Hardware – ChatGPT, KI und Software auf dem Raspberry Pi

Eine Raspberry Pi HQ Kamera mit 12,3 MPix und Pentax-K Optik

Harald Schmidt — Tue, 30 Aug 2022 07:11:00 +0000

Die dritte PiCam-Generation wird als Raspberry Pi HQ Camera bezeichnet. Die Raspberry Pi High Quality Camera mit 12,3 Megapixel unterscheidet sich signifikant von den Vorgängermodellen. Denn der aktuelle Sensor Sony IMX477 hat eine Diagonale von 7,857 mm und damit nahezu die 3-fache Fläche des Vorgängermodells IMX219 mit lediglich 8 Megapixel. Auch die für das Bildrauschen entscheidende Fläche eines einzelnen Sensorelements ist auf 1,55µm * 1,55µm gestiegen.

Allerdings hat der zum Vergleich als blaue Zusatzspalte erfasste Sensor aus der Panasonic Lumix G9 mit Micro Four Thirds Spezifikation eine um Faktor 7,5 größere Sensorfläche und deutlich weniger Rauschen. So gesehen darf man vom IMX477 keine Wunder erwarten! Die PiCamHQ ist jedoch in der Lage so manches Smartphone in der Bildqualität zu schlagen – eine gute Optik vorausgesetzt. Die PiCam-HQ wird entweder über raspistill / raspivid oder bei Raspbian Bullseye über libcamera angesteuert. Wer die Raspberry Pi High Quality Camera im IR-Bereich einsetzen möchte, kann den blauen IR-Sperrfilter entfernen, was in der offiziellen Doku beschrieben wird – allerdings unter Verlust der Garantie.

Ein großer Vorteil des 12,3 Megapixel HQ Kameramoduls dürfte im verbreiteten C-Mount Gewinde liegen, über das nun flexibel Optiken angeschlossen werden können. Soweit man mit dem angeschraubten Objektiv bis unendlich fokussieren möchte, ist das Auflagemaß (also der Abstand zwischen der Hinterkante der Optik und dem Sensor) über einen Justierring um ein paar Millimeter verstellbar und mit einer Feststellschraube arretierbar. Da die Raspberry Pi Camera wie gehabt über ein Flachbandkabel mit dem Raspberry Pi verbunden wird, muß man sich selbst um ein Gehäuse bzw. um eine Halterung zum Einbau bemühen. Immerhin gibt es bei der PiCam-HQ ein abschraubbares Stativgewinde aus eloxiertem Aluminium.

Für den Weitwinkelbereich sind C-Mount Objektive (ab ca. 50 Euro) eine sehr gute Lösung. Objektive für analoge Spiegelreflexkameras und die zugehörigen Zwischenringe sind oft sehr preisgünstig erhältlich. Es gibt auch Pentax-K auf C-Mount Adapter. Nur sollte dann bedacht werden, daß das Gewinde des HQ Kameramoduls kaum dafür gedacht ist, ein schweres Teleobjektiv zu tragen. Wenn man etwas basteln kann, gibt es für den Makro- und Telebereich eine Alternative:

Die Raspberry Pi HQ Kamera bekommt ein Pentax-K Bajonett

Um das Raspberry Pi HQ Kameramodul mit Pentax-K Objektiven betreiben zu können, wird nun zuerst das Stativgewinde demontiert. Dadurch wird die Raspberry Pi HQ Kamera in einen Zwischenring passen und man bekommt zwei kleine Schrauben mit etwa 7 mm Länge. In Baumärkten bekommt man Laminat mit ca. 6 mm Dicke, das mit einer Öffnung für die PiCamHQ zu versehen ist. Die 30mm Bohrung für die PiCamHQ macht man am besten mit einem Stufenbohrer. Dann ist noch an der Oberkante ein Stück herauszufeilen. Schrauben Sie während dieser Arbeiten unbedingt den Deckel auf die PiCam. Anderenfalls würde der Sensor verstauben!

Zwischenringe für das Pentax-K Bajonett sind preiswert im Internet erhältlich. Von so einem Zwischenring mit z.B. 31mm Länge wird das kameraseitige Bajonett abgeschraubt, wodurch man 4 kleine Innengewinde als zukünftige Befestigungspunkte sieht. Vor dem Durchbohren der Laminatplatte wird nun der Zwischering so gedreht, daß der rote Punkt am Zwischenring oben liegt – so als wäre der Zwischenring mit einer SLR-Kamera verbunden. Zugleich sollte sich der IMX477 Sensor exakt mittig im Zwischenring befinden. Anschließend wird der Zwischenring für das Pentax-K Bajonett von der Rückseite her mit der schon durchbohrten Laminatplatte verschraubt, wobei man die beiden kleinen Schrauben vom Stativgewinde meist weiterverwenden kann – aber ggfs. versenken muß.

Solch ein Aufbau ist natürlich eher für Innenräume und nicht für einem beweglichen Roboter vorgesehen. Damit Blende und Entfernung später gut von oben ablesbar sind, muß der hier verwendete 31 mm Zwischenring vor dem Durchbohren der Laminatplatte richtig gedreht werden.

Das hier verwendete Pentax SMC Macro (100 mm Brennweite, Lichtstärke 4,0) erwartet ein Auflagemaß von 4,546 cm. Das liegt über dem Wert, der durch den 31 mm Zwischenring zusammen mit der Dicke der Laminatplatte definiert wird. Folglich kann man in dieser Kombination bis unendlich fokussieren. Wenn Sie weiterhin C-Mount Objektive anschließen wollen, kann auch ein kürzerer, fest mit der Laminatplatte verbundener Zwischenring sinnvoll sein. So dürften sich angeschraubte C-Mount Objektive noch durch das Bajonett hindurch verstellen lassen – quasi ein Doppeladapter für das Kameramodul zum Raspberry Pi.

Und was ist mit Dynax-Objektiven ?

Sie haben kein Objektiv mit drehbarem und beschrifteten Blendenring? Bei modernen Objektiven fehlen sämtliche der früher üblichen mechanischen Übertragungselemente. So ist Sony ab 2010 immer stärker vom Dynax/A-Mount zum E-Mount Bajonett gewechselt und damit sind alle mechanischen Übertragungselemente entfallen. Obwohl es keinen Blendenring mehr gibt, öffnet sich bei Sony A-Mount Objektiven die Blende, wenn man von hinten einen Objektivdeckel ansetzt. Damit lässt sich ein billiger Objektivdeckel zu einem Adapter A-Mount auf Pentax-K umbauen. Die Blende schließt sich, wenn man die A-Mount Optik etwas herausdreht.

Beim Einsetzen der A-Mount Optik besteht ein Drehwinkel von etwa 45° der am Eigenbauadapter durch einen orangefarbenen Streifen gekennzeichnet ist. Vollständig in das „Bajonett“ gedreht ist die Blende komplett offen. Wenn man nun die Optik etwas herausdreht, beginnt sich die Blende zu schließen. Bei etwa 22° ist die maximale Blende erreicht. Der mechanische Halt bleibt aber noch bestehen. Mit gewissen Einschränkungen sind also auch Objektive ohne Blendenring (auch APS-C) an der so erweiterten Raspberry Pi HQ Camera verwendbar. Das schwarze Pentax Bajonett auf dem weißen ehemaligen Objektivdeckel stammt übrigens von dem Zwischenring, der jetzt das 12,3 Megapixel Kameramodul umschließt und ist mit Acrlmasse verklebt.

Natürlich können Sie auch weitere Zwischenringe einsetzen, wenn Objekte mit höherem Abbildungsmaßstab fotografiert werden sollen. Das hier mit grüner Velourfolie beklebte Kunststoffbajonett ist durchaus stabil, aber nicht für sehr schwere Objektive geeignet.

Der Abbildungsmaßstab hängt nicht nur von der Brennweite sondern auch davon ab, ob das Objektiv für APS-C oder Vollformat konstruiert wurde. Die notwendige Länge des Zwischenrings (bzw. mehrerer Ringe) ergibt sich aus dem Auflagemaß:

CS-Mount Objektiv, Schraubgewinde, Auflagemaß: 12,5 mm
C-Mount Objektiv, Schraubgewinde, Auflagemaß: 17,526 mm
Pentax-K Objektiv, Bajonett, Auflagemaß: 45,46 mm

Durch den Einsatz mehrerer Zwischenringe kommt man immer mehr in den Makrobereich. Zu bedenken ist natürlich, daß gegenüber Kleinbild ein enormer Zoomfaktor besteht. Weitwinkelaufnahmen sind nur mit C-Mount Objektiven möglich. Bei vorhandenem CS-Mount Objektiv verwenden Sie den der Pi Camera HQ beiliegenden Adapterring. Damit die CS-Mount bzw C-Mount Objektive mechanisch durch den PK-Zwischenring hindurchpassen ohne die Verstellung für Zoom / Blende / Entfernung zu blockieren, wurde beim Titelbild dieses Blogbeitrags ein 13 mm Pentax Zwischenring verwendet.

Die Laminatplatte mit dem HQ Kameramodul und einem fest montierten 13 mm Zwischenring wird nun noch zwischen zwei Aluminium L-Profilen verschraubt. Und die L-Profile gegenüber einer hinreichend langen Bodenplatte. Bei der abgebildeten Konstruktion besteht das Auflagemaß aus 6 mm für die Laminatplatte und 44 mm für die Zwischenringe. Damit wird das Auflagemaß um etwa 4,5 mm überschritten und man kann nicht bis unendlich fokussieren. Eine Holzplatte von 11 mm Dicke für die Raspberry Pi HQ Camera, ein fester 13 mm Zwischenring sowie ein abnehmbarer 21 mm Zwischenring hätten das Auflagemaß von 45,46 mm für Pentax-K besser erfüllt.

Die Raspberry Pi HQ Kamera und libcamera als Software

Inzwischen hat die Raspberry Pi Foundation raspistill und raspivid durch libcamera ersetzt. In den Skripts zum Buch wird deshalb abgefragt, welches Programm vorhanden ist. Immerhin bietet libcamera eine Messung der Schärfe an, was nun mit ein paar Makroaufnahmen getestet wird.

Die Raspberry Pi HQ Kamera bzw. der IMX477 Sensor liefert eine Auflösung von 4056×3040 Pixel. Das Foto von einem 20€ Geldschein ist mit einem Vivitar 28mm Weitwinkelobjektiv (Lichtstärke 2,8) bei einem Abstand von 26cm zum Objektiv entstanden. (Dies ist zugleich der maximale mögliche Abstand, da das Auflagemaß überschritten ist.) Die Focus-Messung mit libcamera führt hier zu einem maximalen Wert von 31537 (Kopfzeile) der hier bei Blende 5,6 entsteht. Der Streifen rechts ist ein Bildausschnitt und die roten Kreise zeigen, was das Raspberry Pi HQ Kameramodul kann.

Über das beim Pi OS Bullseye schon vorinstallierte Softwarepaket libcamera kann die Güte der Fokussierung gemessen werden. Soweit die Software zum Buch auf dem aktuellsten Stand ist, können Sie dazu das Skript fotomenu.sh über ein Desktop-Icon starten und in der ASCII-GUI die „Focus-Messung“ ansteuern. Alle Bilder dieser Webseite, die „Focus-Messung“ im Titel haben, wurden mit 1488 Pixel Breite als Screenshot aufgenommen (vgl. Zeile in der ASCII-GUI) und dann um eine Zusatzspalte von 430 Pixel Breite ergänzt.

Die manuelle Entfernungseinstellung am Objektiv erfolgt zunächst bei voll geöffneter Blende. Dann blenden Sie ab, bis die Focus-Messung einen Maximalwert erreicht. Dafür haben Sie 160 sec Zeit, was dem Parameter -t 160000 entspricht. (Wenn das nicht ausreicht, einfach nochmal starten)

Innerhalb der Software libcamera-hello wird die Kantensteilheit gemessen. Aber letztlich auch die Liniendichte. Deshalb kann auch ein Wert von unter 7000 herauskommen, wenn die Optik leicht verstaubt ist oder das Motiv einfach weniger Linien hat. Auch die Ausleuchtung spielt dabei eine erhebliche Rolle. Mit steigender Lichtintensität steigt der Kontrast und damit der Focus-Wert.

Das 12,3 MPix Foto über libcamera-jpeg entstand hier bei Blende 2.8 und 40 msec Belichtungszeit. Die Holzplatte, an der das IMX477 HQ Kameramodul befestigt ist, hat nun eine Dicke von 11 mm. Hinzu kommen 2 Zwischenringe zu je 13 mm sowie der A-Mount Adapter. Die Entfernung an der Sigma 70mm Makro Optik steht nahe bei unendlich, während lediglich 60 cm Abstand zum Geldschein bestehen. Die Naheinstellgrenze liegt durch die Zwischenringe bei 6 cm, was wieder mit dem 20 € Schein getestet wird:

Bei einem 24*36mm Vollformat-Sensor würde das Sigma 70 mm Objektiv bei 25 cm Abstand 1:1 als maximalen Maßstab erreichen. Der IMX477 Sensor hat eine Höhe von 4,712 mm. Wenn man die grüne 2 mm Normierung auf die Bildhöhe umrechnet, ergeben sich lediglich 4,41 mm Höhe auf dem Original, was folglich zu 1,06:1 als Maßstab führt. Die Focus-Messung kommt bei diesem Bildausschnitt lediglich auf 6749 – trotzdem sieht man in der rechten oberen Ecke einen durchaus scharfen Originalausschnitt des Fotos (Basis: 4056*3040 Pixel). Die Ausleuchtung erfolgte unter ca. 15° Winkel, was die Struktur der Druckfarbe stärker hervorhebt. Bei diesem Maßstab ist eine Fokussierung durch Drehung am Objektiv nicht mehr möglich. Für derartige Makroaufnahmen wäre ein Einstellschlitten zweifellos die beste Lösung, denn die Tiefenschärfe beträgt etwa 1 mm bei voll geöffneter Blende. Mit etwas Feingefühl lassen sich Kamera und Objekt manuell so gegeneinander verschieben, daß eine Planlage entsteht.

Ihr Raspberry Pi Kameramodul funktioniert nicht? Kontaktprobleme? Vielleicht finden Sie die Lösung im Quiz…

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IR-Signale, LIRC und der Raspberry Pi

Harald Schmidt — Thu, 18 Aug 2022 06:41:00 +0000

Einen Raspberry Pi per Infrarot-Fernbedienung anzusteuern ist interessant, weil damit ein von LAN/WLAN sowie SSH unabhängiger Weg geschaffen werden kann, um Bash-Skripte oder darin enthaltene Programme auszuführen. Der sehr kleine Raspberry Pi Zero W und dessen leistungsstarker Nachfolger Pi Zero2 W haben keine LAN-Buchse und müssen deshalb per SSH und WLAN angesteuert werden. Noch preisgünstiger liegt der Pi Zero, der auch auf WLAN verzichtet. Völlig nutzlos? In Kombination mit einem I²C LCD-Display kann so ein Raspberry Pi Zero mit einem IR-Empfänger ausgestattet werden um dann über eine IR-Fernbedienung Signale zu empfangen. Während Taster am Raspberry Pi bzw. an Erweiterungsplatinen einen mechanisch festen Aufbau erfordern, ist der Aufwand bei Infrarot und LIRC sehr gering und es ist auch kostengünstig. Der TSOP4838 als IR-Detektor ist für unter 2€ zu bekommen. In meinem Buch verwende ich optional ein DOGM-204 LCD Display das für unter 15€ erhältlich ist. Eine erste Testschaltung ist auf dem Steckbrett schnell aufgebaut, wie in Kapitel 6 meines Buches beschrieben. Um auch Buster/Bullseye mit LIRC zu unterstützen, holen Sie sich bitte den neuesten Softwarestand zum Buch bei Hanser oder hier auf der Webseite.

Der TSOP 4838 als IR-Empfänger für LIRC

Jede Infrarot Fernbedienung sendet bei einem Tastendruck modulierte Signale aus. Ein IR-Empfänger wie der TSOP 4838 demoduliert diese Signale und liefert am Pin „Out“ eine binäre Impulsfolge. Es genügt also den IR-Detektor mit 3,3 Volt zu versorgen und dessen Pin „Out“ mit dem passenden GPIO-Pin am Raspberry Pi zu verbinden (Seite 364 im Buch). Man kann den TSOP 4838 direkt verdrahten und braucht für den Einstieg weder ein Steckbrett noch eine spezielle Platine.

In der Abbildung sehen Sie ein DOGM204-LCD-Display, das mit einer Platine verbunden ist, die am Raspberry Pi 3 aufgesteckt ist. Oberhalb der 4 Taster ist der TSOP 4838 eingelötet, damit die Infrarot Steuerung über LIRC funktioniert. Man kann sich leicht vorstellen, daß die Statusanzeige nach Betätigung einer Taste an der IR-Fernbedienung verschwindet und stattdessen ein Auswahlmenü erscheint. Wer kein Display einsetzen möchte, kann auch an eine Sprachausgabe denken (Seite 741 im Buch). Das wäre dann wie die Betätigung von Tasten beim Telefondialog. Bei einer komplett ausgedruckten Menüstruktur werden Sie kaum den Überblick verlieren, wenn jeder Menüwechsel von einer Durchsage begleitet wird und zusätzlich KEY_MUTE für diesen Zweck reserviert ist. Dies wäre zugleich eine Konfiguration, die von blinden oder stark sehbehinderten Menschen benutzt werden könnte.

GPIO-Pin, dtoverlay, Buster und Bullseye

Softwareseitig muß beachtet werden, ob Sie mit Raspbian Jessie, Stretch, Buster oder Bullseye arbeiten. Im Jahr 2019 wurde der Linux Kernel lirc-rpi durch gpio_ir und gpio-ir-tx ersetzt. Bei Raspian Jessie ist/war z.B. folgende Zeile in /boot/config.txt üblich:

# dtoverlay=lirc-rpi,gpio_in_pin=23

Diese auf Jessie bezogene Konfiguration steht im Buch. Bei den wesentlich aktuelleren Versionen Raspbian Buster oder Bullseye 32/64 Bit finden Sie hingegen (schon vordefiniert) folgende Zeilen:

# dtoverlay=gpio-ir,gpio_pin=17
# dtoverlay=gpio-ir-tx,gpio_pin=18

Sobald ein IR-Detektor (z.B. der TSOP4838) korrekt angeschlossen ist (also Pin 17 mit TSOP4838-Out), muß die dtoverlay Zeile aktiviert werden (das Zeichen # entfernen) und natürlich müssen auch alle für LIRC erforderlichen Pakete installiert sein bzw. werden, was nun ein Bash Skript macht.

Die LIRC Paketinstallation und der erste Empfangstest mit mode2

Die Konfiguration für Buster oder Bullseye starten Sie wie folgt im ProgPi/lirc Verzeichnis :

./setupLIRC.sh setup

So werden nötige Änderungen in /boot/config.txt und /etc/lirc/lirc_options.conf entweder weitgehend automatisch oder interaktiv über den Nano-Editor vollzogen. Im nächsten Schritt (und nach der Paketinstallation) starten Sie:

./setupLIRC.sh mode2

Damit überprüfen Sie Ihre IR-Fernbedienung und den Empfang der IR-Signale durch den TSOP4838. Für den TSOP4838 passt ein große Zahl an Fernbedienungen mit 2*1,5 Volt Batterie. Wie in meinem Buch beschrieben, sollten Sie nach jedem Tastendruck eine Abfolge von space/pulse Ausgaben mit nachfolgender Nummer sehen. Wenn das der Fall ist, gibt es 3 Möglichkeiten:

1. In ProgPi/lirc/ liegt bereits eine zu Ihrer Fernbedinung passende *.conf Datei
2. Eine passende *.conf Datei ist auf http://lirc-remotes.sourceforge.net/remotes-table.html zu finden.
3. Sie starten selbst ein Training mit Ihrer IR-Fernbedienung.

Die grundsätzliche Vorgehensweise ist dazu in ‚Raspberry Pi programmieren mit C++ und Bash‘ beschrieben.

Von mode2 zu irrecord

Das Kommando mode2 funktioniert auch ohne Skript und in jedem Verzeichnis. Ein eventuell laufender LIRC-Dienst müsste dann allerdings zuvor manuell gestoppt werden. Für Buster oder Bullseye gehen Sie nun so vor:

./setupLIRC.sh training

Das führt zum Start von irrecord nach folgender (hier gelb hinterlegten) Ausgabe des Skripts :

pi@raspi3:~/ProgPi/lirc $ ./setupLIRC.sh training
Raspberry Pi 3 Model B Rev 1.2
Aktives OS: „Raspbian GNU/Linux 11 (bullseye)“ 32-bit 2022-03-27
Mit diesem Skript werden Basiseinstellungen für LIRC gemacht:
Sie haben eine IR-Fernbedienung, die schon mit mode2 erfolgreich getestet wurde. Das ist die Basis. Nun sollen etwa 10 bis 15 Tastencodes erfasst werden und vorläufig in ‚IR-Fernbedienung.conf‘ gespeichert werden. Das Training verläuft so, wie im Buch ‚Raspberry Pi programmieren mit C/C++ und Bash‘ ab Seite 367 beschrieben. Der TSOP-IR Detektor sollte weder von der Sonne, noch von einer Lampe beschienen sein! Sie müssen sich jetzt ein paar Tastaturcodes merken.
Exemplarisch:

KEY_0 KEY_1   KEY_2 KEY_3   KEY_4
KEY_5 KEY_6   KEY_7   KEY_8   KEY_9
KEY_UP KEY_DOWN KEY_VOLUMEUP    KEY_VOLUMEDOWN   KEY_OK
KEY_LEFT KEY_LEFTALT    KEY_LEFTBRACE     KEY_LEFTCTRL   KEY_LEFTMETA
KEY_LEFTSHIFT   KEY_LEFT_DOW KEY_LEFT_UP      KEY_RIGHT KEY_RIGHTALT
KEY_RIGHTBRACE KEY_RIGHTCTRL   KEY_RIGHTMETA   KEY_RIGHTSHIFT    KEY_RIGHT_DOWN
KEY_RIGHT_UP KEY_STOP   KEY_STOPCD KEY_STOP_RECORD   KEY_POWER
KEY_POWER2 KEY_PLAY   KEY_PLAYCD   KEY_PLAYER KEY_PLAYPAUSE
KEY_BACK   KEY_BACKSLASH KEY_BACKSPACE   KEY_FORWARD   KEY_FORWARDMAIL
KEY_PAUSE   KEY_PAUSECD   KEY_PAUSE_RECORD   KEY_REWIND   KEY_ENTER

irrecord 0.10.1
Sind Sie bereit? (j/n) :

Wenn man etwas Geduld mitbringt und sich an die Anweisungen von irrecord hält, entsteht eine verwendbare *.conf Datei. Es ist sinnvoll zuerst nicht mehr als 10-15 Tasten einzutrainieren. Tasten deren Code nicht von Anfang an klar ist, sollte man zunächst meiden. Es genügen z.B. vorläufig KEY_0 bis KEY_9 sowie KEY_POWER und KEY_OK. Exemplarisch sieht das Resultat dann so aus:

begin remote
name XoroPlus
bits 32
flags SPACE_ENC|CONST_LENGTH
eps 30
aeps 100
header 9014 4439
one 636 1589
zero 636 488
ptrail 637
repeat 9015 2175
gap 107937
toggle_bit_mask 0x0
  begin codes
    KEY_1 0x00FD4AB5 
    KEY_2 0x00FD0AF5 
    KEY_3 0x00FD08F7 
    KEY_4 0x00FD6A95 
    KEY_5 0x00FD2AD5 
    KEY_6 0x00FD28D7 
    KEY_7 0x00FD728D 
    KEY_8 0x00FD32CD 
    KEY_9 0x00FD30CF 
    KEY_POWER 0x00FD9A65 
    KEY_OK 0x00FD58A7 
  end codes
end remote

Solch eine Datei xoroPlus.conf (der Name wird innerhalb von irrecord vergeben) wird nach dem Training zunächst in ProgPi/lirc abgelegt.

Die Auswahl der IR-Fernbedienung und irw mit konkreten Tastencodes

Im nächsten Schritt wird eine eventuell vorhandene Konfiguration aus /etc/lirc gelöscht:
./setupLIRC.sh clean

Danach starten Sie das Skript ohne Parameter:
./setupLIRC.sh

was auf zu folgender Ausgabe führt:

Mit diesem Skript werden Basiseinstellungen für LIRC gemacht:
./setupLIRC.sh mode2 : mode2 – TSOPxxxx Hardwaretest (jede Fernbedienung)
./setupLIRC.sh clean : löscht eventuell vorhandene IR-Fernbedienungen
./setupLIRC.sh setup : zeigt/modifiziert LIRC-Einstellungen
./setupLIRC.sh stop : beendet ggf. laufenden lircd
./setupLIRC.sh training : registriert eine neue IR-Fernbedienung
./setupLIRC.sh : *.conf zur IR-Fernbedienung laden, irw starten
Bisher existiert /etc/lirc/lircd.conf NICHT
-rw-r–r– 1 1269 2017-07-25 15:46 /home/pi/ProgPi/lirc/philipsDVD.conf
-rw-r–r– 1 1830 2022-07-06 20:29 /home/pi/ProgPi/lirc/SanyoVCR.conf
-rw-r–r– 1 1607 2022-07-06 15:53 /home/pi/ProgPi/lirc/xoroPlus.conf
Hardwaretest oder *.conf Datei der IR-Fernbedienung auswählen:
0 : Den TSOP und die IR-Fernbedienung mit mode2 testen
1 : /home/pi/ProgPi/lirc/philipsDVD.conf
2 : /home/pi/ProgPi/lirc/SanyoVCR.conf
3 : /home/pi/ProgPi/lirc/xoroPlus.conf
Nr=2

Unter den vorhandenen IR-Fernbedienungen wurde hier SanyoVCR.conf ausgewählt. Durch das laufende Skript wird nun die ausgewählte Konfiguration [hier 2] in /etc/lirc/ unter dem Namen lircd.conf auf /etc/lirc/ abgelegt (bzw. dorthin kopiert) und dann der LIRC-Service gestartet:

sudo cp /home/pi/ProgPi/lirc/SanyoVCR.conf /etc/lirc/lircd.conf
-rw-r–r– 1 1830 2022-07-06 21:46 /etc/lirc/lircd.conf
name SanyoVCR
bits 32
sudo systemctl restart lircd:
● lircd.service – Flexible IR remote input/output application support
Loaded: loaded (/lib/systemd/system/lircd.service; enabled; vendor preset: enabled)
Active: active (running) since Wed 2022-07-06 21:46:49 CEST; 62ms ago
CGroup: /system.slice/lircd.service
===================================
Prima: lircd ist aktiv und auf ‚running’….
ps awx | grep –color [l]irc
18992 ? Ss 0:00 /usr/sbin/lircd –nodaemon
Wenn /etc/lirc/lircd.conf zur Fernbedienung passt, kann für definierte Tasten der IR-Fernbedienung ein TastenCode kommen. Es wird jetzt irw gestartet (mit abbrechen) und bei Tastendruck an der IR-Fernbedienung sollte irw jetzt einen konkreten Tastencode anzeigen:

Das Skript hat nun irw gestartet und dieses Programm aus dem LIRC-Paket wartet nun auf IR-Signale die am TSOP4838 eingehen und bei gpio_pin=17 ankommen. Drücken Sie nun in kurzer Abfolge die 1,2,3 auf der IR-Fernbedienung, was in etwa folgende Ausgabe durch das laufende Programm irw bewirkt:

000000008c7320df 00 KEY_1 SanyoVCR
000000008c7320df 01 KEY_1 SanyoVCR
000000008c73a05f 00 KEY_2 SanyoVCR
000000008c73a05f 01 KEY_2 SanyoVCR
000000008c73609f 00 KEY_3 SanyoVCR
000000008c73609f 01 KEY_3 SanyoVCR

EinTastendruck von 0,5 sec Dauer führt zur Ausgabe von etwa 2 bis 4 Codes. Wenn bei einem 1 sec langen Tastendruck der Taste2 lediglich einmal KEY_2 erscheint, dann haben Sie eine sehr träge IR-Fernbedienung. Es kann leider auch IR-Fernbedienungen geben, bei denen manche Tasten nur bei starkem Druck senden. Ebenso kann es sein, daß eine *.conf Datei aus dem Internet schlechter funktioniert als eine
eintrainierte Konfiguration.

Soweit das Paket „dialog“ installiert ist, erscheint nach 60 Sekunden vollformatig und für 10 Sekunden folgende Messagebox als ASCII-Grafik:

Damit ist eigentlich alles gesagt. Und nachdem alle eintrainierten Tasten der IR-Fernbedienung zu einem korrekten Code geführt haben, können Sie das Skript setupLIRC.sh (bzw das laufende Programm irw) über + abbrechen.

Bash-Kommandos über irexec ausführen

Was ist bisher geschehen?

Der TSOP4838 wurde passend zum dtoverlay-Eintrag in /boot/config.txt mit dem Raspberry Pi GPIO-Port verbunden.
Über setupLIRC.sh wurden alle LIRC-Pakete installiert, und mode2 als Testprogramm ausgeführt.
Über setupLIRC.sh wurde irrecord gestartet und es wurde eine konkrete IR-Fernbedienung mit z.B. 15 Tasten eintrainiert.
Über setupLIRC.sh wurde eine Fernbedienung ausgewählt und irw hat (hoffentlich) korrekte Tastencodes für z.B. 15 Tasten geliefert.

Damit sind alle Voraussetzungen für einen „Echtbetrieb“ erfüllt:

./startLIRC.sh

Zum Zeitpunkt des Aufrufs von startLIRC.sh ist SanyoVCR.conf immer noch aktiv bzw. der laufende LIRC-Server arbeitet noch mit der schon geladenen und aktuellen /etc/lirc/lircd.conf Datei. Erneut sehen Sie die positive Meldung von ‚sudo systemctl status lircd‚ und wählen jetzt „0“ da SanyoVCR.conf schon geladen ist:

Der LIRC-Service bzw. das Programm irexec benötigen nun noch eine weitere Konfigurationsdatei, die jedem IR-Tastencode eine konkrete Aktion zuordnet. Die Konfigurationsdatei ‚tellme.lirc‘ ist schon vorhanden und hat exemplarisch folgenden Inhalt:

begin
 prog = irexec
 button = KEY_1
 config = $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh Pi
end
begin
 prog = irexec
 button = KEY_2
 config = $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh OS
end
begin
 prog = irexec
 button = KEY_3
 config = $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh i2c
end
....

Jedem Eintrag „button“ entspricht eine in „config“ definierte Aktion. In jedem der definierten Blöcke steht auch irexec als ausführendes Programm. Das Skript startLIRC.sh kopiert nun die Datei tellme.lirc nach /home/pi/.config/lircrc was irexec befähigt die Konfiguration zu verwenden. Zusätzlich stellt das Skript startLIRC.sh jeden Block übersichtlich in einer Zeile dar:

cp tellme.lirc /home/pi/.config/lircrc
2022-07-06 22:17 /home/pi/.config/lircrc
/home/pi/.config/lircrc enthält:
KEY_1 $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh Pi
KEY_2 $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh OS
KEY_3 $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh i2c
KEY_OK echo; echo KEY_OK;
KEY_VOLUMEDOWN echo; echo VOLUMEDOWN;
irexec: Taste an der IR-Fernbedienung => Kommandostart…

Wenn Sie nun nacheinander die Tasten 1 und 2 an der IR-Fernbedienung drücken, werden folgende beiden Skripts gestartet:
$HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh Pi
$HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh OS

was zu folgenden beiden Ausgaben führt:

Raspberry Pi 3 Model B Rev 1.2
Aktives OS: „Raspbian GNU/Linux 11 (bullseye)“ 32-bit 2022-03-27

Sie haben damit durch eine Aktion an einer IR-Fernbedienung eine Ausgabe im Termnal des Raspberry Pi bewirkt.

Im Skript $HOME/ProgPi/lirc/tellme.sh können Sie nun beliebige Aktionen verankern, die vom übergebenen Parameter abhängen. Von der Ansteuerung eines LCD-Displays (Abschnitt 6.1.2 sowie Kapitel 15 im Buch) bis zur Audioausgabe oder Ansteuerung der PiCam.

Der Beitrag IR-Signale, LIRC und der Raspberry Pi erschien zuerst auf ChatGPT, KI und Software auf dem Raspberry Pi.

Raspberry Pi 4 – ausverkauft

Harald Schmidt — Mon, 01 Aug 2022 09:21:00 +0000

Seit dem 24.6.2019 gibt es den lang ersehnten Raspberry Pi 4 im Handel – so schrieb ich es am 29.6.2019. Und jetzt im August 2022? Die nachfolgenden Preise galten einmal – zur besseren Orientierung habe ich die Preise unverändert gelassen! Und leider kann ich ihnen auch keinen Pi 4 verschaffen. Lediglich die ab Mai 2020 produzierte Version mit 8GB RAM ist gelegentlich verfügbar.

Zwischenzeitlich wurde Raspbian in Raspberry Pi OS umbenannt und es ist nicht mehr Buster sondern Bullseye aktuell, was nun auch 64-bit ermöglicht. Seit Q2 / 2020 gibt es ein leicht verbessertes Platinenlayout, was Revision 1.4 entspricht:

Wenn Sie schon einen Raspberry Pi haben, können Sie das Modell und die Version so abfragen:

$ cat /proc/cpuinfo | grep „Revision\|Model“
Revision : b03111
Model : Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.1

Und über https://elinux.org/RPi_HardwareHistory bekommen Sie über ‚Revision‘ heraus wieviel RAM ihr Raspberry Pi hat und ab wann es dieses Modell gab.

Die Raspberry Pi 4 Hardware wird auf folgender Webseite genauer beschrieben wird:

https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/

Gegenüber dem Pi 3 hat der Raspberry Pi 4 eine signifikante Leistungssteigerung hingelegt.
Der Pi 4 war ursprünglich für 35 $ erhältlich. Allerdings galt dieser Einstiegspreis nur für die Variante mit 1GB RAM. Für die Versionen mit 2GB und 4GB RAM gab es einen Aufpreis in Stufen von etwa 10 € (je nach Bezugsquelle). Durchaus akzeptabel, wenn man rechenintensivere Aufgaben mit dem Raspberry Pi 4 erledigen möchte.

Statt einer üblichen HDMI-Buchse wie beim Raspberry Pi3 oder der Mini-HDMI Buchse des Pi Zero kommt nun Micro-HDMI zum Einsatz. Einen Vergleich der Buchsen/Stecker findet man hier:

https://de.wikipedia.org/wiki/High_Definition_Multimedia_Interface#Stecker

Wer die notwendigen Adapter bzw. neue Anschlußkabel hat, kann den Raspberry Pi 4 gleich mit zwei HDMI-Monitoren verbinden. Ältere oder oder sehr preisgünstige PC’s haben meist lediglich eine HDMI-Buchse. Der Preis für soviel Innovation (im Vergleich zum Pi 3) liegt in einem komplett neuen Layout der Platine und auch fast aller Buchsen:

Spannungsversorgung : USB-C (zugleich USB-OTG fähig)
Displayanschlüsse : 2-fach Micro-HDMI (max. 4K Auflösung bzw. Ultra-HD)
analog Video/Audio : 3,5 mm Klinkenbuchse 4-polig
USB 2.0 : 2-fach ( über PCIe 2.0 verbunden)
USB 3.0 : 2-fach (VIA Labs VL805 Controller für PCI-Express 2.0)
Gigabit-Ethernet : RJ45 Buchse (direkt am SoC mit >= 800Mbit/sec)

So ist nun endlich auch USB 3.0 verfügbar und auch der Ethernet-Anschluß ist deutlich schneller geworden, da die Anbindung nun direkt im SoC erfolgt. Beim Pi3 und den Vorgängermodellen können sich USB 2.0 und Ethernet dagegen gegenseitig ausbremsen. Die microSD-Karte wird wie gehabt auf der Platinenunterseite eingeschoben.

Der neue „Motor“ des Raspberry Pi 4 ist ein Broadcom-BCM2711-SoC mit vier 1.5-Gigahertz-Cortex-A72-CPU-Kernen. Dies soll einer Leistungssteigerung von ca. 80% gegenüber dem Pi3 mit seinen 4 Cortex-A53-CPU-Kernen entsprechen. Ab Revision 1.4 sind bis zu 1,8 GHz möglich (siehe hier), wobei bei zu hoher Last bzw. CPU-Temperatur der Takt automatisch abgesenkt wird, um die CPU zu schützen. Die neue VideoCore VI GPU hat den Vorteil, daß dafür offene Linux Treiber verfügbar sind. Die Hardware kann Videos im H.265 Standard abspielen. Die beiden Micro-HDMI Buchsen des Pi 4 haben einen geringen Abstand zueinander. Da auch die USB-C Buchse für die Energieversorgung benachbart ist, können nur Micro-HDMI auf HDMI-Adapter mit einem kurzen Kabelstück verwendet werden um einen bzw. zwei Monitore anzuschließen.

Der Raspberry Pi 4 hat nun eine USB-C Buchse für die Spannungsversorgung. Da USB-C im Gegensatz zu Micro-USB punktsymmetrisch ist, kann das Netzteil leichter bzw. „blind“ angesteckt werden (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#USB_Typ_C ). Das neue 5 Volt Netzteil der Raspberry Pi Foundation liefert maximal 3 Ampere, was für den etwas gestiegenen Leistungsbedarf des neuen Prozessors ausreicht. Wer nicht zu viel an Peripherie angeschlossen hat, kommt möglicherweise auch mit einem älteren 2,5 A Netzteil und einem Adapter auf USB-C aus. Die Leistungsaufnahme im Leerlauf soll bei etwa 4,4 Watt liegen.

Man sollte übrigens stärker als zuvor auf die Kühlung achten, bevor man auf vier Prozessorkernen einen Compiler anwirft. Und so mag es sein, daß der Raspberry Pi 4 in seinem neuen schicken Gehäuse manchmal als Frischluft Cabriolet mit Kühlrippen auf dem Motor betrieben werden muß. Die im Sommer 2019 noch drohende CPU-Überhitzung ist inzwischen durch neuere OS-Versionen abgemildert worden. Die CPU wird also nicht mehr ganz so heiß. Zusätzlich hat raspi-config inzwischen eine Lüftersteuerung erhalten. Wie Sie den Raspberry Pi 4 voll auslasten um dabei die Prozessortemperatur zu messen, erfahren Sie in einem eigenen Blogbeitrag über Pi4, Kühlkörper, Lüfter und sysbench. Wie sich die CPU-Temperatur des Raspberry Pi 4 bei 60 min Dauerlast in einem JoyIT-AluCase (ohne Lüfter) ändert erfahren Sie hier.

CPU-Kühlung

Gehäusedeckel

Schnittstellen

HDMI

CPU-Kühlung

Gehäusedeckel

Schnittstellen

HDMI

Auf der Basis des Pi4 aber mit langgezogenem Platinenlayout ist im November 2020 der Raspberry Pi 400 erschienen. Ein Komplettsystem bei dem Tastatur und Gehäuse eine Einheit bilden und alle Kabel unter den Funktiontasten in das Gehäuse münden. Die Kühlung der CPU wird dabei von einer Aluplatte im Gehäuse übernommen, was einen Betrieb ohne Lüfter ermöglicht. Als Nachteil muß man aber den fehlenden CSI-Port für das Kameramodul ansehen.

Aktuelle Benchmarks für den Raspberry Pi 4 finden Sie z.B. auf folgender Webseite:

https://www.heise.de/ct/artikel/Raspberry-Pi-4-4-GByte-RAM-4K-USB-3-0-und-mehr-Rechenpower-4452964.html

Stresstestverfahren werden beim Pi 4 verwendet, um die CPU-Temperatur bei Dauerlast zu ermitteln und danach ein passendes Gehäuse auszuwählen.

Wer bei „Null“ mit Linux und dem Raspberry Pi 4 anfangen möchte, kann sich hier orientieren:

https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-desktop-kit/

Es handelt sich dabei um ein Komplettpaket mit einem 4GB Raspberry Pi 4, Netzteil, Kabeln, Gehäuse, Tastatur und Maus. Was in diesem Paket bislang fehlt ist ein Lüfter. Wer schon einen Teil der notwendigen Komponenten hat, fährt allerdings preisgünstiger. Wichtig ist auch, daß einige aktive Netzteile mit USB-C Stecker derzeit nicht am Pi 4 funktionieren. Das 15 Watt Netzteil der Raspberry Pi Foundation funktioniert problemlos.

Zusammenfassend kann man sagen, daß der Raspberry Pi 4 ein sehr interessanter MiniPC ist. Durch USB 3.0 werden neue Perspektiven eröffnet und auch USB 2.0 Webcams erzielen nun höhere Abtastraten. Der Kauf eines MicroHDMI zu HDMI Kabels ist zu verschmerzen und der eines neuen Netzteils sowie Gehäuses wohl auch. Nur die schlechte Liefersituation und die Inflation drücken die Stimmung….

Raspbian Buster und Bullseye

Die Namen „Buster“ und Bullseye sind von Debian übernommen. Vorangegangene und zukünftige Bezeichnungen lassen sich in der Debian-Versionsgeschichte nachlesen. Softwareseitig läuft die Buster Version auch problemlos auf einem Raspberry Pi3. Buster ist inzwischen in den Status „Legacy“ versetzt worden, denn Buster kann mit 32 Bit viele Eigenschaften der CPU nicht ausnutzen. Es gibt inzwischen eine Aufsplittung beim Download und Bullsyse ist auch als 64-bit Version verfügbar. Der Pi-Imager der hier zusammen mit Bullseye genauer beschrieben ist, zeigt leider derzeit die Details zum Raspberry Pi OS nicht so genau an. Praktisch ist, daß Sie die release notes auch auf der Download Webseite anklicken können:

Release Notes zu Raspbian Buster

Über https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/ können Sie sich die gewünschte Raspberry PI OS Variante für Buster / Bullseye heraussuchen und herunterladen (wenn Sie beim klassischen Weg ohne den Pi-Imager bleiben wollen). Es handelt sich bei Buster immer um 32 Bit Versionen, was aber den Vorteil der Kompatibilität zu früheren Raspberry Pi Modellen hat. Beachten Sie bitte, daß „Rasberry Pi Desktop“ auch die Bezeichnung für ein „Debian Bullseye with Raspberry Pi Desktop“ ist und damit ein Betriebssystem für einen PC mit Intel/AMD CPU (siehe auch hier).

Achtung: Frühe Versionen von Raspbian Buster (also vor dem Pi4) unterstützen nur einen HDMI-Ausgang. Bullseye sollte generell mit zwei HDMI-Ausgängen klarkommen. Bei Raspbian Buster vom 20.6.2019 funktioniert die Installation von Programmen über „Recommended Software“ auf dem Pi3 nicht. Dieser Fehler ist aber ab dem Update vom 10.7.2019 behoben. Wer weiterhin mit Buster arbeiten möchte, sollte auf die Legacy Version wechseln.

Die Änderungen von Stretch auf Buster sind insgesamt moderat ausgefallen. Frühere Änderungen werden im Blog zur Version vom 10.7.2019 beschrieben.

Geändert hat sich auch das empfohlene Verfahren, mit dem man eine Micro SD-Karte mit dem Raspberry Pi OS versieht. NOOBS war dabei immer nur der Weg für Einsteiger, während fortgeschrittene Nutzer zuerst einen Download des „Image“ auf dem PC vorgenommen haben, das dann in einem 2. Schritt auf die Micro SD-Karte geschrieben wurde. Ein eigener Blogbeitrag zum Raspberry Pi Imager schildert die neue Vorgehensweise.

Der Beitrag Raspberry Pi 4 – ausverkauft erschien zuerst auf ChatGPT, KI und Software auf dem Raspberry Pi.

WiringPi und gpio readall

Harald Schmidt — Thu, 13 Feb 2020 12:09:00 +0000

Die WiringPi Library von Gordon Henderson ist eine beliebte Software um die GPIO-Pins auf unterschiedlichen Modellen des Raspberry Pi anzusprechen. WiringPi ist bereits in Raspbian enthalten, die Version kann jedoch veraltet sein. In meinem Buch wird dabei auf Seite 290 das in der Library enthaltene Kommando gpio beschrieben. So können Sie z.B. über

gpio -v

die Version abfragen. Mit „gpio readall“ können Sie den Status aller GPIO-Pins ermitteln. Aber bei der Version 2.50 erhalten sie auf dem Raspberry Pi 4 folgende Ausgabe:

gpio readall
Oops - unable to determine board type... model: 17

Es gibt aber ein Update des Autors, dessen Durchführung auf folgender Webseite beschrieben wird:

http://wiringpi.com/wiringpi-updated-to-2-52-for-the-raspberry-pi-4b/

Und es funktioniert so:

# wiringPi updated to 2.52 for the Raspberry Pi 4B
cd /tmp
wget https://project-downloads.drogon.net/wiringpi-latest.deb
sudo dpkg -i wiringpi-latest.deb
gpio -v

Nach Ausführung dieser Bash-Programmzeilen sind sie (derzeit) auf der Version 2.5.2 und können das Kommando „gpio readall“ ganz normal verwenden. Beachten Sie bitte, daß „gpio readall“ von zahlreichen Skriptdateien zum Buch benutzt wird (auch mit grep Filter). Soweit Sie gpio Version 2.5.0 oder darunter installiert haben, ist ein Update unumgänglich, um die Funktion der Skriptdateien sicherzustellen!

Die bei Ihnen gültige WiringPi Version lässt sich auch so feststellen:

pi@raspi4:~ $ sudo apt-cache policy wiringpi
wiringpi:
Installiert: 2.52
Installationskandidat: 2.52
Versionstabelle:
*** 2.52 100
100 /var/lib/dpkg/status
2.50 500
500 http://archive.raspberrypi.org/debian buster/main armhf Packages

WiringPi wäre also auf dem aktuellen Stand.

Die Bash Quelltexte zum Buch wurden mit der Version RaspiProgBashCPP_60.zip in der Weise angepasst, daß Aufrufe von gpio readall nur noch erfolgen, wenn WiringPi installiert ist.

Je nach verwendeter Software gibt es unterschiedliche Bezeichnungen für die Kontakte der 40-poligen Steckerleiste. Die Software zum Buch kann über den „Navigator“ einfach benutzt werden. Im Skript gpiotools.sh führt die „4“ zur Anzeige der Pinbelegungen:

Bezogen auf pinout entspricht der „physical Pin 5“ der Bezeichnung GPIO3, was der Funktion SCL.1 aus gpio readall entspricht. Die BCM Spalte aus gpio readall entspricht den GPIO-Bezeichnungen von pinout.

Der Beitrag WiringPi und gpio readall erschien zuerst auf ChatGPT, KI und Software auf dem Raspberry Pi.

Ein Kühlturm für den Raspberry Pi 4

Harald Schmidt — Wed, 25 Sep 2019 06:59:10 +0000

Trotz einer nicht unerheblichen Hitzeentwicklung braucht der Raspberry Pi 4 keinen Lüfter. Auch nicht bei CPU Vollast bzw. einem Stresstest auf allen 4 Kernen. Dieses Ziel ist ambitioniert aber nicht unrealistisch. Im vorangegangenen Blogbeitrag wurde ein Kupferzylinder mit 20 mm Durchmesser und 50 mm Höhe vorgestellt, der direkt auf der CPU steht. In dieser Konfiguration kam die CPU auf maximal 75,4°C bei 40 Minuten Vollast – rein passiv gekühlt. Was noch aussteht ist eine weitere Vergrößerung der Abstrahlfläche – zunächst durch Auflegen mehrerer Probekörper.

Nach der Messung ohne Auflage wurden die Probekörper „Eisenscheibe“, „Kupferplatte“ und „Aluminiumplatte“ auf den Kupferzylinder gelegt und jeweils mit pi_sysbench.sh durchgemessen. Die dabei ermittelten maximalen Temperaturen sehen Sie in der Abbildung. Jeder Stresstest mit pi_sysbench.sh hatte insgesamt 40 Minuten mit jeweils vier Blöcken zu 10 Minuten bei 10 Sekunden Pause zwischen den Blöcken.

Die Maximaltemperatur trat jeweils im 4. Testblock auf (Raumtemperatur 24,2°C bei 62% RH). Trotz 40 Minuten Dauerlast, lag die Temperatur stets unter der 80°C Marke. Ein Heruntertakten der CPU fand also nicht statt. Dieser Weg einer passiven Kühlung ist folglich vielversprechend. Die Aluminiumplatte (ca. 119 cm² Fläche) auf dem Kupferzylinder führt dabei zu 55,5°C als maximaler CPU-Temperatur. Ein klares Indiz dafür, daß der Wärmetransport über den Kupferzylinder gut funktioniert!

Für eine dauerhafte, rein passive Kühlung des Pi 4 sind folgende Bauteile verwendet worden:

Ein StackBT Gehäuse aus 9 einzelnen Kunststoffscheiben
Ein Kupferzylinder mit 50 mm Höhe bei 20mm Durchmesser (CuZyl50)
Eine Kupferplatte (70*100*2,5) mm als Gehäusedeckel
Ein Kühlkörper V SK 578-15 SA mit 60 mm Durchmesser (60mmKK)
Ein Kühlkörper V SK 577-15 SA mit 50 mm Durchmesser (50mmKK)
Stiftkühlkörper rund, Ø 28,5 x 18,5 mm (28mmKK)
Schrauben M2,5 und M4
Wollwachs (als ökologische Alternative zu Wärmeleitpaste)

Dabei ist der Kupferzylinder das wichtigste Bauteil für die Kühlung der CPU. Alle anderen Teile sind optional, soweit es Ihnen gelingt eine mechanische Befestigung des Zylinders mit anderen Materialien zu bewirken. Nun zu den Messwerten:

Die gemessenen Werte hängen im wesentlichen von drei Faktoren ab:

Der Fläche gegenüber dem Medium Luft, die durch die Anzahl und Anordnung der Kühlkörper bestimmt wird.
Vom Wärmeleitwert an allen Grenzflächen (Verbesserung durch Wärmeleitpaste).
Vom Anpressdruck der den Raum zwischen Kühlkörper und der CPU minimiert.

Im einfachsten Fall steht der Kupferzylinder einfach auf der CPU und wird lediglich durch einen Pappdeckel (Ktn.) in seiner Lage stabilisiert. Wenn sich zusätzlich etwas Wollwachs unter CuZyl50 befindet, entsteht die oberste Kurve mit maximal 79°C nach 60 Minuten Dauerlast. Der Belastungstest erfolgte dabei mit dem Bash Skript pi4_sysbench.sh und folgender Konfiguration:

Nr=0 2 2 2 2 2 2 0

Dies entspricht 6 Blöcken zu 10 Minuten bei 10 sec Pause nach jedem Block. Die „Nadeln“ nach unten entsprechen jeweils der 10 Sek. Pause. Die Benutzung des Skripts wird hier beschrieben.

Interessant ist der Vergleich der obersten Kurve mit der dritten Kurve (grün) bei der CuZyl50 lediglich mit der Kupferplatte kombiniert wird. Der untere Teil des Kupferzylinders wurde dabei mit 10 Lagen Maler-Klebeband umwickelt. So kann über die Schrauben im Kupferdeckel ein gewisser Anpressdruck auf die CPU ausgeübt werden, was zu ca. 63° C als Maximaltemperatur führt. Für den Pi 4 sind die Bedingungen eines 60 min Stresstests wirklich hart. Aber die Kurven sind im letzten Block bereits so flach, daß ein 24 Stunden Dauertest nur mit Kupferplatte und Kupferzylinder möglich erscheint. Das Abspielen eines Internetvideos verursacht nur die halbe Prozessorlast.

Als „Kühlturm“ wird hier die Kombination der Kupferplatte mit dem durchbohrten und seitlich angeschnittenen 60 mm Kühlkörper und CuZyl50 bezeichnet. Wenn darüber noch ein 50mmKK kommt (braune Kurve), dann werden 50°C nicht überschritten (bei 20.2 ° Raumtemperatur). Im allerersten Bild entspricht diese Messung einer blauen Kurve. Die aktive Kühlung mit Pi-Fan im 16 Ω Modus liegt nur ein wenig günstiger. Auch die Temperaturen ohne nennenswerte Last im RPi-Desktop sind ein gutes Indiz für die Effektivität vorhandener Kühlkörper. Dabei kommt CuZyl50 mit Kupferdeckel auf etwa 45°C bei 19,7°C Raumtemperatur (grüne Kurve).

Messung der CPU-Temperatur bei "Videoplay" auf dem Pi 4

Es gibt eine ganze Reihe von Benchmarktests (z.B. stress, sysbench,hardinfo) für den Raspberry Pi. Alternativ können Sie als Belastungstest bzw. zur Temperaturmessung auch den bei Raspbian schon vorinstallierten Chromium Browser starten und z.B. bei Arte ein paar Dokumentationen aus dem Bereich Wissenschaft abspielen:

Die blaue Kurve in der interaktiven Abbildung beginnt mit einem 30 Minuten Betrieb ohne Last. Zuerst wird dabei der Kupferdeckel lediglich mit CuZyl50 kombiniert, was zu ca. 46°C führt. Nach Auflegen des durchbohrten und seitlich angeschnittenen 60 mm Kühlkörpers können Sie etwa 43°C messen. Nachdem auch der 50 mm Kühlkörper auf dem Kupferzylinder liegt fällt die Temperatur auf ca. 39°C ab. Vor dem Start von „Wenn das Eis bricht“ wurden beide Kühlkörper wieder entfernt. Kupferzylinder und Kupferplatte führen zu ca. 54°C.
Bei der orangefarbenen Kurve läuft das Video „Die Erdzerstörer“ von Anfang an, und nur kurzzeitig mit beiden Kühlkörpern. Mit dem angeschnittenen 60 mm Kühlkörper werden ca. 49°C bei der Videowiedergabe erreicht.

Statt einer Kupferplatte als Deckel lässt sich natürlich auch Aluminium verwenden. Bei einer Kunststoffplatte als Deckel entfällt dieser Weg der Wärmeableitung, was zu höheren Temperaturen führt.

Der Bauplan zum passiv gekühlten Raspberry Pi 4

Da in dieser Beschreibung vom STACKBT Gehäuse ausgegangen wird, muß lediglich ein passender Gehäusedeckel (ca. 70*100 mm) angefertigt sowie ein 60 mm Kühlkörper durchbohrt, angeschnitten und befestigt werden. Der 60 mm Kühlkörper bekommt (passend zum Zylinder) eine 20 mm Bohrung, was am besten eine Metallwerkstatt durchführt. Denn einen HSS Spiralbohrer mit 20 mm Ø für Metall bekommen sie nicht unter 20€ – und auch der Schaft müsste noch passen. Hinzu kommt, daß der Kühlkörper absolut senkrecht durchbohrt werden muß, sonst bekommen Sie keine Planlage. Es ist also ein Bohrständer notwendig. Beim Deckel sieht es mit dem Selbermachen schon günstiger aus. Wenn Sie Laminat oder Holz verwenden, bekommen Sie dafür problemlos Bohrer mit 10 mm Schaft und 20 mm Durchmesser – passend für die üblichen Bohrmaschinen. Für dünnere Metallbleche gibt es Stufenbohrer.

Das StackBT Gehäuse besteht aus insgesamt 9 übereinander gestapelten Plastikscheiben. Leider sitzt darin die Platine des Pi 4 etwas schräg, was man durch vorsichtiges Anschleifen einer transparenten Lage kompensieren kann. Die Anschlüsse für USB-C, 2*MicroHDMI, und Analog A/V kommen so etwa 1 mm tiefer, was die Schräglage kompensiert. Fixieren Sie die Scheiben mit Schrauben und Klebeband aneinander, bevor Sie mit dem Wegfeilen beginnen! Anderenfalls könnte das Plastikteil durchbrechen. Und Mikroplastik darf nicht auf die Platine gelangen…

Passend zum StackBT Gehäuse kann man sich nun einen Aluminiumdeckel anfertigen, der eine 20 mm Bohrung für den Kupferzylinder bekommt. Der durchbohrte und seitlich angeschnittene 60 mm Kühlkörper bekommt zusätzlich ein Gewinde für eine Madenschraube. Hier kommt ein lediglich 36 mm hoher Kupferzylinder (CuZyl36i) zum Einsatz, wodurch eine geringere Bauhöhe entsteht. Das Klebeband entspricht dem „i“ in der Bezeichnung CuZyl36i. Durch die etwa 10 fache Umwicklung mit dem glatten Malerband wird zum einen eine gewisse Wärmeisolation bewirkt. Zum anderen kann der Kupferzylinder nicht mehr herausfallen. Wer hier ganz sicher gehen will, bringt auf der Kühlkörperunterseite 3 kleine Gewinde an. Wenn dann die Deckelplatte von unten durchbohrt wird, lässt sich der 60mmKK an der Platte festschrauben.

Mit einem Metalldeckel ist die Wärmeableitung zwar signifikant besser, aber Sie müssen in der Praxis keine Temperaturrekorde brechen um einen Pi 4 bei Dauerlast sicher zu betreiben. Sie können sich auch ein Musterexemplar Laminat aus dem Baumarkt holen und daraus den Gehäusedeckel anfertigen. Wenn Ihnen die Durchbohrung und das Anschneiden eines 60 mm Kühlkörpers zu kompliziert ist, dann können Sie natürlich auch kleinere Kühlkörper verwenden, die auf dem Kupferzylinder befestigt werden. Der „Kühlturm“ kann z.B. aus einem CuZyl50i bestehen auf dem ein 50 mm Kühlkörper per Madenschraube befestigt wird. Laminat besteht aus mehreren Schichten, lässt sich aber gut mit einer Stichsäge zuschneiden. Feilen Sie Laminat nur entlang der Faserschicht – anderenfalls könnte das Material aufsplitten. Bei einem Deckel aus 4 mm starkem Laminat brauchen Sie etwas längere Gehäuseschrauben. Weiten Sie die Bohrungen etwas auf, wenn der Deckel nicht frei über die Schrauben beweglich sein sollte.

Wärmewiderstand, Temperaturen und dünne Schichten

Der Temperaturverlauf eines Stresstests hängt beim Raspberry Pi 4 ganz wesentlich davon ab, wie gut der Wärmeübergang von der metallenen Verkapselung des SoC Chips zum Kühlkörper funktioniert. Und dafür sind mehrere Faktoren von Bedeutung:

Weder die Oberfläche des Kühlkörpers, noch die des Chips sind absolut plan
Lufteinschlüsse erhöhen den Wärmewiderstand
Ein gewisser Pressdruck reduziert den Zwischenraum. Aber zu viel Druck bewirkt eine Platinendurchbiegung, die vermieden werden sollte.

Wärmeleitpads haben eine gewisse Elastizität und sind in unterschiedlichen Dicken erhältlich (etwa 0,5 bis 1,5 mm). Wichtig ist es dabei einen gleichmäßig auf die Fläche verteilten Pressdruck auszuüben. Das gilt auch für Wärmeleitpaste auf deren Verpackung Sie oft „Hohe Leistungsfähigkeit selbst bei niedrigem Anpressdruck“ finden. Der Anpressdruck wird durch die Gehäuseschrauben erzeugt. Deshalb sollte der Deckel zum StackBT Gehäuse (aus Aluminium, Kupfer oder Laminat) nicht an den Gehäuseschrauben reiben und leicht beweglich sein.

Der Wärmeleitwert ist an allen Grenzflächen zu beachten. Wenn CuZyl50 lediglich locker auf der CPU steht, dann sind das zusammen mit dem 50 mm Kühlkörper fast 0,2 kg. Diese Konfiguration entspricht der obersten blauen Kurve. Der 50mmKK war dabei allerdings lediglich aufgelegt und nicht mit dem Kupferzylinder verschraubt. Mit der Aluminiumplatte (rot) liegt die Temperatur bei 60 Min Dauerlast um ca. 7° tiefer als bei einem Deckel aus Laminat (orange).

Ein weitere Vereinfachung des Aufbaus bestünde darin, den Kupferzylinder auf ca. 16 mm Höhe zu begrenzen und von oben mit einem Gewinde zu versehen. Dann könnte man einen Metalldeckel durchbohren und den „Stempel“ für die CPU von oben festschrauben. Die Abwärme wird dabei allerdings nicht mehr über den Zylindermantel abgeleitet, sondern nur noch über die Kreisfläche. Und der Wärmewiderstand ist damit höher.

Wenn das Gehäuse die Funktion eines großen Kühlkörpers am Raspberry Pi 4 übernehmen soll, dann gibt es dafür bisher nur wenige im Handel erhältliche Gehäusetypen:

FLIRC-Gehäuse : Aluminium-Druckguss mit Kunststoffboden. GPIO umschlossen, WLAN-Empfang möglich
Armour Case : Zwei Aluminiumteile zwischen denen die Pi4-Platine von oben und unten „eingeklemmt“ wird. GPIO bleibt zugänglich, WLAN eingeschränkt.
DF-Zerspanung Alu Gehäuse (0,2 kg) mit Passivkühler. Massives Gehäuse, GPIO umschlossen. WLAN-Eigenschaften unklar.

Bei allen drei Gehäusen wird ein „Stempel“ auf die CPU herabgesenkt um die Abwärme abzuführen. Beim FLIRC-Gehäuse geschieht dies allerdings nicht durch massives Aluminium, sondern durch einen „Hohlstempel“ der auf die CPU gepresst wird. Die Effektivität der Kühlung steht und fällt mit der Fertigungspräzision. Wärmeleitpads werden dabei oft mitgegeben. Und die Gehäuseschrauben müssen gleichmäßig angezogen werden. Martin Rowan hat mehrere Gehäusetypen einem aussagekräftigen 60 min Stresstest unterzogen:

Raspberry Pi 4 Case – passive – 4 Core Test

Dabei kommt das „Armour Case“ auf ca. 62°C und für „FLIRC“ kommen ca. 71°C heraus – was am „Hohlstempel“ liegen dürfte. Beim Zusammenbau fühlt und sieht man leider nicht ob sich Luft über der CPU befindet. Und Kupfer ist eben ein besserer Wärmeleiter. So kommt man zum Eigenbau….

Die Wärmeleitung des Kupferzylinders und analoge Modelle

Das Video „Stationäre Wärmeleitung“ erklärt den Begriff des Wärmeleitwerts anhand einer Hauswand. Und vielleicht fragen Sie nun, was das mit Kühlkörpern für den Raspberry Pi zu tun hat. Stationär besagt, daß ein konstanter Wärmestrom bei konstanten Temperaturen besteht. Ein beheizter Innenraum habe konstant 20°C bei -10°C als Außentemperatur. Die selbe Differenz von 30 Kelvin haben Sie auch bei 50°C für die passiv gekühlte Pi 4 CPU und 20°C im Raum. Und die aus mehreren Schichten aufgebaute Außenwand hat Übergangszonen wie vom Kupferzylinder zum Kühlkörper und vom Kühlkörper zur Raumluft.

Als Analogon für den Wärmetransport können Sie auch von einem „Wassermodell“ ausgehen.
Kupferzylinder und Kühlkörper sind dabei (gedanklich) mehr oder weniger porös – was der Wärmeleitfähigkeit entspricht. Und wenn Sie den unteren Teil des durchströmten Kupferzylinders ordentlich isolieren, dann kann dort nur noch wenig Wasser (bzw. Wärme) austreten. Folglich bekommen Sie eine hübsche Fontäne die – oberhalb des Deckels – aus dem oberen Teil des Kupferzylinders sowie aus dem Kühlkörper herauskommt.

Und jetzt alles ist gut, denn die Wärme wird oberhalb des Deckels abgegeben? Ganz so einfach ist es nicht! Unsere Fontäne ist wirklich prima, denn das Gehäuseinnere wird kaum aufgeheizt. Aber unser Modell stimmt noch nicht ganz, denn der Wärmestrom kann zwar umgeleitet und verteilt werden, muß aber insgesamt konstant bleiben. Wenn der Kupferzylinder im unteren Teil isoliert wird, dann muß im Wassermodell der Druck angehoben werden, damit immer die selbe Wassermenge pro Zeiteinheit austritt. Doch dadurch „leckt“ unsere gute Pi 4 CPU auch nach unten zur Platine hin etwas stärker.

Für die Praxis ist dies allerdings kaum relevant, denn der Kupferzylinder hat bei 20mm Durchmesser eine Querschnittsfläche die deutlich größer ist als die metallene Verkapselung der CPU. Der Wärmewiderstand ist dadurch niedriger als bei einem „(Hohl)Stempel“ aus Aluminium (z.B. Flirc) der lediglich die Fläche der CPU abdeckt. Die genannten Gehäuse senken allerdings auch auf den Spannungswandler und den USB 3.0 Controler „Stempel“ für die passive Kühlung herab. Weitere Bilder zum Gehäusebau für den Raspberry Pi 4 finden Sie hier. Wie mehrere Temperaturkurven in einem Diagramm entstehen (sysbenchplot.sh sowie plotrun.sh), wird bei Stresstestverfahren erklärt.

Welche Lösungen zur Kühlung des Raspberry Pi 4 setzen Sie ein? Welche CPU Temperatur kommt dabei heraus? Kommentare sind willkommen….

Der Beitrag Ein Kühlturm für den Raspberry Pi 4 erschien zuerst auf ChatGPT, KI und Software auf dem Raspberry Pi.

Raspberry Pi 4 – Ein cooler Typ

Harald Schmidt — Fri, 09 Aug 2019 08:20:53 +0000

Bei allen Modellen des Raspberry Pi gilt das Prinzip möglichst wenig Energie zu verbrauchen. Aber zugleich wird mit jeder neuen Computergeneration eine Beschleunigung erwartet – was nicht ganz einfach ist. Beim Raspberry Pi 4 ist nun ein 15 Watt Netzteil notwendig, es können damit bis zu 3 Ampere bei 5 Volt Versorgungsspannung abgegeben werden. In einem geschlossenen Gehäuse wird der Raspberry Pi 4 auch ohne Last richtig heiß. Für die nachfolgende Beschreibung wird zunächst von einem Raspberry Pi 4 ausgegangen, der ohne Gehäuse direkt auf einer Tischplatte liegt. Es läuft Raspbian Buster (10.7.2019) und ein Flachbildschirm ist über ein MicroHDMI auf HDMI Kabel verbunden. Bei einer Raumtemperatur von ca. 23° C kann man nach 10 Minuten Ruhebetrieb eine CPU-Temperatur von 58°C ablesen. Das ist leider deutlich höher als bei allen zuvor produzierten Modellen. So entstehen ein paar Fragen, die beim Pi 4 wichtiger sind als bei allen Vorgängermodellen:

Wie stark kann man die CPU-Temperatur per Kühlkörper senken?
Ist ein aktiver Lüfter notwendig?
Welches Gehäuse ist geeignet?

Prozessortemperatur und Prozessorlast können direkt in der Statusleiste des RPi-Desktop angezeigt werden – und das sollten Sie jetzt auch tun, um die nachfolgenden Schritte besser nachvollziehen zu können:

Zur Messung der Prozessortemperatur wird das Skript pi4_sysbench.sh eingesetzt. Und um den Prozessor zur Vollbeschäftigung zu führen, gibt es das Programm sysbench das über pi4_sysbench.sh automatisch installiert wird. Zur Thematik Pi4 und Prozessortemperatur gibt es u.a. folgenden Blogbeitrag:

https://blog.unixweb.de/raspberry-pi-4-und-temperatur-problematik/

Dort wird ein von Christopher Barnatt gemachtes Video angeboten, in dem der Prozessor ebenfalls mit sysbench beschäftigt wird, um dann die Temperatur zu messen. Da man in einem geschlossenen Gehäuse ohne Lüftungsschlitze die Temperatur sehr stark nach oben treibt (auch wenn nur ein Prozessorkern des Pi 4 beschäftigt ist) verzichte ich auf diesen Test und lese lieber etwas über Peltier-Elemente.

Temperaturmessungen zum offiziellen Pi 4 Gehäuse und einen Pi 4 im leicht angepassten Pi 3 Gehäuse finden Sie z.B. auf

Martin Rowans Webseite.

Ganz sicher hat der Raspberry Pi 4 im derzeitigen offiziellen Gehäuse ein Hitzeproblem. Neue Versionen von Raspbian Buster (siehe release notes) werden daran grundsätzlich nichts ändern. Eine gewisse Entlastung könnte darin bestehen, den CPU-Takt im RPi-Desktop generell abzusenken und erst dann anzuheben, wenn Programme gestartet werden. Bei einer Dauerlast am Pi 4 helfen aber nur ein Lüfter oder eine passive Kühlung weiter.

Die CPU Temperatur des Raspberry Pi 4 mit kleinem Kühlkörper

Wie schon zuvor beim Raspberry Pi 3B+ ist der Pi 4 bzw. dessen SoC mit einem sogenannten „Heatspreader“ als metallene Abdeckung versehen. Damit wird die Abwärme der CPU besser abgeleitet als bei Kunststoff. Der Raspberry Pi 4 zeigt ohne Last 57°C auf dem RPi-Desktop an. Nun wird ein kleiner Kühlkörper mit 1,9*1,9 cm Grundfläche auf den metallen verkapselten SoC Chip gelegt. Die Temperatur sinkt sofort auf 50°C ab, steigt aber dann nach etwa 2 Min wieder auf 57°C an. Was ist dabei geschehen? Kurzzeitig hat der Kühlkörper eine ordentliche Temperatursenkung bewirkt, die aber nur darauf zurückzuführen ist, daß auch der Kühlkörper eine Wärmekapazität hat. Ein Kühlkörper kühlt nicht, sondern vergrößert lediglich die Fläche auf der eine Wärmequelle abstrahlt. Die Kontaktfläche zwischen SoC und Kühlkörper liegt bei etwa 1,4 cm² – unabhängig davon wie groß der Kühlkörper ist. Und über diese kleine Fläche muß die gesamte Abwärme der CPU abgeführt werden.

Um mit einem so kleinen Kühlkörper wieder den Anfangswert von 50°C zu erreichen, müssen wir ordentlich „Wind machen“ bzw. genau die Energiemenge „abtragen“, die die CPU generiert. Der Abtransport von Wärmeenergie kann entweder durch direkte Wärmeableitung, durch Konvektion oder durch einen Lüfter erfolgen – also passive oder aktive Kühlung. Wenn sich ein Raspberry Pi in einem vollständig geschlossenen PVC-Gehäuse befindet, dann nutzt ein Kühlkörper immer nur zur Spitzenlastabfederung aber nicht bei bei 4 CPU-Kernen im Dauerbetrieb! Es kommt eben auch sehr darauf an, welche Temperatur im Gehäuse vorliegt! Doch zum Gehäuse kommen wir später…

Die CPU-Temperatur mit pi4_sysbench.sh überwachen

Fast jede moderne CPU hat einen Sensor, der permanent die Temperatur erfasst und die Taktfrequenz senkt, wenn die CPU zu heiß werden sollte. Beim Raspberry Pi stehen die Temperaturen der CPU und der GPU zur Verfügung und können mit Bash Kommandos abgefragt werden:

gpu=$(vcgencmd measure_temp) # temp=73.0'C
getT() {
 cpu=$(cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp)
 cpu=$((cpu/100)); len=${#cpu};
 out=${cpu:0:$((len-1))}; 
 frac=${cpu:$((len-1)):99}
 cpuT="$out.$frac°C" # (z.B. 73.8°C)
}

Während bei „measure_temp“ ein Wert in °C mit vorangestelltem „temp=“ herauskommt, ist „getT“ eine Bashfunktion für die Umrechnung eines 5 stelligen Integerwerts in eine Zahl mit einer Kommastelle. Da im SoC bisher nur ein Sensor verbaut ist, gibt es messtechnisch keinen Unterschied. Aber „getT“ ist etwas genauer, weil vcgencmd derzeit immer nur „.0“ liefert.

Wenn Sie das Skript pi4_sysbench.sh erstmals nach dem Download anwenden, muß zuerst für dessen Ausführbarkeit gesorgt werden:

chmod +x pi4_sysbench.sh

Das Skript installiert sysbench – soweit noch nicht vorhanden. Bei allen weiteren Aufrufen sorgt pi4_sysbench.sh für eine Primzahlenberechnung bis zu einem einstellbaren oberen Grenzwert. Nach jedem Zyklus wird die Temperatur gemessen. Direkt nach dem Programmstart werden die Raspbian Version, das Raspberry Pi Modell, dessen Speicher und auch „uptime“ ausgegeben. Dann folgt die Auswahl der Testkonfiguration:

Description:    Raspbian GNU/Linux 10 (buster)
Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.1
MemTotal:        1933248 kB
 13:00:36 up  0:03,  2 users  

Konfiguration für MaxPrim/thr/sec/Zyklen wählen:
   0  :      0,0, 10  ,60
   1  :   3850,4,  6  ,10
   2  :   5525,4, 10  ,60
   3  :   9000,4, 20  ,30
   4  :  11925,4, 30  ,20
   5  :  14600,4, 40  ,15
   6  :  14600,3, 53.1,15
   7  :  19250,4, 60  ,10
   8  :  25000,4, 88  , 7
Nr=

Im Skript pi4_sysbench.sh wird das Testprogramm sysbench mit der Berechnung von Primzahlen beschäftigt. Dabei kann die Berechnung auf mehrere Threads (und damit Prozessorkerne) verteilt werden. Dies geschieht für alle Zyklen bis zu MaxPrim als oberem Grenzwert. Die Gesamtlaufzeit ergibt sich aus dem Produkt der Spalten „sec“ und „Zyklen“. Mit „Nr=1“ hätten Sie also einen 60 sec Kurztest. Und über „Nr=0“ erfolgt lediglich eine zyklische Temperaturmessung ohne nennenswerte Prozessorlast durch das Skript. Aber geeignet, wenn Sie zeitgleich die Temperatursteigerung durch die CPU-Last eines anderen Skripts oder Programms bestimmen möchten.

Die nachfolgend ausgegebenen Messwerte sind auf einem Pi4 bei 23,3°C Raumtemperatur und einem kleinen auf die CPU aufgelegten Kühlkörper entstanden:

Nr=4 # kleiner Kühlkörper, kein Gehäuse
sysbench (thread4) : Primzahlen bis 11925 bei 20 Zyklen
Skript bei zu hoher Temperatur SOFORT abbrechen !!!
56°C 130402   0
65°C 130432  30
68°C 130502  60
72°C 130532  90
72°C 130602 120
74°C 130631 149
73°C 130701 179
75°C 130731 209
76°C 130801 239
77°C 130831 269
77°C 130901 299
77°C 130931 329
79°C 131001 359
79°C 131031 389
78°C 131100 418
79°C 131130 448
80°C 131200 478
79°C 131230 508
79°C 131300 538
80°C 131330 568
79°C 131400 598
73°C Abkühlen_10s 
pi@raspi4:~ $

Bei „Nr=4“ dauert jeder Zykus etwa 30 Sekunden bei insgesamt 20 Zyklen bzw. gemessenen Temperaturen. Dieser 600 sec Test hat zeitweise zu Temperaturen über 80° C geführt. Kurzzeitig mindert solch eine Belastung nicht die Lebensdauer der CPU. Das liegt aber nur daran, daß bei thermischer Überlastung automatisch die CPU-Taktfrequenz gesenkt wird. Bei jeder Überlastung erscheint ein Thermometer auf dem RPi-Desktop und zugleich eine orangefarbige Linie bei der Temperaturanzeige. Diese Line wäre rot, wenn die Temperatur über 85°C steigt – akute Lebensgefahr für die CPU. Das Temperatursymbol in der rechten oberen Bildschirmecke ist bei obigem Test mit dem Skript erstmals nach ca. 500 sec Laufzeit aufgetaucht. Die Icons zu den Firmwarewarnungen sehen Sie hier:

https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/warning-icons.md

Anzeige einer Temperaturwarnung auf dem RPi-Desktop

Bei einer sommerlichen Raumtemperatur von 28° wäre die Temperaturwarnung bzw. das „throttled back“ (Drosselung der Taktfrequenz) allerdings schon wesentlich früher eingetreten und der Pi 4 wird schlicht langsamer – und zwar nicht nur bei der Primzahlberechnung. Ein kleiner Kühlkörper ist aber auf jeden Fall besser als kein Kühlkörper auf dem Raspberry Pi. Für den Pi 4 ist ein Kühlkörper wirklich wichtig! Der gesamte Test fand ohne Gehäuse statt – die Abluft konnte problemlos nach oben entweichen.

Ein Kühlkörper zum Pi 4 im Eigenbau

Im vorangegangenen Test hätte Wärmeleitpaste unter einem 3,6 cm² Kühlkörper sicherlich eine Verbesserung bewirkt – aber vielleicht nicht sehr signifikant. Der nun eingesetzte Kühlkörper „RPI COOL 40X30“ hat eine Klebefolie und konnte früher einmal bei Reichelt bestellt werden. 3M 9448A ist ein Doppelklebeband mit Papierträger. Ein gutes Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste wären besser geeignet. Der unveränderte Kühlkörper (40*30 mm) würde den WLAN/BT5.0 Chip verdecken, was zu schlechteren Empfangsbedingungen führen könnte. Deshalb habe ich eine Ecke des Kühlkörpers herausgesägt, die zugleich als Kühlkörper für den Ethernet Chip verwendbar ist.

Ein Raspberry Pi 4 mit aufgeklebtem großem Kühlkörper

Nr=4 # großer Kühlkörper kein Gehäuse 24°Raum 
41°C 234251    0
53°C 234321   30
56°C 234350   59
60°C 234420   89
62°C 234450  119
64°C 234520  149
67°C 234550  179
67°C 234620  209
68°C 234650  239
70°C 234720  269
71°C 234749  298
71°C 234819  328
72°C 234849  358
72°C 234919  388
73°C 234949  418
73°C 235018  447
73°C 235048  477
74°C 235118  507
75°C 235148  537
75°C 235218  567
74°C 235248  597
67°C Abkühlen_10s

Die Temperatur stabilisiert sich leider nicht bei 75°C – was aber erst durch einen weiteren Aufruf des Skripts und nach weiteren 5 min klar wird. Bei einer höheren Zimmertemperatur (z.B. 28° statt 23°) wäre es noch eher zur Drosselung ab 80°C gekommen. Beachten Sie bitte, daß die Warmluft in diesem Test ungehindert nach oben abziehen konnte. Es genügt also nicht einen relativ großen Kühlkörper zu verwenden, es muß eine noch stärkere Wärmeableitung erfolgen.

So stellt z.B. das Flirc-Gehäuse eine rein passive Lösung dar, um die Betriebstemperatur möglichst signifikant unter die kritischen 80°C zu drücken. Die Frage ist dabei nur ob das auch noch funktioniert, wenn die volle Last auf 4 CPU-Kernen nicht nur 10 Minuten sondern stundenlang anhält. Die eleganteste Lösung wäre die Verwendung einer Heatpipe im Kühler – aber so, daß es zugleich ein geschlossenes Gehäuse gibt. Doch zurück zur Realität, die kostengünstige Lösungen fordert und damit zum Lüfter führt.

Ein Raspberry Pi 4 im Gehäuse mit Lüfter

Ein Raspberry Pi 4 im STACKBT Gehäuse

Die Versuche im Gehäuse wurden teilweise vor dem Aufkleben des großen Kühlkörpers durchgeführt und sollen nun betrachtet werden. Dabei wurde ein Gehäuse aus einzelnen Kunststoffscheiben eingesetzt die übereinander gestapelt werden. Dieser Gehäusetyp hat den Vorteil der Erweiterbarkeit nach oben und unten, wenn man längere Schrauben und neue Seitenteile verwendet. Bei „RPI CASE STACKBT“ gehört ein 3*3cm Lüfter zum Lieferumfang. Diesen Pi-Fan-Lüfter mit 7mm Höhe kann man einblasend/absaugend sowie auf/im Gehäuse montieren.

Der Geräuschpegel des Lüfters ist bei 0.2 A nicht unerheblich, wird aber später durch einen Vorwiderstand gesenkt. Die Versuche bei voller Prozessorlast (Nr=4) beginnen ganz ohne Kühlkörper:

Laufender 3*3 cm Lüfter (absaugend) im Gehäuse	Stillstehender 3*3 cm Lüfter im Gehäuse
43° 135513 0 54° 135543 30 55° 135613 60 57° 135642 89 56° 135712 119 57° 135742 149 58° 135812 179 59° 135842 209 58° 135912 239 59° 135942 269 58° 140012 299 58° 140041 328 59° 140111 358 58° 140141 388 59° 140211 418 58° 140241 448 59° 140310 477 59° 140340 507 59° 140410 537 59° 140439 566 60° 140509 596 51° Abkühlen_10s	56° 142412 0 70° 142442 30 73° 142512 60 74° 142542 90 76° 142612 120 78° 142642 149 79° 142711 179 82° 142742 210 ^C

In obiger Tabelle sehen Sie links Temperaturen bis zu 60° bei einem absaugenden Lüfter im Gehäuse. In der rechten Spalte wurde die Spannungsversorgung für den Lüfter testweise abgeklemmt. Durch den stehenden Lüfter und weitere kleine Öffnungen konnte etwas warme Luft entweichen. Trotzdem habe ich nach 210 sec den Test abgebrochen um die CPU keinesfalls zu gefährden. Fazit: 60°C in Kombination mit einem Lüfter sind zuviel – auch wenn man berücksichtigt, daß ein zielgenau einblasender Lüfter wirksamer ist als ein absaugender Lüfter.

Der Raspberry Pi 4 bekommt jetzt Kühlkörper. Bei den Messungen mit pi4_sysbench.sh wird zuerst ein kleiner 1,9*1,9cm Kühlkörper, und dann der zugeschnittene große Kühlkörper verwendet. Erneut gilt Vollast für die CPU (Nr=4). Die Luft wird jeweils eingeblasen:

Einblasender 3*3 cm Lüfter im Gehäuse. CPU-Kühlkörper mit 3,6 cm²	Einblasender 3*3 cm Lüfter im Gehäuse. Großer CPU-Kühlkörper
34°C 153746 0 43°C 153816 30 43°C 153846 60 45°C 153916 90 43°C 153946 120 44°C 154016 150 44°C 154046 180 45°C 154116 210 45°C 154146 240 44°C 154216 270 44°C 154246 300 44°C 154316 330 44°C 154346 360 44°C 154416 390 44°C 154446 420 45°C 154515 449 43°C 154545 479 44°C 154615 509 44°C 154645 539 44°C 154715 569 44°C 154745 599 37°C Abkühlen_10s	38°C 174106 0 46°C 174136 30 47°C 174206 60 47°C 174236 90 48°C 174306 120 47°C 174336 150 49°C 174406 180 46°C 174436 210 48°C 174506 240 47°C 174536 270 48°C 174606 300 47°C 174636 330 47°C 174706 360 48°C 174735 389 48°C 174805 419 47°C 174835 449 48°C 174905 479 47°C 174935 509 48°C 175005 539 47°C 175036 570 47°C 175107 601 41°C Abkühlen_10s

Im Vergleich (pi4_sysbench.sh) schneidet der größere Kühlkörper (mit Doppelklebeband) nicht besser ab als der lediglich aufgelegte kleine Kühlkörper. Die Kühlung tritt letztlich nur durch den kräftigen Lüfter ein. Immerhin: unter 50°C nach 10 Minuten Vollast auf allen 4 Prozessorkernen können sich sehen lassen. Einen schon aufgeklebten Kühlkörper kann man nicht wieder entfernen ohne den Chip danach mühsam zu reinigen. So gesehen finden Experimente mit dem kleinen Kühlkörper nun ihr Ende.

Ein Pi-FAN Lüfter mit Turboschalter – leise und doch effektiv

Ein großer Kühlkörper gibt eine gewisse Sicherheit, wenn eine hohe Prozessorlast nicht zu lang andauert. In der Praxis ist es allerdings schwierig die Abwärme ohne Lüfter abzuführen. Mögliche Lösungen sind dabei massive Gehäuse aus Aluminium die ihren Preis haben, aber durch die metallene Verkapselung ggf. einen schlechteren WLAN-Empfang verursachen.

Pi4 mit leisem Lüfter durch den Vorwiderstand

Die Drehzahl eines Lüfters hängt von der Stromstärke ab. Und tatsächlich: Ein Vorwiderstand von 16 Ω führt bei 0,13 A zu einem kaum mehr hörbaren Pi-FAN-Lüfter. Überbrückt man diesen Widerstand durch einen einfachen Schalter, dann hat man wieder die volle Leistung – z.B. während der Mittagspause, wenn der Compiler läuft. Der Pi-FAN-Lüfter wird hier über ein USB-Kabel mit Energie versorgt. So kann die oberste Acrylplatte mit dem Lüfter auch im laufenden Betrieb leicht abgenommen werden.

Pi-FAN Turbo
Modus
35°C 124553 0
43°C 124623 30
44°C 124653 60
45°C 124723 90
44°C 124753 120
45°C 124823 150
44°C 124853 180
44°C 124923 210
45°C 124953 240
44°C 125023 270
45°C 125053 300
45°C 125123 330
44°C 125153 360
45°C 125223 390
45°C 125253 420
45°C 125323 450
45°C 125353 480
45°C 125423 510
45°C 125453 540
46°C 125523 570
45°C 125553 600
35°C Abkühlen_10s
35°C 125738

Pi-FAN 16 Ω
Modus
38°C 130746 0
47°C 130816 30
48°C 130846 60
48°C 130916 90
49°C 130946 120
51°C 131016 150
50°C 131046 180
50°C 131116 210
51°C 131146 240
50°C 131216 270
50°C 131245 299
50°C 131315 329
50°C 131345 359
50°C 131415 389
50°C 131445 419
50°C 131515 449
50°C 131545 479
50°C 131615 509
50°C 131645 539
50°C 131715 569
50°C 131745 599
41°C Abkühlen_10s
38°C 132202

In obiger Tabelle sehen Sie, daß ein sanft einblasender Lüfter mit 16 Ohm Vorwiderstand ausreicht, um nach 10 Minuten Dauerlast (Primzahlenberechnung) lediglich auf 50° C zu kommen. Nach 3 weiteren Minuten ohne Last wird wieder die Ausgangstemperatur von 38°C erreicht. Im Turbomodus kommen Sie bei bei 22,6°C im Raum während der Dauerlast auf ca. 45° C und ohne nennenswerte Last im RPi-Desktop sind sogar 35°C als CPU-Temperatur möglich – um den Preis eines hörbaren Lüfters. Ganz ohne Deckel und Lüfter steigt die Temperatur wieder auf 57° an. Mit Deckel und stillstehendem Lüfter lassen sich ca. 63°C mit Chromium und dieser Webseite messen. Einen kupfernen Deckel mit federnder und wärmeleitender Verbindung zum Kühlkörper habe ich noch nicht ausprobiert. Der Turboschalter zum Pi-FAN-Lüfter ist nun (vorläufig) meine Dauerlösung für den Raspberry Pi 4 in diesem Gehäuse.

Wenn Sie selbst mit (zunächst nur aufgelegten) Kühlkörpern experimentieren wollen, achten Sie bitte unbedingt darauf keinen Kurzschluß zu verursachen. Sie können bei pi_sysbench.sh übrigens auch mehrere Tests konfigurieren und die Ausgabe kommentieren:

Nr=4 0 # Münzen als Kühlkörper, 25°Raum

Durch „4“ erfolgt zuerst eine intensive Prozessorlast und dann durch „0“ eine weitere Messung ohne Last auf der CPU. So können Sie beliebige Testszenarien hintereinander ausführen und leicht protokollieren.

Der Aufbau einer aktiven Kühlung für ein 19 Zoll Server Rack mit bis zu 10 Raspberry Pi Computern wird auf beeindruckende Weise auf folgender Webseite beschrieben:

https://onkeljordi.de/2019/08/low-profile-aktiv-kuehlung-fuer-den-raspberry-pi/

Ein Kupferzylinder als CPU-Kühlkörper – Pi 4 passiv gekühlt

Die passive Kühlung einer Raspberry Pi 4 CPU ist in vielen Punkten weitaus anspruchsvoller als einen Lüfter einzubauen. Warum ist das so? Vergleichen Sie bitte die Materialeigenschaften aus folgender Tabelle :

Neben der Form sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität relevante Eigenschaften des Kühlkörpers und jedes Wärmeübergangs. Für einen Kupferzylinder mit 5 cm Höhe und 2 cm Durchmesser lässt sich ein Volumen von 15,7 cm³ und eine Wärmekapazität von 53,5 J/K berechnen. Das selbe Volumen Wasser käme auf 64,9 Joule pro Kelvin. Wenn Sie die Zahlenwerte mit denen von Luft vergleichen, zeigt sich daß Luft eine sehr geringe Wärmekapazität hat und zugleich ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Es gibt allerdings den Effekt der „natürlichen Konvektion“, der sich mit steigender Temperaturdifferenz verstärkt. Erwärmte Luft steigt nur relativ langsam auf, wenn der Lüfter fehlt. Kühlrippen von lediglich 4 mm Länge (bei einem 5 mm hohen Kühlkörper) reichen oft nicht aus, um eine natürliche Konvektion in Gang zu setzen.

Eine rein passive Kühlung erhalten Sie, wenn ein 5 cm hoher Kupferzylinder mit 2 cm Durchmesser direkt auf der CPU steht. Eine Pappschablone bildet dabei vorläufig den Gehäusedeckel und es entstehen folgende Messwerte mit dem Skript pi_sysbench.sh :

Nr=0 4 4 4 4 0 # Kupferzylinder unten isoliert
   # direkt auf der CPU, Wollwachs
   # Deckel aus Pappe, 21.6° Raum
sysbench (thread0) : Primz. bis 0 / 60 Zyklen
39.4°C 181604 0   (ca. 2 Min nach dem Booten)
40.4°C 181804 120
41.8°C 182005 241
43.8°C 182205 361
45.2°C 182405 481
44.7°C 182606 602   (Nur RPi-Desktop als Last)
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
45.7°C 182616 0      1.Block
50.6°C 182646 30
....
61.8°C 183544 568
62.8°C 183614 598
59.4°C Abkühlen_10s
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
58.9°C 183624 0      2.Block
62.3°C 183654 30
....
68.1°C 184553 569
69.1°C 184623 599
65.7°C Abkühlen_10s
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
66.2°C 184633 0      3.Block
70.1°C 184703 30
....
73.5°C 185601 568
74.0°C 185631 598
69.1°C Abkühlen_10s
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
70.1°C 185641 0      4.Block
73.0°C 185710 29
74.0°C 185740 59
73.5°C 185810 89
74.0°C 185840 119
73.0°C 185910 149
74.0°C 185940 179
74.0°C 190010 209
74.0°C 190040 239
74.4°C 190110 269
74.0°C 190140 299
74.9°C 190210 329
74.4°C 190240 359
74.9°C 190310 389
74.0°C 190339 418
74.9°C 190409 448
74.4°C 190439 478
75.4°C 190509 508   Maximum
74.9°C 190539 538
74.4°C 190609 568
74.9°C 190639 598
71.0°C Abkühlen_10s
sysbench (thread0) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
71.0°C 190649 0
62.3°C 191651 602

Vor dem Test wurde der Raspberry Pi 4 frisch gebootet und nach etwa 2 Minuten pi_sysbench.sh gestartet. Nach 10 Minuten Leerlauf im RPi-Desktop hat die CPU 44.7°C erreicht. Der Stresstest bzw. die Primzahlenberechnung findet dann in 4 Blöcken bei insgesamt 40 Minuten statt. Im 4. Block steigt die Temperatur auf etwa 75°C als Maximaltemperatur. Ohne Last sinkt die Temperatur nach 10 Minuten auf ca. 62°C ab. Und nach weiteren 50 Minuten gelten 52°C als CPU-Temperatur ohne nennenswerte Last im RPi-Desktop.

Der Kupferzylinder führt zu deutlich besseren Resultaten als der 40*30 mm Kühlkörper aus Aluminium. Warum ist das so?

Der Kupferzylinder hat eine erheblich höhere Wärmekapazität.
Die Zylinderoberfläche ist größer als die Grundfläche des 40*30 mm Kühlkörpers.
Zu kurze Kühlrippen lösen keine natürliche Konvektion aus
Der direkt auf der CPU aufliegende Kupferzylinder hat trotz möglicher Lufteinschlüsse einen besseren Wärmeübergang als ein Doppelklebeband.
Ein Kühlkörper dessen Grundfläche eben ist, aber die Fläche der Pi4 CPU überragt, kann dazu beitragen, daß ein warmes, statisches Luftpolster zwischen der Kühlkörperunterseite und der Platine entsteht.
Der Wärmeanteil, der nicht über den Kühlkörper/Kupferzylinder nach oben abgeleitet wird, wärmt zwangsläufig die Platine und damit das Gehäuse auf. Dieser Wärmeanteil kann nur langsam über Gehäuseöffnungen entweichen.

Wie die Hitzeentwicklung auf einem Raspberry Pi 4 ohne Kühlkörper und Gehäuse aussieht hat Gareth Halfacree festgehalten:

https://medium.com/@ghalfacree/benchmarking-the-raspberry-pi-4-73e5afbcd54b

Temperaturverteilung auf dem Raspberry Pi 4

Das von der genannten Webseite übernommene Falschfarbenbild zeigt die Temperaturverteilung auf dem Raspberry Pi 4 ohne Nutzung der USB 3.0 Schnittstelle. Nach 10 Minuten Last auf allen 4 CPU-Kernen kommt der Sensor im SoC auf über 80°C. Da die metallene Verkapselung die Hitze verteilt, entspricht das „hellrot“ etwa 75°C. Man erkennt deutlich, wie sich die Abwärme von der CPU ausgehend über die Platine ausdehnt.

Im Blogbeitrag „Ein Kühlturm für den Raspberry Pi 4“ erfahren Sie, wie man eine rein passive Kühlung auf Basis des Kupferzylinders aufbauen kann.

Der Beitrag Raspberry Pi 4 – Ein cooler Typ erschien zuerst auf ChatGPT, KI und Software auf dem Raspberry Pi.