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\chapter{Hardware}
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\label{cha:Hardware}
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\todo{Einleitung}
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\section{Der Raspberry Pi}
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\label{sec:Raspberry}
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Der \emph{Raspberry Pi} ist ein Einplatinencomputer, der 2012 von der \emph{Raspberry Pi Foundation} auf den Markt gebracht wurde.
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/raspberry.jpg}
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\caption[Raspberry Pi - Modell B]{Raspberry Pi - Modell B\footnotemark}
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\label{fig:raspberry}
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\end{figure}
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\footnotetext{\cite{rasp_bild}}
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\subsection{Geschichte}
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\label{subsec:Geschichte}
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Ursprünglich war der Raspberry Pi als günstiger Computer gedacht, um britischen Jugendlichen das Programmieren näher zu bringen. An der \emph{University of Cambridge} stellte man fest, dass die Vorkenntnisse von Studienanfängern immer geringer wurden, weil sie -- sowohl privat als auch in der Schule -- sich immer weniger mit der Funktionsweise von Computern und Programmen beschäftigen. Daher wollte man einen Computer entwickeln, mit dem die Jugendlichen experimentieren können.
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\footcite{aboutraspberry}$^,$
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\footcite[Geschichte]{wiki:raspberry}
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Inzwischen wurden 3,8 Millionen Stück verkauft (Stand Oktober 2014\footcite{verkauf}) und 5 verschiedene Modelle entwickelt.
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\subsection{Technische Daten}
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\label{subsec:Technische Daten}
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Die Technik in einem Raspberry Pi ist vergleichbar mit der eines Smartphones. Der Raspberry Pi hat eine \acrshort{cpu} mit \SI{700}{\glslink{Hertz}{\mega\hertz}}, welche auf bis zu \SI{1}{\glslink{Hertz}{\giga\hertz}} übertaktbar ist, und je nach Modell \SI{256}{} oder \SI{512}{\mega\byte} Arbeitsspeicher. Als Speicher für das Betriebssystem (verschiedene Linux-Distributionen stehen zur Auswahl) wird eine SD-Karte bzw. eine microSD-Karte verwendet.
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Zur Stromversorgung genügt ein normales Handyladegerät mit Micro-USB-Anschluss und mindestens \SI{1}{\gls{Ampere}} Stromstärke, denn der Raspberry Pi verbaucht nur \SI{3.5}{Watt}\footcite{strom} (Modell B).
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Zum Anschließen anderer Hardware gibt es zwei USB-Anschlüsse und 26 \gls{gpio}-Pins.
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\section{Sensoren}
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\label{sec:Sensoren}
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Zur Messung der Umweltdaten werden folgende Sensoren verwendet:
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\begin{itemize}
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\item 4 Temperatursensoren \emph{DS18B20} (\ref{subsec:Temperatur})
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\item Luftfeuchtesensor \emph{DHT22} (\ref{subsec:Luftfeuchtigkeit})
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\item Luftdrucksensor \emph{BMP085} (\ref{subsec:Luftdruck})
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\item Luftqualitätssensor \emph{VOLTCRAFT CO-20} (\ref{subsec:Luftqualitat})
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\item CPU-Temperatur des Raspberry Pi
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\end{itemize}
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\subsection{Temperatur}
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\label{subsec:Temperatur}
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Mithilfe von 4 Sensoren des Typs \emph{DS18B20} werden die Innentemperatur, die Gehäusetemperatur und die Bodentemperatur (Außen) gemessen. Diese haben eine Messgenauigkeit von \SI{\pm 0.5}{\degreeCelsius} und einen Messbereich von \SI{-10}{\degreeCelsius} bis \SI{+85}{\degreeCelsius}. \footcite[20]{temp}
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\begin{figure}[h]
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\includegraphics[width=0.4\textwidth]{figures/temp_pin.png}
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\caption{Pinbelegung des DS18B20 (eigenes Werk)}
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\label{fig:temp_pin}
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\end{figure}
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Der Sensor wird mithilfe von einem \gls{1-Wire}-\gls{Bus} ausgelesen. Hierbei benötigt man (außer für die Stromversorgung mit \SI{5}{\gls{Volt}} nur ein Kabel, auf dem die Daten übertragen werden.\footcite{1-wire} Zusätzlich wird ein \SI{4.7}{\kilo\glslink{Ohm}{\ohm}} Widerstand zwischen dem Pin für Daten und dem Pin für \SI[retain-explicit-plus]{+5}{\glslink{Volt}{\volt}} benötigt. (siehe Abb. \ref{fig:temp_pin})
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Ein weiterer Vorteil von 1-Wire ist, dass nahezu beliebig viele Sensoren auf einem Datenkabel parallel geschaltet werden können.
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Die Messdaten des \emph{DS18B20} können auf dem Raspberry Pi sehr einfach ausgelesen werden, weil dies von einem Linux-\gls{Kernelmodul} erledigt wird. Um die Temperatur zu erhalten, muss nur eine virtuelle Datei ausgelesen werden, welche das Messergebnis in tausendstel Grad Celsius enthält. (Siehe Abbildung \ref{fig:temp_screenshot})
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\begin{figure}[h]
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\includegraphics[width=\textwidth]{figures/temp_screenshot.png}
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\caption{Die erste erfolgreiche Messung (eigenes Werk)}
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\label{fig:temp_screenshot}
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\end{figure}
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\subsection{Luftfeuchtigkeit}
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\label{subsec:Luftfeuchtigkeit}
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Zum Messen der Luftfeuchtigkeit der Außenluft wird der \emph{DHT22} verwendet. Dieser kann auch die Temperatur messen. Die Messgenauigkeit beträgt \SI{\pm 0.5}{\degreeCelsius} und \SI{\pm 2}{\% .relative.Luftfeuchte}.\footcite{DHT22}
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Wie der \emph{DS18B20} (\ref{subsec:Temperatur}) benötigt der Luftfeuchtigkeitssensor zusätzlich zur Stromversorgung nur ein Kabel zur Datenübertragung. Es können jedoch nicht mehrere Sensoren parallel geschaltet werden. \footcite[Wiring]{DHT}
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\begin{figure}
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\includegraphics[width=\textwidth]{figures/steckbrett.png}
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\caption{Anschlussskizze von \emph{DS18B20} (Mitte; \ref{subsec:Temperatur}), \emph{DHT22} (Links; \ref{subsec:Luftfeuchtigkeit}) und \emph{BMP085} (Rechts; \ref{subsec:Luftdruck}) (eigenes Werk)}
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\label{fig:steckbrett}
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\end{figure}
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Die Daten des Sensors werden von einem \gls{C}-Programm von Adafruit ausgelesen.
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\footcite[Software Install]{DHT}
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\subsection{Luftdruck}
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\label{subsec:Luftdruck}
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Der \emph{BMP085} ist der präziseste Sensor. Er wird zum Messen des Luftdruckes und der Außentemperatur verwendet und hat dabei eine Genauigkeit von \SI{\pm 1.0}{\hecto\glslink{Pascal}{\pascal}} und \SI{0.5}{\degreeCelsius} bei \SI{25}{\degreeCelsius}\footcite[6]{BMP085}
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Die Messdaten überträgt der Sensor über einen \gls{I2C}-\glslink{Bus}{Bus}. Dabei werden (zusätzlich zur Stromversorgung) \textbf{zwei} Kabel zur Datenübertragung benötigt.
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Über eines (in Abbildung \ref{fig:steckbrett} gelb) schickt der Raspberry Pi dem Sensor die Taktfrequenz, in der er die Daten übertragen soll, und im anderen (grün) werden die eigentlichen Daten übertragen.
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\footcite[Hooking Everything Up]{bmp058_adafruit}
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Auch hier werden die Daten von einem Programm von Adafruit ausgelesen. \footcite[Using the Adafruit BMP Python Library (Updated)]{bmp058_adafruit}
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\subsection{Luftqualität}
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\label{subsec:Luftqualitat}
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Der letzte Sensor, der hinzugekommen ist, ist der \emph{VOLTCRAFT CO-20}. Da CO\textsubscript{2}-Sensoren und andere genaue Luftqualitätssensoren teuer sind, habe ich mich für einen einfachen \acrshort{voc}-Sensor entschieden. Dieser misst die Menge an \emph{Flüchtigen organischen Verbindungen} in der Luft. Dies sind Stoffe, die schon bei niedrigen Temperaturen verdampfen. Sie können von verschiedensten Quellen stammen (\zB: Benzindämpfe, Tabakrauch, Lacke)\footcite[41\psqq]{innenraum} und von leichten Kopfschmerzen und Konzentrationsstörungen bis zu bleibenden Gesundheitsschäden führen.\footcite[Gesundheitliche Wirkung]{VOC}
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Der Sensor gibt einen Wert an, der die relative Verschlechterung seit dem Einschalten angibt. Hierbei steht 450 für die anfängliche Qualität ist und ein höherer Wert für eine schlechtere Luftqualität.
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Da der \emph{VOLTCRAFT CO-20} jedoch nicht mehr erhältlich ist, verwende ich den baugleichen \emph{Raumluftfühler} von Velux.\footcite{Velux}
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[width=\textwidth]{figures/velux.jpg}
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\caption{Velux Raumluftfühler (eigenes Werk)}
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\label{fig:velux}
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\end{figure}
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Der Sensor wird über USB an den Raspberry Pi angeschlossen. Um die Daten unter Linux auszulesen, wird das Programm \emph{usb-sensors-linux} verwendet.\footcite{usb-sensors-linux}
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\section{Display}
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\label{sec:Display}
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\begin{figure}[h]
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\centering
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\includegraphics[width=0.9\textwidth]{figures/erstes_display.jpg}
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\caption{Erstes Display (eigenes Werk)}
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\label{fig:erstes_display}
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\end{figure}
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Damit nicht immer ein Computer benötigt wird, um die aktuellen Messwerte zu erfahren, verwende ich ein Display, welches diese anzeigt. Ursprünglich habe ich ein 16x2 Zeichen Display von \emph{Conrad Electronic} verwendet.\footcite{conrad_datenblatt}
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Dieses wird nach der Anleitung von \emph{www.schnatterente.net}\footcite{schnatterente} angeschlossen.
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Da jedoch fix angelötete Kabel unflexibel sind, bin ich auf ein Display von \emph{Pollin.de}\footcite{display_pollin} umgestiegen, welches mit einer Steckverbindung angeschlossen wird.
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\section{Anschluss}
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\label{sec:Anschluss}
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