Jörn Donges

Mach was mit Python & Raspberry Pi!

Spielerisch programmieren lernen und mit DIY-Projekten durchstarten

Mit dem Raspberry Pi (auch Pi oder RasPi genannt) bekommt man für wenig Geld ein vollwertiges Computersystem mitsamt reichhaltiger Softwarekollektion, die das Arbeiten vom spielerischen Einstieg bis hin zur Softwareentwicklung auf hohem Niveau ermöglicht.

Aufgrund der stetig zunehmenden Digitalisierung aller Lebensbereiche wird es immer wichtiger, die Konzepte der digitalen Informationsverarbeitung zu verstehen. Nur wer die Arbeitsweise von programmierbaren Systemen und Algorithmen versteht, kann auch realistisch einschätzen, wo deren Grenzen liegen. Darüber hinaus macht es einfach Spaß, eigene Ideen umzusetzen und zum Mitgestalter der digitalen Welt zu werden, anstatt sie nur zu konsumieren.

Dafür stellt der Raspberry Pi den idealen Einstieg dar. Der kleine Einplatinenrechner hat seit seiner Einführung im Jahr 2012 eine riesige Verbreitung gefunden. Über 20 Millionen Exemplare wurden bereits verkauft. Zu den Nutzern zählen nicht nur Bastler und Maker, sondern insbesondere auch Softwaretüftler und angehende Entwickler, denen der Raspberry Pi eine preiswerte Möglichkeit bietet, ein Linux-System einzurichten und damit zu experimentieren oder ein System lautlos und stromsparend im Dauerbetrieb laufen zu lassen, etwa als Homeserver oder als Medienzentrale.

Auch die Programmiersprache Python erfreut sich einer immer größer werdenden Community von Entwicklern und Anwendern, da die Sprache leicht erlernbar und verständlich ist, andererseits aber umfangreiche Bibliotheken für nahezu jeden erdenklichen Anwendungszweck bietet und daher universell einsetzbar ist. Was liegt also näher, als die beiden Welten miteinander zu verbinden?

Die Mission dieses Buches

Dieses Buch bietet eine Einführung in den Umgang mit dem Raspberry Pi und seinem bevorzugten Betriebssystem Linux (in der Raspbian-Distribution) sowie in die Programmiersprache Python 3.

Du brauchst keine Vorkenntnisse. Es wird alles von Grund auf erklärt. Dennoch habe ich versucht, einen breiten Bereich typischer Anwendungen abzudecken, wie etwa Spieleprogrammierung, GUI-Entwicklung oder Web Apps.

Bei der Auswahl der Beispielprojekte habe ich darauf geachtet, dass es sich um brauchbare kleine Anwendungen handelt, die du auch im Alltag benutzen kannst. Gleichzeitig ist der Code aber möglichst kurz gehalten, um für die Veröffentlichung in einem Buch geeignet zu sein. Daher handelt es sich immer um Basisversionen der entsprechenden Anwendungen, die jederzeit mit weiteren Features ausgebaut und erweitert werden können. Ich möchte dich genau dazu in die Lage versetzen. Die Beispielprojekte sind also nicht zum sturen Abtippen gedacht, sondern eher als Ideengeber, die dich dazu bringen sollen, selbst aktiv zu werden und an den Programmen weiterzuarbeiten.

Die Projekte sollen nicht in Stein gemeißelt sein, sondern zum Experimentieren und Probieren einladen. Die in diesem Buch angeschnittenen Themenbereiche sind in sich jeweils so komplex und umfangreich, dass sie nicht erschöpfend dargestellt werden können. Nimm also nicht nur dieses Buch als Anleitung zur Hand, sondern nutze bei Veränderungsideen und Verständnisschwierigkeiten auch Google oder die Coder-Hilfsplattform https://stackoverflow.com, um nach entsprechenden Begriffen zu suchen, denn du wirst schnell feststellen, dass eine Anwendung nie wirklich fertig ist. Es gibt immer Möglichkeiten der Weiterentwicklung. Vielleicht tauchen auch nach langem Einsatz noch Fehler auf, die behoben werden müssen.

An einigen Stellen im Buch setze ich voraus, dass du englischsprachige Texte verstehen kannst. Viele Begriffe in der Programmierung sind auf Englisch und bei fortgeschrittenen Themen wie API-Programmierung stehen oft auch keine deutschsprachigen Schnittstellen und Dokumentationen zur Verfügung. Daher war das nicht immer zu umgehen, doch wenn du tiefer in die IT-Welt einsteigen willst, wirst du wahrscheinlich schon wissen, dass man nicht darum herumkommt, Englisch zu lernen.

So ist dieses Buch aufgebaut

In Kapitel 2 zeige ich dir, wie du deinen Raspberry Pi einrichtest und welche Tools für die Python-Programmierung benötigt werden. Du lernst auch die Grundlagen der Linux-Distribution Raspbian kennen, die standardmäßig auf dem RasPi installiert wird.

Mit einer Raspbian-Installation steht dir ein riesiges Softwarepaket kostenlos zur Verfügung, und du kannst gleich mit der Python-Programmierung loslegen. Für fortgeschrittene Projekte musst du manchmal ein externes Modul oder ein neues Programm installieren. Auch das erkläre ich dir alles genau. Du erfährst, wie du über das Paketverwaltungssystem apt ganze Softwarepakete nachinstallieren kannst, aber auch, wie du mit dem Python Package Index gezielt eines der unzähligen Python-Module finden, herunterladen und einbinden kannst.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, auf dem kleinen Rechner zu arbeiten. Du kannst entweder klassisch Tastatur, Monitor und Maus anschließen und wie an einem herkömmlichen Desktop-PC arbeiten. Es ist aber auch möglich, über eine Netzverbindung auf den RasPi zuzugreifen und die Benutzeroberfläche auf einen anderen Computer zu holen. Auch das wird ausführlich erklärt.

In Kapitel 3 führe ich dich in die Grundlagen der Python-Programmierung ein. Anhand eines kleinen Zahlenratespiels stelle ich dir die grundlegenden Programmierkonzepte wie Abfragen, Schleifen, Funktionen und Variablen vor. Außerdem werfen wir einen Blick auf den Debugger, ein wichtiges Werkzeug, um Programmierfehlern auf die Spur zu kommen. Die nächste Stufe ist dann die objektorientierte Programmierung. Diese ist für die Entwicklung moderner Apps notwendig. Das erste Projekt wird ein Vokabeltrainer sein, der dich in einer beliebigen Sprache abfragen kann, für die du eine Textdatei mit den Vokabeln hast.

In Kapitel 4 werfen wir einen Blick auf das weite Feld der Spieleprogrammierung. Mit Pygame ist im Standardumfang von Python auf dem RasPi eine Multimedia-Bibliothek vorhanden, die dir ermöglicht, Grafik und Sound in deine Projekte einzubinden. Das ist ein Thema, das ganze Bücher füllen könnte, deshalb wird im Rahmen dieses Buches nur ein kurzer Einblick möglich sein. Ähnliches gilt für alle weiteren Projekte. Die Projekte können immer nur eine erste Annäherung ans Thema sein. Dennoch wirst du in diesem Kapitel lernen, einfache Grafiken und Animationen zu programmieren und Audiodateien abzuspielen. Am Ende wirst du einen Klassiker unter den Videospielen nachprogrammiert haben, wobei ich die Gelegenheit nutze und die Einführung in die objektorientierte Programmierung nochmals vertiefe.

Zentrales Thema von Kapitel 5 ist die Entwicklung grafischer Benutzeroberflächen. Mit Tkinter stellt Python eine Bibliothek zur Verfügung, die das Erstellen grafischer Benutzerschnittstellen mit Textfeldern, Menüs und Schaltflächen stark vereinfacht. In Kapitel 5 wirst du dem Vokabeltrainer aus Kapitel 3 eine grafische Oberfläche verpassen, um die Anwendung komfortabler zu gestalten und eine Taschenrechner-App für den Desktop entwickeln. Nach dem Durcharbeiten des Kapitels solltest du in der Lage sein, eigene grafische Benutzeroberflächen zu gestalten und umzusetzen und damit deinen eigenen Projektideen eine Oberfläche zu geben.

Neben grafischen Oberflächen sind Web Apps heutzutage eine wichtige Schnittstelle, um Anwendungen an den Benutzer zu bringen. Der Vorteil: Jedes internetfähige Gerät mit einem Webbrowser wird zum Client. Mit Python und dem Modul Flask wirst du in Kapitel 6 lernen, Web Apps zu erstellen. Als praktisches Beispiel entwickelst du eine To-do-App für deinen Raspberry Pi, die auch zur Einkaufsliste oder App für kurze Notizen erweitert werden kann.

Eine Anwendung davon bietet dann Kapitel 7: Hier bauen wir ein Webradio. Dieses wird sowohl als Web App als auch als GUI umgesetzt, sodass du den Radiostream nicht nur vom Raspberry Pi aus steuern kannst, sondern auch per Browser von anderen Geräten in deinem Heimnetzwerk. Dann musst du nur noch einen Lautsprecher anschließen und die Reise in die Welt der weltweiten Audiostreams kann losgehen.

Kapitel 8 greift schließlich ein Thema auf, das du in wenigen anderen Python-Büchern finden wirst. Doch gerade für den Raspberry Pi ist es relevant, weil dieser kleine Rechner gerne im Dauerbetrieb benutzt wird, um Ereignisse im Internet zu protokollieren und Daten zu sammeln, wie z. B. Sportergebnisse, Börsenkurse, Wetter usw. Du wirst lernen, wie man mittels Web Scraping interessante Daten automatisch aus Webseiten extrahiert und wie man mithilfe einer API einen Server kontaktiert, um bestimmte Daten herunterzuladen und sie weiter auszuwerten.

Die Beispielprojekte aus dem Buch in der Übersicht
Kapitel 3	Zahlenratespiel        Vokabeltrainer (Konsole)
Kapitel 4	Analoguhr        Pong
Kapitel 5	Vokabeltrainer (GUI)        Taschenrechner
Kapitel 6	To-do-App
Kapitel 7	Webradio (Web)        Webradio (GUI)
Kapitel 8	Wetter-App (Konsole)        Wetter-App (Web)