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Ein Raspberry Pi kann LEDs, Sensoren, Taster oder Displays direkt über seine GPIO-Pins ansteuern. Diese Pins sind jedoch empfindlich, da sie direkt mit dem Prozessor verbunden sind. Deshalb muss beim Aufbau der Hardware sorgfältig gearbeitet werden: richtige Spannungen verwenden, Bauteile korrekt anschließen und Änderungen nur im ausgeschalteten Zustand vornehmen. Ziel ist es, einfache Schaltungen sicher aufzubauen und die Grundlagen für spätere Projekte mit Elektronik zu erlernen.

• Hardware ansteuern
• Programmstruktur anlegen
• Projekt: LED mit Python
• Projekt: Temperatursensor mit Python

Ein Raspberry Pi kann LEDs, Sensoren, Taster oder Displays direkt über seine GPIO-Pins ansteuern. Diese Pins sind jedoch empfindlich, da sie direkt mit dem Prozessor verbunden sind. Deshalb muss beim Aufbau der Hardware sorgfältig gearbeitet werden: richtige Spannungen verwenden, Bauteile korrekt anschließen und Änderungen nur im ausgeschalteten Zustand vornehmen. Ziel ist es, einfache Schaltungen sicher aufzubauen und die Grundlagen für spätere Projekte mit Elektronik zu erlernen.

Raspberry Pi Layout und Orientierung.

Nur die GPIO, GND und VCC werden benutzt. GND VCC GPIO 17, GPIO 27, GPIO 22, GPIO 23, GPIO 24 In diesem Kurs werden die oben aufgelisteten Pins verwendet!

• Hardware-Anbindung LED-Ampel-Modul (R/G/Y + GND)

Dieses LED-Modul besitzt vier Anschlüsse:

Wir verwenden folgende GPIO-Nummern. Falls andere gewählt werden muss der Quellcode entsprechend angepasst werden.

Technisches Prinzip

(3,3 V − ca. 2,0 V LED) / 330 Ω ≈ 4 mA

Dieses Programm schaltet eine einzelne LED am Raspberry Pi. Pin und Befehl werden im ADJUST AREA angepasst. GPIO.cleanup() setzt am Ende alle verwendeten GPIO-Pins wieder zurück.

#!/usr/bin/env python3
 
import RPi.GPIO as GPIO
 
PIN = 17               # PIN wählen
VALUE = GPIO.HIGH      # HIGH / LOW  (anschalten/ausschalten)
 
def main():
 
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(PIN, GPIO.OUT)
 
    GPIO.output(PIN, VALUE)
 
    state = GPIO.input(PIN)
    print("Status: ", bool(state))
 
    GPIO.cleanup()
 
if __name__ == "__main__":
    main()

Für das eigentliche Projekt wird der Code nun strukturiert aufgebaut. Ziel ist es, mehrere LEDs (R, G, Y) flexibel ansteuern zu können, ohne bei jeder Änderung den Quellcode neu anpassen oder Hardcodierungen verändern zu müssen.

Die Umstrukturierung sorgt außerdem für eine bessere Übersichtlichkeit. Einzelne Komponenten können dadurch unabhängig voneinander erweitert oder in anderen Projekten weiterverwendet werden, wie später im Projekt mit FastAPI und Apache2 gezeigt wird.

Folgende Programmstruktur wird verwendet.

• gpio_led – Projektordner im Verzeichnis ~/devel/projects/
• course_env – Python-Environment im Verzeichnis ~/devel/projects/
• src – Ordner für den Quellcode (engl. source)
• core – Unterordner in src

gpio_led/
├── 
└── src
    ├── core
    │   ├── hardware.py
    │   ├── logic.py
    │   └── __init__.py
    └── ledcontrol.py

Lege alle Verzeichnisse so an, wie oben dargestellt. Alle Dateien – bis auf __init__.py – kommen später dazu.

Die __init__.py muss lediglich vorhanden sein, damit Python dieses Verzeichnis als Modulverzeichnis erkennt. Dies kann mit dem folgenden Befehl erledigt werden:

touch __init__.py

Bevor weitergearbeitet werden kann, sollte die Programmstruktur überprüft werden.

Systemweit GPIO-Unterstützung über apt zur Verfügung stellen:

sudo apt install python3-rpi.gpio

Jetzt die ENV aktivieren (falls noch nicht geschehen) und dann erst RPi.GPIO installieren:

source ~/devel/gpio_led/gpio_env/bin/activate
pip install RPi.GPIO

Der Sourcecode besteht aus drei Dateien: das eigentliche Programm ledcontrol.py sowie die Dateien im Hintergrund (im Verzeichnis core), die für die Programmlogik und die Hardware-Ansteuerung benötigt werden. Im Kurs wird das Programm ausführlich erklärt. Diese Dateien enthalten noch keinen Header – dies sollte geändert werden.

gpio_hw.py

import RPi.GPIO as GPIO
 
PIN_Y = 17
 
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(PIN_Y, GPIO.OUT)
 
def setLED(pin,value)
    if value == 1:
       GPIO.output(pin, GPIO.HIGH)
    else
       GPIO.output(pin, GPIO.LOW)
 
 
def on():
    GPIO.output(PIN, GPIO.HIGH)
 
def off():
    GPIO.output(PIN, GPIO.LOW)
 
def status():
    return GPIO.input(PIN)
 
def cleanup():
    GPIO.cleanup()

logic.py

from core import gpio_hw
 
def turn_on():
    gpio_hw.on()
    return "on"
 
def turn_off():
    gpio_hw.off()
    return "off"
 
def get_status():
    return "on" if gpio_hw.status() else "off"

ledcontrol.py

#!/usr/bin/env python3
 
from core import logic
from core import gpio_hw
 
def main():
    print("GPIO CLI gestartet (CTRL+C beendet)")
 
    try:
        while True:
            cmd = input("on / off / status > ").strip()
 
            if cmd == "on":
                print(logic.turn_on())
            elif cmd == "off":
                print(logic.turn_off())
            elif cmd == "status":
                print(logic.get_status())
 
    except KeyboardInterrupt:
        pass
 
    finally:
        gpio_hw.cleanup()
 
if __name__ == "__main__":
    main()

Bevor mit dem Projekt weitergearbeitet wird, muss überprüft werden, ob das LED-Programm korrekt gestartet werden kann.

Dazu müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

• die Python-Environment ist aktiviert,
• die Programmstruktur wurde korrekt angelegt,
• der Abschnitt „Pakete & Bibliotheken installieren“ wurde vollständig gelesen und umgesetzt.

Anschließend wird in den Quellcode-Ordner gewechselt und das Programm gestartet:

cd ~/devel/gpio_led/src
./ledcontrol.py

Bei erfolgreichem Start erscheint die Eingabeaufforderung von ledcontrol.py:

on / off / status >

• on → die LED wird eingeschaltet und „on“ ausgegeben.
• off → die LED wird ausgeschaltet und „off“ ausgegeben.
• status → der aktuelle Zustand wird angezeigt.
• unbekannte Eingabe → das Programm bleibt aktiv und fordert erneut zur Eingabe auf.

Wenn das Verhalten wie beschrieben ist, läuft das Programm korrekt und die Einrichtung war erfolgreich.