Raspberry Pi: Mit Sensoren und GPIO arbeiten

Den Raspberry Pi kann man um die Hardwarefamilie der Sensoren mittels GPIO erweitern. Diese liefern Daten, die man auswerten kann und daraus resultierend Aktionen verschiedenster Art ausführen lassen kann. Nahezu alle verfügbaren Sensoren mit Pin-Anschlüssen sind theoretisch am Raspberry Pi verwendbar. Jedoch bedarf es dazu häufig zusätzlichen Treibern, um die einzelnen Sensoren ansprechen zu können. Im Folgenden erkläre ich anhand von zwei Sensoren wie man diese prinzipiell ansprechen kann.

Verwendete Sensoren
Bei einem Versuchsaufbau verwendete ich den PIR Bewegungssensor und den DHT11 Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor. Diese beiden Sensoren sind recht günstig und dennoch hochwertig. Der technische Hauptunterschied liegt (neben der anderen Funktion) darin, dass der DHT11, im Gegensatz zum PIR, zusätzliche Treiber benötigt.

• PIR Sensor
• DHT11 Sensor

PIR Bewegungssensor
Der PIR (Passiv Infrared Sensor) ist einer der gängigsten Bewegungsmelder Sensoren. Meist besitzt er eine milchfarbene wabenartige Kuppel. Der Sensor reagiert auf Temperaturveränderungen in seinem Sichtfeld, kann jedoch nur Veränderungen aufnehmen und keine konkreten Werte. Bleibt ein Objekt an einer Stelle, so reagiert er nicht, sofern sich dessen Temperatur nicht signifikant verändert.

Der Sensor besitzt in der Regel drei Pins, die man mit der GPIO-Schnittstelle des Raspberry Pis verbindet:

• VCC: Versorgungsspannung 5V
• OUT: Digitaler Ausgang
• GND: Masse (0V)

Das Ausgangssignal des Sensors (OUT) gibt lediglich einen logischen Wert (0 oder 1) auf einem 3,3V-Pegel aus (entspricht GPIO-Pin). Die Versorgungsspannung des Sensors muss bei diesem Sensor zwischen 4,5V und 20V liegen, weshalb wir den VCC Pin mit einem der 5V Pins des Raspberry Pis verbinden.

Auf dem Sensormodul befinden sich an der Unterseite in der Regel zwei Potis (Schraubregler). Meist kann man mit dem S beschrifteten Poti die Empfindlichkeit des Sensors (min. 3m Reichweite, max. 7m Reichweite) einstellen. Der mit T beschriftete Poti bestimmt die Verzögerungszeit des Outputs. Das bedeutet, dass die Zeit geregelt wird wie lange der Sensor den gesetzten Wert beibehält, wenn er eine Bewegung erkannt hat (min. 5s, max. 300s).

Der PIR Bewegungssensor lässt sich in Python recht einfach ansprechen. Es werden unter Raspbian keine weitere Treiber benötigt. Im Folgenden ein Script, dass auf Pin 25 (änderbar in Zeile 6) den OUT des PIR hat und die Bewegung erkennt. In der Funktion motion() bzw. motionGone() lassen sich Aktionen definieren, wenn deine Bewegung erkannt wurde bzw. nicht mehr passiert.

nano ~/pir.py

#!/usr/bin/python
import time, sys
import RPi.GPIO as GPIO

# Pin of PIR OUT
PIR = 25

# Init PIR for input
def initPIR(PIR):
    print "Waiting for PIR..."
    while GPIO.input(PIR) == 1:
        print "PIR Ready"
        return 0

# Action if motion detected
def motion():
    print "Motion detected!"
    return

# Action if motion is gone
def motionGone():
    print "Ready for new motion detection!"
    return

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(PIR, GPIO.IN)

PirPreviousState = 0
PirCurrentState = initPIR(PIR)

try:
    while True:
        PirCurrentState = GPIO.input(PIR)
        
        if PirCurrentState == 1 and PirPreviousState == 0:
           # PIR is triggered
           motion()
           PirPreviousState=1
        elif PirCurrentState == 0 and PirPreviousState == 1:
           # PIR has returned to ready state
           motionGone()
           PirPreviousState=0
           
        time.sleep(0.1)
except KeyboardInterrupt:
	GPIO.cleanup()
	exit()

DHT11 Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor
Der DHT11 Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor ist ein recht kleiner Sensor, der sein eigenes Gehäuse mitbringt. Der Messbereich liegt zwischen 20% und 90% Luftfeuchtigkeit (Toleranz +-5%) wie auch Temperatur 0°C bis 50°C (Toleranz +-2°C). Die Auflösung des Sensors liegt bei 1% Luftfeuchtigkeit bzw. 1°C Temperatur.

Der Sensor besitzt vier Pins, die man mit der GPIO-Schnittstelle des Raspberry Pis verbindet:

• VCC: Versorgungsspannung 5V
• Data: Digitaler Ausgang bzw. frei programmierbarer GPIO Pin
• NC: Nicht verbunden (irrelevant)
• GND: Masse (0V)

Den DHT11 Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor können wir nun auch mittels eines Python Scripts ansprechen. Im folgenden Script ist der Sensor mit seinem Data Ausgang auf Pin 4 (änderbar in Zeile 6) angeschlossen. Das Script beinhaltet eine Schleife, da der Sensor gelegentlich keine richtigen Daten sendet. In diesem Fall versucht das Script die Daten zehnmal anzufordern und wenn auch dies nicht funktioniert, gibt es sowohl eine Temperatur als auch eine Luftfeuchtigkeit von 0 aus.

nano ~/dht.py

#!/usr/bin/python
import dhtreader
import time

# Pin of DHT data and type of sensor
DHT = 4
type = 11

# Get values from sensor
def getDhtData():
    global temperature
    global humidity

    dhtreader.init()
    value = dhtreader.read(type, DHT)

    i = 0
    while True:
        if (value != None):
            temperature = "%.0f" % value[0]
            humidity = "%.0f" % value[1]
            break
        else:
            i += 1

            if (i == 10):
                temperature = 0
                humidity = 0
                break
            time.sleep(0.5)

getDhtData()
print "temperature: " + str(temperature) + "C"
print "humidity: " + str(humidity) + "%"

Allgemeiner Hinweis zu weiteren Sensoren
Wie man an den beiden Beispielen sehen kann, ist es gar nicht so schwer mit Sensoren auf dem Raspberry Pi zu arbeiten. Insbesondere wenn man in Python schreiben kann ist dies um ein vielfaches einsteigerfreundlicher als C und C++ Code.

Bevor man sich einen Sensor kauft sollte man sich also am besten informieren ob man zusätzliche Treiber benötigt und woher man deren Code zum Kompilieren bekommt. Außerdem ist es empfehlenswert zu sehen ob es eine Möglichkeit gibt, den Sensor in Python anzusprechen und ggf. nach einem anderen Sensor mit derselben Funktion Ausschau halten.

Beim Kauf selbst sollte man vergleichen wo man diesen kauft, da es häufig mehrere Versionen gibt, die im Kern jedoch auf derselben Elektronik basieren und man an dieser Stelle nicht selten deutlich sparen kann.