Taifun Raspberry Pi

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Taifun Raspberry Pi

TAIFUN RASPBERRY PI
Verfasser/in: Philip Baumgartner, Pirmin Blumenthal, Thomas Candrian, Reto Fausch, David Spoerlé
Referent: Prof. Dr. Christian Thiel
Semesterarbeit an der FHS St.Gallen,
Hochschule für Angewandte Wissenschaften
2013
Verfasser:
Philip Baumgartner
Pirmin Blumenthal
Thomas Candrian
Reto Fausch
David Spoerlé
Dozent:
Prof. Dr. Christian Thiel
Eingereicht am:
07. Juli 2013
Titelbild
Eigene Darstellung, basierend auf
http://www.techhive.com/article/260933/easy_home_automation_projects_for_the_weekend_
warrior_part_one.html
Inhaltsverzeichnis
III
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ...............................................................................................................III
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................... V
Tabellenverzeichnis ............................................................................................................ V
1
Aufgabe 1 (Security) ......................................................................................................6
2
Aufgabe 2 (OWA) ...........................................................................................................8
3
4
2.1
Zurich Hazard .........................................................................................................8
2.2
Radardiagramm....................................................................................................12
Aufgabe 3 (HackThisSite) ...........................................................................................13
3.1
Mission 1 ..............................................................................................................13
3.2
Mission 2 ..............................................................................................................13
3.3
Mission 3 ..............................................................................................................13
3.4
Mission 4 ..............................................................................................................14
3.5
Mission 5 ..............................................................................................................15
3.6
Mission 6 ..............................................................................................................15
3.7
Mission 7 ..............................................................................................................16
TEIL 2: Raspberry Pi - Low Cost Monitoring And Home Automation (LCMAHA) ...17
4.1
Aufgabenstellung..................................................................................................17
4.2
Projekt Raspberry Pi ............................................................................................17
4.3
Projektübersicht....................................................................................................17
4.3.1 Verbaute Hardware ...................................................................................17
4.3.2 Hardware Hauptsystem.............................................................................18
4.3.3 Hardware Satellit .......................................................................................18
4.4
Verkabelung .........................................................................................................18
4.5
Verbaute Standardkomponenten ..........................................................................20
4.5.1 Modul-bus RD30 .......................................................................................20
4.5.2 Conrad 8fach Relaisboard ........................................................................21
4.5.3 Raspberry Pi .............................................................................................21
4.5.4 Yocto-Meteo-Modul ...................................................................................22
4.6
Platine Eigenentwicklung ......................................................................................22
4.6.1 Pinout GPIO-Port ......................................................................................22
4.7
Software ...............................................................................................................24
4.8
Installation RPi Grundsystem ...............................................................................24
Taifun Raspberry Pi
Inhaltsverzeichnis
IV
4.8.1 OS Installieren ..........................................................................................24
4.8.2 Software installieren ..................................................................................24
4.9
Software Konfigurieren .........................................................................................25
4.9.1 VNC ..........................................................................................................25
4.9.2 Webmin.....................................................................................................26
4.9.3 MySQL ......................................................................................................26
4.9.4 proftpd ......................................................................................................27
4.9.5 Yocto ........................................................................................................27
4.9.6 Webcams ..................................................................................................27
4.9.7 RS232 aktivieren.......................................................................................27
4.9.8 CRON .......................................................................................................28
4.9.9 Samba ......................................................................................................28
4.9.10 Allgemeines ..............................................................................................28
4.9.11 Startup-Einstellungen ................................................................................28
Taifun Raspberry Pi
Abbildungsverzeichnis
V
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Radardiagramm mit den Risiken der Erweiterung der Mailinfrastruktur. ...................12
Abb. 2: Taifun Projektüberblick. ............................................................................................19
Abb. 3: Sensorkarte..............................................................................................................21
Abb. 4: Relaiskarte. ..............................................................................................................21
Abb. 5: Yocto-Meteo-Modul. .................................................................................................21
Abb. 6: Raspberry Pi. ...........................................................................................................21
Abb. 7: Pinout GPIO-Port. ....................................................................................................22
Abb. 8: Platinenlayout eigener Konverter RS232. .................................................................23
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Angriffsvektoren. ........................................................................................................7
Tab. 2: Risiken und Massnahmen für die Erweiterung der Mailinfrastruktur..........................11
Tab. 3: Impressionen der Verkabelung im IT-Labor. .............................................................20
Tab. 4: Verwendete Komponente .........................................................................................23
Taifun Raspberry Pi
Kapitel 1: (…)
1 (…)
2 (…)
3 (…)
Taifun Raspberry Pi
6
Kapitel 4: TEIL 2: Raspberry Pi - Low Cost Monitoring And Home Automation (LCMAHA)
4 TEIL 2: Raspberry Pi - Low Cost Monitoring And Home
Automation (LCMAHA)
In diesem Kapitel wird das durch die Projektteam erstellte „Low Cost Monitoring and Home
Automation“-System erläutert.
4.1 Aufgabenstellung
Im Rahmen des Unterrichts Informatik Grundlagen (ITGI) an der FHS St.Gallen können die
Projektteams ein beliebiges Informatikprojekt erarbeiten. Das Projektteam hat sich zum Ziel
gesetzt, ein um den Raspberry Pi herum konstruiertes Überwachungs- und Kontrollsystem
für zu Hause zu erstellen.
4.2 Projekt Raspberry Pi
Als im Jahr 2006 das Projekt Raspberry Pi ins Leben gerufen wurde, konnte noch niemand
ahnen wohin sich dieses Projekt entwickeln würde. Nicht einmal ein Jahr nach Verkaufsstart,
verkündete die Raspberry Foundation, dass die Millionste Platine verkauft wurde.
Eine weitreichende Palette an umgesetzten Projekten zeugt von der Innovationsfähigkeit der
Enduser. Vom “Raspberry Pi in the Sky”, welches Orbitalaufnahmen machte, bis hin zum
Siri-gesteuerten Garagentüröffner lassen sich extrem viele verschiedenartige Projekte
realisieren.
4.3 Projektübersicht
4.3.1
Verbaute Hardware
Mit dem Ziel eine möglichst günstige Heimautomatisierung sinnvoll umzusetzen, hat sich die
Gruppe auf die Suche nach sinnvollen Komponenten gemacht. Es sei hier erwähnt, dass
diese Art der Automatisierung hardwareseitig fortgeschrittene Fähigkeiten in Elektrotechnik
erfordert, um hier eine sichere Installation zu gewährleisten. Nicht nur die Hardwareseite
erfordert spezifische Fachkenntnisse, sondern auch die Softwareseite dieses Projektes ist
nicht zu unterschätzen. Weitere Details dazu sind im Teil “Software” zu finden.
Hardwareseitg ist das Projekt in zwei Teilbereiche aufgeteilt:

Hauptsystem, bei dem die Hauptkomponente fix auf einer Leimholzplatte montiert
und verlötet sind.

Satellitensystem, das separat installiert wird.
Taifun Raspberry Pi
4.3.2
Hardware Hauptsystem

Lautsprecher

Radio

Lüfter

2 x Lampen

Kaffeemaschine

Relaisboard mit 8x 230V Ausgang

2 x Monitor

Raspberry Pi

USB-Hub

2 x Webcams

Yocto-Meteomodul

Tastatur/Maus

LED mit Elektronik

RS232-Pegelkonverter (mit MAX3232CPE IC)

Sensorboard RD30 (24 & 6 potenzialfreie Eingänge)

Materialien zur Verkabelung IT-Labor (Simulation „Home“)
4.3.3
Hardware Satellit

Raspberry Pi

Yocto-Meteomodul
4.4 Verkabelung
Alle Fenster, sowie die beiden Türen (Eingang und Türe zum Serverraum) wurden im Verlauf
des Projekts verkabelt. Hierzu wurden ungefähr 80 Meter Kabel verlegt. Um zu erfahren, ob
das Fenster offen ist platzierte die Projektgruppe an den Fensterrahmen zwei kleine Streifen
aus Aluminiumfolie und am Fenster einen grösseren Streifen. Die Alufolie ist mit
doppelseitigem Klebeband am Fensterrahmen angebracht. Wenn nun das Fenster
geschlossen wird schliesst die Alufolie am Fenster den Stromkreis am Fensterrahmen und
signalisiert somit, dass das Fenster geschlossen ist.
Alle verbundenen Kabel kommen bei einer Sensorkarte mit 24 Eingängen an, welche von
der Applikation auf dem Rasberry Pi überwacht wird. Für jedes Fensterpaar sind andere
Kabelfarben verwendet worden, um den Debugprozess zu vereinfachen.
Die folgende Abbildung (Abb. 2) stellt einen Überblick der Verkabelung und der verwendeten
Komponente dar.
Taifun Raspberry Pi
Abb. 2: Taifun Projektüberblick.
Quelle: eigene Darstellung.
In der folgenden Tabelle (Tab. 3) sind ein paar Impressionen der Verkabelung aufgezeigt.
Taifun Raspberry Pi
Tab. 3: Impressionen der Verkabelung im IT-Labor.
4.5 Verbaute Standardkomponenten
Nachfolgend sind die wichtigsten Bauteile der Konstruktion näher beschrieben.
4.5.1
Modul-bus RD30
Mit der Sensorkarte RD30 ist das Raspberry Pi in der Lage, bis zu 24 Eingänge simultan zu
überwachen. In der aktuellen Ausbauphase sind 12 Eingänge belegt.
Das RD30 fragt bis zu 30 Schalter oder Kontakte ab und meldet Änderungen über die
serielle Schnittstelle an den PC. Die ersten 24 Eingänge sind auf Masse bezogen, 6 weitere
sind über Optokoppler isoliert. Die massebezogenen Eingänge belegen jeweils eine
Klemme. Über größere Schraubklemmen steht viermal Masse (GND) zur Verfügung. Die
isolierten Eingänge belegen jeweils zwei Klemmen. Hier muss eine Spannung im Bereich
von 5 V bis 24 V angeschlossen werden, um einen Eingang zu aktivieren. Es existieren
Kommandos zum direkten Abfragen aller Eingänge.
Taifun Raspberry Pi
Abb. 3: Sensorkarte.
Quelle: http://www.ak-modulbus.de/cat/images/products/dr300.gif.
4.5.2
Abb. 4: Relaiskarte.
Quelle:
http://www.conrad.ch/medias/global/ce/9000_9999/96
00/9670/9677/967720_LB_01_FB.EPS_1000.jpg.
Conrad 8fach Relaisboard
Die Relaiskarte enthält acht Relais mit Wechselkontakt. Damit können elektrische Stromkreise geschaltet werden. Die Relaisbelastbarkeit beträgt 230V/AC, 16A. Die Relaiskarte wird
über eine serielle RS232-Schnittstelle angesteuert. Der Anschluss erfolgt über ein 9-poliges
Nullmodemkabel. Um die Relaiskarte über USB betreiben zu können, wurde ein RS232USB-Converter angebracht.
Über das Relaisboard kann das RPi LCMAHA Schalter an und ausschalten. Dies ist eine der
zentralen Komponenten dieser Installation, da neben dem Radio auch die Kaffeemaschine
und Kaffeemaschinenprogramme angesteuert werden.
Abb. 5: Yocto-Meteo-Modul.
Quelle:
http://www.yoctopuce.com/projects/yoctometeo/img/illu
str-yocto-meteo-big.jpg
4.5.3
Abb. 6: Raspberry Pi.
Quelle:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commo
ns/thumb/3/3d/RaspberryPi.jpg/300pxRaspberryPi.jpg
Raspberry Pi
Ursprünglich als kostengünstiges Tool für erste Programmiererfahrungen gedacht, wandelte
sich das Raspberry Pi zum polyvalent einsetzbaren Hardware-Gadget welches Träume
antreiben kann.
Taifun Raspberry Pi
Mit 512 MB RAM, einem ARM A7 Prozessor mit 700MHz und einem integrierten HDMI
Anschluss bietet die Plattform günstige Entwicklungsbedingungen. Als Basis für das
LCMAHA-Projekt dient das Linuxderivat Debian, ergänzt um einige zusätzliche Tools.
4.5.4
Yocto-Meteo-Modul
Über das Yocto-Meteo-Modul kann LCMAHA die aktuellen Umgebungsdaten abrufen. Neben
Temperatur sind dies relative Luftfeuchtigkeit und Umgebungsdruck.
4.6 Platine Eigenentwicklung
Das Raspberry Pi bietet einen General Purpose Input Output an, welches unter anderem
auch einen RS232-Anschluss bietet. Die selbsterstellte Platine erweitert den RS232-Port mit
einem RS232-Treiberbaustein MAX3232CPE von den 3.3-Volt-Schnittstellen auf die
erforderlichen 5V, wobei dies mittels einer integrierten Elektronenpumpe geschieht, also
keine zusätzliche Spannungsquelle nötig ist. Die restlichen Ein-/Ausgänge werden als
Ausgänge für LEDs oder als Eingänge verwendet, wobei von den Eingängen derzeit nur
INPUT2 benutzt ist (nur dieser hat einen integrieren Pull-Up-Wiederstand von 10kOhm).
4.6.1
Pinout GPIO-Port
Abb. 7: Pinout GPIO-Port.
Taifun Raspberry Pi
Erstellt wurde die Platine mit einem Rochrasterlayout. Das folgende Diagramm zeigt den
Ausbau, wobei die Pull-Ups und die Schutzwiederstände nicht verlötet wurden. Dafür wurden
die RS232-Pins zusätzlich über ein Widerstand und eine Leuchtdiode nach Masse
geschaltet, damit man eine optische Kontrolle der Schnittstelle hat.
Abb. 8: Platinenlayout eigener Konverter RS232.
Quelle: eigene Darstellung, eigene Entwicklung.
Zur Umsetzung dieser Struktur wurden folgende Komponenten verwendet:
Anzahl
Artikel
1
Raspberry Pi Model B
1
HARTPAPIER PLATINE 11 90 X 50 X 1.6MM
1
IC MAX 3232 CPE 16 DIP MAX USB TO RS232 CONVERTER IC
1
HARTPAPIER Lochrasterplatine, Streifenbeschaltet
5
0.1uF Kondensatoren
div.
Wiederstände und LED (siehe Layoutplan)
Tab. 4: Verwendete Komponente
Quelle: eigene Darstellung
Taifun Raspberry Pi
4.7 Software
Wie bereits in der Hardwarebeschreibung aufgeführt, sind auch in diesem Bereich fundierte
Kenntnisse der Skriptsprache PHP notwendig.
4.8 Installation RPi Grundsystem
Basen der Installation bildet das Raspberry Pi in Kombination mit dem OS Raspbian – die
genaue Vorgehensweise ist im nachfolgenden Kapitel weiter ausgeführt.
4.8.1
OS Installieren
Die Installation des Betriebssystem ist denkbar einfach, auf der offiziellen Projekthomepage
(www.raspberrypi.org) sind alle notwendigen Images und Tools bereits zum Download zur
Verfügung gestellt. Das OS Raspian basiert auf Debian, zusätzlich sind einige DeveloperFeatures installiert.
Nachdem die benötigten Pakete heruntergeladen sind, kann das Raspian Image über den
Win32 Disk Imager auf eine 4GB SD Karte geladen werden. Beim ersten Boot des Systems
erfolgt die Initialkonfiguration automatisch. Über die Konsole werden als erstes dann die
Updates eingespielt
sudo aptitude update
sudo aptitude upgrade
4.8.2
Software installieren
Die Software baut auf einem LAMP-Stack auf, ergänzend wurde Software wie VNC, MPlayer
oder ProFTP installiert. Das Endresultat ist eine Weboberfläche, die Interaktionen mit allen
involvierten Geräten ermöglicht.
aptitude install –y chkconfig mysql-server php5 apache2 proftpd mc
htop wget curl mc zip unzip htop p7zip-full p7zip php5-cli php5mysql samba libapache2-mod-php5 mysql-client phpmyadmin perl libnetssleay-perl openssl libauthen-pam-perl libpam-runtime libio-pty-perl
apt-show-versions python mplayer tightvncserver postfix
proftpd: als standalone starten (xinetd ist nicht vorhanden!)
mysql: Passwort pi setzen
postfix: Internet, [email protected]
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4.9 Software Konfigurieren
4.9.1
VNC
Virtual Network Computing, kurz VNC, ist eine Software, die den (virtuellen) Bildschirminhalt
des Pis auf einem lokalen Rechner (Client) anzeigt und im Gegenzug Tastatur- und
Mausbewegungen des lokalen Rechners an den entfernten Rechner sendet. Damit kann
man auf einem entfernten Rechner arbeiten, als sässe man direkt davor.
nano /etc/init.d/vncboot
danach folgendes per copy und paste (im Putty reicht Rechtsklick) einfügen:
### BEGIN INIT INFO
# Provides: vncboot
# Required-Start: $remote_fs $syslog
# Required-Stop: $remote_fs $syslog
# Default-Start: 2 3 4 5
# Default-Stop: 0 1 6
# Short-Description: Start VNC Server at boot time
# Description: Start VNC Server at boot time.
### END INIT INFO
#! /bin/sh
# /etc/init.d/vncboot
USER=root
HOME=/root
export USER HOME
case "$1" in
start)
echo "Starting VNC Server"
#Insert your favoured settings for a VNC session
tightvncserver :0 -geometry 1920x1080 -depth 24
;;
stop)
echo "Stopping VNC Server"
tightvncserver -kill :0
;;
*)
echo "Usage: /etc/init.d/vncboot {start|stop}"
exit 1
;;
esac
exit 0
chmod 755 /etc/init.d/vncboot
update-rc.d vncboot defaults
/etc/init.d/vncboot start
User: pi / Passwort: raspberry
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4.9.2
Webmin
Webmin
(Kunstwort
aus
Web-Administration)
ist
ein
freies
Programmpaket
zur
Fernverwaltung eines Rechners mit einem Unix-artigen Betriebssystem. Es vereinfacht die
Administration des Systems. Es muss aber von Hand installiert werden, da es leider nicht in
den offiziellen Repos drin ist.
cd /tmp
mkdir webmin
cd webmin
wget http://prdownloads.sourceforge.net/webadmin/webmin-1.620.tar.gz
#Dauert eine Weile, keine Ausgabe!!!!
tar xf webmin-1.620.tar.gz
cd webmin-1.620
./setup.sh /usr/local/webmin
Web server port (default 10000):
Login name (default admin): pi
Login password: pi
Password again: pi
Use SSL (y/n): n
Start Webmin at boot time (y/n): y
rm webmin-1.620.tar.gz
User: pi / Passwort: pi
4.9.3
MySQL
MySQL
ist
eines
der
weltweit
am
weitesten
verbreiteten
relationalen
Datenbankverwaltungssysteme. Es wird benötigt, um die Messwerte und die Konfiguration
abzuspeichern.
vi /etc/mysql/my.cnf
#Auskommentieren zu:
#bind-address
skip-name-resolve
Taifun Raspberry Pi
= 127.0.0.1
mysql –uroot -ppi
update mysql.user set host='%' where host = 'raspberrypi';
FLUSH privileges;
User: root / Passwort: pi
4.9.4
proftpd
ProFTPD (Abkürzung für Pro FTP Daemon) ist ein freier FTP-Server, der auf UnixBetriebssystemen läuft. Er gehört zu den am häufigsten verwendeten FTP-Servern unter
Unix-Betriebssystemen. Es wird verwendet, um auf Dateien zuzugreifen.
dpkg-reconfigure proftpd-basic
4.9.5
Yocto
Das Yocto-Meteo-Modul kommt mit einer speziellen Software, VirtualHub genannt, die den
Zugriff auf die Geräte via HTTP erlaubt. Zum Einbinden der Software muss diese
heruntergeladen und installiert werden.
cd /tmp
wget
http://www.yoctopuce.com/FR/downloads/VirtualHub.linux.11167.zip
unzip VirtualHub.linux.11167.zip
cp armel/VirtualHub /usr/sbin/
cp startup_script/yVirtualHub /etc/init.d/
cd /etc/init.d/
/etc/init.d/yVirtualHub start
chkconfig yVirtualHub 2345
4.9.6
Webcams
In Erinnerung an die Ursprünge der Webcam überwacht eine der besagten die
Kaffeemaschine. Weitere Funktionsbeschriebe sind hier vermutlich nicht notwendig.
4.9.7
RS232 aktivieren
Der Pi verwendet die integrierte serielle Schnittstelle als Kerneldebugger und als remote
Terminal das verhindert die Nutzung für andere Zwecke. Darum muss das deaktiviert
werden.
cp /boot/cmdline.txt /boot/cmdline_backup.txt
Taifun Raspberry Pi
/boot/cmdline.txt
# I deleted the two parameters involving the serial port (ttyAMA0)
nano /etc/inittab
#I commented out the following line:
#TO:23:respawn:/sbin/getty -L ttyAMA0 115200 vt100
4.9.8
CRON
Cron führt Befehle zeitgesteuert aus. Dies ist nötig, um alle Aktionen des Systems minütlich
auszufühen.
crontab -l > /tmp/crontab
nano /tmp/crontab
echo '* * * * * php /var/www/index.php --action=50' >> /tmp/crontab
crontab /tmp/crontab
4.9.9
Samba
Samba ist eine freie Software-Suite, die das Microsoft-Server-Message-Block-Protokoll
(SMB) für Unix-Systeme verfügbar macht. Dieses Netzwerkprotokoll wird manchmal auch als
Common Internet File System (CIFS), LAN-Manager- oder NetBIOS-Protokoll bezeichnet. Es
vereinfacht das Development des Systems enorm.
4.9.10 Allgemeines
Allgemeine Einstellungen, die für den Betrieb nötig sind:
chmod 777 /var/www –R
usermod -a -G dialout www-data
chmod 777 /sys/class/gpio -R
nano /etc/rc.local
vor dem exit einfügen:
/var/startup.sh
4.9.11 Startup-Einstellungen
Startup-Script, dass die Schnittstellen initialisiert.
nano /var/startup.sh
Taifun Raspberry Pi
echo Init Port "3" as Input
sudo echo "3" > /sys/class/gpio/export
sudo chmod 777 /sys/class/gpio -R
sudo chmod 777 /sys/devices/virtual/gpio/ -R
sudo echo "in" > /sys/class/gpio/gpio3/direction
echo Init Port "18" as Output
sudo echo "out" > /sys/class/gpio/gpio18/direction
sudo echo "0" > /sys/class/gpio/gpio18/value
Taifun Raspberry Pi
Taifun Raspberry Pi
chmod 777 /dev/ttyAMA0
chmod 777 /dev/ttyUSB0
Taifun Raspberry Pi
stty -F /dev/ttyAMA0 ignbrk -icanon -iexten -echo -echoe
stty -F /dev/ttyUSB0 ignbrk -icanon -iexten -echo –echoe
amixer cset numid=3 1
chmod 777 /var/startup.sh
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