Projekt: Raspberry Pi - Inbetriebnahme und Wartung

Einige Projekte auf diesen Seiten verwenden einen Raspberry Pi. Da die grundsätzliche Inbetriebnahme immer nach dem gleichen Muster abläuft, habe ich die nachfolgende Anleitung erstellt und alle Raspberry-Pi-Projekte verweisen auf diese Anleitung. Diese beschreibt die Vorbereitung einer microSD-Karte, den ersten Start, die Konfiguration des Netzwerks und einige Grundeinstellungen. Ein weiteres Thema ist die Wartung. Hier wird beschrieben, wie eine vollständige Datensicherung und Wiederherstellung des Systems durchgeführt werden kann.

Status	aktiv
Letzte Bearbeitung	05.01.2023

Raspberry Pi Homepage - Raspberry Pi Imager (microSD-Karte für Raspberry Pi erstellen)	https://www.raspberrypi.com/software/
Raspberry Pi Homepage - Raspberry Pi OS (Betriebssystem für Raspberry Pi)	https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/
Homepage von Win32 Disk Imager (microSD-Karte für Raspberry Pi erstellen oder microSD-Karte lesen)	https://sourceforge.net/projects/win32diskimager/
Homepage von PuTTY (SSH-Client)	https://www.putty.org/
Homepage von Angry IP Scanner (Netzwerk durchsuchen)	https://angryip.org/

Inbetriebnahme	Inbetriebnahme eines Raspberry Pi (microSD-Karte, Netzwerk, Basis-Konfiguration)
Wartung	Wartungsarbeiten beim Raspberry Pi (Backup, Restore, Update)

Die folgende Anleitung beschreibt die grundsätzliche Inbetriebnahme eines Raspberry Pi ohne zusätzliche Komponenten wie Bildschirm, Tastatur und Maus. Ich habe diese Anleitung in mehrere Schritte unterteilt. Beim Abarbeiten sollte erst dann mit dem nächsten Schritt begonnen werden, wenn der vorherige erfolgreich abgeschlossen wurde. Grundsätzlich ist sorgfältiges Arbeiten notwendig, insbesondere dann, wenn Systemdateien bearbeitet werden müssen. Ein kleiner Fehler kann durchaus dazu führen, dass das System nicht mehr richtig funktioniert oder gar nicht mehr startet. Es empfiehlt sich, die teilweise recht langen Kommandozeilen in die Zwischenablage zu kopieren und dann ins Terminalfenster einzufügen. Wichtig: Immer nur eine Zeile kopieren und erst nach dem erfolgreichen Ausführen eines Kommandos die nächste Zeile holen. Nur beim Bearbeiten von Dateien können mehrere Zeilen gleichzeitig in den Editor übertragen werden. Falls trotz aller Vorsicht das System Probleme macht, dann sollte man nicht lange nach dem Fehler suchen und einfach noch mal von vorn beginnen.

Ich gehe davon aus, dass ein Windows-PC zur Verfügung steht, mit dem die vorbereitenden Arbeiten durchgeführt werden. Diese Arbeiten können selbstverständlich auch mit Linux erledigt werden, diesen Weg habe ich aber nicht getestet. Weiterhin werden alle Einstellungen für eine deutsche Sprachversion beschrieben. Soll ein Projekt in einer anderen Sprache realisiert werden, dann sind abweichende Eingaben erforderlich. Die Beschreibung ist an vielen Stellen sehr knapp gehalten, da der Text sonst zu umfangreich geworden wäre. Einige weitere Informationen über den Raspberry Pi, Linux, Perl, HTML, PHP, JavaScript und Node-RED habe ich auf der Seite Links, Software zusammengestellt.

Wichtig: Bitte niemals den Raspberry Pi einfach ausschalten, sondern immer über das Kommando sudo poweroff herunterfahren. Kurze Zeit später blinkt die grüne LED 10 mal und dann darf der Strom abgeschaltet werden. Zwar überlebt die Linux-Installation in den meisten Fällen eine Stromunterbrechung, aber es besteht immer die Gefahr, dass Dateien irreparabel beschädigt werden. Übrigens, einige Projekte verfügen über einen Poweroff-Taster, mit dem das System ohne zusätzliche Hilfsmittel heruntergefahren werden kann. Diese Funktion steht allerdings erst nach vollständiger Konfiguration zur Verfügung.

Für die Inbetriebnahme eines neuen Raspberry Pi ist zunächst ein Betriebssystem notwendig. Dieses kann man als Image-Datei downloaden und mit einer geeigneten Software auf eine microSD-Karte schreiben. Diese Karte wird dann in den Raspberry Pi gesteckt und dient sozusagen als Festplatte. Als Betriebssystem hat sich das von der Raspberry Pi Foundation empfohlene Linux-System Raspberry Pi OS bewährt. Hier kann aus 3 Varianten gewählt werden:

OS-Variante	Beschreibung	Projekt
Raspberry Pi OS with desktop	Dies ist die Standard-Version und besteht aus einem Debian-Linux-System mit einem grafischen Desktop. Einige Programme sind hier bereits vorinstalliert. Diese Version ist optimal für die meisten Projekte, wenn die Bildschirmausgabe des Raspberry Pi verwendet werden soll.	Anzeigemodul 4
Raspberry Pi OS with desktop and recommended software	Diese OS-Version besteht aus einem Debian-Linux-System mit einem grafischen Desktop. Außerdem sind bereits viele Programme vorinstalliert. Wenn der Raspberry Pi komplett mit Tastatur, Maus und Bildschirm ausgestattet ist und ähnlich wie ein PC verwendet werden soll, dann empfiehlt sich diese Version.
Raspberry Pi OS Lite	Diese OS-Version besteht aus einem Debian-Linux-System ohne grafischen Desktop. Diese eignet sich für alle Projekte, bei denen der Raspberry Pi für Steuerungsaufgaben eingesetzt wird und keine Bildschirmausgabe vorgesehen ist.	Web-Modul Matrixuhr

Hinweis: Die nachfolgende Inbetriebnahme des Raspberry Pi bezieht sich auf die zur Texterstellung aktuelle Raspberry Pi OS Version vom 22.09.2022. Die Varianten Raspberry Pi OS with desktop und Raspberry Pi OS Lite stehen auch als 64-Bit-Versionen zur Verfügung. Diese können alternativ auf allen aktuellen Raspberry-Pi-Modellen 3A+, 3B, 3B+, 4, 400 sowie Zero 2 W verwendet werden. Für die Projekte auf dieser Seite empfehle ich jedoch die 32-Bit-Varianten.

Die nächste Auswahl betrifft eine geeignete microSD-Karte. Für die Projekte auf meiner Seite ist eine Speicherkapazität von mindestens 8GB erforderlich. Allerdings verschwinden die kleineren Speichergrößen allmählich vom Markt und so ist eine Kapazität von 16GB oder 32GB eine gute Wahl. Bei der Geschwindigkeitsklasse sollte mindestens Class 10 verwendet werden. Zum Beschreiben der microSD-Karte wird am PC ein geeigneter Kartenleser benötigt. Hier kann man auch einen Leser für Standard-SD-Karten verwenden, dann ist allerdings noch ein Adapter auf Standard-SD notwendig, der aber oft beim Kauf einer microSD-Karte beiliegt. Falls der Kartenleser über USB angeschlossen wird, dann sollte möglichst eine Version für USB 3 verwendet werden.

Vorab noch ein wichtiger Hinweis: Es kann passieren, dass Windows beim Einlegen oder Erzeugen einer microSD-Karte mit Linux-System das Formatieren oder Reparieren des Datenträgers anbietet. Diese Fenster bitte immer über den Button Abbrechen schließen.

Die nachfolgende Inbetriebnahme erfolgt in 5 Schritten:

Schritt 1	microSD-Karte mit Betriebssystem vorbereiten
Schritt 2	SSH-Verbindung mit dem Raspberry Pi herstellen
Schritt 3	Betriebssystem konfigurieren
Schritt 4	Netzwerk konfigurieren (optional)
Schritt 5	Betriebssystem updaten

Schritt 1 - microSD-Karte mit Betriebssystem vorbereiten

Nachfolgend stelle ich 2 Programme vor, mit denen die microSD-Karte für den Raspberry Pi vorbereitet werden kann. Beide Programme sind nicht ganz ungefährlich und überschreiben gnadenlos alle Daten auf dem ausgewählten Datenträger. Damit kein Datenträger versehentlich gelöscht wird, sollte man vor dem Programmstart nur die für den Raspberry Pi bestimmte microSD-Karte anschließen und alle nicht benötigten Wechseldatenträger vom PC entfernen. Beide Programme haben übrigens eine ähnliche Funktionalität. Benötigt wird nur eins von beiden, aber es spricht nichts dagegen, beide zu installieren.

★ microSD-Karte mit Raspberry Pi Imager erstellen

Das nebenstehende Bild zeigt den Raspberry Pi Imager direkt nach dem Programmstart. Dieses Programm wird von der Raspberry Pi Foundation angeboten (https://www.raspberrypi.com/software/) und ermöglicht eine direkte Auswahl des gewünschten Betriebssystems aus einem Menü. Beim Klick auf den linken Button OS wählen erscheint eine Liste mit allen OS-Versionen, wobei die Standard-Version Raspberry Pi OS (32-bit) an erster Stelle angeboten wird. Die anderen für unsere Projekte relevanten Raspberry-Pi-OS-Versionen sind unter dem nachfolgenden Eintrag Raspberry Pi OS (other) zu finden.

Das Auswahlmenü für die OS-Version bietet übrigens noch eine ganze Menge weiterer Systeme an. Neben den bereits erwähnten 64-Bit-Versionen gibt es hier spezielle Systeme für Medienplayer oder Spielekonsolen. Weiterhin ist es möglich, eigene Images auf eine microSD-Karte zu schreiben oder auch eine microSD-Karte mit FAT32 zu formatieren, wenn sie nicht mehr in einem Raspberry Pi verwendet werden soll.

Nach der Auswahl der gewünschten OS-Version wird rechts unten ein Zahnrad-Symbol sichtbar und wenn man auf dieses klickt, wird das Fenster Erweiterte Optionen eingeblendet. Hier lassen sich einige persönliche Einstellungen festlegen. Das nebenstehende Bild zeigt einen Ausschnitt, in dem bereits 2 Einstellungsoptionen ausgefüllt sind. Ich empfehle die Einstellung der folgenden 3 Optionen:

SSH aktivieren und Password zur Authentifizierung verwenden - Damit wird der SSH-Dienst aktiviert, über den wir später auf den Raspberry Pi zugreifen und weitere Einstellungen und Installationen durchführen können.

Benutzername und Passwort setzen - Hier werden die Zugangsdaten festgelegt, mit denen wir uns später in das Raspberry Pi OS einloggen. Der voreingestellte Username pi kann unverändert übernommen werden.

Wifi einrichten - Diese Einstellung ist nur dann notwendig, wenn der Raspberry Pi über WLAN ins Netzwerk eingebunden werden soll. In diesem Fall können hier die Zugangsdaten (SSID und Passwort) eingegeben werden und der Raspberry Pi wird sich später direkt mit dem heimischen WLAN verbinden. Nicht vergessen, etwas weiter unten das Wifi-Land auf DE umzustellen.

Ganz oben gibt es noch das Feld OS Modifizierungen. Hier kann man die Einstellung wahlweise auf Nur für diese Sitzung oder auf Immer verwenden setzen. Bei der zweiten Option werden die soeben getätigten Einstellungen dauerhaft gespeichert und automatisch beim Erstellen einer neuen microSD-Karte angewendet. Über den Button Speichern werden die Eingaben gesichert und das Fenster wieder geschlossen.

Über den mittleren Button SD-Karte wählen wird nun das Laufwerk ausgewählt, in dem die microSD-Karte steckt. Wenn man sich absolut sicher ist, dass alle Einstellungen passen und das richtige Speichermedium ausgewählt ist, wird der Button Schreiben geklickt. Dabei startet der Imager den Download der gewünschten OS-Version und schreibt gleichzeitig das Image auf die Karte wie im nebenstehenden Bild. Im Anschluss daran wird noch eine Verifizierung durchgeführt, bei dem die Karte ausgelesen und mit dem Image verglichen wird. Zum Abschluss schreibt der Raspberry Pi Imager noch eine Datei mit den Voreinstellungen auf die microSD-Karte und meldet dann das Medium automatisch vom System ab. Die microSD-Karte kann also nach der Erfolgsmeldung des Programms direkt entnommen werden und ist bereit für den Einsatz im Raspberry-Pi-Projekt.

Übrigens, der gesamte Vorgang kann manchmal recht lange dauern und man hat den Eindruck, der Schreibvorgang ist ungewöhnlich langsam. Das liegt daran, dass im Hintergrund noch der Download läuft und nur die bereits empfangenen Daten geschrieben werden können. Das ist also völlig normal.

★ microSD-Karte mit Win32 Disk Imager erstellen

Bevor der Raspberry Pi Imager entwickelt wurde, war das Programm Win32 Disk Imager eine gute Empfehlung zur Erstellung von microSD-Karten. Es ist auch weiterhin eine gute Alternative und bietet außerdem die Möglichkeit, microSD-Karten zur Datensicherung auszulesen. Bevor der Win32 Disk Imager seine Arbeit wie im nebenstehenden Bild erledigen kann, muss zunächst die gewünschte Image-Datei beschafft werden. Dazu wird die Download-Seite der Raspberry Pi Foundation aufgesucht. Hier wird die benötigte Version des Raspberry Pi OS geladen und anschließend entpackt. Nach dem Start des Win32 Disk Imagers kann man bei Image File über das kleine Ordner-Symbol das geladene Image auswählen und im Feld Device sollte der Laufwerks-Buchstabe unserer microSD-Karte stehen. Wenn man sich bei der Auswahl absolut sicher ist, dann wird über den Button Write der Schreibvorgang gestartet. Das dauert einige Minuten und wenn alles geklappt hat, erscheint eine Erfolgsmeldung.

Die microSD-Karte muss nach dem Schreibvorgang noch am PC angeschlossen bleiben, damit weitere Dateien zur Aktivierung von zusätzlichen Funktionen kopiert werden können. Um die Arbeit etwas zu erleichtern, habe ich das Paket raspberrypi-dateien.zip erstellt. Nach dem Download und dem Entpacken findet man 2 Dateien, die folgende Funktion haben:

ssh	Diese Datei dient zur Aktivierung der SSH-Funktion. Über SSH werden wir später auf den Raspberry Pi zugreifen und weitere Einstellungen und Installationen durchführen.
wpa_supplicant.conf	Diese Datei ist nur von Bedeutung, wenn der Raspberry Pi über WLAN ins Netzwerk eingebunden werden soll. Hier werden die Zugangsdaten für das WLAN (SSID und Passwort) eingetragen.

Unter Windows ist ein kleiner Bereich der microSD-Karte als Laufwerk im Format FAT sichtbar und hier sind bereits einige Systemdateien zu sehen. In diesen Bereich wird jetzt die Datei ssh kopiert. Die Datei enthält übrigens keine Informationen, hier ist nur der Dateiname von Bedeutung. Falls der Raspberry Pi des geplanten Projektes über ein LAN-Kabel ins Netzwerk eingebunden werden soll und keine WLAN-Funktionalität benötigt wird, dann ist die microSD-Karte jetzt fertig und kann über die Auswerfen-Funktion auf der Windows-Taskleiste vom System abgemeldet werden.

Wird die WLAN-Funktion des Raspberry Pi benötigt, dann muss zusätzlich die Datei wpa_supplicant.conf kopiert werden. Anschließend ist es notwendig, die Kopie auf der microSD-Karte über einen geeigneten Editor zu bearbeiten. Am besten geht das mit einen rechten Mausklick auf die Datei und die Auswahl der Option Bearbeiten. Hier müssen die Beispiel-Einträge der folgenden beiden Zeilen mit den richtigen Zugangsdaten für das WLAN ausgefüllt werden (bitte nicht die Anführungszeichen entfernen):

ssid="Mein_WLAN"
psk="Mein_WLAN_Passwort"

Nach dem Speichern der Datei ist die microSD-Karte fertig und kann über die Auswerfen-Funktion auf der Windows-Taskleiste vom System abgemeldet werden.

Schritt 2 - SSH-Verbindung mit dem Raspberry Pi herstellen

Die im Schritt 1 vorbereitete microSD-Karte wird nun in den Raspberry Pi gesteckt und die Stromversorgung eingeschaltet. Der Raspberry Pi sollte nun booten, was man am Flackern der grünen LED auf der Raspberry-Pi-Platine sehen kann. Die rote LED muss übrigens dauerhaft leuchten. Sollte diese flackern, dann deutet das auf eine instabile Stromversorgung hin. Der erste Start des Raspberry Pi OS dauert immer etwas länger und man sollte ungefähr 2-3 Minuten warten, bevor man eine Verbindung zum System herstellt. Wenn die grüne LED weitgehend dunkel bleibt und nur noch gelegentlich flackert, dann kann man einen ersten Versuch wagen.

Das Raspberry Pi OS ist so konfiguriert, dass der Raspberry Pi über DHCP vom Router des Heimnetzwerks eine IP-Adresse zugewiesen bekommt (gilt sowohl für LAN als auch für WLAN). Diese Adresse muss jetzt ermittelt werden und dafür kann man sich entweder in den Router einloggen oder ein geeignetes Programm wie z.B. Angry IP Scanner verwenden, welches alle Geräte im Heimnetz anzeigt. Weiterhin wird ein SSH-Client auf dem PC benötigt, damit wir eine Verbindung zum Raspberry Pi aufbauen können. Man kann dafür den vorinstallierten ssh-Dienst von Windows benutzen, ich habe mich jedoch für das Freeware-Programm PuTTY entschieden. Dieses ist komfortabler und es können mehrere Zugänge verwaltet werden.

Die Bedienung von PuTTY ist auch nicht so kompliziert: In das Feld Host Name kommt die ermittelte IP-Adresse des Raspberry Pi, als Beispiel verwende ich hier 192.168.1.21 und im Feld Port steht schon die richtige Nummer 22. Mit einem Klick auf Open wird die Verbindung aufgebaut. Zunächst erscheint jedoch eine Sicherheitswarnung. PuTTY speichert von jedem Server einen digitalen Fingerabdruck und prüft diesen bei jedem Verbindungsaufbau. So kann man vor dem Login erkennen, ob man mit dem richtigen Server verbunden ist. Von unserem Raspberry Pi liegt dieser Fingerabdruck noch nicht vor und wir haben jetzt die Möglichkeit, mit einem Klick auf Accept den Fingerabdruck zu speichern. Jetzt erscheint die folgende Eingabezeile:

login as: _

Hier geben wir den Benutzernamen pi ein. Anschließend erscheint eine Passwortabfrage, die in unserem Beispiel so aussehen würde:

pi@192.168.1.21's password: _

Hier geben wir das voreingestellte Passwort raspberry ein. Falls im Schritt 1 bereits ein neues SSH-Passwort festgelegt wurde, dann muss natürlich dieses verwendet werden. Wenn alles geklappt hat, dann erscheinen einige Informationen und zum Schluss der folgende Eingabe-Prompt:

pi@raspberrypi:~ $ _

Sollte PuTTY keine Verbindung zum Raspberry Pi herstellen können, dann kann man zunächst an der Windows-Kommandozeile (cmd.exe) einen Ping versuchen:

ping 192.168.1.21

Damit lässt sich prüfen, ob eine Netzwerkverbindung zur angegebenen IP-Adresse vorhanden ist. Wenn die IP-Adresse richtig ist und der Ping funktioniert, die SSH-Verbindung jedoch nicht, dann wurde offensichtlich der SSH-Server auf dem Raspberry Pi nicht aktiviert. In diesem Fall sollte man den Raspberry Pi wieder ausschalten und nochmals mit dem Schritt 1 beginnen.

Wenn alles geklappt hat, dann kann man noch etwas an der Optik von PuTTY arbeiten. Dazu klickt man auf das kleine Symbol links oben auf der Titelzeile und wählt die Option Change Settings... aus. Hier habe ich in der Kategorie Window die vorgegebene Fenstergröße von 80x24 auf 120x32 vergrößert, damit mehr Informationen im Terminalfenster zu sehen sind. Auch der Zeichensatz ist nicht optimal, diesen kann man in der Kategorie Window - Appearance und Change... ändern, z.B. auf Consolas, Standard, 12-point. Alle Einstellungen lassen sich natürlich auch speichern, dies erfolgt in der Kategorie Session. Hier gibt man einen passenden Namen in das Feld Saved Sessions ein und klickt auf Save. Mit Apply wird das Einstellungsfenster wieder geschlossen und zum Terminalfenster zurückgekehrt. Wird PuTTY später erneut gestartet, dann lässt sich die soeben gespeicherte Session durch einen Doppelklick auf den Namen in der Liste Saved Sessions wieder aufrufen.

Schritt 3 - Betriebssystem konfigurieren

Nachdem PuTTY nun optimal eingerichtet ist, werden wir mit dessen Hilfe das Raspberry Pi OS konfigurieren. Dafür werden Kommandos verwendet, die direkt am Eingabe-Prompt eingegeben werden müssen. Diese Kommandos können durchaus recht lang sein und da bietet es sich an, diese hier im Browser zu markieren und in die Zwischenablage zu kopieren. Im Terminalfenster von PuTTY kann man den Inhalt der Zwischenablage dann mit einem rechten Mausklick an der aktuellen Cursor-Position einfügen. Alle Eingaben am Prompt werden außerdem vom Raspberry Pi OS in einer Historie gespeichert. Mit den Pfeiltasten nach oben und unten kann man durch diese Historie blättern und so ein bestimmtes Kommando nochmals an den Eingabe-Prompt holen. Weiterhin beherrscht Linux eine sehr gute Autovervollständigung, die man mit der Tabulator-Taste auslösen kann. Kommandos, Verzeichnisnamen und teilweise auch Parameter werden dann ergänzt, soweit dies möglich ist.

Wir geben nun das erste Kommando ein oder kopieren es über die Zwischenablage ins Terminalfenster:

sudo raspi-config

Damit wird das Programm raspi-config gestartet, welches eine menügeführte Einstellung vieler Systemfunktionen ermöglicht. Einige Einstellungen erfordern erweiterte Rechte, diese werden mit dem vorangestellten sudo gewährt. Ist das Programm gestartet, dann werden hauptsächlich die Pfeiltasten, die Tabulator-Taste und Enter verwendet. Los geht's:

• 1 System Options auswählen (entfällt, wenn im Schritt 1 bereits ein neues Passwort vergeben wurde).
  • S3 Password auswählen, das Passwort gilt für den Benutzer pi, den wir auch weiterhin verwenden.
    • Hinweis mit Enter quittieren, zweimal das neue Passwort blind eingeben und die Erfolgsmeldung mit Enter bestätigen. Neues Passwort gut merken!
• 1 System Options nochmals auswählen.
  • S4 Hostname auswählen.
    • Nächstes Fenster mit Enter bestätigen (Hinweis auf zulässige Zeichen: Buchstaben, Zahlen und Minus-Zeichen).
      • Name für den Raspberry Pi eingeben, am besten nur Kleinbuchstaben, Zahlen und Minus verwenden; Tab drücken bis Ok markiert ist und Enter drücken.
• 5 Localisation Options auswählen.
  • L1 Locale auswählen und einen kleinen Moment warten, bis sich das nächste Bild zeigt.
    • de-DE.UTF-8 UTF-8 auswählen und mit Leertaste markieren, Tab drücken bis Ok markiert ist, Enter drücken.
      • Im nächsten Fenster die Markierung auf de-DE.UTF-8 setzen, Tab drücken bis Ok markiert ist, Enter drücken (Bearbeitung dauert etwas länger).
• 5 Localisation Option nochmals auswählen.
  • L2 Timezone auswählen und wieder einen kleinen Moment warten, bis sich das nächste Bild zeigt.
    • Europe auswählen, Tab drücken bis Ok markiert ist, Enter drücken.
      • Berlin oder andere passende Stadt auswählen, Tab drücken bis Ok markiert ist, Enter drücken.

Damit sind die wichtigsten Systemeinstellungen festgelegt. Wir wechseln nun mit Tab auf Finish und drücken Enter. Danach erscheint ein Fenster, in dem ein Reboot angeboten wird, dieses bestätigen wir mit Yes und Enter. Der Raspberry Pi startet nun neu und trennt dabei die SSH-Verbindung. PuTTY zeigt diesen Zustand mit einer Fehlermeldung an. Wir warten nun ungefähr eine Minute und bauen die Verbindung wieder auf. Dazu quittieren wir die Fehlermeldung von PuTTY und klicken anschließend auf das kleine Symbol links oben auf der Titelzeile. In dem nun erscheinenden Menü wählen wir Restart Session aus. Es folgt nun wieder die Abfrage von Benutzername und Passwort und falls man eben ein neues Passwort vergeben hat, dann muss dieses jetzt verwendet werden.

Schritt 4 - Netzwerk konfigurieren (optional)

Grundsätzlich ist das Netzwerk des Raspberry Pi bereits konfiguriert und zwar so, dass der Raspberry Pi beim Systemstart vom Router des Heimnetzwerks über DHCP eine IP-Adresse zugewiesen bekommt (dynamische IP-Adresse). Der Raspberry Pi kann durchaus dauerhaft so betrieben werden, allerdings hat das den Nachteil, dass die IP-Adresse nicht vorhersehbar ist und sich auch jederzeit ändern kann. Zwar erkennen die meisten Router-Modelle den Raspberry Pi nach einem Neustart wieder und vergeben die gleiche IP-Adresse, trotzdem bietet eine feste (statische) IP-Adresse einige Vorteile. So ist das zukünftige Raspberry-Pi-Projekt immer unter der gleichen IP-Adresse erreichbar (wichtig für Serveranwendungen) und diese Adresse können wir in gewissen Grenzen selbst festlegen.

Zur Vergabe einer statischen Adresse sind 3 Parameter notwendig: die IP-Adresse, die Subnetz-Maske und das Gateway. Mit dem folgenden Kommando kann man sich einige Parameter des Netzwerks anschauen:

netstat -rn

Unsere Beispiel-Konfiguration würde folgendes Bild ergeben, wenn der Raspberry Pi über LAN angeschlossen ist:

Kernel-IP-Routentabelle
Ziel            Router          Genmask         Flags   MSS Fenster irtt Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG        0 0          0 eth0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U         0 0          0 eth0

Bei einer WLAN-Verbindung werden die gleichen Daten angezeigt, nur das Interface am Ende der Tabelle ändert sich:

Kernel-IP-Routentabelle
Ziel            Router          Genmask         Flags   MSS Fenster irtt Iface
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG        0 0          0 wlan0
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U         0 0          0 wlan0

Das sind typische Werte in einem Heimnetz und hier kann man bereits zwei Parameter entnehmen: Die Subnetz-Maske ist 255.255.255.0 und das Gateway (Adresse des Routers) 192.168.1.1. Nun muss noch die IP-Adresse festgelegt werden, wobei die ersten 3 Teile mehr oder weniger vom Router vorgegeben sind (192.168.1). Den 4. Teil der Adresse können wir aber selbst bestimmen und hier ist es wichtig, dass dieser nicht bereits von einem anderen Gerät im Netz verwendet wird und auch nicht im DHCP-Bereich des Routers liegt. Diese Informationen kann man normalerweise aus dem Router auslesen. Meist sind die Adressen ab 201 frei und so verwende ich bei der folgenden Konfiguration beispielhaft die IP-Adresse 192.168.1.221.

Um eine statische IP-Adresse festzulegen, ist das Bearbeiten einer Konfigurationsdatei erforderlich. Für diese Aufgabe bietet sich der im Raspberry Pi OS vorinstallierte Texteditor nano an. Innerhalb des Editors kann man einen Cursor bewegen, wobei neben den 4 Pfeiltasten auch die Tasten Bild↑, Bild↓, Pos1 und Ende verwendet werden können. Über die Zwischenablage kann beliebiger Text aus dem Browserfenster ins Editor-Fenster übertragen werden, wobei das Einfügen im Editor mit einem rechten Mausklick an der aktuellen Cursor-Position erfolgt. Für die weitere Bedienung muss man sich nur 2 Tastenkombinationen merken: Mit Strg-S wird die bearbeitete Datei gespeichert und mit Strg-X wird der Editor beendet. Der Editor wird übrigens im weiteren Verlauf der Inbetriebnahme noch häufiger benötigt. Zunächst wird die Einstellungsdatei für das Netzwerk bearbeitet:

sudo nano /etc/dhcpcd.conf

Wir bewegen nun den Cursor an das Ende der Datei und fügen die folgenden Zeilen ein:

interface eth0
  static ip_address=192.168.1.221/24
  static routers=192.168.1.1
  static domain_name_servers=192.168.1.1

Jetzt muss dieser eingefügte Teil noch an das eigene Netzwerk angepasst werden. Zunächst müssen wir festlegen, welches Netzwerk-Interface benutzt werden soll. Dies wird in der ersten Zeile bestimmt und hier ist aktuell das LAN-Interface eth0 eingetragen. Sollen die Einstellungen für das WLAN-Interface gelten, dann muss das Interface in wlan0 geändert werden.

Weiterhin müssen die Adressen angepasst werden. In der zweiten Zeile wird die gewünschte IP-Adresse des Raspberry Pi angegeben. Der Wert hinter dem Schrägstrich entspricht unserer Subnetz-Maske in einer anderen Schreibweise. Schreibt man die Subnetz-Maske 255.255.255.0 binär, dann sieht das so aus: 11111111.11111111.11111111.00000000. In der alternativen Schreibweise wird einfach die Anzahl der Einsen angegeben, in diesem Fall 24. Die Adressen in Zeile 3 und 4 sind normalerweise identisch und entsprechen der IP-Adresse des Routers. Mit den bereits erwähnten Tastenkombination Strg-S wird die Datei gespeichert und der Editor mit Strg-X wieder verlassen. Die einfachste Möglichkeit zur Aktivierung der neuen Netzwerk-Konfiguration ist ein Neustart. Dazu verwenden wir das folgende Kommando:

sudo reboot

Dabei wird die SSH-Verbindung getrennt und PuTTY zeigt eine entsprechende Meldung an. Da sich jetzt die IP-Adresse des Raspberry Pi geändert hat, empfiehlt es sich, PuTTY zu beenden und neu zu starten. Hier klicken wir dann in der Liste der Saved Sessions auf unsere gespeicherte Einstellung und anschließend auf den Button Load. Im Feld Host Name tragen wir nun die neue IP-Adresse ein (in unserem Beispiel wäre das die 192.168.1.221) und klicken anschließend auf den Button Save. Damit haben wir die gespeicherte Einstellung auf den aktuellen Stand gebracht und können diese nun mit einem Doppelklick auf unseren Eintrag in den Saved Sessions starten. Wenn alles geklappt hat, dann erscheint zunächst wieder der Hinweis auf den Fingerabdruck, der wiederum mit Ja gespeichert wird und wir können uns erneut einloggen.

Noch ein Hinweis: Wenn das zukünftige Raspberry-Pi-Projekt über das Ethernet-Interface eth0 arbeiten soll, dann empfiehlt es sich, das WLAN-Interface wlan0 zu deaktivieren. Dies kann durch Bearbeiten einer Datei erreicht werden:

sudo nano /boot/config.txt

Am Ende der Datei unterhalb des Abschnitts [all] ergänzen wir die folgende Zeile:

dtoverlay=disable-wifi

Nach einem Neustart des Systems wird dann die WLAN-Funktion deaktiviert.

Schritt 5 - Betriebssystem updaten

Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, das Betriebssystem auf den neuesten Stand zu bringen. Dafür geben wir das folgende Kommando ein:

sudo apt update

Das Raspberry Pi OS stellt nun Verbindungen zu mehreren Servern her und holt aktuelle Paketlisten. Kurz gesagt, es werden Informationen zu den aktuellen Softwareständen geholt.
Mit dem nächsten Kommando werden alle installierten Pakete aufgelistet, die nicht auf dem neuesten Stand sind. Es erscheint noch eine Sicherheitsabfrage, die mit Enter bestätigt werden muss:

sudo apt upgrade

Das Upgrade-Kommando kann einige Zeit in Anspruch nehmen. Es ist möglich, dass während der Installationen Textfenster mit Informationen erscheinen und auf eine Bestätigung warten - dies kann man mit der Taste Q erledigen. Oft werden beim Upgrade auch Systemdateien erneuert, deshalb empfiehlt sich ein Neustart des Raspberry Pi OS nach erfolgreichem Upgrade:

sudo reboot

Nach dem Reboot loggt man sich erneut ein. An dieser Stelle sind (abhängig vom Projekt) weitere Arbeiten erforderlich.

Bei jedem Computersystem wird empfohlen, regelmäßig Daten zu sichern und Updates durchzuführen. Mit einer Datensicherung erspart man sich die komplette Inbetriebnahme und Konfiguration bei einem Systemausfall. Updates sind ebenfalls wichtig, insbesondere dann, wenn das System über das Internet zugänglich ist.

Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die Wartungsschritte:

Schritt 1	System sichern (Backup)
Schritt 2	System updaten
Schritt 3	System wiederherstellen (Restore) - nur im Notfall

Schritt 1 - System sichern (Backup)

Eine Datensicherung des gesamten Systems ist am einfachsten, wenn man die microSD-Karte aus dem Raspberry Pi entnimmt, diese in einem PC Sektor für Sektor ausliest und das Ergebnis als Image-Datei speichert. In einem Notfall kann man auf die gleiche Weise das Image wieder auf die microSD-Karte schreiben und bekommt damit exakt den gleichen Zustand wie beim Erstellen des Backups. Zum Entnehmen der Karte muss zunächst das System heruntergefahren und abgeschaltet werden. Dazu lässt sich z.B. die Poweroff-Funktion verwenden, die bei den Projekten Matrixuhr und Anzeigemodul 4 integriert ist. Bei allen anderen Raspberry-Pi-Projekten ist dafür eine SSH-Verbindung z.B. über PuTTY notwendig und hier muss folgendes Kommando eingegeben werden:

sudo poweroff

Man sollte dann unbedingt abwarten, bis der Raspberry Pi vollständig heruntergefahren ist. Diesen Zustand erkennt man daran, dass die grüne LED 10 mal blinkt. Falls die LEDs des Raspberry Pi nicht sichtbar sind, sollte man mindestens 2 Minuten warten, bevor man den Raspberry Pi abschaltet. Anschließend kann man die microSD-Karte gefahrlos entnehmen und über einen Kartenleser an einen PC anschließen. Vermutlich wird sich Windows jetzt melden und die microSD-Karte formatieren oder reparieren wollen. Ein solcher Hinweis muss unbedingt über die Option Abbrechen abgelehnt werden.

Für die weitere Arbeit wird der Win32 Disk Imager benötigt. Im Feld Image File wird über das kleine Symbol ein Name und ein Speicherort für das Backup-Image ausgewählt bzw. eingegeben. Im Feld Device wählen wir einen der beiden Laufwerks-Buchstaben der microSD-Karte (Windows erkennt 2 Partitionen auf der Speicherkarte). Nun wird auf den Button Read geklickt und der Lese-Vorgang beginnt, der je nach Speichergröße der Karte einige Zeit dauern kann. Das nebenstehende Bild zeigt den Win32 Disk Imager beim Lesevorgang. Nach Bestätigung der Erfolgsmeldung kann das Programm beendet und die microSD-Karte über die Auswerfen-Funktion auf der Windows-Taskleiste vom System abgemeldet werden. Die microSD-Karte kommt nun zurück in den Raspberry Pi und die Stromversorgung wird wieder eingeschaltet. Der Raspberry Pi sollte ganz normal starten und das Projekt wie vor dem Backup laufen.

Die erzeugte Image-Datei sollte gut aufgehoben werden und auch ein eindeutiger Name ist wichtig. Damit lässt sich das Projekt jederzeit wiederherstellen und das wird im Schritt 3 beschrieben.

Schritt 2 - System updaten

Um das Raspberry Pi OS und die installierte Software auf den aktuellen Stand zu bringen, ist eine SSH-Verbindung (z.B. mit PuTTY) zum Raspberry-Pi-Projekt notwendig. Anschließend werden 2 Kommandos verwendet, die vielleicht noch von der Inbetriebnahme bekannt sind. Über das erste Kommando stellt das Raspberry Pi OS Verbindungen zu mehreren Servern her und holt sich Informationen über die aktuellen Softwarestände:

sudo apt update

Mit dem zweiten Kommando werden zunächst alle installierten Pakete aufgelistet, die nicht auf dem neuesten Stand sind. Nach der Bestätigung einer Sicherheitsabfrage mit Enter beginnt der Update-Vorgang:

sudo apt upgrade

Dieses Kommando kann einige Zeit in Anspruch nehmen. Es ist möglich, dass während der Installation Textfenster mit Informationen erscheinen und auf eine Bestätigung warten - dies kann man mit der Taste Q erledigen. Oft werden beim Update auch Systemdateien erneuert, deshalb empfiehlt sich ein Neustart des Raspberry Pi OS nach erfolgreichem Update:

sudo reboot

Dabei verliert PuTTY die SSH-Verbindung zum Raspberry Pi. Nach einer Wartezeit von ungefähr einer Minute kann man sich mit einem Klick auf das kleine Symbol links auf der Titelzeile von PuTTY und der Auswahl der Option Restart Session wieder einloggen. Falls der Raspberry Pi ohne Auffälligkeiten läuft, dann ist das Update beendet und man kann sich mit exit wieder ausloggen.

Schritt 3 - System wiederherstellen (Restore) (im Notfall)

Sollte aus irgendeinem Grund das Betriebssystem oder eine installierte Software nicht mehr funktionieren, dann lässt sich über ein Restore in relativ kurzer Zeit das System wieder herstellen. Das geht allerdings nur, wenn vor nicht all zu langer Zeit der Schritt 1 der Wartungsempfehlungen durchgeführt wurde und ein Backup-Image vorliegt. Ist ein Restore erforderlich, dann kann man den Raspberry Pi direkt ausschalten, die microSD-Karte entnehmen und an einen PC anschließen. Vermutlich wird sich Windows jetzt melden und die microSD-Karte formatieren oder reparieren wollen, diesen Hinweis bitte über Abbrechen bestätigen.

Für die weitere Arbeit wird der Win32 Disk Imager benötigt. Im Feld Image File wird über das kleine Symbol das Backup-Image ausgewählt, welches auf die microSD-Karte geschrieben werden soll. Im Feld Device wählen wir den ersten Laufwerks-Buchstaben, welcher der microSD-Karte zugewiesen wurde. Hier muss man sehr sorgfältig auswählen, damit nicht ein falsches Laufwerk überschrieben wird. Wenn man absolut sicher ist, wird auf den Button Write geklickt und die anschließende Sicherheitsabfrage bestätigt. Danach beginnt der Schreibvorgang, der abhängig von der Speicherkapazität und Qualität der microSD-Karte einige Zeit dauern kann. Nach Bestätigung der Erfolgsmeldung kann das Programm wieder beendet und die microSD-Karte über die Auswerfen-Funktion auf der Windows-Taskleiste vom System abgemeldet werden. Die SD-Karte kommt nun wieder in den (noch ausgeschalteten) Raspberry Pi und die Stromversorgung wird eingeschaltet. Nach einer kurzen Wartezeit sollte unser Raspberry-Pi-Projekt wieder aktiv sein und sich genau in dem Zustand wie vor dem Anlegen des Backups befinden.

Noch ein Hinweis zur microSD-Karte: Soll das Backup-Image nicht auf die originale microSD-Karte zurückgeschrieben werden, dann kann es passieren, dass der Win32 Disk Imager eine Warnung über eine zu geringe Speicherkapazität anzeigt. Leider unterscheiden sich scheinbar gleich große Karten von verschiedenen Herstellern geringfügig in der verfügbaren Speicherkapazität, so dass der Platz für das Image unter Umständen nicht ausreicht. Die einfachste Lösung ist in diesem Fall, eine Karte mit höherer Speicherkapazität zu verwenden, also z.B. die ursprüngliche 8GB-Karte durch eine 16GB-Karte zu ersetzen.

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