zurück

Raspberry Pi einrichten und Kamera verwenden

11.05.2019

Vor Kurzem habe ich ein Kamera-Modul für den Raspberry Pi geschenkt bekommen. Daher bestellte ich mir darauf auch noch einen Pi, um die Kamera gleich ausprobieren zu können.

Raspberry Pi 3 Model B+
Abb.: Raspberry Pi 3 Model B+ (Quelle: raspberrypi.org)

Verwendete Bauteile

Setup des Raspberry Pi

Vorbereitung des Betriebssystems "Raspbian"

(Die folgenden Schritte wurden unter Microsoft Windows 10 gemacht.)
Eines der offiziellen Betriebssysteme für den RPi ist Raspbian, ein Derivat von Debian-Linux. Zunächst lädt man das neueste Image von Raspbian herunter:
https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/
Ich habe "Raspbian Stretch Lite" verwendet, da ich den RPi über eine SSH einrichten wollte und dazu keine Desktop-Umgebung benötige. Nach dem Entpacken des .zip-Archivs wird das IMG auf die SD-Karte geflasht. Dazu kann z.B. das Programm Etcher verwendet werden. Nach dem erfolgreichen Erstellen der geflashten SD-Karte entstehen zwei Partitionen, wobei nur eine (boot) unter Windows lesbar ist. Um SSH unter Raspbian sofort nach dem booten zu aktivieren, legt man einfach eine leere Textdatei mit dem Namen "ssh" in die Hauptebene der boot-Partition auf der SD-Karte.

Erstes Starten des Raspberry Pi

Man steckt nun die vorbereitete SD-Karte in der RPi, verbindet ein LAN-Kabel zwischen RPi und dem eigenen Router (z.B. FritzBox) und schließt den RPi an eine Stromquelle an (z.B. mitgeliefertes Netzteil oder Powerbank). Die Stromquelle sollte die Möglichkeit haben, 2000mA abzugeben, da sonst evtl. unerwartetes Verhalten des RPi auftreten kann.
Der boot-Vorgang dauert nur einige Sekunden und dann kann man sich über einen Terminal-Programm (z.B. PuTTY) mit dem Raspberry Pi per SSH verbinden:

Hostname: raspberrypi.local
Benutzername: pi
Passwort: raspberry
Erster Login mit SSH-Terminal PuTTY auf dem Raspberry Pi
Abb.: Erster Login mit SSH-Terminal PuTTY auf dem Raspberry Pi

Der Hostname muss nicht verwendet werden, man kann auch im verbundenen Router die IP-Adresse (192.168.xxx.xxx) des RPi ermitteln.
Aus sicherheitsgründen sollte das Passwort ebenfalls nach dem ersten Einloggen umbenannt werden:
sudo raspi-config
Es können auch weitere Benutzer angelegt und der sudo-Gruppe zugeordnet werden, z.B.:
sudo useradd -m christian -G sudo

Wichtige Befehlen und Programme

Raspberry Pi richtig ausschalten und neustarten

Raspbian ist ein Linux-Betriebssystem und hält, wie jedes andere Betriebssystem auch, Daten oft temporär in einen Zwischenspeicher und schreibt diese erst später in den Datenspeicher. Auf keinen Fall sollte man den RPi einfach "hart" ausschalten, d.h. nie einfach die Stromversorgung abschalten oder ausstecken. Das gefährdet die Konsistenz der Daten und des Systems, bis hin zu möglichen Hardware-Schäden.
Herunterfahren des Systems:
sudo shutdown -h 0 bzw. sudo shutdown -h now
oder man kann den Alias verwenden:
sudo poweroff
Zum Neustart des Systems verwendet man folgende Befehle:
sudo shutdown -r 0 bzw. sudo shutdown -r now
oder der kürzere Alias:
sudo reboot

"root" werden

Für manche Aktionen muss man als root eingeloggt sein, dies löst man mit:
sudo su -

BIOS-Einstellungen mit "config.txt"

Statt einem echten BIOS verwendet der RPi die Konfigurations-Datei /boot/config.txt. In dieser textbasierten Datei können alle BIOS-relevanten Einstellungen vorgenommen werden.
less /boot/config.txt

Konfiguration des Raspberry Pi

Basis-Einstellungen können mit Hilfe eine kleinen Konfigurationsprogramms vorgenommen werden. Dazu gehören die Änderung des Benutzer-Passworts, Lokalisierung, Aktivierung der Pi-Cam, Hostname, Zuweisung geteilten Speichers für den Grafik-Koprozessor, Aktivierung eines SSH-Servers, Boot in die Kommandozeile oder zum Desktop u.a.
sudo raspi-config

SD-Card schonen

Logs in RAM auslagern

Da viele Prozesse unter Raspbian (d.h. Linux) immer wieder kleinere und größere Daten auf die Festplatte, d.h. auf die SD-Card schreiben, d.h. vor allem Log-Dateien, wird gezeigt, wie man die Schreib-Operationen auf die SD-Card diesbezüglich verringern kann, um auch die Lebensdauer der SD-Card zu verlängern. In folgender Datei:
sudo nano /etc/fstab
diese Zeile hinzufügen:
tmpfs /var/log tmpfs defaults,noatime,nosuid,mode=0755,size=100m 0 0
und dann das System neu booten.

Swapping deaktivieren

sudo swapoff --all
schaltet das swappen auf die SD-Card vollständig ab und benutzt für die Prozesse nur noch dem RAM-Speicher.
Vorsicht: Bitte das swappen nur dann abschalten, wenn klar ist, was dies für Konsequenzen hat, denn es kann zu enormen Performance-Einbrüchen kommen, wenn sehr RAM-intensive Programme laufen!
Zur Überprüfung kann das folgende Kommando verwendet werden:
sudo free -mh

WLAN einrichten

Um den RPi unabhängig von einem LAN-Kabel ansprechen zu können müssen wir zunächst WLAN anschalten und einrichten, so dass unser RPi sich mit dem eigenen WLAN-Netzwerk verbinden kann (z.B. über eine FritzBox).

Zunächst prüft man, ob das System auch wirklich den WLAN-Adapter findet:
sudo iwlist scan
Der Name der Netzwerkkarte lautet im Fall des Raspberry Pi 3 wlan0, bei älteren RPi mit USB-WLAN-Adapter erscheint je nach dem für die Karte verantwortlichem Kernel-Modul ein anderer Name.

Nun sucht man die Umgebung nach verfügbaren WLAN-Netzwerken ab:
sudo iwlist wlan0 scan bzw. sudo iwlist wlan0 scan | egrep "(ESSID|IEEE)"
Damit erhält man eine Liste mit allen in der Nähe befindlichen WLAN-Netzwerken. Unser gewünschtes Netzwerk sollte in dieser Liste ebenfalls auftauchen.

Damit der RPi sich in unser WLAN-Netzwerk einloggen kann, müssen wir ihm die Authentifizierungsdaten zur Verfügung stellen. Zunächst wird folgende Datei geöffnet:
sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
Hier fügt man folgende Zeilen hinzu:
network={
   ssid="XXXXX"
   psk="YYYYY"
}

wobei XXXXX durch die SSID und YYYYY durch das Passwort des WLAN-Netzwerkes ersetzt werden muss.

Außerdem sollte der Energiesparmodus deaktiviert werden, währen das WLAN-Modul verwendet wird, da es sonst passieren kann, dass sich der RPi vom WLAN-Netzwerk nach einiger Zeit automatisch trennt. Hierzu fügt man folgende zwei Zeilen am Ende der Datei /etc/network/interfaces ein:
pre-up iw dev wlan0 set power_save off
post-down iw dev wlan0 set power_save on

Nun wird das Netzwerk kurz "neugestartet", das LAN-Kabel angezogen und WLAN sollte verfügbar sein:
sudo ifdown wlan0
sudo ifup wlan0
sudo ifconfig wlan0 | grep inet
Natürlich wird die offene SSH-Verbindung unterbrochen, man kann aber nun die Verbindung erneut öffnen und diesmal wird per WLAN verbunden. Um zusätzlich zu prüfen, ob das WLAN-Netzwerk richtig funktioniert, kann man eine öffentliche Seite im WWW anpingen, z.B.:
ping turanis.de
Falls die Verbindung über WLAN nicht funktionieren sollten, dann einmal den RPi neu booten.

WLAN-Verbindung mit Android-Phone

Unterwegs kann es vorkommen (z.B. wenn man Zeitraffer-Aufnahmen machen will), dass man kein WLAN-Netzwerk zur Verfügung hat. Man kann sich aber über das Android-Phone mit dem RPi verbinden, indem man auf dem Smartphone einen WLAN-Hotspot einrichtet und diesen im RPi vorkonfiguriert. Dann kann man sich bequem vom Smartphone per SSH (z.B. mit der App JuiceSSH) verbinden.

Einrichten des mobilen WLAN-Hotspots auf dem Android-Phone (mit Samsung Galaxy S8 durchgeführt):
- ausschalten von "Datensparen" im Einstellungs-Menu "Datennutzung"
- "Mobile Hotspot und Tethering" im Einstellungs-Menu "Verbindungen" anwählen
- "Mobile Hotspot" anschalten und SSID und Passwort merken

Einrichtung des ausgebauten Hotspots auf dem RPi:
Zunächst wird folgende Datei geöffnet:
sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
Hier fügt man folgende Zeilen hinzu:
network={
   ssid="XXXXX"
   psk="YYYYY"
}

wobei XXXXX durch die SSID und YYYYY durch das Passwort des Hotspots ersetzt werden muss.
RPi neustarten:
sudo reboot

Nachdem der RPi hochgefahren ist, taucht der Eintrag in "Verbundene Geräte" auf dem Smartphone im Menupunkt "Mobile Hotspot" auf. Nun darauf tippen und die Verbindung zulassen.
Nun sollte man sich die IP-Adresse des RPi merken und dann kann man sich in der SSH-App auf den RPi verbinden.

Bluetooth-Geräte koppeln

Der Pairing-Modus des RPi wird wie folgt aktiviert:
sudo bluetoothctl
Jetzt befindet man sich in der Steuerung des Bluetooth-Moduls. Nun ist der Bluetooth-Agent zu aktivieren:
agent on
default-agent
Nun wird die nähere Umgebung nach kopplungsbereiten Bluetooth-Geräten abgesucht:
scan on Diese werden nach und nach angezeigt. Wenn das gewünschte Bluetooth-Gerät zu sehen ist, kann es mit dem folgenden Befehl gekoppelt werden:
pair xx:xx:xx:xx:xx:xx (angezeigte MAC-Adresse des Geräts)
Im Regelfall kommt dann eine Bestätigung mit
Device xx:xx:xx:xx:xx Connected: yes
Confirm passkey xxxxxx (yes/no):
Hier muss mit yes bestätigt werden. Nun sind beide Geräte gekoppelt.

mp3 auf dem Raspberry Pi abspielen

Um eine oder mehrere mp3-Dateien auf dem RPi abspielen zu können benötigt man nur ein kleines Hilfsprogramm, in diesem Fall den "OMXPlayer": sudo apt-get install omxplayer
Zum Test des Players kann man sich eine Beispieldatei herunterladen:
wget https://sample-videos.com/audio/mp3/crowd-cheering.mp3
und diese dann abspielen lassen:
omxplayer crowd-cheering.mp3
Um die mp3-Datein hören zu können, die nun gerade abgespielt wird, muss natürlich am Audio-Ausgang des RPi Köpfhörer, Headset oder externe Lautsprecher angeschlossen sein.

Verwendung des Kamera-Moduls (v2)

Raspberry Pi V2.1, 8 MP 1080P Kamera-Modul
Abb.: Raspberry Pi V2.1, 8 MP 1080P Kamera-Modul

Technische Daten des Kamera-Moduls

Anschließen und Einrichten der Kamera

Der RPi sollte heruntergefahren und ausgeschaltet werden, dann wird das Kamera-Modul mit dem RPi verbunden und arretiert. Nach dem Neustart des RPi wird die Kamera zunächst aktiviert:
sudo raspi-config
Im Hauptmenü des Config-Tools geht man auf "Interfacing Options >> Camera" und aktiviert die Kamera. Ist diese Option nicht verfügbar, so muss das System geupdated werden:
sudo apt-get update und dann
sudo apt-get upgrade
Nach dem Speichern der Einstellungen muss der RPi neu gebootet werden.

Aufnahme von Fotos mit raspistill

Test der Kamera

raspistill -v -o cam_test.jpg
Hierbei wird ein Foto mit einer (standardmäßig eingestellten) Verzögerung von 5 Sekunden aufgenommen und als JPEG mit dem Namen "cam_test.jpg" im aktuellen Arbeitsverzeichnis gespeichert. Es werden zusätzlich durch die v-Option noch einige Informationen auf der Konsole ausgegeben.

Verzögerung

Der CCD-Chip benötigt eine gewisse Zeit zur Auto-Justierung, so dass der default-Wert auf 5000 Millisekunden eingestellt ist. Somit wird jedes Fotos, welches ohne t-Option aufgenommen wird, erst nach 5 Sekunden auslösen.
raspistill -o image.jpg -t 1
Dabei ist die Verzögerung auf das Minimum von 1 Millisekunde herabgesenkt, jedoch leidet die Gesamtqualität des Fotos deutlich, insbesondere der Farben und des Kontrastes.
700-1000 Millisekunden scheinen ein guter Wert zu sein, um vernünftige Fotos zu machen: raspistill -o image.jpg -t 700

Spiegeln der Aufnahme

Je nachdem wie das Kamera-Modul verbaut und aufgestellt wurde, kann es sein dass man die Aufnahmen spiegeln möchte: raspistill -hf -o image.jpg
spiegelt das Foto horizontal, während:
raspistill -vf -o image.jpg
das Foto vertikal spiegelt. Diese beiden Optionen können auch kombiniert werden.

Änderung der Auflösung

raspistill -o image.jpg -w 800 -h 600
Nimmt ein Foto in geringer Auflösung (hier: 800×600 Pixel) auf.

Änderung der Dateigröße

raspistill -o image.jpg -q 25
Nimmt ein Foto mit reduzierter JPEG-Qualität auf, wobei die Dateigröße deutlich reduziert wird.
Es sind Werte von 0 bis 100 möglich, wobei 100 die beste Qualität darstellt.
Diese Option kann später sehr hilfreich sein, wenn man sehr viele Fotos im Zusammenhang mit einer Zeitrafferaufnahme machen will.

Interaktive Aufnahme

raspistill -t 0 -k -o image%03d.jpg
ermöglicht Foto-Aufnahmen auf Tastendruck. Nach dem Drücken von [ENTER] wird ein Foto gespeichert. In diesem Fall wird die Datei nicht überschrieben, sondern als Folge von nummierten Dateien (image001.jpg, image002.jpg, ...) gespeichert.

Aufnahme per Script

Um sich die langen Options-Paramter zu sparen und zusätzlich noch den Foto-Dateien chronologische Namen zu geben. Die folgenden Zeilen werden dazu einfach in eine Datei (z.B. ~/cam-shot.sh) gespeichert:
#!/bin/bash
DATE=$(date +"%Y-%m-%d_%H%M")
raspistill -o /home/pi/photos/$DATE.jpg

Nun wird noch der Ziel-Ordner für die Fotos im Home-Verzeichnis angelegt:
cd ~
mkdir photos
und die Rechte zum Ausführen der Script-Datei vergeben:
chmod +x cam-shot.sh
Nun kann je ein Foto aufgenommen werden, sobalb man dies ausführt:
./cam-shot.sh

HDR-Fotos

for i in -24 -18 -12 -6 0 1 6 12 18 24; do raspistill -ev $i -o hdr-series${i}.jpg; done
nimmt eine Reihe von Fotos mit verschiedener Belichtungszeiten auf. Diese Aufnahmen sollten exakt dasselbe Motiv treffen, dann können sie später mit Luminance HDR zu einem HDR-Foto zusammengebaut werden.

Zeitraffer-Aufnahmen

raspistill -o timelapse%03d.jpg -t 300000 -tl 1000 -q 25
nimmt 5 Minuten lang (=300000 Millisekunden) eine Reihe von Fotos im Abstand von jeweils 1 Sekunde (=1000 Millisekunden) auf. Um etwas Platz zu sparen, ist die Qualität der Fotos auf 25% reduziert.
Die erstellte Foto-Reihe kann zu einem Zeitraffer-Film kombiniert werden, z.B.:
ffmpeg -framerate 25 -i timelapse%03d.jpg -vf scale=800:-1 timelapse-video.mp4
Hierbei werden die Einzelbilder auf 800 Pixel Breite skaliert, wobei die Höhe entsprechend angepasst wird.
(Natürlich können auch Video-Bearbeitungsprogramme wie z.B. Adobe Premiere verwendet werden)

Video: Zeitraffer-Aufnahme mit dem Raspberry Pi (Parameter: raspistill -o timelapse%04d.jpg -t 3600000 -tl 5000 -q 35)

Um eine Zeitrafferaufnahme zu machen, ohne dass man sie manuell starten muss (z.B. Sonnenaufgang), kann man den Linux-Befehl at verwenden, um "raspistill" zu einem späteren Zeitpunkt aufzurufen.
Die folgende Zeitraffer-Aufnahme soll einen ganzen Tag über gehen (d.h. von Sonnenaufgang bis -untergang) und alle 10 Sekunden ein Foto aufnehmen.

Berechnungs-Sheet für längere Zeitraffer-Aufnahmen [32kB]

Um nicht vor Sonnenaufgang den Prozess manuell starten zu müssen, wird folgeder Befehl verwendet:
at 4:00 AM tomorrow
at> raspistill -o ~/timelapse/tl%04d.jpg -t 64800000 -tl 10000 -q 35
at> <EOT>

Die erste Zeile gibt den Startzeitpunkt vor (aufpassen, wie die Uhr des RPi gestellt ist); dann befindet man sich in der at-Konsole. Hier wird der zu startende Befehl oder Script angegeben. Mit [Enter] wird bestätigt und dann mit [Ctrl-d] beendet und gespeichert. Mit "atq" kann die Liste mit bestehenden Jobs eingesehen werden und mit "atrm" kann auch ein Job wieder gelöscht werden.
Mehr Infos zu at/atq/atrm

Vorsicht!
Aus mir unbekannten Gründen stoppt "raspistill" nach einiger Zeit und speichert keine weiteren Aufnahmen. Daher habe ich mich entschlossen die Foto-Reihen mit einem Bash-Script (timelapse.sh) zu starten:

#!/bin/bash
while :; do
    FILENAME=$(date +%Y%d%m_%H%M%S)
    raspistill -t 3000 -n -o tl${FILENAME}.jpg -q 35
    echo ${FILENAME}
    sleep 10
done

Dieses Script wird nur noch ausführbar gemacht:
chmod +x timelapse.sh
und kann dann als Hintergrund-Job ausgeführt werden (damit man nicht die ganze Zeit eingeloggt sein muss)
nohup ./timelapse.sh &
Um die Aufnahme-Reihe wieder zu stoppen, loggt man sich erneut in den RPi ein und sucht sich die Prozess-ID
ps -ef | grep timelapse
Dann kann man den Prozess beenden (wobei ??? die PID ist):
kill ???

LED ein-/ausschalten

Damit nicht bei jeder Aufnahme die rote Status-LED leuchtet und evtl. als Reflektion mit aufgenommen wird, kann diese auch deaktiviert werden.
In der Datei /boot/config.txt fügt man folgende Zeile hinzu:
disable_camera_led=1
und bootet den RPi neu.

Videos aufnehmen

raspivid -o film.h264 -t 10000
nimmt ein Video von 10 Sekunden (=10000 Millisekunden) Länge auf. Für "unendlich" lange Aufnahmen (z.B. beim Streaming) wird die t-Option auf 0 gesetzt.
Hier sind keinerlei weitere Optionen angegeben, daher wird die maximale Auflösung für Videos verwendet, d.h. 1920×1080 (1080p)

raspivid -o film.h264 -t 10000 -w 1280 -h 720
nimmt ein Video in 720p auf.

raspivid -o film.h264 -t 10000 -b 3500000
nimmt ein Video in angepasster Bit-Rate auf (hier: 3,5MBit/s).

raspivid -o film.h264 -t 10000 -f 10
nimmt ein Video mit angepasster Frame-Rate auf (hier: 10 Frames/s).

raspivid -t 10000 -o -
nimmt ein Video auf und sendet den Stream an STDOUT.

Videos als MP4 verpacken

sudo apt-get install gpac
installiert das Programm MP4Box zum Umverpacken der Videos.
MP4Box -fps 30 -add film.h264 film.mp4
verpackt einen Film in MPEG4

Video-Stream mit VLC

Mit dem Programm VLC (VideoLan) kann ein Live-Stream von der Kamera auf dem PC wiedergegeben werden. Auf dem Server (d.h. RPi) wird folgender Befehl ausgeführt, um damit das Streaming des Videos zu starten:
raspivid -o - -t 0 -n -w 800 -h 600 -fps 25 -g 100 | cvlc -vvv stream:///dev/stdin --sout '#rtp{sdp=rtsp://:8554/,mux=ts}' :demux=h264
Nun wird das Programm VLC gestarten und im Menüpunkte "Medien >> Netzwerkstream öffnen..." wird folgende Adresse eingegeben:
rtsp://raspberrypi.local:8554/
Sobald man auf "Wiedergabe" drückt, startet der Live-Steam der Kamera.

Bewegungs-Erkennung

Zunächst muss "motion", dass Programm zur Bewegungserkennung, installiert werden (falls nicht schon vorhanden): sudo apt-get install motion
Nun wird überprüft, ob die angeschlossene Kamera als Standard-Device erkannt wurde:
ls -l /dev/v*
Es sollt nun /dev/video0 als Gerät erscheinen. Falls nicht kann dies nachträglich hinzugefügt werden:
sudo modprobe bcm2835-v4l2
Mit folgendem Befehl wird nun die Bewegungs-Erkennung gestartet: sudo

Weitere Infos

Für detaillierte Informationen über alle Optionen der Kamera siehe:
Offizielle Dokumentation der Kamera

Energiebedarf senken (Strom sparen)

Will man den RPi mit einer Powerbank betreiben, dann sollte die Laufzeit möglichst lange sein. Durch einige softwareseitige Einstellungen kann man die Leistungsaufnahme des RPi senken (im Zweifel selbst nachmessen).

Unnötige Zugriffe der SD-Card vermeiden (siehe auch: SD-Card schonen), kann man das Auslagern verhindern:
sudo swapoff -a

Abschalten des Bluetooth-Dienstes:
(Es gibt jedoch einige Hinweise, das hierbei die Bluetooth-Hardware weiterhin funkt)
sudo service bluetooth stop
Wieder aktivieren mit:
sudo service bluetooth start

Abschalten des WLAN-Dienstes
sudo ifconfig wlan0 down
Wieder aktivieren mit:
sudo ifconfig wlan0 up

HDMI abschalten:
/usr/bin/tvservice -o
Wieder anschalten mit:
/usr/bin/tvservice -p

Abschalten der LEDs:
um die LEDs abzuschalten, sollte man folgende Zeilen in /boot/config.txt einfügen:
# Disable the ACT LED.
dtparam=act_led_trigger=none
dtparam=act_led_activelow=off

# Disable the PWR LED.
dtparam=pwr_led_trigger=none
dtparam=pwr_led_activelow=off