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Ratgeber
Der Raspberry Pi ist ein kleiner, kostengünstiger Einplatinencomputer, der 2013 auf den Markt kam und ursprünglich den Zweck verfolgte, Kinder und Jugendliche an die Themen Programmierung und Technik heranzuführen.
Mittlerweile hat er sich als ein vielseitiges Werkzeug etabliert, das sowohl im Unterricht als auch im Profi- und Hobbybereich genutzt wird, um zu basteln, zu experimentieren und eigene Projekte zu verwirklichen.
Dass der Raspberry Pi so großen Anklang gefunden hat und immer noch findet, liegt unter anderem darin begründet, dass er zahlreiche Erweiterungsmöglichkeiten bietet.
Eine davon sind Raspberry Pi Shields. Dabei handelt es sich um Erweiterungsplatinen (engl. expansion boards), mit deren Hilfe Sie den Funktionsumfang des Rasperry Pis vergrößern.
So können Shields zusätzliche Hardware wie Sensoren, Displays, Motorsteuerungen oder Kommunikationsmodule hinzufügen, um auch komplexe Anwendungen zu realisieren.
In unserem Ratgeber erfahren Sie, welche Arten von Raspberry Pi Shields es gibt, wie man sie verwendet und worauf beim Kauf zu achten ist.
Raspberry Pi Shields sind Zusatzplatinen, mit deren Hilfe Sie das Funktionsspektrum Ihres Raspberry Pi erweitern und neue Features hinzufügen können. Zu diesem Zweck sind die Shields mit unterschiedlicher Hardware wie Sensoren, Kameras, Displays, Motorsteuerungen oder Kommunikationstools (WLAN-, GPS-Module etc.) ausgestattet. Um diese in die Anwendung zu integrieren, werden die Boards einfach auf die GPIO-Pins (General Purpose Input/Output) des Einplatinencomputers gesteckt. Die Funktionen sind sofort nutzbar, ohne dass Sie aufwendig verdrahten oder löten müssen. Shields können die Möglichkeiten eines Raspberry Pi auf vielfältige Weise erweitern, so dass sich damit auch komplexe Projekte – etwa im Bereich der Robotik oder Heimautomatisierung – realisieren lassen.
Raspberry Pi Shields gibt es in zahlreichen Ausführungen. Zu den gebräuchlichsten Arten zählen GPIO-Shields, Display-Shields und Sensor-Shields. Sie werden alle über GPIO-Pins mit dem Raspberry Pi verbunden, unterscheiden sich aber in ihren Funktionen und Anwendungsbereichen.
GPIO-Shields
GPIO-Shields sind sehr breit einsetzbar. Mit ihrer Hilfe können Sie Ihren Raspberry Pi um zusätzliche Anschlüsse (bspw. USB oder Ethernet), Schaltvorrichtungen, Steuerungen oder Kommunikationsschnittstellen erweitern, um die grundlegenden Funktionen der GPIO-Pins auszubauen und den Zugriff auf elektronische Komponenten zu erleichtern. Manche GPIO-Shields sind beispielsweise mit Relais zum Schalten externer Geräte bestückt, andere enthalten Controller zur direkten Ansteuerung von Motoren. Die Funktion eines GPIO-Shields legen Sie durch die Implementierung gewissermaßen selbst fest.
Display-Shields
Display-Shields erfüllen im Gegensatz zu GPIO-Shields keine anpassbare, sondern eine spezifische Funktion, denn sie sind eigens für die Anzeige von Informationen konzipiert. Zu diesem Zweck sind sie mit LCD-, OLED- oder Touchscreen-Displays ausgestattet und bieten in vielen Fällen zusätzliche Bedienelemente in Form von Knöpfen oder Drehreglern. Display-Shields sind Anwendungen vorbehalten, bei denen Daten oder Interaktionen visualisiert werden sollen. Sie können als digitale Anzeigetafeln fungieren, in Steuerungssysteme eingebunden oder im Zusammenhang mit IoT-Projekten (IoT = Internet of Things) genutzt werden.
Sensor-Shields
Während Display-Shields der Visualisierung von Informationen dienen, kommen Sensor-Shields zum Einsatz, um Informationen zu ermitteln, und erfüllen dementsprechend ebenfalls eine spezifische Funktion. Zur Erfassung von Umweltdaten gibt es Shields mit Temperatur-, Feuchtigkeits- und Lichtsensoren, die Sie beispielsweise für den Bau einer Wetterstation nutzen oder in Smart-Home-Anwendungen (Steuerung von Rollläden etc.) integrieren können. Daneben sind Shields mit Bewegungsmeldern erhältlich, mit denen sich Überwachungssysteme oder Projekte der Robotik realisieren lassen.
Sie haben ebenso die Möglichkeit, verschiedene Arten von Raspberry Pi Shields zu kombinieren und beispielsweise ein System zu entwickeln, das Daten erfasst (Sensor-Shield), anzeigt (Display-Shield) und basierend auf diesen Daten eine bestimmte Aktion ausführt (GPIO-Shield).
Mithilfe von Shields können Sie Ihren Raspberry Pi schnell und einfach mit diversen Funktionalitäten aufrüsten. Zwar gibt es noch andere Wege der Erweiterung, Raspberry Pi Shields bieten jedoch entscheidende Vorteile.
Einstiegsfreundlichkeit
Raspberry Pi Shields werden lediglich auf die GPIO-Pins des Einplatinencomputer gesteckt, um eine Verbindung herzustellen. Es sind keine komplizierten Verdrahtungen oder Lötarbeiten erforderlich, so dass Sie sie quasi per Plug and Play in Betrieb nehmen können. Aus diesem Grund sind sie sowohl für den Einstieg als auch fürs schnelle Prototyping wunderbar geeignet.
Kosten- und Zeitersparnis
Shields übernehmen oft komplexe Funktionen (Motorsteuerung, Displayansteuerung etc.), die sonst nur mit einer aufwendigen Programmierung oder durch den Aufbau komplexer Schaltkreise realisierbar wären. Sie können sich also Zeit, Aufwand und Kosten, die beispielsweise mit der Beschaffung von Breadboards verbunden wären, sparen.
Vielseitigkeit
Raspberry Pi Shields sind nicht nur in vielfältigen Ausführungen erhältlich, sondern auch untereinander kombinierbar, so dass sich noch mehr Anwendungsoptionen ergeben und verschiedene Funktionen in ein Projekt integriert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, den Raspberry Pi flexibel an individuelle Anforderungen anzupassen und allerhand kreative Ideen zu verwirklichen.
Kompakte Bauweise
Shields sind speziell für den Raspberry Pi entwickelt und größentechnisch darauf abgestimmt. Dadurch bleibt der Raspberry Pi kompakt und transportabel, was bei begrenzten Platzverhältnissen und für mobile Projekte vorteilhaft ist. Zudem sind viele Shields stapelbar, was den Aufbau in mehreren Schichten ermöglicht, ohne zusätzliche Kabel für die Herstellung von Verbindungen zur Hilfe nehmen zu müssen.
Raspberry Pi Shields sind einfach zu handhaben und erfordern keine großen Vorkennntnisse, wenn es um Hardware-Verbindungen und Software-Konfiguration geht. Hier eine Anleitung, wie Sie am besten vorgehen:
- Das richtige Shield auswählen: Wählen Sie ein Shield, das zu Ihren Projektanforderungen passt (bspw. ein Motorcontroller-Shield für Robotikanwendungen). Achten Sie darauf, dass das Shield mit Ihrem Raspberry Pi-Modell kompatibel ist und nach Möglichkeit dem HAT-Standard (Hardware Attached on Top) entspricht, der speziell für den Raspberry Pi entwickelt worden ist. HATs zeichnen sich dadurch aus, dass sie software- und hardwareseitig mit unterschiedlichen Raspberry-Pi-Modellen funktionieren.
- Stromversorgung trennen: Trennen Sie den Raspberry Pi von der Stromversorgung, bevor Sie das Shield aufstecken, um eventuelle Kurzschlüsse und damit verbundene Schäden an der Hardware zu vermeiden.
- Shield aufstecken: Setzen Sie das Shield auf die GPIO-Pins Ihres Raspberry Pi. Achten Sie darauf, dass die Pins korrekt ausgerichtet sind. HAT-Shields haben eine sehr präzise Passform, was eine zuverlässige Verbindung ermöglicht.
- Stromversorgung wiederherstellen: Sobald das Shield angeschlossen ist, stellen Sie die Stromversorgung wieder her. Manche Shields sind mit LEDs oder anderen Anzeigen ausgestattet, die Rückmeldung geben, wenn die Erweiterungsplatine korrekt verbunden und betriebsbereit ist.
- Softwareinstallation und Konfiguration: HATs werden beim Booten im Normalfall automatisch erkannt und konfiguriert, was die Einrichtung erleichtert. Für andere Shields kann jedoch die Installation von Treibern notwendig sein. Informationen dazu finden Sie üblicherweise in der Dokumentation des Herstellers. Um eine Kommunikation mit dem Raspberry Pi zu ermöglichen, ist meist eine Software-Bibliothek nötig.
- Funktionstest: Machen Sie einen Funktionstest, um in Erfahrung zu bringen, ob das Shield korrekt arbeitet. Hersteller bieten oft Beispielskripte oder Tutorials an, die dazu dienen, grundlegende Funktionen des Shields zu testen. Bei Sensoren kann das ein einfacher Messvorgang sein, bei einem Display eine Grafik- oder Textausgabe.
- Programmieren und Integrieren: Ist das Shield korrekt installiert und funktionstüchtig, können Sie zum Programmieren übergehen. Python ist die häufigste Programmiersprache für den Raspberry Pi. Viele Bibliotheken für Shields bieten die Möglichkeit, mit wenigen Zeilen Code auf die Shield-Funktionen zuzugreifen.
Sicherheitsaspekte sollten Sie beim Einsatz eines Raspberry Pi Shields ebenfalls berücksichtigen. Für dauerhafte Anwendungen empfiehlt sich ein Gehäuse, das den Raspberry Pi und das Shield vor Verschmutzung und anderen äußeren Einflüssen schützt. Sind mehrere Shields übereinandergestapelt, besteht das Risiko der Überhitzung. In dem Fall kann ein Gehäuse mit Lüfter oder die Integration passiver Kühlkörper angeraten sein.
Ein Raspberry Pi Shield muss in erster Linie zu den Projektanforderungen passen und mit dem Raspberry-Pi-Modell kompatibel sein. Legen Sie fest, welche Funktionen Sie benötigen, und greifen Sie zu einem Shield, das genau diese erfüllt. Von unnötig komplexen Shields ist abzuraten, da sie mehr kosten und das Projekt aufwendiger und unübersichtlicher machen können. Achten Sie darauf, dass das Shield mit Ihrem Raspberry Pi funktioniert. Shields, die dem HAT-Standard entsprechen, funktionieren meist problemlos mit unterschiedlichen und auch neueren Modellen, wie dem Raspberry Pi 3 oder 4.
Prüfen Sie außerdem, ob die Stromversorgung Ihres Raspberry Pi für das Shield ausreicht oder ob Sie eine externe Stromzufuhr benötigen. Manche Shields, insbesondere solche mit Motorsteuerungen oder Displays, benötigen für den Betrieb nämlich recht viel Energie. Verwenden Sie mehrere Shields, summiert sich der Verbrauch. In dem Fall müssen Sie den Gesamtstrombedarf berechnen. Bei stapelbaren Shields sollten Sie auf die Bauhöhe achten, wenn Sie im Hinblick auf die Abmessungen reglementiert sind. Behalten Sie auch die Pinbelegung im Blick, damit Sie nicht in die Situation kommen, dass ein Shield Pins blockiert, die Sie für die Integration anderer Komponenten benötigen.
Wenn Sie zwischen zwei Raspberry-Pi-Shields schwanken, kann es sich lohnen, zu dem Modell zu greifen, das innerhalb der Raspberry-Pi-Community stärker behandelt wird. Ihnen stehen dann mehr Tutorials, Forenbeiträge und Lösungsvorschläge zur Verfügung, was die Einarbeitung und Fehlersuche erleichtert. Achten Sie bei der Auswahl auch auf eine gute Dokumentation vonseiten des Herstellers – vor allem, wenn es sich um ein Modell handelt, das sehr spezielle Funktionen bietet oder eine aufwendigere Installation erfordert.
Sind Raspberry Pi Shields auch mit dem Arduino kompatibel?
Raspberry Pi Shields und Arduino Boards sind in der Regel nicht direkt kompatibel, da sie mit unterschiedlichen Pinbelegungen, Spannungen und mitunter auch verschiedenen Kommunikationsprotokolle arbeiten. Es gibt Adapter, die quasi als Brücke verwendet werden können, damit lässt sich aber nur eine eingeschränkte Kompatibilität erreichen. Für Unerfahrene sind solche Hilfsmittel weniger zu empfehlen.
Gibt es auch Shields für ältere Raspberry-Pi-Modelle wie den Pi Zero?
Ja. Zwar funktioniert der Raspberry Pi Zero auch mit vielen Standard-Shields, aufgrund seiner geringen Größe und geringeren Leistung kann jedoch ein Shield, das speziell für den Zero entwickelt ist, die bessere Wahl sein. Solche Ausführungen sind kleiner und stromsparender.
Kann ich Shields in Kombination mit anderen Komponenten verwenden?
Ja, solange die GPIO-Pins nicht doppelt belegt sind und der Stromverbrauch abgedeckt ist, können Shields in Kombination mit anderen Modulen, wie Kameras oder USB-Komponenten, verwendet werden.
Was ist der Unterschied zwischen Shields und Breakout Boards?
Shields und Breakout Boards sind beides Erweiterungen, unterscheiden sich jedoch in ihrer Funktion und ihrem Anwendungsbereich. Shields haben die Aufgabe, Funktionen hinzuzufügen. Sie werden direkt auf die Hauptplatine gesteckt und erweitern die Hardware beispielsweise um eine Motorsteuerung oder Sensorik. Breakout Boards hingegen dienen dazu, einzelne elektronische Bauteile wie Sensoren, Chips oder Kommunikationsmodule einfacher zugänglich zu machen. Sie führen die kleinen Anschlüsse oder Pins der Bauteile auf eine größere, löt- oder steckbare Form heraus, die besser in Schaltungen integriert werden kann. Dadurch können Entwickler und Entwicklerinnen aus den Reglementierungen des Systems "ausbrechen" (engl. to break out) und profitieren von mehr Flexibilität.