Balai Cerap Suria: 11 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Apakah kecondongan paksi Bumi? Lintang berapa saya berada?

Sekiranya anda mahukan jawapannya dengan cepat, anda beralih ke Google atau aplikasi GPS pada telefon pintar anda. Tetapi jika anda mempunyai Raspberry Pi, modul kamera, dan setahun atau lebih untuk membuat pemerhatian, anda boleh menentukan sendiri jawapan untuk soalan-soalan ini. Dengan memasang kamera dengan penapis suria di lokasi yang tetap dan menggunakan Pi untuk mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari, anda dapat mengumpulkan banyak data mengenai jalan matahari melalui langit dan, secara lanjutan, jalan Bumi di sekitar matahari. Dalam Instructable ini, saya menunjukkan kepada anda bagaimana saya membuat pemerhatian solar saya sendiri dengan harga di bawah $ 100.

Sebelum kita melangkah lebih jauh lagi, saya harus menunjukkan bahawa saya hanya dua bulan dalam percubaan sepanjang tahun saya sehingga saya tidak dapat memasukkan hasil akhir. Walau bagaimanapun, saya dapat berkongsi pengalaman saya membina projek ini dan mudah-mudahan memberi anda idea bagaimana membina projek anda sendiri.

Walaupun tidak sukar, projek ini memberi peluang untuk menggunakan beberapa kemahiran yang berbeza. Sekurang-kurangnya, anda perlu menyambungkan Raspberry Pi ke kamera dan servo dan anda perlu dapat melakukan beberapa tahap pengembangan perisian untuk mengekstrak data dari gambar yang anda ambil. Saya juga menggunakan alat asas kayu dan pencetak 3D tetapi ini tidak penting untuk projek ini.

Saya juga akan menerangkan usaha pengumpulan data jangka panjang yang telah saya jalankan dan bagaimana saya akan menggunakan OpenCV untuk mengubah ratusan gambar menjadi data berangka yang dapat dianalisis menggunakan spreadsheet atau bahasa pilihan program anda. Sebagai bonus, kami juga akan memanfaatkan bahagian seni kami dan melihat beberapa gambar visual yang menarik.

Langkah 1: Tldr; Arahan Ringkas

Instructable ini agak panjang sehingga untuk memulakan, berikut adalah tulang kosong, tidak ada petunjuk tambahan yang diberikan.

1. Dapatkan Raspberry Pi, kamera, servo, relay, filem solar, kutil dinding, dan pelbagai perkakasan
2. Sambungkan semua perkakasan itu
3. Konfigurasikan Pi dan tulis beberapa skrip mudah untuk mengambil gambar dan menyimpan hasilnya
4. Bina kotak projek dan pasang semua perkakasan di dalamnya
5. Cari tempat untuk meletakkan projek di mana ia dapat melihat cahaya matahari dan ia tidak akan tersentak atau tersendat
6. Letakkan di sana
7. Mula mengambil gambar
8. Setiap beberapa hari, pindahkan gambar ke komputer lain supaya anda tidak mengisi kad SD anda
9. Mula belajar OpenCV supaya anda dapat mengekstrak data dari gambar anda
10. Tunggu setahun

Ringkasnya projek itu. Sekarang teruskan membaca untuk perincian tambahan mengenai langkah-langkah ini.

Langkah 2: Latar belakang

Manusia telah memerhatikan matahari, bulan, dan bintang selama kita berada di sekitar dan projek ini tidak mencapai apa-apa yang tidak dilakukan oleh nenek moyang kita beribu-ribu tahun yang lalu. Tetapi daripada meletakkan tongkat di tanah dan menggunakan batu untuk menandai lokasi bayang-bayang pada waktu-waktu penting, kami akan menggunakan Raspberry Pi dan kamera dan melakukan semuanya dari dalam rumah kita. Projek anda tidak akan menjadi lokasi pelancongan seribu tahun dari sekarang tetapi di sisi positifnya, anda tidak perlu bersusah payah mendapatkan batu besar.

Idea umum dalam projek ini adalah menunjukkan kamera ke lokasi tetap di langit dan mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari. Sekiranya anda mempunyai penapis yang sesuai pada kamera anda dan kelajuan rana yang betul, anda akan mempunyai gambar cakera matahari yang jelas dan jelas. Dengan menggunakan gambar-gambar ini, anda boleh meletakkan tongkat maya ke tanah dan mempelajari beberapa perkara menarik.

Untuk memastikan ukuran Instruktif ini dapat dikendalikan, yang akan saya bahas adalah bagaimana menentukan kecondongan paksi Bumi dan garis lintang tempat gambar diambil. Sekiranya bahagian komen menunjukkan minat yang cukup, saya boleh membincangkan beberapa perkara lain yang boleh anda pelajari dari cerap solar anda dalam artikel susulan.

Ketegangan Paksi Sudut antara matahari pada hari ia berada paling utara ke utara dan hari di sebelah selatan terjauh sama dengan kecondongan paksi Bumi. Anda mungkin pernah belajar di sekolah bahawa ini adalah 23.5 darjah tetapi sekarang anda akan mengetahui perkara ini dari pemerhatian anda sendiri dan bukan hanya dari buku teks.

LatitudSekarang kita mengetahui kecondongan paksi Bumi, tolak dari ketinggian jalan matahari pada hari terpanjang tahun ini untuk mengetahui garis lintang lokasi semasa anda.

Mengapa Mengganggu? Jelas sekali anda dapat memperoleh nilai-nilai ini dengan lebih tepat dan cepat tetapi jika anda adalah jenis orang yang membaca Instructables, anda tahu ada banyak kepuasan melakukannya sendiri. Mempelajari fakta tentang dunia di sekitar anda dengan tidak menggunakan apa-apa selain beberapa pemerhatian langsung dan matematik lurus adalah inti dari projek ini.

Langkah 3: Komponen yang Diperlukan

Walaupun anda dapat melakukan keseluruhan projek ini dengan kamera yang mahal dan mewah, saya tidak mempunyai salah satu daripadanya. Matlamat untuk projek ini adalah untuk memanfaatkan apa yang saya sudah ada dari projek sebelumnya. Ini termasuk Raspberry Pi, modul kamera, dan kebanyakan item lain yang disenaraikan di bawah ini walaupun saya terpaksa pergi ke Amazon untuk beberapa daripadanya. Jumlah kos jika anda harus membeli semuanya akan menjadi sekitar 100 USD.

• Raspberry Pi (mana-mana model akan dilakukan)
• Modul kamera Raspberry Pi
• Kabel pita lebih panjang untuk kamera (pilihan)
• Dongle tanpa wayar
• Servo standard
• Geganti 5V
• Hab USB berkuasa
• Jalur kuasa dan kabel sambungan
• Lembaran filem suria
• Kayu sekerap, plastik, HDPE, dll
• Papan projek beralun

Saya juga menggunakan pencetak 3D Monoprice saya tetapi itu adalah kemudahan dan bukan keperluan. Sebilangan kecil kreativiti dari pihak anda akan memberi anda cara yang sesuai untuk melakukannya tanpa itu.

Langkah 4: Mengkonfigurasi Pi Raspberry

Persediaan

Saya tidak akan menjelaskan secara terperinci di sini dan akan menganggap bahawa anda selesa dengan memasang OS pada Pi dan mengkonfigurasinya. Sekiranya tidak, terdapat banyak sumber di web untuk membantu anda memulakan.

Berikut adalah perkara terpenting yang perlu diberi perhatian semasa persediaan.

• Pastikan sambungan WiFi anda dimulakan secara automatik semasa Pi reboot
• Aktifkan ssh Projek ini mungkin akan dipasang di luar tempat sehingga anda tidak akan terpaut pada monitor dan papan kekunci. Anda akan menggunakan ssh & scp sedikit untuk mengkonfigurasinya dan menyalin gambar ke komputer lain.
• Pastikan anda mengaktifkan log masuk automatik melalui ssh sehingga anda tidak perlu memasukkan kata laluan anda secara manual setiap kali
• Dayakan modul kameraBanyak orang memasang kamera tetapi lupa untuk mengaktifkannya
• Matikan mod GUIAnda akan berjalan tanpa kepala sehingga tidak perlu menghabiskan sumber daya sistem untuk menjalankan pelayan X
• Pasang pakej gpio menggunakan apt-get atau serupa
• Tetapkan zon waktu ke UTC Anda mahukan gambar anda pada masa yang sama setiap hari dan tidak mahu dibuang pada Waktu Jimat Siang. Paling mudah hanya menggunakan UTC.

Sekarang adalah masa yang tepat untuk bereksperimen dengan modul kamera. Gunakan program 'raspistill' untuk mengambil beberapa gambar. Anda juga harus bereksperimen dengan pilihan baris perintah untuk melihat bagaimana kelajuan rana dikawal.

Antara Muka Perkakasan

Modul kamera mempunyai antara muka kabel reben khasnya tetapi kami menggunakan pin GPIO untuk mengawal relay dan servo. Perhatikan bahawa terdapat dua skema penomboran yang berbeza digunakan dan mudah terkeliru. Saya lebih suka menggunakan pilihan '-g' untuk arahan gpio supaya saya dapat menggunakan nombor pin rasmi.

Pilihan pin anda mungkin berbeza jika anda mempunyai model Pi yang berbeza daripada yang saya gunakan. Rujuk gambarajah pinout untuk model khusus anda untuk rujukan.

• Pin 23 - Digital out to Relay Isyarat ini menghidupkan relay, yang memberi kuasa kepada servo
• Pin 18 - PWM ke servoPosisi servo dikawal oleh isyarat Modulasi Lebar Lebar
• Tanah - Sebarang pin tanah akan mencukupi

Lihat skrip shell yang dilampirkan untuk mengawal pin ini.

Catatan: Dialog muat naik di laman web ini membantah percubaan saya untuk memuat naik fail yang diakhiri dengan '.sh'. Oleh itu, saya menamakan semula mereka dengan pelanjutan '.notsh' dan muat naik berfungsi dengan baik. Anda mungkin mahu menamakannya semula menjadi '.sh' sebelum digunakan.

crontab

Oleh kerana saya ingin mengambil gambar setiap lima minit dalam jangka masa kira-kira 2.5 jam, saya menggunakan crontab, yang merupakan utiliti sistem untuk menjalankan perintah berjadual walaupun anda tidak log masuk. Sintaks untuk ini agak kikuk jadi gunakan mesin carian pilihan anda untuk mendapatkan lebih terperinci. Garis-garis yang berkaitan dari crontab saya dilampirkan.

Apa yang dilakukan entri ini ialah a) mengambil gambar setiap lima minit dengan penapis suria di tempatnya dan b) menunggu beberapa jam dan mengambil beberapa gambar tanpa penapis di tempatnya.

Langkah 5: Kotak Projek

Saya akan benar-benar memahami arahan di bahagian ini dan membiarkan anda mengikut imaginasi anda sendiri. Sebabnya ialah setiap pemasangan akan berbeza dan bergantung pada tempat anda memasang projek dan jenis bahan yang anda gunakan.

Aspek yang paling penting dalam kotak projek ialah ia diletakkan dengan cara yang tidak mudah bergerak. Kamera tidak boleh bergerak sebaik sahaja anda mula mengambil gambar. Jika tidak, anda perlu menulis perisian untuk melakukan pendaftaran gambar dan menyusun semua gambar secara digital. Lebih baik mempunyai platform tetap sehingga anda tidak perlu menangani masalah itu.

Untuk kotak projek saya, saya menggunakan 1/2 "MDF, sekeping kecil papan lapis 1/4", bingkai dicetak 3D untuk memegang kamera pada sudut yang dikehendaki dan beberapa papan projek bergelombang putih. Potongan terakhir itu diletakkan di depan bingkai bercetak 3D untuk melindunginya dari cahaya matahari langsung dan mengelakkan kemungkinan masalah dengan melengkung.

Saya membiarkan bahagian belakang dan bahagian atas kotak terbuka sekiranya saya perlu pergi ke elektronik tetapi itu belum berlaku. Ia telah bekerja selama tujuh minggu sekarang tanpa memerlukan perbaikan atau penambahbaikan dari pihak saya.

FIlter Bergerak

Satu-satunya bahagian kotak projek yang memerlukan penjelasan adalah servo dengan lengan yang dapat digerakkan.

Modul kamera Raspberry Pi standard tidak berfungsi dengan baik jika anda hanya menghalakan cahaya matahari dan mengambil gambar. Percayalah pada ini … saya mencuba.

Untuk mendapatkan gambaran cahaya matahari yang boleh digunakan, anda mesti meletakkan penapis solar di hadapan lensa. Mungkin ada penapis pra-buatan yang mahal yang boleh anda beli untuk ini tetapi saya membuat sendiri dengan menggunakan sekeping kecil filem solar dan sekeping HDPE 1/4 dengan lubang bulat di dalamnya. Filem solar boleh dibeli dari Amazon dengan harga kira-kira $ 12. Dalam tinjauan semula, saya boleh memesan sekeping yang jauh lebih kecil dan menjimatkan sedikit wang. Sekiranya anda mempunyai beberapa cermin mata gerhana matahari lama yang tidak terpakai, anda mungkin dapat memotong salah satu lensa dan membuat penapis yang sesuai.

Membuat Penapis Bergerak

Walaupun sebahagian besar gambar yang anda ambil akan berada di tempat penapis, anda juga ingin mendapatkan gambar pada waktu lain ketika matahari berada di luar bingkai. Inilah yang akan anda gunakan sebagai gambar latar untuk menampal gambar-gambar sinar matahari yang ditapis. Anda boleh membuatnya sehingga anda memindahkan penapis secara manual dan mengambil gambar latar ini tetapi saya mempunyai servo tambahan yang ada dan ingin mengotomatisasi langkah itu.

Untuk apa Relay?

Di antara cara Pi menghasilkan isyarat PWM dan servo kelas bawah yang saya gunakan, ada kalanya saya menghidupkan semuanya dan servo hanya duduk di sana dan "berbual". Artinya, ia akan bergerak bolak-balik dalam langkah-langkah yang sangat kecil ketika berusaha mencari posisi yang tepat yang diperintahkan oleh Pi. Ini menyebabkan servo menjadi sangat panas dan mengeluarkan suara yang menjengkelkan. Oleh itu, saya memutuskan untuk menggunakan relay untuk memberi kuasa kepada servo hanya selama dua kali sehari yang saya mahu mengambil gambar yang tidak difilter. Ini memerlukan penggunaan pin output digital yang lain pada Pi untuk memberikan isyarat kawalan ke relay.

Langkah 6: Memberi Kuasa

Terdapat empat item yang memerlukan tenaga dalam projek ini:

1. Pai raspberi
2. Wi-Fi dongle (Jika anda menggunakan model Pi dengan wi-fi bawaan, ini tidak diperlukan)
3. Relay 5V
4. Servo

Penting: Jangan cuba menghidupkan servo secara langsung dari pin 5V pada Raspberry Pi. Servo menarik arus lebih banyak daripada yang dapat disediakan oleh Pi dan anda akan melakukan kerosakan yang tidak dapat diperbaiki pada papan. Sebaliknya, gunakan sumber kuasa yang berasingan untuk menghidupkan servo dan relay.

Apa yang saya lakukan ialah menggunakan satu kutil dinding 5V untuk menghidupkan Pi dan yang lain untuk menghidupkan hab USB lama. Hab digunakan untuk memasang dongle Wi-fi dan untuk membekalkan kuasa ke relay dan servo. Servo dan relay tidak mempunyai bicu USB jadi saya mengambil kabel USB lama dan memotong penyambung dari hujung peranti. Kemudian saya menanggalkan wayar 5V dan ground dan menghubungkannya ke relay dan servo. Ini memberikan sumber kuasa kepada peranti tersebut tanpa mengambil risiko kerosakan pada Pi.

Catatan: Pi dan komponen luaran tidak sepenuhnya bebas. Oleh kerana anda mempunyai isyarat kawalan yang datang dari Pi ke relay dan servo, anda juga mesti mempunyai garis bawah dari item tersebut ke Pi. Terdapat juga sambungan USB antara hub dan Pi sehingga wi-fi dapat beroperasi. Seorang jurutera elektrik mungkin akan menggigit potensi gelung tanah dan kerosakan elektrik yang lain tetapi semuanya berfungsi jadi saya tidak akan bimbang tentang kekurangan kecemerlangan kejuruteraan.:)

Langkah 7: Menggabungkan Semuanya

Setelah semua bahagian terpasang, langkah seterusnya adalah memasang servo, rana lengan, dan kamera pada pelekap pelekap.

Dalam satu gambar di atas, anda dapat melihat lengan rana dalam kedudukan (tolak filem solar, yang belum saya ketik). Lengan rana dibuat dari HDPE 1/4 dan dipasang menggunakan salah satu hub standard yang disertakan dengan servo.

Dalam gambar lain, anda dapat melihat bahagian belakang pelekap pemasangan dan bagaimana servo dan kamera dipasang. Setelah gambar ini diambil, saya merancang semula bahagian putih yang anda lihat untuk mendekatkan lensa kamera ke lengan rana dan kemudian mencetaknya semula dengan warna hijau. Itulah sebabnya dalam gambar lain bahagian putih tidak ada.

Peringatan

Modul kamera mempunyai kabel pita kecil yang sangat kecil di papan yang menghubungkan kamera sebenar dengan elektronik yang lain. Penyambung kecil ini mempunyai kecenderungan yang menjengkelkan untuk kerap keluar dari soketnya. Apabila ia muncul, raspistill melaporkan bahawa kamera tidak disambungkan. Saya menghabiskan banyak masa tanpa meletakkan kembali kedua-dua hujung kabel pita yang lebih besar tanpa menyedari di mana letaknya masalah sebenarnya.

Setelah saya menyedari bahawa masalahnya adalah kabel kecil di papan, saya cuba menahannya dengan pita Kapton tetapi tidak berjaya dan akhirnya saya menggunakan sebiji lem panas. Setakat ini, gam telah menahannya.

Langkah 8: Pemilihan Tapak

Teleskop hebat di dunia terletak di puncak gunung di Peru, Hawaii, atau beberapa lokasi lain yang agak jauh. Untuk projek ini, senarai lengkap laman web calon saya merangkumi:

• Sebuah tingkap menghadap ke timur di rumah saya
• Tingkap yang menghadap ke barat di rumah saya
• Sebuah tingkap menghadap ke selatan di rumah saya

Tidak hadir dalam senarai ini ialah Peru dan Hawaii. Oleh itu, memandangkan pilihan ini, apa yang harus saya lakukan?

Tingkap menghadap ke selatan memiliki hamparan terbuka lebar tanpa bangunan yang dapat dilihat tetapi kerana masalah dengan meterai cuaca, ia tidak jelas secara optik. Tingkap yang menghadap ke barat menyertakan pemandangan Pikes Peak yang bagus dan pasti akan memberikan pemandangan yang hebat tetapi terletak di ruang keluarga dan isteri saya mungkin tidak suka projek sains saya dipamerkan dengan begitu jelas selama setahun. Itu meninggalkan saya dengan pemandangan menghadap ke timur yang menghadap menara antena besar dan belakang Safeway tempatan. Tidak cantik tapi itu adalah pilihan terbaik.

Sungguh, perkara yang paling penting adalah mencari tempat di mana projek itu tidak akan tergendala, dipindahkan, atau diganggu. Selagi anda boleh mendapatkan cahaya matahari selama dua jam setiap hari, arah mana pun akan berfungsi.

Langkah 9: Mengambil Gambar

Langit Mendung

Saya kebetulan tinggal di suatu tempat yang mendapat banyak cahaya matahari setiap tahun, yang bagus kerana awan benar-benar bermain dengan gambar. Sekiranya sedikit mendung, matahari akan muncul sebagai cakera hijau pucat dan bukannya cakera oren yang jelas yang saya dapat pada hari tanpa awan. Sekiranya agak mendung, tidak ada yang muncul di gambar.

Saya telah mula menulis beberapa perisian pemprosesan imej untuk membantu mengurangkan masalah ini tetapi kod itu belum siap. Sehingga itu, saya hanya perlu mengatasi keadaan cuaca yang tidak menentu.

Sandarkan Data Anda

Dengan kamera yang saya gunakan dan jumlah gambar yang saya ambil, saya menghasilkan kira-kira 70MB gambar setiap hari. Walaupun kad micro-SD pada Pi cukup besar untuk menyimpan data bernilai setahun, saya tidak akan mempercayainya. Setiap beberapa hari, saya menggunakan scp untuk menyalin data terbaru ke desktop saya. Di sana, saya melihat gambar untuk memastikan gambar itu baik-baik saja dan tidak ada yang pelik berlaku. Kemudian saya menyalin semua fail tersebut ke NAS saya sehingga saya mempunyai dua salinan data yang bebas. Selepas itu, saya kembali ke Pi dan memadam fail asalnya.

Langkah 10: Analemma (atau … Angka Lapan Astronomi Secara Besar)

Selain menentukan kecondongan paksi dan garis lintang, mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari juga dapat memberi kita pemandangan jalan Matahari yang sangat sejuk selama setahun.

Sekiranya anda pernah menonton filem Cast Away with Tom Hanks, anda mungkin akan mengingati adegan di gua di mana dia menandakan jalan matahari dari masa ke masa dan ia menjadikan angka lapan. Ketika pertama kali melihat pemandangan itu, saya ingin mengetahui lebih lanjut mengenai fenomena itu dan hanya tujuh belas tahun kemudian, saya akhirnya baru melakukan perkara itu!

Bentuk ini disebut analemma dan ia adalah hasil kecondongan paksi Bumi dan fakta bahawa orbit Bumi adalah elips dan bukan lingkaran sempurna. Merakam satu filem semudah menyiapkan kamera dan mengambil gambar pada masa yang sama setiap hari. Walaupun terdapat banyak gambar analemma yang sangat baik di web, salah satu perkara yang akan kita lakukan dalam projek ini adalah membuat sendiri. Untuk lebih banyak lagi mengenai analemma dan bagaimana seseorang boleh menjadi inti almanak yang cukup berguna, lihat artikel ini.

Sebelum munculnya fotografi digital, untuk menangkap gambar analemma memerlukan kemahiran fotografi sebenar kerana anda perlu mengambil banyak pendedahan dengan teliti pada sekeping filem yang sama. Jelas kamera Raspberry Pi tidak mempunyai filem jadi, bukannya kemahiran dan kesabaran, kita hanya akan menggabungkan beberapa gambar digital untuk mendapatkan kesan yang sama.

Langkah 11: Apa Seterusnya?

Sekarang robot kamera kecil sudah ada dan dengan setia mengambil gambar setiap hari, apa yang seterusnya? Ternyata, masih banyak perkara yang perlu dilakukan. Perhatikan bahawa sebahagian besar ini melibatkan penulisan python dan penggunaan OpenCV. Saya suka python dan mahukan alasan untuk belajar OpenCV jadi itu adalah win-win bagi saya!

1. Mengesan hari berawan secara automatik Sekiranya terlalu mendung, filem solar dan kelajuan pengatup pendek menjadikan gambar legap. Saya ingin mengesan keadaan itu secara automatik dan kemudian meningkatkan kelajuan pengatup atau mengalihkan penapis suria.
2. Gunakan pemprosesan gambar untuk mencari matahari walaupun dalam gambar mendungSaya mengesyaki ada kemungkinan untuk mencari titik tengah matahari walaupun awan menghalangi.
3. Overlay cakera solar pada gambar latar yang jelas untuk membentuk jejak jalan matahari pada siang hari
4. Buat teknik asas analemmaSama sebagai langkah terakhir tetapi menggunakan gambar yang diambil pada masa yang sama setiap hari
5. Ukur resolusi sudut kamera (darjah / piksel) Saya memerlukannya untuk pengiraan saya kemudian

Ada lebih daripada ini tetapi itu akan membuat saya sibuk untuk sementara waktu.

Terima kasih kerana berpegang pada saya hingga akhir. Saya harap anda menikmati penerangan projek ini dan ini memotivasi anda untuk menyelesaikan projek anda yang seterusnya!