Solar Observatory: 11 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Mekkora a Föld tengelyének dőlése? Milyen szélességi fokon vagyok?

Ha gyorsan szeretné megtalálni a választ, forduljon a Google -hoz vagy az okostelefon GPS -alkalmazásához. De ha van Raspberry Pi, fényképezőgép modulja és körülbelül egy év, hogy néhány megfigyelést tegyen, akkor maga határozhatja meg a válaszokat ezekre a kérdésekre. Ha rögzített helyre állít be egy napelemes szűrővel ellátott kamerát, és a Pi -vel minden nap ugyanabban az időben készít képeket, akkor sok adatot gyűjthet a nap égbolton keresztül vezető útjáról, és ezáltal a Föld körüli útjáról a nap. Ebben az Instructable -ben megmutatom, hogyan készítettem saját napkollektorát 100 dollár alatt.

Mielőtt azonban messzebbre mennénk, meg kell jegyeznem, hogy még csak két hónapja vagyok az egyéves kísérletemnek, így nem tudom beírni a végeredményt. Mindazonáltal megoszthatom tapasztalataimat a projekt építésével kapcsolatban, és remélhetőleg ötletet adhatok Önnek a saját építésének módjáról.

Bár ez egyáltalán nem nehéz, ez a projekt lehetőséget nyújt számos különböző készség gyakorlására. Legalább képesnek kell lennie arra, hogy a Raspberry Pi -t a kamerához és a szervóhoz csatlakoztassa, és képesnek kell lennie bizonyos szintű szoftverfejlesztésre, hogy kinyerje az adatokat az elkészített képekből. Alapvető famegmunkáló eszközöket és 3D nyomtatót is használtam, de ezek nem döntőek ebben a projektben.

Azt is leírom, hogy milyen hosszú távú adatgyűjtési erőfeszítéseket vállaltam, és hogyan fogom az OpenCV-t felhasználva több száz képet numerikus adatmá alakítani, amelyeket egy táblázat segítségével vagy a választott programozási nyelvvel lehet elemezni. Bónuszként a művészi oldalunkra is rátérünk, és érdekes vizuális képeket tekintünk meg.

1. lépés: Tldr; Rövid utasítások

Ez az Instructable egy kicsit a hosszú oldalon van, így a kezdéshez itt vannak a csupasz csontok, nincsenek további részletek.

1. Szerezzen be egy Raspberry Pi -t, kamerát, szervót, relét, napelemes fóliát, fali szemölcsöket és különféle hardvereket
2. Csatlakoztassa az összes hardvert
3. Állítsa be a Pi -t, és írjon néhány egyszerű szkriptet a képek készítéséhez és az eredmények mentéséhez
4. Építsen projektdobozt, és szerelje be az összes hardvert
5. Keressen egy helyet a projekt elhelyezéséhez, ahol láthatja a napot, és nem fog ütközni vagy lökdösődni
6. Tedd ide
7. Kezdje el fényképezni
8. Néhány naponként helyezze át a képeket egy másik számítógépre, hogy ne töltse fel az SD -kártyát
9. Kezdje el az OpenCV tanulását, hogy adatokat nyerhessen ki képeiből
10. Várj egy évet

Ez a projekt dióhéjban. Most olvassa tovább, ha további részleteket szeretne megtudni ezekről a lépésekről.

2. lépés: Háttér

Az emberek már régóta figyelik a napot, a holdat és a csillagokat, mióta körül vagyunk, és ez a projekt nem valósít meg semmit, amit őseink nem tettek meg évezredekkel ezelőtt. De ahelyett, hogy botot helyeznénk a talajba, és sziklákkal jelölnénk meg az árnyékok helyét a legfontosabb időpontokban, inkább Raspberry Pi -t és kamerát használunk, és mindezt otthonunk kényelméből. Ez a projekt ezer év múlva nem lesz turisztikai helyszín, de a pozitív oldalon az sem kell, hogy gigantikus sziklák helyére kerüljön.

A projekt általános elképzelése az, hogy irányítsa a kamerát az égbolt egy meghatározott helyére, és minden nap ugyanabban az időben készítsen képeket. Ha megfelelő szűrő van a fényképezőgépen és megfelelő a zársebesség, akkor éles, jól definiált képe lesz a nap korongjáról. Ezen képek segítségével virtuális botot helyezhet a földbe, és megtudhat néhány érdekes dolgot.

Annak érdekében, hogy kezelhető legyen az Instructable mérete, csak a Föld tengelyének dőlésszögének és a képek készítésének szélességének meghatározásával foglalkozom. Ha a megjegyzések részben elegendő érdeklődés mutatkozik, akkor egy további cikkben beszélhetek néhány más dologról, amelyeket a napenergia-megfigyelőközpontból tanulhat.

Tengelyirányú dőlés A szög a nap között, amely a legtávolabbi északi és a legdélebbi nap között van, megegyezik a Föld tengelyének dőlésével. Lehet, hogy az iskolában megtanulta, hogy ez 23,5 fok, de most ezt saját megfigyeléseiből fogja tudni, és nem egyszerűen egy tankönyvből.

Most, hogy ismerjük a Föld tengelyének dőlését, vonjuk le azt a nap útjának az év leghosszabb napján történt emelkedéséből, hogy megtudjuk jelenlegi tartózkodási helyének szélességét.

Nyilvánvalóan sokkal pontosabban és gyorsabban találhatná meg ezeket az értékeket, de ha Ön az a típus, aki olvassa az Instructables -t, akkor tudja, hogy nagy elégedettséggel jár, ha maga csinálja. Ennek a projektnek az a lényege, hogy tényeket tanulhat a körülöttünk lévő világról, csupán néhány egyszerű, közvetlen megfigyelés és közvetlen matematika segítségével.

3. lépés: Szükséges összetevők

Bár ezt az egész projektet megtehetné egy megfelelően drága és divatos kamerával, nekem nincs ilyen. Ennek a projektnek az volt a célja, hogy kihasználjam azt, amit a korábbi projektjeimből kaptam. Ez tartalmazott egy Raspberry Pi -t, kamera modult és az alább felsorolt egyéb elemek nagy részét, bár néhányért el kellett mennem az Amazon -ra. A teljes költség, ha mindent meg kell vásárolnia, körülbelül 100 USD lesz.

• Raspberry Pi (bármelyik modell megteszi)
• Raspberry Pi kamera modul
• Hosszabb szalagkábel a fényképezőgéphez (opcionális)
• Vezeték nélküli hardverkulcs
• Szabványos szervó
• 5V relé
• Tápellátású USB hub
• Tápkábel és hosszabbító kábel
• Napfólia lap
• Fűrészáru, műanyag, HDPE stb
• Hullámosított projekt tábla

A Monoprice 3D nyomtatómat is használtam, de ez kényelem volt, és nem szükségszerűség. Egy kis kreativitás az Ön részéről lehetővé teszi, hogy kitalálja a megfelelő módot arra, hogyan boldoguljon anélkül.

4. lépés: A Raspberry Pi konfigurálása

Beállít

Itt nem részletezem részletesen, és feltételezem, hogy Ön elégedett az operációs rendszer Pi -re történő telepítésével és konfigurálásával. Ha nem, akkor rengeteg erőforrás található a weben az induláshoz.

Itt vannak a legfontosabb dolgok, amelyekre figyelni kell a telepítés során.

• Győződjön meg arról, hogy a WiFi újraindul, amikor a Pi újraindul
• A projekt valószínűleg nem megfelelő helyre lesz telepítve, így nem kell monitorhoz és billentyűzethez kötni. Az ssh & scp -t elég gyakran használhatja annak beállításához és a képek másolásához egy másik számítógépre.
• Ügyeljen arra, hogy engedélyezze az automatikus bejelentkezést az ssh-n keresztül, hogy ne kelljen minden alkalommal manuálisan megadnia jelszavát
• Sokan csatlakoztatják a fényképezőgépet, de elfelejtik engedélyezni
• Fejetlenül fog futni, így nem kell a rendszer erőforrásait X szerver futtatására költeni
• Telepítse a gpio csomagot az apt-get vagy hasonló használatával
• Állítsa be az időzónát UTC -re. Minden nap ugyanabban az időben szeretné képeit készíteni, és nem szeretné, ha a nyári időszámítás megdöntené. A legegyszerűbb az UTC használata.

Itt az ideje, hogy kísérletezzen a kamera modullal. Használja a „raspistill” programot néhány kép készítéséhez. Kísérletezzen a parancssori beállításokkal is, hogy megtudja, hogyan szabályozható a zársebesség.

Hardver interfészek

A kamera modul saját dedikált szalagkábeles interfésszel rendelkezik, de a GPIO csapokat használjuk a relé és a szervó vezérlésére. Ne feledje, hogy két különböző számozási rendszer létezik a közös használatban, és könnyen összezavarható. Inkább a „-g” opciót használom a gpio parancshoz, így használhatom a hivatalos PIN-számokat.

A csapok kiválasztása eltérő lehet, ha a Pi modelltől eltérő modellt használ, mint amit én használok. Tekintse meg az adott modell pinout diagramjait.

• 23. láb - Digitális kimenet a reléhez Ez a jel bekapcsolja a relét, amely áramot szolgáltat a szervónak
• 18. pin - PWM a szervóhoz A szervo helyzetét impulzusszélesség modulációs jel vezérli
• Földelés - Bármilyen földelt csap elegendő

Lásd a csatolt shell parancsfájlokat ezen csapok vezérléséhez.

Megjegyzés: Az ezen a webhelyen található feltöltési párbeszédpanel kifogásolta a „.sh” végű fájlok feltöltésére tett kísérleteimet. Így átneveztem őket.notsh kiterjesztéssel, és a feltöltés jól sikerült. Használat előtt valószínűleg át szeretné nevezni őket „.sh” névre.

crontab

Mivel ötpercenként szeretnék képeket készíteni körülbelül 2,5 óra alatt, a crontabot használtam, amely egy rendszer segédprogram ütemezett parancsok futtatásához, még akkor is, ha nincs bejelentkezve. Ennek szintaxisa kissé nehézkes, ezért használja a az Ön által választott keresőmotor, hogy részletesebb információkat kapjon. A crontab megfelelő sorai csatolva vannak.

Ezek a bejegyzések a következők: a) ötpercenként készítenek képet a szolár szűrővel a helyükön, és b) várnak néhány órát, és készítenek pár képet szűrő nélkül.

5. lépés: Projektdoboz

Valóban fukarkodok az ebben a részben található utasításokkal, és a saját fantáziádra bízom. Ennek oka az, hogy minden telepítés más lesz, és attól függ, hogy hol telepíti a projektet, és milyen anyagokkal dolgozik.

A projektdoboz legfontosabb szempontja, hogy úgy kell elhelyezni, hogy ne mozogjon könnyen. A fényképezőgép nem mozdulhat, ha elkezdi fényképezni. Ellenkező esetben szoftvert kell írnia a képregisztráció elvégzéséhez, és az összes képet sorba kell állítania. Jobb, ha van fix platformja, így nem kell ezzel a problémával foglalkoznia.

A projektdobozomhoz 1/2 "MDF -et, egy kis darab 1/4" rétegelt lemezt, 3D nyomtatott keretet használtam a kamera kívánt szögben tartásához, és néhány fehér hullámosított projektlapot. Ez az utolsó darab a 3D nyomtatott keret elé kerül, hogy megvédje a közvetlen napfénytől, és elkerülje az esetleges vetemedési problémákat.

A doboz hátulját és tetejét nyitva hagytam, hátha el kell jutnom az elektronikához, de ez még nem történt meg. Már hét hete működik, anélkül, hogy bármilyen javításra vagy módosításra lenne szükségem.

Mozgatható szűrő

A projektdoboz egyetlen része, amely némi magyarázatot érdemel, a mozgatható karú szervó.

A szokásos Raspberry Pi kamera modul nem működik olyan jól, ha csak a nap felé irányítja és lefényképezi. Bízz bennem ebben … próbáltam.

Ahhoz, hogy használható képet kapjunk a napról, szolár szűrőt kell elhelyezni az objektív elé. Valószínűleg drága, előre elkészített szűrőket vásárolhat ehhez, de én készítettem egy kis napelemes fólia és egy 1/4 -os HDPE darab felhasználásával, kör alakú lyukkal vágva. A szolárfilm megvásárolható a Amazon körülbelül 12 dollárért. Visszatekintve, sokkal kisebb darabot rendelhettem volna, és spórolhatnék egy kis pénzt. Ha van néhány régi napfogyatkozású szemüvege, amelyek használaton kívül helyezkednek el, akkor lehet, hogy levágja az egyik lencsét, és készíthet megfelelő szűrőt.

A szűrő mozgatása

Míg a legtöbb elkészített kép a szűrő behelyezésekor lesz, akkor a nap többi időszakában is szeretne képeket kapni, amikor a nap nincs a keretben. Ezeket fogja használni háttérképként a szűrt napfények átfedéséhez. Felépítheted úgy, hogy manuálisan mozgatod a szűrőt, és elkészíted ezeket a háttérképeket, de volt egy extra szervóm, és automatizálni akartam ezt a lépést.

Mire való a relé?

A Pi PWM jelek generálása és az általam használt alacsony kategóriájú szervó között volt idő, hogy mindent bekapcsolok, és a szervó csak ül és "fecseg". Vagyis nagyon apró lépésekben halad előre -hátra, miközben megpróbálta megtalálni a Pi által pontosan elfoglalt pozíciót. Emiatt a szervó nagyon felforrósodott, és bosszantó hangot adott. Ezért úgy döntöttem, hogy egy relét használok a szervó áramellátására csak a napi két alkalommal, amikor szűretlen képeket szeretnék készíteni. Ehhez szükség volt egy másik digitális kimeneti tüske használatára a Pi -n, hogy biztosítsa a vezérlőjelet a relének.

6. lépés: Áramellátás

Ebben a projektben négy elemre van szükség:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi hardverkulcs (ha későbbi Pi modellt használ beépített Wi-Fi-vel, erre nincs szükség)
3. 5V relé
4. Szervo

Fontos: Ne próbálja a szervót közvetlenül a Raspberry Pi 5 V -os csatlakozójáról táplálni. A szervó nagyobb áramot vesz fel, mint amennyit a Pi képes biztosítani, és helyrehozhatatlan kárt okoz a táblában. Ehelyett használjon külön áramforrást a szervó és a relé táplálására.

Amit tettem, az egyik 5 V -os fali szemölcsöt használtam a Pi tápellátására, a másikat pedig egy régi USB -hub áramellátására. Az elosztó a Wi-Fi-kulcs csatlakoztatására, valamint a relé és a szervo áramellátására szolgál. A szervónak és a relének nincs USB csatlakozója, ezért vettem egy régi USB -kábelt, és levágtam a csatlakozót a készülék végéről. Ezután lehúztam az 5 V -os és a földelő vezetékeket, és csatlakoztattam a reléhez és a szervóhoz. Ez áramforrást biztosított ezeknek az eszközöknek anélkül, hogy veszélyeztetné a Pi -t.

Megjegyzés: A Pi és a külső komponensek nem teljesen függetlenek. Mivel a Pi -ből vezérlőjelek érkeznek a reléhez és a szervóhoz, rendelkeznie kell földi vonallal is, amely visszavezeti ezeket az elemeket a Pi -hez. Van is USB-kapcsolat a hub és a Pi között, hogy a wi-fi működjön. Egy villamosmérnök valószínűleg megborzongna a földhurkok és egyéb elektromos balesetek lehetőségétől, de mindez működik, így nem fogok aggódni a mérnöki kiválóság hiánya miatt.:)

7. lépés: Összerakás

Miután az összes alkatrészt csatlakoztatta, a következő lépés a szervó, a redőnykar és a kamera felszerelése a szerelőlapra.

A fenti képen látható a redőny karja a helyzetben (mínusz a napfilm, amelyet még nem ragasztottam fel). A redőnykar 1/4 hüvelykes HDPE -ből készül, és a szervóhoz mellékelt szabványos agyak egyikével van rögzítve.

A másik képen a szerelőlap hátulja látható, valamint a szervó és a kamera rögzítése. Miután elkészült ez a kép, újraterveztem a fehér darabot, amelyet lát, hogy a fényképezőgép lencséje közelebb kerüljön a redőny karjához, majd újra zöldre nyomtam. Ezért más képeken a fehér rész nincs jelen.

Az óvatosság szava

A kameramodul egy nagyon apró kis szalagkábellel rendelkezik a táblán, amely összeköti a tényleges kamerát az elektronika többi részével. Ez a kis csatlakozó bosszantóan hajlamos gyakran kiugrani az aljzatból. Amikor kiugrik, a raspistill jelenti, hogy a kamera nincs csatlakoztatva. Sok időt töltöttem azzal, hogy eredménytelenül újra beraktam a nagyobb szalagkábel mindkét végét, mielőtt rájöttem, hol van az igazi probléma.

Miután rájöttem, hogy a probléma a táblán lévő kis kábel, megpróbáltam lenyomni Kapton szalaggal, de ez nem működött, és végül egy forró ragasztóhoz folyamodtam. Eddig a ragasztó tartotta a helyén.

8. lépés: A webhely kiválasztása

A világ nagyszerű távcsövei Peruban, Hawaii -n vagy más viszonylag távoli helyen találhatók. Ehhez a projekthez a jelölt webhelyek teljes listája a következőket tartalmazta:

• Keleti ablakpárkány a házamban
• Nyugatra néző ablakpárkány a házamban
• Déli fekvésű ablakpárkány a házamban

Ebből a listából különösen hiányzik Peru és Hawaii. Tehát, ha ezeket a lehetőségeket választom, mit kellett tennem?

A déli tájolású ablak szélesen nyitott területtel rendelkezik, épületek nincsenek kilátásban, de az időjárási pecsét problémája miatt optikailag nem világos. A nyugatra néző ablakból nagyszerű kilátás nyílik a Pikes-csúcsra, és fantasztikus kilátást nyújthatott volna, de a családi szobában található, és a feleségemnek nem tetszene, ha a tudományos projektemet egy egész éven keresztül ilyen jól láthatóan megjelenítenék. Így a keleti fekvésű kilátás tárult elém, amely egy nagy antenna-toronyra és a helyi Safeway hátuljára néz. Nem túl szép, de ez volt a legjobb választás.

Valójában a legfontosabb az, hogy olyan helyet találjon, ahol a projekt nem lökdösődik, nem mozdul el, vagy más módon nem zavarják. Mindaddig, amíg minden nap egy -két órát be tud keretezni a napba, minden irány működni fog.

9. lépés: Képek készítése

Felhős égbolt

Véletlenül olyan helyen élek, ahol sok napsütés van minden évben, ami jó, mivel a felhők valóban rombolnak a képeken. Ha kissé felhős, a nap halványzöld korongként jelenik meg, nem pedig a jól meghatározott narancssárga korongként, amit egy felhőtlen napon kapok. Ha elég felhős, akkor semmi sem látszik a képen.

Elkezdtem írni néhány képfeldolgozó szoftvert ezeknek a problémáknak az enyhítésére, de ez a kód még nem áll készen. Addig csak az időjárás szeszélyei körül kell dolgoznom.

Biztonsági másolat készítése adatairól

Az általam használt kamerával és az elkészített képek számával naponta körülbelül 70 MB képet hozok létre. Még akkor sem bíznék benne, ha a Pi mikro-SD kártyája elég nagy lenne ahhoz, hogy egy évnyi adatot tároljon benne. Néhány naponként az scp segítségével másolom a legfrissebb adatokat az asztalomra. Ott megnézem a képeket, hogy megbizonyosodjak arról, hogy rendben vannak -e, és nem történt semmi furcsa. Ezután átmásolom ezeket a fájlokat a NAS -ra, hogy legyen két független másolatom az adatokról. Ezt követően visszamegyek a Pi -be, és törlöm az eredeti fájlokat.

10. lépés: Analemma (vagy… csillagászati szempontból nagy nyolcadik ábra)

A tengelyirányú dőlésszög és szélesség meghatározása mellett minden nap ugyanabban az időben történő fényképezés nagyon hűvös képet nyújthat a Nap útjáról egy év alatt.

Ha valaha is látta a Tom Hanks -szel leadott filmet, emlékezhet a barlangi jelenetre, ahol az idők folyamán kijelölte a nap útját, és nyolcadik lett. Amikor először láttam ezt a jelenetet, többet akartam megtudni erről a jelenségről, és mindössze tizenhét évvel később végre csak ezt kezdem csinálni!

Ezt az alakot analemmának nevezik, és a Föld tengelyének dőléséből, valamint abból fakad, hogy a Föld pályája elliptikus, és nem tökéletes kör. Az egyik filmre rögzítése olyan egyszerű, mint a kamera beállítása és a fényképek készítése minden nap ugyanabban az időben. Bár sok nagyon jó kép található az analemma -ról a weben, ebben a projektben az egyik dolog, amit meg fogunk tenni, a saját létrehozása. Ha többet szeretne megtudni az analemmáról, és arról, hogyan lehet valaki egy nagyon hasznos almanach központi eleme, olvassa el ezt a cikket.

A digitális fényképezés megjelenését megelőzően az elemzés képének rögzítése tényleges fotózási készségeket igényelt, mivel ugyanazon a filmen óvatosan több expozíciót kellett készítenie. Nyilvánvaló, hogy a Raspberry Pi kamerában nincs film, így készség és türelem helyett egyszerűen több digitális képet kombinálunk, hogy ugyanazt a hatást érjük el.

11. lépés: Mi a következő lépés?

Most, hogy a kis fényképezőgép-robot a helyén van, és hűségesen fényképez minden nap, mi lesz ezután? Mint kiderült, még van elég tennivaló. Vegye figyelembe, hogy ezek többsége python írását és OpenCV használatát foglalja magában. Szeretem a python-t, és mentséget szerettem volna tanulni az OpenCV-ről, ez számomra előnyös!

1. A felhős napok automatikus észlelése Ha túl zavaros, a szolárfilm és a rövid zársebesség opálos képet eredményez. Szeretném automatikusan észlelni ezt az állapotot, majd vagy növelni a zársebességet, vagy elmozdítani a szolárszűrőt az útból.
2. Képfeldolgozással keresse meg a napot még felhős képeken is. Gyanítom, hogy akkor is megtalálható a nap középpontja, ha felhők vannak útban.
3. Fedje le a napelemes lemezeket tiszta háttérképen, hogy nyomon követhesse a nap útját a nap folyamán
4. Ugyanaz az alapvető technika, mint az utolsó lépés, de minden nap ugyanabban az időben készített képek segítségével
5. Mérje meg a kamera szögfelbontását (fok/pixel). Erre szükségem lesz későbbi számításaimhoz

Van ennél több is, de ez egy ideig elfoglalt lesz.

Köszönöm, hogy a végsőkig kitartott mellettem. Remélem, tetszett ez a projektleírás, és ez motiválja Önt a következő projekt megvalósítására!