Raspberry Pi programmieren mit Java
von: Wolfgang Höfer
mitp Verlags GmbH & Co. KG, 2016
ISBN: 9783958450578
Sprache: Deutsch
576 Seiten, Download: 10088 KB
Format: EPUB, PDF, auch als Online-Lesen
Einleitung
Der Raspberry Pi ist ein Minirechner, den Sie sehr flexibel für die unterschiedlichsten Aufgaben einsetzen können. Zum einen haben Sie mit dem gerade mal scheckkartengroßen Rechner einen vollwertigen Desktop-PC, auf dem Sie Office-Anwendungen laufen lassen und Ihre E-Mails bearbeiten können. Auch Drucken, Surfen, Netzwerkverbindung über Kabel, Wireless LAN und Bluetooth gehören dazu. Zum anderen können Sie an dem Minirechner eine Maus und Tastatur über die USB-Ports und einen Bildschirm über HDMI oder einen Fernseher über Composite anschließen. Oder Sie betreiben den Raspberry Pi über einen Remote-Zugriff. Für diese Aufgaben unterstützt Sie dabei das für den Raspberry Pi optimierte Debian-Linux. Aber keine Angst, auch der ungeübte Anwender, der mit der Konfiguration eines Linux-Rechners nicht vertraut ist, wird so weit unterstützt, dass das Debian-Linux ohne Vorkenntnisse installiert und konfiguriert werden kann.
Die zweite Welt, in die Sie mit dem Raspberry Pi eintauchen können, ist die faszinierende Verbindung von Software und Hardware. Diese reicht von einfachen digitalen Ein- und Ausgängen bis hin zur Ansteuerung von komplexen Schaltkreisen, die über den I2C-Bus, den SPI-Bus oder die RS232-Schnittstelle angesteuert werden können. Über diese Schnittstellen lassen sich dann die unterschiedlichsten Sensoren ansprechen. Den Zugang zu diesen Systemen stellt der Raspberry Pi über eine 26-polige oder je nach Modell auch über eine 40-polige Stiftleiste zur Verfügung. Und genau dahin möchte ich Sie mit diesem Buch begleiten.
Alle Projekte aus diesem Buch werden mit der Programmiersprache Java umgesetzt und es soll nicht nur den erfahrenen Java-Entwickler, sondern auch Umsteiger, die vielleicht bisher mit C oder Python Erfahrung haben, ansprechen. Aber auch alle Technikfreaks, die einfach neugierig sind und etwas Neues ausprobieren wollen. Für diesen Leserkreis gibt es im Anhang dieses Buches eine Einführung in Java, in der die grundlegenden Strukturen und Prinzipien dieser Hochsprache erläutert werden. In den Projekten finden Sie dann weiterführende Themen zu Java.
Wie Sie mit diesem Buch arbeiten können
Das Buch ist so konzipiert, dass die Kapitel aufeinander aufbauen. So gibt es zum Beispiel Java-Klassen, die einmal ausführlich erläutert und dann in nachfolgenden Kapiteln eingesetzt werden. Der gesamte Programmcode teilt sich dabei in einen allgemeinen und in einen für das jeweilige Kapitel spezifischen Teil. Den allgemeinen Teil des Programmcodes können Sie dann später sehr einfach in eigene Projekte einbinden und er bildet in seiner Summe ein kleines Framework für die Java-Programmierung auf dem Raspberry Pi.
Den ganzen Programmcode, den Sie für die Umsetzung der Projekte benötigen, können Sie sich von dem Verlagsserver unter www.mitp.de/055 herunterladen (unter dem Reiter Downloads) und auf dem Raspberry Pi installieren. Eine Anleitung dazu finden Sie in dem Kapitel »Projektvorbereitung«.
Das Buchprojekt mit dem vollständigen Programmcode finden Sie auf dem Verlagsserver
http://media.mitp.de/downloads/9783958450554_Raspberry_Pi_und_Java.tar
Alle Programme sind direkt auf dem Raspberry Pi entwickelt worden. Hierzu wurde die Entwicklungsumgebung BlueJ verwendet, die auch in diesem Buch vorgestellt wird und mit der Sie die wichtigsten Grundlagen für den Umgang an die Hand bekommen.
Da in diesem Buch die Verbindung zwischen Soft- und Hardware beschrieben wird, sind die Projekte fast ausschließlich technischer Natur. Zu jedem Programmcode gehört demnach auch immer ein Stück Elektronik. Hierbei habe ich stets versucht, den Aufwand für Sie möglichst gering zu halten. Es lassen sich daher alle Versuche sehr einfach auf einem Steckbrett nachbauen.
Für einen ersten Überblick über die Themen finden Sie im Folgenden eine kurze Beschreibung zu jedem Kapitel.
In dem ersten Kapitel lernen Sie die Hardware des Raspberry Pi kennen, indem die verschiedenen Komponenten und Schnittstellen auf dem Board beschrieben werden. Hierzu zählen der Prozessor, die Grafikeinheit, die USB-Anschlüsse, das Netzwerk und die Audio- und Video-Ausgabe. Hierbei wird auch auf die Unterschiede zwischen den verschiedenen Modellen eingegangen. Außerdem wird beschrieben, wo Sie das Kameramodul und ein Display anschließen können.
Für den ersten Start des Raspberry Pi benötigen Sie eine SD-Karte, eine Tastatur, eine Maus und ein HDMI- oder Composite-Kabel und ein Netzteil. Damit Sie hier die richtigen Komponenten anschließen, zeige ich Ihnen, auf welche technischen Werte Sie achten müssen.
Nachdem alle Komponenten für einen ersten Testlauf des Raspberry Pi verfügbar sind, wird beschrieben, wie Sie das richtige Betriebssystem für den Raspberry Pi auf eine SD-Karte kopieren können und wie Sie den Raspberry Pi konfigurieren. Anschließend werden noch verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, um den Raspberry Pi in Ihrem Heimnetzwerk über LAN oder WLAN zu integrieren. Danach wird der Mini-Rechner so konfiguriert, dass Sie über SSH mit PuTTY und WinSCP auf den Raspberry Pi zugreifen können. Weiterhin beschreibe ich, wie Sie mit TightVNC eine Remote-Verbindung aufbauen, um so von einem anderen Rechner auf den grafischen Desktop des Raspberry Pi zuzugreifen.
Auch wenn der Raspberry Pi über einen grafischen Desktop verfügt, werden Sie für bestimmte Aufgaben mit der Linux-Konsole arbeiten müssen. Um hier die wichtigsten Befehle kennenzulernen, finden Sie diese in diesem Kapitel nebst ihrer Anwendung.
In der Projektvorbereitung wird die Java-Entwicklungsumgebung BlueJ installiert und ich beschreibe die wichtigsten Funktionen. Sie installieren dann die Pi4J-Bibliothek, die Sie benötigen, damit Sie die GPIO-Ports des Raspberry Pi ansprechen können. Dies ist die Schnittstelle für alle technischen Projekte.
Wenn Sie nicht direkt mit einem Steckbrett arbeiten wollen, um die ersten Versuche aufzubauen, zeige ich Ihnen, wie Sie das Erweiterungsboard Gertboard mit dem Raspberry Pi verbinden und mit einem einfachen Java-Programm testen können. Auf diesem Board finden Sie einige Schaltkreise, die auch in den verschiedenen Projekten benutzt werden.
Im Kapitel »Datum und Zeit« werden Ihnen der Umgang mit Datum und Zeit in Java und die dafür bereitgestellten Klassen Date, Calendar und GregorianCalendar vorgestellt. Hierzu gehört auch das Formatieren und Parsen von Datums- und Zeitangaben. Als praktische Übung schreiben Sie zuerst ein Programm, das den Wochentag Ihres Geburtstags für ein beliebiges Jahr berechnen kann. Und danach kommt die Berechnung der Arbeitstage für ein beliebiges Jahr, die zwischen Weihnachten und Silvester liegen.
Als Nächstes werden Sie das GPIO-Interface des Raspberry Pi über Java ansprechen und Relais ansteuern. Als praktische Übung werden hierzu mit zeitgesteuerten Relais Akkus geladen und eine Spiegelreflexkamera gesteuert.
Das Thema »Digitale Eingänge und Sensoren« zeigt Ihnen, wie Sie mithilfe der Pi4J-Bibliothek auf externe Ereignisse reagieren können. Ein Programm muss also einen Pegelwechsel, der an einem der GPIO-Pins ausgeführt wird, erfassen und darauf reagieren. Als erstes Beispiel werden Sie hierzu ein Programm schreiben, das einen Tastendruck auswertet und daraufhin einen externen Prozess startet. Unter einem externen Prozess versteht man hier zum Beispiel das Ausführen eines Linux-Befehls oder eines beliebigen Programms. In diesem Beispiel wird durch den Tastendruck der Raspberry Pi heruntergefahren und der TightVNC-Server gestartet oder beendet.
Als zweites Anwendungsbeispiel wird ein Bewegungsmelder eingesetzt, um in einer Toilette das Licht beim Betreten einzuschalten und Musik zu spielen. Sie lernen also auch, wie man mit Java Audio-Dateien abspielt.
Den Ultraschallsensor HC-SR04, den man zur Abstandsmessung einsetzt, werden Sie mit einem weiteren Programm testen. Hierbei muss der Raspberry Pi zwei sehr schnell hintereinander auftretende Signale auswerten.
Als Letztes werden dann analoge Sensoren über einen Schmitt-Trigger an den Raspberry Pi angeschlossen, um somit als Schwellenwerterkennung eingesetzt zu werden.
Das Kapitel »Swing lernen« ist ein reiner Java-Kurs, den Sie auch auf jedem anderen Computer testen können. Hier lernen Sie, wie mit Java grafische Oberflächen erzeugt werden und auf...