Single-Board-Computer Raspberry Pi für Low-Power-Anwendungen

Mit dem Raspberry Pi steht ein preisgünstiger Mini-Computer zur Verfügung, der sich sowohl für Office- sowie Multimedia- und Internet-Anwendungen als auch für Aufgaben in der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik eignet. Wie man mit diesem Controller auch Low-Power-Anwendungen realisieren kann, zeigt dieser Beitrag.

Durch seine Universalität stellt sich der Raspberry Pi für Elektronikentwicklungen als eine vielseitig einsetzbare Plattform dar. Versorgt wird das System standardmäßig mit einem 5-V-Netzteil, welches laut Herstellervorgaben mindestens einen Strom von 500 mA liefern sollte, was darauf hindeutet, dass der Raspberry Pi im Vergleich zu typischen Mikrocontrollersystemen weitaus mehr Leistung benötigt. Mit welchen Methoden sich der Stromverbrauch reduzieren lässt und ob sich damit auch Low-Power-Anwendungen umsetzen lassen, ist auf jeden Fall einer Betrachtung wert, denn auch dezentrale Applikationen sind dann leichter zu realisieren. Leistungsbetrachtung ein wichtiger Faktor Für Elektronikprojekte, bei denen die Stromaufnahme eine wichtige Rolle spielt, ist das Modell A, welches über keinen LAN-Chip (LAN9512), nur über einen (statt zwei) USB-Ports sowie über 256 MB (statt 512 MB) verfügt, dem Modell B vorzuziehen ( Bild 1 ). Die genaue Stromaufnahme hängt natürlich davon ab, welche Applikationen bzw. Aufgaben ausgeführt werden, wobei die genannten Reduzierungen des Modell A allerdings bereits zu einem durchschnittlich 30 % niedrigeren Energieumsatz gegenüber dem Modell B führen. Angeschlossene Geräte wie eine Tastatur oder ein USB-Stick oder eine spezielle Elektronik tragen selbstverständlich ebenfalls zur Energieaufnahme bei, was bei der konkreten Anwendung mit zu berücksichtigen ist. Weitere Faktoren und Parameter, die den Stromverbrauch des reinen Raspberry-Pi-Systems bestimmen, sind der Typ des verwendeten Betriebssystems, die Höhe der Prozessorspannung und der Takte sowie die Effizienz der eingesetzten Spannungsregler, was demnach genauer zu untersuchen ist, denn die spezifizierten Leistungsangaben für die beiden Modelle von 3,5 W (Modell B) und 2,5 W (Modell A) sind für konkrete Leistungsberechnungen viel zu ungenau.

Auch wichtig: das passende Betriebssystem

Das verwendete Betriebssystem, also das, was an grundlegender Software aktiv ist, hat einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Stromaufnahme. Für Low-Power-Anwendungen empfiehlt es sich generell, nicht in eine grafische Oberfläche zu booten, sondern in der textbasierten (Konsolenmodus) zu arbeiten. In Tabelle 1 sind die wichtigen Eigenschaften für die vier bekanntesten Betriebssysteme, die auch auf der Internetpräsenz der Raspberry Pi Foundation (www.raspberrypi.org) zum Download zur Verfügung stehen, angegeben. Raspbian ist eine an den Raspberry Pi angepasste Version von Debian-Linux und das am häufigsten verwendete System, welches sich insbesondere für Einsteiger eignet, während Arch-Linux sich eher an die erfahreneren Anwender richtet, die weniger an den zahlreichen vorinstallierten Paketen interessiert sind, sondern das System individuell anpassen möchten (und können). Die Stromaufnahme liegt bei beiden Systemen etwa auf dem gleichen Niveau, beim Booten im schwankenden Bereich von 160 bis 200 mA und im Idle Mode (Standby) etwa bei 134 mA. Die Boot-Zeit beträgt bei Arch-Linux jedoch lediglich ca. 10 s, während Raspbian dreimal so lange dafür braucht. Im „ausgeschalteten“ Zustand ( sudo halt ) werden unter Raspbian 35 mA aufgenommen. Bei Arch-Linux führt sudo halt in einen nichtaktiven Modus, der eine Stromaufnahme von über 170 mA zur Folge hat. Mit shutdown -h now fährt jedoch auch Arch-Linux in den ausgeschalteten Zustand mit einer nur leicht höheren Stromaufnahme (36 mA) als Raspbian. Pidora, die angepasste Version von Fedora, war das erste System (als Fedora-18-Remix), welches explizit für den Raspberry Pi vorgesehen war, konnte sich aber wegen mangelnder Stabilität zunächst nicht gegen Raspbian durchsetzen, was sich mittlerweile mit Pidora jedoch zum Besseren gewendet hat, so dass auch hier ein Reststrom von 35 mA fließt, im Idle Mode 133 mA aufgenommen werden und der Bootvorgang nur noch 9 s dauert. RISC OS wurde - wie der Raspberry Pi - ursprünglich in Cambridge entwickelt und zwar für die Acorn-Computer (RISC) in den achtziger Jahren. Im Vergleich mit den aktuellen Linux-Systemen wirkt RISC OS recht schlicht und etwas nostalgisch. Weil hier viele der elementaren Funktionen per Drag and Drop auszuführen sind, wird dementsprechend die grafische Oberfläche und eine angeschlossene Maus benötigt, so dass sich dieses System, auch wegen einer Stromaufnahme von über 200 mA im Idle Mode, nicht für Low-Power-Embedded-Systeme eignet. Natürlich benötigt ein Embedded-System nicht zwangsläufig ein Betriebssystem, so dass auch die Möglichkeit besteht, den Raspberry Pi direkt mit einem Programm (Assembler, C) anzusprechen. Auch hierfür sind im Internet einige Beispiele zu finden, beispielsweise von David Welch (Raspberry Pi Bare Metal Examples) [4]. Die Stromersparnis im Vergleich zum Betrieb mit Pidora fällt nach eigenen Messungen allerdings nicht so drastisch aus wie zunächst vermutet. Im Standby-Modus beträgt der Unterschied ca. 10 mA, und beim Ablauf eines exklusiv laufenden Programms im Konsolenmodus fällt die Stromaufnahme, die durch die Systemroutinen verursacht wird, nicht merklich ins Gewicht.