweder für sich selbst oder andere Endkunden. Projekte aus der Linux-Welt werden nach und nach adaptiert. Die öffentlich zugängliche Code-Basis wächst und weitere Dokumentationen werden verfügbar. Diese kleinen Schritte machen für Microsoft den Weg frei, sich auch im Business-Umfeld langfristig als vertrauenswürdiger und zuverlässiger Partner für IoT zu etablieren.

Während Lösungen auf Basis von Linux meistens in die „Bastelecke“ gesteckt wurden, ebnet Windows 10 auch den Weg von IoT in die Unternehmenswelt. Überspitzt gesagt:

• Windows ist etabliert und genießt im Gegensatz zu Linux einen gewissen Vertrauensbonus im Unternehmen.

• Windows ist kommerziell, während Linux „kostenlos“ ist und keine professionelle Unterstützung bietet.

Diese Diskussion existiert schon seit Jahren zwischen den Lagern der Windows- und Linux-Anhänger und scheint sich im Bereich von IoT zu wiederholen. Egal, welche Meinung man dazu hat, kann Microsoft als weiterer Unterstützer dieser Bewegung sicher nicht schaden, um die Bekanntheit des Raspberry Pi und Projekte im Bereich von IoT weiter voranzubringen.

Bild 3.2 Azure-Codebeispiele für IoT

3.2	Internet of Things (IoT)

3.1.1

Ursprung und Idee

Die Cloud und das Internet der Dinge sind seit einigen Jahren beherrschende Themen in der IT-Branche und versprechen ein immenses Wachstum. Der Raspberry Pi steht als ein Sinnbild für das Internet der Dinge bzw. Internet of Things (IoT). Es handelt sich dabei jedoch um keine neue Erfindung. Bereits vor circa 20 Jahren wurde die Idee geboren, „Dinge“ zu vernetzen und so den Menschen unauffällig zu unterstützen. Diese Dinge können Geräte oder Sensoren sein und auch Daten untereinander austauschen. Ziel von IoT ist es, die reale und virtuelle Welt stärker zu verbinden. Somit ist es möglich, „Dinge“ über das Internet in vernetzte Prozesse und Entscheidungen einzubeziehen.

In ähnlicher Form wird diese Art der Informationsgewinnung bereits heute täglich genutzt. Die Wetterdaten werden ebenfalls durch Sensoren bereitgestellt und stehen für die Weiterverarbeitung zur Verfügung (Unwetterwarnungen, Veranstaltungstipps, gezielte Werbung an heißen Tagen etc.).

Das Internet der Dinge geht noch weiter und bietet die Möglichkeit, auch Daten enger definierter räumlicher Bereiche zu beziehen. Diese sogenannten Domänen können sich auch auf Personen beziehen. Somit kann die Datengrundlage für Prozesse besser lokal fokussiert und enger gefasst werden.

So kann zum Beispiel die gemessene Temperatur an einer Maschine in einer Werkshalle zur gemessenen Außentemperatur am Standort in Relation gesetzt werden. Das Ergebnis liefert deutlich spezifischere Ergebnisse, als wenn man z.?B. die Temperatur in der nächstgelegenen Stadt als Bezugsgröße verwendet hätte.

Bei automatisierten Prozessen ist zum Beispiel folgendes Szenario denkbar: Ein Sensor zur Erkennung eines Füllstands registriert, dass ein Mindestwert unterschritten ist. Damit ist klar, dass der Vorrat nicht mehr lange reichen wird. Daraufhin wird automatisch eine Bestellung beim Lieferanten generiert und elektronisch verschickt. Das beliebteste Beispiel ist der intelligente Kühlschrank, der erkennt, dass die Milch zu Neige geht und diese automatisch bestellt oder zumindest als Posten auf dem Einkaufszettel einträgt.

Im Bereich der Sensoren ist auch denkbar, dass sich diese „absprechen“ oder selbst Recherchen einleiten können: Ein mögliches Beispiel: Mehrere Sensoren werden in einem Raum, zum Beispiel einem Rechenzentrum, verteilt. Diese Geräte messen periodisch die Temperatur. Der Sensor auf der Südseite registriert zur Mittagszeit einen deutlichen Temperaturanstieg, der der direkten Sonneneinstrahlung geschuldet ist. Durch gezielte Kommunikation mit den anderen Sensoren wird die Gesamttemperatur ermittelt. Des Weiteren werden die aktuelle, amtliche Außentemperatur und die Wetterdaten über das Internet bezogen. Mithilfe dieser Werte kann geschlussfolgert werden, dass nur ein Temperatursensor eine Abweichung festgestellt hat, da draußen gerade die Sonne scheint. Dadurch kann ein Fehlalarm verhindert werden.

Die Umsetzung dieser Szenarien ist technisch sicher schon länger möglich. Jedoch ermöglicht der rapide Preisverfall der Bauteile und der technologische Fortschritt einen kostengünstigen und zuverlässigen Einsatz. Selbst komplexe Bauteile, wie z.?B. ein GPS-Modul, können für wenige Euro bezogen und in einem Projekt verbaut werden.

3.1.2

IoT als wachsender Markt

Der Bereich Internet of Things ist in der Informationstechnologie derzeit noch relativ dünn besiedelt. Entsprechend hoch schätzen Analysten die Umsatzchancen in diesem Bereich. Glaubt man den Analysten von McKinsey3, so soll bis zum Jahr 2025 ein Volumen von bis zu 11,1 Billionen US-Dollar in diesem Bereich umsetzbar sein.

Da die benötigten Bauteile und die Hardware für IoT-Projekte relativ günstig sind, ist ein Return-on-Investment in der Regel schnell erreicht. Die Kosten für die Infrastruktur sind relativ gering und damit ist auch das Risiko einer Investition kalkulierbar.

Im IoT-Bereich werden sich viele Lösungen für die Praxis herausbilden, die hinsichtlich Hard- und Software entwickelt werden müssen. Aber die Wertschöpfungskette liegt nicht primär in den...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 11.7.2016
• Reihe/Serie: makers DO IT
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Informatik ► Weitere Themen ► Hardware
• Schlagworte: Azure • Internet der Dinge • internet of things • makers • .NET • Programmierung • Projekte • Raspberry Pi • Softwareentwicklung • Universal Apps • Visual Studio • Windows 10 IoT Core
• ISBN-10: 3-446-44809-8 / 3446448098
• ISBN-13: 978-3-446-44809-4 / 9783446448094