Raspberry Pi programmieren mit Python (eBook)

Für Raspberry Pi 5, 4, 3 und Zero

Michael Weigend (Autor)

eBook Download: EPUB

2024 | 1. Auflage
408 Seiten
MITP Verlags GmbH & Co. KG
978-3-7475-0831-2 (ISBN)

Infos

• Alle Python-Grundlagen, die Sie für Ihren Raspberry Pi 5, 4, 3 oder Zero brauchen
• Projekte mit Sensoren, Relais und AD-Wandlern
• Einsatz von Peripheriegeräten wie Kameramodul und Lautsprecher

Raspberry Pi - der Mini-Computer zum Experimentieren

Der Raspberry Pi ist ein preiswerter Computer in der Größe einer Kreditkarte. In Kombination mit der Programmiersprache Python bietet er eine hervorragende Umgebung für die schnelle Realisierung technischer Ideen und Projekte. In diesem Buch lernen Sie alle Grundlagen, die Sie brauchen, um mit dem Raspberry Pi oder dem Raspberry Pi Zero spannende Projekte zu realisieren.

Zahlreiche Projekte mit Sensoren, Kamera u.v.m.

Sie finden in diesem Buch eine Fülle von kleinen Projekten, die auf die besondere Hardware des Raspberry Pi und das Linux-Betriebssystem Raspberry Pi OS zugeschnitten sind. Dazu gehören sowohl Schaltungen mit Sensoren (Temperatur, Licht, Alkohol), Relais, AD-Wandlern und LEDs als auch die Verwendung des Kameramoduls und des 1-Wire- sowie SPI-Bus zur Datenkommunikation. Zahlreiche Illustrationen und einfache Beispiele zum Ausprobieren erleichtern das Verständnis.

Die Programmiersprache Python als Grundlage

Python ist - auch für Programmiereinsteiger - einfach zu lernen und deshalb Teil des Gesamtkonzepts des Raspberry Pi. Dieses Buch vermittelt Ihnen anhand anschaulicher Beispiele sowohl die Grundlagen von Python als auch fortgeschrittene Techniken wie Objektorientierung, Internetprogrammierung und grafische Benutzungsoberflächen. Am Ende jedes Kapitels finden Sie Aufgaben mit Lösungen zum Download, mit denen Sie Ihr Wissen festigen, erweitern und vertiefen können.

Aus dem Inhalt:

• Gerätesteuerung
• Messwerterfassung und -visualisierung
• Interaktive Spiele mit Schaltern und Sensoren
• Animationen und Simulationen
• Automatische Textproduktion
• Digitale Bildverarbeitung
• Morsezeichen senden und Signalmuster erkennen
• Projekte mit dem Sense HAT
• Farben und Bewegung wahrnehmen
• Steuerung mit Potentiometer und AD-Wandler
• Auswertung von Daten aus dem Internet
• Webserver und Webcam

Zum Download: Programmcode für alle Projekte sowie Lösungen der Übungsaufgaben

Michael Weigend hat an der Universität Potsdam in Informatik promoviert. Er war für mehr als 30 Jahre als Lehrer tätig und hat 20 Jahre lang an der FernUniversität Hagen Seminare zur Didaktik der Informatik gegeben. An der Universität Münster hält er im Rahmen eines Lehrauftrags Vorlesungen zur Python-Programmierung. Michael Weigend engagiert sich in mehreren nationalen und internationalen Communities für den Computer-Einsatz in der Bildung, darunter Constructionism, International Federation for Information Processing (TC 3 Computers in Education) , Bebras - International Contest on Informatics and Computational Thinking. Er hat über 60 wissenschaftliche Artikel veröffentlicht und mehrere Bücher zu den Themen Programmierung, Web Development und visuelle Modellierung geschrieben.

Textauszug

Kapitel 1:
Begegnung mit Python

In diesem Kapitel verwenden Sie Python im interaktiven Modus. Sie geben in der Kommandozeile der IDLE-Shell einzelne Befehle ein, die der Python-Interpreter sofort ausführt. Sie lernen Operatoren, Datentypen, die Verwendung von Funktionen und den Aufbau von Termen kennen. Dabei bekommen Sie einen ersten Eindruck vom Charme und der Mächtigkeit der Programmiersprache Python. Ich gehe davon aus, dass Sie bereits ein fertig konfiguriertes Computersystem besitzen, bestehend aus SD-Karte, Tastatur, Netzteil, Monitor und natürlich – als Herzstück – den Raspberry Pi, der meist als Raspi oder RPi abgekürzt wird. Auf der SD-Speicherkarte ist als Betriebssystem Raspberry Pi OS installiert. Das neuste und leistungsstärkste Modell des Minicomputers ist der Raspberry Pi 5. Alle Projekte in diesem Buch funktionieren aber auch auf den älteren Modellen 3 und 4 und auch auf dem besonders preiswerten Raspberry Pi Zero WH. Beachten Sie, dass der kleine Raspberry Pi Zero sehr langsam ist. Haben Sie mit ihm Geduld und halten Sie nur möglichst wenige Fenster geöffnet.

Falls Sie noch nicht so weit sind, können Sie in Anhang A nachlesen, welche Komponenten Sie benötigen und wie Sie bei der Einrichtung Ihres RPi-Systems vorgehen.

1.1  Was ist Python?

Python ‌ist eine Programmiersprache, die so gestaltet wurde, dass sie leicht zu erlernen ist und besonders gut lesbare Programmtexte ermöglicht. Ihre Entwicklung wurde 1989 von Guido van Rossum‌ am Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) in Amsterdam begonnen und wird nun durch die nichtkommerzielle Organisation »Python Software Foundation‌« (PSF‌, http://www.python.org/psf) koordiniert. Das Logo der Programmiersprache ist eine stilisierte Schlange. Dennoch leitet sich der Name nicht von diesem Schuppenkriechtier ab, sondern soll an die britische Comedy-Gruppe Monty Python erinnern.

Ein Python-Programm – man bezeichnet es als Skript – wird von einem Interpreter ausgeführt und läuft auf den gängigen Systemplattformen (Unix, Windows, Mac OS). Ein Programm, das auf Ihrem Raspberry Pi funktioniert, läuft in der Regel auch auf einem Windows-Rechner. Python ist kostenlos und kompatibel mit der GNU General Public License (GPL).

Python ist objektorientiert, unterstützt aber auch andere Programmierparadigmen (z.B. funktionale und imperative Programmierung). Python ist eine universelle Programmiersprache mit vielen Einsatzmöglichkeiten. Es wird in der Wissenschaft und Technik verwendet (z.B. im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt), aber auch für visuell-kreative Projekte (z.B. bei Disney zur Entwicklung von Computerspielen). Python hat gegenüber älteren Programmiersprachen drei Vorteile:

• Python ist leicht zu erlernen und hat eine niedrige »Eingangsschwelle«. Ohne theoretische Vorkenntnisse kann man sofort die ersten Programme schreiben. Im interaktiven Modus kann man einzelne Befehle eingeben und ihre Wirkung beobachten. Es gibt nur wenige Schlüsselwörter, die man lernen muss. Gewohnte Schreibweisen aus der Mathematik können verwendet werden, z.B. mehrfache Vergleiche wie 0 < a < 10.

• Python-Programme sind kurz und gut verständlich. Computerprogramme werden von Maschinen ausgeführt, aber sie werden für Menschen geschrieben. Software wird meist im Team entwickelt. Programmtext muss für jedermann gut lesbar sein, damit er verändert, erweitert und verbessert werden kann. Der berühmte amerikanische Informatiker Donald Knuth hat deshalb schon vor drei Jahrzehnten vorgeschlagen, Programme als Literatur zu betrachten, so wie Romane und Theaterstücke. Nicht nur Korrektheit und Effizienz, auch die Lesbarkeit ist ein Qualitätsmerkmal.

• Programme können mit Python nachweislich in kürzerer Zeit entwickelt werden als mit anderen Programmiersprachen. Das macht Python nicht nur für die Software-Industrie interessant; auch Universitäten verwenden immer häufiger Python, weil so weniger Zeit für den Lehrstoff benötigt wird.

1.2  IDLE‌

Zur Standardinstallation von Python gehört eine integrierte Entwicklungsumgebung namens Idle. Der Name erinnert an den englischen Schauspieler, Autor und Komponisten Eric Idle, ein Mitglied der Comedy-Gruppe Monty Python.

Idle ist nicht (mehr) in der Standarddistribution von Raspberry Pi OS enthalten. Sie können es aber in wenigen Schritten installieren:

• Klicken Sie oben links auf den Startbutton mit der Himbeere, dann auf Einstellungen und dann auf Add/Remove Software (Software hinzufügen oder entfernen). Es erscheint ein Fenster wie in Abbildung 1.1.

• Geben Sie oben links als Suchbegriff Idle ein und drücken Sie Enter. Es erscheint eine Liste von Software-Angeboten.

• Rollen Sie etwas herunter und wählen Sie eine Idle-Version, indem Sie die Checkbox vor dem Eintrag anklicken.

• Klicken Sie unten rechts auf OK.

• Zur Sicherheit müssen Sie im Authentifizierungsfenster Ihr Passwort eingeben.

• Dann wird IDLE installiert.

Abb. 1.1: Idle installieren

Klicken Sie oben links auf den Startbutton mit der Himbeere und öffnen Sie das Untermenü Entwicklung. Sie sehen, dass das Menü einen neuen Eintrag enthält, z.B.: Idle (using Python 3.11). Wenn Sie diesen Eintrag anklicken, öffnet sich die Entwicklungsumgebung. Beachten Sie, dass die Python-Version von Ihrem Raspberry-Pi-Modell abhängt. Auf dem kleinen RPi Zero kann eine ältere Version installiert sein als auf dem RPi 5.

IDLE besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

• Die IDLE-Shell‌. Wenn Sie IDLE starten, öffnet sich zuerst das IDLE-Shell-Fenster. Die Shell ist eine Anwendung, mit der Sie direkt mit dem Python-Interpreter kommunizieren können: Sie können auf der Kommandozeile einzelne Python-Anweisungen eingeben und ausführen lassen. Ein Python-Programm, das eine Bildschirmausgabe liefert, gibt diese in einem Shell-Fenster aus.

• Der Programmeditor. Das ist eine Art Textverarbeitungsprogramm zum Schreiben von Programmen. Sie starten den Programmeditor vom Shell-Fenster aus (File|New File).

• Der Debugger. Er dient dazu, den Lauf eines Programms zu kontrollieren und zu überwachen, um logische Fehler zu finden.

Neben IDLE gibt es natürlich noch viele andere Entwicklungsumgebungen für Python. Auf dem RPi sind standardmäßig noch Geany und Thonny installiert.

1.2.1  IDLE-Shell

Anweisungen sind die Bausteine von Computerprogrammen. Mit der IDLE-Shel‌l können Sie einzelne Python-Anweisungen ausprobieren. Man spricht auch vom interaktiven Modus, weil Sie mit dem Python-Interpreter eine Art Dialog führen: Sie geben über die Tastatur einen Befehl ein – der Interpreter führt ihn aus und liefert eine Antwort.

Öffnen Sie das Shell-Fenster der Python-3-Version auf Ihrem Rechner (Startbutton|Entwicklung|IDLE). Da Sie ständig mit IDLE arbeiten werden, lohnt es sich das Programmicon auf den Bildschirm zu bringen. Das geht so: Sie klicken mit der rechten Maustaste auf das Icon Python 3 und wählen im Kontextmenü den Befehl Zur Arbeitsfläche hinzufügen. Die IDLE-Shell meldet sich immer mit einer kurzen Information über die Version und einigen weiteren Hinweisen.

Abb. 1.2: Die IDLE-Shell

Die unterste Zeile beginnt mit einem Promptstring aus drei spitzen Klammern >>> als Eingabeaufforderung. Das ist die Kommandozeile. Hinter dem Prompt können Sie eine Anweisung eingeben. Wenn Sie die Taste Enter drücken, wird der Befehl ausgeführt. In den nächsten Zeilen kommt entweder eine Fehlermeldung, ein Ergebnis oder manchmal auch keine Systemantwort. Probieren Sie aus:

>>> 2+2
4

Hier ist die Anweisung ein mathematischer Term. Wenn Sie Enter drücken, wird der Term ausgewertet (also die Rechnung ausgeführt) und in der nächsten Zeile (ohne Prompt) das Ergebnis dargestellt.

>>> 2 +
SyntaxError: invalid syntax

Jetzt haben Sie einen ungültigen Term eingegeben (der zweite Summand fehlt). Dann folgt eine Fehlermeldung.

>>> a = 1257002
>>>

Eine solche Anweisung nennt man eine Zuweisung. Der Variablen a wird der Wert 1257002 zugewiesen. Dabei ändert sich zwar der Zustand des Python-Laufzeitsystems (es merkt sich eine Zahl), aber es wird nichts ausgegeben. Sie sehen in der nächsten Zeile sofort wieder der Prompt. Die gespeicherte Zahl können Sie wieder zum Vorschein bringen, indem Sie den Variablennamen eingeben:

>>> a
1257002

1.2.2  Hotkey‌s

Um effizient mit der IDLE-Shell arbeiten zu können, sollten Sie einige Tastenkombinationen ‌(Hotkeys) beherrschen.

Manchmal möchten Sie ein früheres Kommando ein zweites Mal verwenden – vielleicht mit kleinen Abänderungen. Dann benutzen Sie die Tastenkombination Alt+P. Beispiel:

>>> 1 + 2*3 + 4
11
>>>

Wenn Sie jetzt einmal die Tastenkombination Alt+P betätigen, erscheint hinter dem letzten Prompt wieder das vorige Kommando (previous):

...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 28.5.2024
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Mathematik / Informatik ► Informatik
• ISBN-10: 3-7475-0831-6 / 3747508316
• ISBN-13: 978-3-7475-0831-2 / 9783747508312