Stacja meteorologiczna Raspberry Pi: 17 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Celem tego samouczka jest zbudowanie w pełni funkcjonalnej kamery wideo do wykrywania meteorów, której będziesz mógł później używać do wykrywania i obserwacji meteorów. Użyte materiały będą stosunkowo tanie i można je łatwo kupić w lokalnym sklepie technicznym. Całe oprogramowanie używane w tym projekcie jest open source, a sam projekt jest open source.

Więcej informacji o projekcie można znaleźć na Hackaday i na Github Chorwackiej Sieci Meteor.

Krok 1: Wymagania i materiały

Użyte materiały to:

• Komputer Raspberry Pi 3
• Karta micro SD klasy 10, pamięć 32 GB lub więcej
• adapter karty micro SD
• Zasilanie 5V dla RPi o maksymalnym prądzie co najmniej 2A
• Obudowa RPi z wentylatorem
• Radiatory
• Moduł RTC (zegar czasu rzeczywistego) - moduł DS3231 RTC
• Digitalizator wideo EasyCap (chipset UTV007) (pozostałe mają problemy z RPi)
• Kamera CCTV Sony Effio 673 i obiektyw szerokokątny (4 mm lub 6 mm)
• Zasilanie kamery 12V
• Obudowa kamery bezpieczeństwa
• Okablowanie i kable
• OPCJONALNIE: przejściówka HDMI na VGA

Krok 2: Konfiguracja RPi - Materiały

Najpierw zaczniemy od skonfigurowania samego RPi. W tym celu będziemy potrzebować następujących materiałów:

• Raspberry Pi 3
• 3 radiatory
• Plastikowe pudełko RPi z wentylatorem
• Moduł RTC
• karta SD

Krok 3: Instalacja Raspbian

Teraz będziesz musiał zainstalować Raspbian, system operacyjny RPi na swojej karcie micro SD. Możesz pobrać Raspbian Jessie (obraz systemu operacyjnego, który działa z tą bieżącą konfiguracją aparatu) pod tym linkiem: Pobieranie Raspbian

Ponadto, aby zainstalować system operacyjny na karcie, musisz mieć adapter karty micro SD.

Jeśli twoja karta SD nie jest fabrycznie nowa, będziesz musiał sformatować kartę przed zainstalowaniem Raspbian. Przewodnik dotyczący instalacji Raspbian i formatowania karty SD można znaleźć pod tym linkiem: Instalowanie Raspbian

Krok 4: Radiatory i karta SD

Zaczynamy od przyklejenia radiatorów do CPU i GPU płyty, a także z tyłu GPU. Najpierw musisz odkleić niebieską osłonę, pod którą znajduje się lepka powierzchnia przyczepiająca się do wspomnianych jednostek. Odklejana część może być nieco trudna, ale możesz użyć dowolnego ostrego przedmiotu, aby stosunkowo łatwo zdjąć pokrywę.

Następnie musisz umieścić kartę SD, na której zainstalowałeś Raspbian, w porcie karty SD w RPi (aby dowiedzieć się, gdzie znajduje się port karty SD, patrz krok 6.)

Krok 5: Montaż pudełka i wentylatora

Następnie możesz przejść do montażu pudełka, w którym będzie Twoje RPi. Pudełko jest wykonane z plastiku i ponownie pokryte folią, która łatwo się odkleja. Sugerujemy, abyś zaczął montować pudełko od boków swojej płytki RPi, ponieważ wtedy możesz łatwo zidentyfikować, która strona i jak dokładnie należy złożyć pudełko, rozpoznając otwory na porty po bokach. Następnie przymocujesz spód pudełka. Upewnij się, że otwór na spodzie jest wyrównany z GPU.

Następnie możesz przymocować górną część pudełka. Mniejsze „nóżki”, które wychodzą po obu stronach górnej części, muszą być wyrównane z małymi otworami po obu stronach pudełka. W tym momencie musisz koniecznie upewnić się, że górna część pudełka znajduje się nad macierzą pinów GPIO. Idąc dalej, możesz teraz dołączyć moduł RTC. Można go przymocować do pierwszych czterech pinów GPIO patrząc w kierunku środka płytki, jak widać na zdjęciu. Teraz zakończ pracę związaną z konfiguracją sprzętu RPi, po prostu przymocowując wentylator do górnej części płyty. Rolą wentylatora, podobnie jak radiatorów, jest umożliwienie optymalnego chłodzenia i wydajności twojego RPi, gdy jest ono pod dużym obciążeniem obliczeniowym. Najpierw przykręcisz wentylator na miejsce za pomocą małej śruby krzyżakowej, ze śrubami i logo wentylatora skierowanymi do wnętrza pudełka. Następnie kabel wentylatora należy podłączyć do pinów 2 i 3 GPIO, patrząc na zewnątrz puszki. Jeśli niektóre śruby wydają się przeszkadzać w samej płytce i/lub nie pozwalają na całkowite zamknięcie pudełka, możesz oczywiście przykręcić niektóre z nich tak, aby były skierowane na zewnątrz pudełka. Jeśli wentylator nie działa, spróbuj ponownie podłączyć kabel wentylatora do pinów lub nawet przylutować luźny kabel do wentylatora.

Krok 6: Podłączanie urządzeń peryferyjnych

W tej części procesu zmienisz swoją płytę RPi w użyteczny komputer.

Do tego będziesz potrzebować:

• OPCJONALNIE: kabel HDMI do VGA
• mysz
• klawiatura
• Monitor
• Kable zasilające do monitora i RPi

Zaczniesz od podłączenia monitora do RPi. Port wideo używany przez RPi to HDMI, więc jeśli nie masz kabla HDMI lub monitora (na przykład, jeśli masz kabel VGA), musisz kupić przejściówkę HDMI na VGA. Port HDMI znajduje się na jednym z boków komputera jednopłytkowego RPi. Następnie możesz podłączyć klawiaturę i mysz do RPi przez porty USB. Po skonfigurowaniu podstawowych urządzeń wejściowych i wyjściowych możesz podłączyć RPi do źródła zasilania za pomocą adaptera i kabla dostarczonego z płytą. Należy pamiętać, że moc energii elektrycznej używanej do zasilania RPi musi wynosić co najmniej 2,5 A.

Krok 7: Konfiguracja sprzętu kamery

W tym kroku dokonasz konfiguracji sprzętowej kamery i połączysz ją z RPI.

Do tego będziesz potrzebować:

• EasyCap ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy) - chipset UTV007
• Kamera Sony Effio CCTV
• Okablowanie i kable

Konfiguracja i konfiguracja kabla zależy od Ciebie. Zasadniczo musisz podłączyć kamerę do zasilania za pomocą pewnego rodzaju kabla zasilającego i wyjścia sygnału kamery do kamery. Możesz zobaczyć naszą konfigurację na powyższych obrazkach. Musisz podłączyć kabel sygnałowy kamery do żółtego żeńskiego kabla EasyCap ADC. Pozostałe kable EasyCap nie będą potrzebne. Teraz możesz podłączyć EasyCap do RPi. Ponieważ prawdopodobnie nie będzie wystarczająco dużo miejsca wokół obszaru gniazd USB Pi, sugerujemy podłączenie ADC za pomocą przedłużacza USB.

UWAGA: EasyCap ADC z chipsetami STK1160, Empia lub Arcmicro nie będzie działać. Jedynym obsługiwanym chipsetem jest UTV007.

Krok 8: Testowanie kamery

Aby przetestować swoją konfigurację, będziesz musiał sprawdzić sygnał przesyłany do twojego RPi.

Od teraz będziesz instalować całe oprogramowanie za pomocą terminala, który jest interfejsem użytkownika wiersza poleceń. Ponieważ będziesz go bardzo często używać, warto pamiętać, że można go otworzyć za pomocą skrótu klawiaturowego: Crtl+Alt+T.

Najpierw zainstaluj mplayer za pomocą terminala za pomocą tego polecenia:

sudo apt-get zainstaluj mplayer

Jest to program do oglądania wideo z kamery.

Następnie będziesz musiał uruchomić mplayer. Jeśli masz kamerę NTSC (standard północnoamerykański), uruchom to w terminalu:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=NTSC -vo x11

Jeśli masz kamerę PAL (Europa), wprowadź następujące informacje:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=PAL -vo x11

Jeśli wpisujesz polecenia ręcznie w Terminalu, upewnij się, że poprawny znak w części „driver=v4l2” poprzedniego polecenia to nie jedynka („1”), ale mała litera L („l”). Zdecydowanie zalecamy jednak kopiowanie i wklejanie poleceń za pomocą Ctrl + Shift + C do kopiowania i Ctrl + Shift + V do wklejania poleceń w terminalu. Dzięki temu proces konfiguracji jest znacznie łatwiejszy i znacznie szybszy.

Jeśli kamera jest podłączona prawidłowo, zobaczysz obraz wideo z kamery. Jeśli nie, sprawdź ponownie poprzednie kroki i upewnij się, że wykonałeś je poprawnie.

Krok 9: Instalacja całego niezbędnego oprogramowania

Następnie będziesz musiał zainstalować całe niezbędne oprogramowanie. Najpierw uruchom to:

aktualizacja sudo apt-get

I uaktualnij wszystkie pakiety:

sudo apt-get upgrade

Możesz zainstalować wszystkie biblioteki systemowe za pomocą następującego polecenia:

sudo apt-get install git mplayer python-scipy python-matplotlib python2.7 python2.7-dev libblas-dev liblapack-dev at-spi2-core python-matplotlib libopencv-dev python-opencv python-imaging-tk lib spi2-core -dev

Ponieważ kod używany do wykrywania meteorów jest napisany w Pythonie, musisz również zainstalować kilka 'modułów' Pythona, które są używane w kodzie. Najpierw zainstaluj pip (Pip Installs Packages) z terminala:

sudo pip install -U pip setuptools

Musisz także najpierw zainstalować i zaktualizować pakiet Numpy:

sudo pip zainstaluj numpy

sudo pip – uaktualnienie numpy

Będziesz już mieć pip i Python na swoim RPi, ale musisz uaktualnić do najnowszej wersji. Zainstaluj wszystkie biblioteki Pythona za pomocą następującego polecenia:

sudo pip install gitpython poduszka scipy cython astropy pyepem splot paramiko

To prawdopodobnie zajmie trochę czasu.

Krok 10: Konfiguracja strefy czasowej i modułu RTC

Ponieważ dokładny czas odgrywa ważną rolę w obserwacji i wykrywaniu meteorów, musisz upewnić się, że Twoje RPi utrzymuje prawidłowy czas. Najpierw ustaw swoją strefę czasową na UTC (standardowa strefa czasowa wśród astronomów) za pomocą następującego polecenia:

sudo dpkg-rekonfiguruj tzdata

Otworzy się GUI, który poprowadzi Cię przez cały proces. Wybierz „Żadne z powyższych”, a następnie „UTC” i wyjdź.

Następnie będziesz musiał skonfigurować moduł RTC, aby utrzymać czas, nawet gdy komputer jest wyłączony i offline. Aby skonfigurować moduł, często będziesz proszony o edycję pliku. Zrób to z:

sudo nano

gdzie zastąpisz faktycznym adresem pliku. Po zakończeniu naciśnij Crtl+O i Crtl+X.

Ponadto, gdy musisz „zakomentować” wiersz kodu, zrób to, umieszczając znak # na początku wiersza, o którym mowa.

Dodaj następujące wiersze na końcu /boot/config.txt:

dtparam=i2c_arm=wł.

dtoverlay=i2c-rtc, ds3231

Następnie uruchom ponownie RPi:

ponowne uruchomienie sudo

Następnie usuń moduł fake-hwclock, ponieważ już go nie potrzebujesz:

sudo apt-get usuń fałszywy-hwclock

sudo update-rc.d hwclock.sh włącz sudo update-rc.d fałszywy-hwclock usuń

Następnie zakomentuj linie za pomocą -systz w pliku /lib/udev/hwclock-set.

Teraz musisz ustawić aktualny czas, zapisując bieżący czas systemowy do RTC, i pozbyć się nadmiarowego demona NTP:

sudo hwclock -w

sudo apt-get usuń ntp sudo apt-get zainstaluj ntpdate

Więcej edycji! Edytuj plik /etc/rc.local i dodaj polecenie hwclock nad wierszem z napisem exit 0:

spać 1

hwclock -s ntpdate-debian

Zapobiegaj automatycznemu ustawianiu zegara na inną wartość, edytując plik /etc/default/hwclock i zmieniając parametr H WCLOCKACCESS:

HWCLOCKACCESS=nie

Teraz musisz wyłączyć aktualizację systemu RTC z zegara systemowego, ponieważ już to zrobiliśmy, zakomentowując następujący wiersz w pliku /lib/systemd/system/hwclock-save.service:

ConditionFileIsExecutable=!/usr/sbin/ntpd

Włącz zegar RTC, uruchamiając:

sudo systemctl włącz hwclock-save.service

Aby czas RTC był aktualizowany co 15 minut, uruchom to:

crontab -e

i wybierz swój ulubiony edytor tekstu.

A na końcu pliku dodaj następującą linię:

*/15 * * * * ntpdate-debian >/dev/null 2>&1

Spowoduje to aktualizację czasu zegara RTC co 15 minut przez Internet.

To jest to! Jesteś gotowy! To było łatwe, prawda? Wszystko, co musisz teraz zrobić, to zrestartować komputer:

ponowne uruchomienie sudo

Krok 11: Włączenie usługi Watchdog

RPi czasami w niewytłumaczalny sposób zawiesza się i zawiesza. Usługa watchdoga zasadniczo ponownie uruchamia RPi automatycznie, gdy jego zegar rejestruje, że komputer nie zrobił nic w dowolnym czasie.

Aby całkowicie włączyć usługę watchdog, najpierw zainstaluj pakiet watchdog, uruchamiając to w terminalu:

sudo apt-get install watchdog

Następnie ręcznie załaduj moduł serwisowy:

sudo modprobe bcm2835_wdt

Dodaj plik.config, aby automatycznie załadować moduł i otworzyć go za pomocą edytora nano:

sudo nano /etc/modules-load.d/bcm2835_wdt.conf

Następnie dodaj ten wiersz do pliku:

bcm2835_wdt

a następnie zapisz plik, wpisując Ctrl+O, a następnie Ctrl+X.

Musisz także edytować inny plik w /lib/systemd/system/watchdog.service, uruchamiając to w terminalu:

sudo nano /lib/systemd/system/watchdog.service

Teraz dodaj wiersz do sekcji [Zainstaluj]:

[Zainstalować]

WantedBy=wielu użytkowników.cel

Pozostaje jeszcze jedna rzecz do zrobienia, to skonfigurować samą usługę watchdog. Najpierw otwórz plik.conf w terminalu:

sudo nano /etc/watchdog.conf

a następnie odkomentuj [to znaczy usuń znajdujący się przed nim znak hashtag] wiersz zaczynający się od #watchdog-device. Odkomentuj także wiersz, który mówi #max-load-1 = 24.

Pozostało tylko włączyć i uruchomić usługę:

sudo systemctl włącz watchdog.service

I wtedy:

sudo systemctl uruchom watchdog.service

Krok 12: Uzyskanie kodu

Kod trzeba będzie pobrać do /home/pi. Aby pobrać tam kod, wpisz w terminalu:

Płyta CD

Kod uzyskasz otwierając terminal i uruchamiając:

klon git "https://github.com/CroatianMeteorNetwork/RMS.git"

Teraz, aby skompilować pobrany kod i zainstalować wszystkie biblioteki Pythona, otwórz terminal i przejdź do folderu, w którym kod jest sklonowany:

cd ~/RMS

A następnie uruchom:

sudo python setup.py zainstalować

Krok 13: Konfiguracja pliku konfiguracyjnego

Jednym z najważniejszych kroków jest skonfigurowanie pliku konfiguracyjnego. Będziesz musiał otworzyć plik konfiguracyjny i edytować go:

sudo nano /home/pi/RMS/.config

Proces zakładania składa się zasadniczo z kilku części:

Po pierwsze, musisz ustawić swój identyfikator stacji, który znajduje się pod tytułem [System]. Musi to być liczba 3 cyfrowa. Jeśli Twoje RPi należy do organizacji astronomicznej, identyfikator stacji zostanie Ci przekazany przez tę organizację. Jeśli nie, możesz samodzielnie ustawić identyfikator. Następnie musisz ustawić współrzędne miejsca, w którym znajduje się Twoja kamera, w tym wysokość miejsca obserwacji. Informacje dotyczące współrzędnych dowolnego miejsca można łatwo uzyskać za pomocą aplikacji „Współrzędne GPS” na Androida lub aplikacji „Dane GPS – współrzędne, wysokość, prędkość i kompas” na iOS.

Następnie musisz skonfigurować część [Capture] pliku konfiguracyjnego. Wystarczy zmienić ustawienia rozdzielczości aparatu i liczby klatek na sekundę (Frames Per Second).

Jeśli masz kamerę NTSC (Ameryka Północna), będziesz mieć rozdzielczość ekranu 720 x 480, a twój FPS wyniesie 29,97.

Jeśli masz kamerę systemu PAL (Europa), będziesz miał rozdzielczość ekranu 720 x 576, a twój FPS będzie 25. Powinieneś wypełnić dane w pliku.config zgodnie z tymi parametrami.

Po zakończeniu konfiguracji pliku konfiguracyjnego naciśnij Ctrl+O, aby zapisać zmiany w pliku i Crtl+X, aby wyjść.

Krok 14: Konfiguracja kamery

Aby rozpocząć konfigurację kamery, będziesz musiał ponownie uruchomić mplayer, który umożliwia komunikację z kamerą w terminalu.

Jeśli masz kamerę NTSC, wpisz w terminalu:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=NTSC -vo x11

Jeśli mieszkasz w Europie, uruchom to:

mplayer tv:// -tv driver=v4l2:device=/dev/video0:input=0:norm=PAL -vo x11

Następnie uruchomi się okno mplayer i zobaczysz dokładnie, co rejestruje twoja kamera. Teraz musisz wykonać ręczną konfigurację kamery. Najpierw musisz nacisnąć środkowy przycisk „SET” z tyłu aparatu, co otworzy menu. Możesz poruszać się po nim za pomocą przycisków wokół przycisku SET.

Następnie musisz otworzyć plik RMS/Guides/icx673_settings.txt za pomocą terminala lub na Github i po prostu skopiuj ustawienia podane w pliku do swojej kamery, poruszając się po menu i zmieniając ustawienia kamery zgodnie z opisem w tutaj:

OBIEKTYW - RĘCZNY

SHUTTER/AGC - TRYB RĘCZNY (ENTER) - SHT+AGC SHUTTER - AGC - 18 BALANS BIELI - ANTI CR PODŚWIETLENIE - WYŁ. - OFF ATR - OFF DETEKCJA RUCHU - OFF ……… Naciśnij NEXT ……… PRYWATNOŚĆ - OFF DZIEŃ/NOC - B/W (OFF, OFF, -, -) NR (ENTER) NR MODE - OFF Y LEVEL - - C LEVEL - - CAM ID - OFF SYNC - INT LANG - ENG ……… ZAPISZ WSZYSTKIE WYJŚCIE

Te ustawienia sprawią, że kamera będzie optymalna do nocnego wykrywania meteorów.

Jeśli obraz wydaje się zbyt ciemny (brak widocznych gwiazd), możesz ustawić parametr AGC na 24.

Jeśli wyświetlacz mplayer zmieni kolor na zielony, naciśnij Crtl + C w oknie terminala. Otwórz kolejne okno Terminala i wpisz dwa razy następujące polecenie:

sudo killall mplayer

Krok 15: Wreszcie! Uruchamianie oprogramowania

Najpierw przetestuj konfigurację, uruchamiając StartCapture przez 0,1 godziny (6 minut):

python -m RMS. StartCapture -d 0,1

Jeśli wszystko jest w porządku z konfiguracją, powinno pojawić się całkowicie białe okno. Gdzieś w górnej części okna pojawi się linia z napisem „Maxpixel”. Jeśli okno się nie uruchamia lub proces przechwytywania w ogóle się nie uruchamia, przejdź do „Krok 16: Rozwiązywanie problemów”.

Jesteś teraz gotowy do rozpoczęcia zbierania danych i wykrywania meteorów. Teraz wystarczy uruchomić kod w terminalu:

python -m RMS. StartCapture

Rozpocznie się robienie zdjęć po zachodzie słońca i zatrzyma się o świcie.

Dane zostaną zapisane w /home/pi/RMS_data/CaptureFiles, a pliki z wykryciami meteorów zostaną zapisane w /home/pi/RMS_data/ArchivedFiles.

Wszystkie wykrycia meteorów na jedną noc wykrycia będą przechowywane w pliku *.tar.gz w /home/pi/RMS_data/ArchivedFile s.

Krok 16: Rozwiązywanie problemów

Problem z GTK

Czasami i na niektórych urządzeniach wydaje się, że nie ma okna „Maxpixel”, które powinno zostać wyrenderowane przed przechwyceniem, oraz że w dzienniku RMS. StartCapture znajduje się ostrzeżenie:

(StartCapture.py:14244): Gtk-ERROR **: Wykryto symbole GTK+ 2.x. Używanie GTK+ 2.x i GTK+ 3 w tym samym procesie nie jest obsługiwane

Będziesz musiał zainstalować pakiet za pomocą apt-get:

sudo apt-get install pyqt4-dev-tools

Aby naprawić błąd i rozpocząć przechwytywanie, uruchom:

pyton

I wtedy:

>> importuj matplotlib

>> matplotlib.matplotlib_fname()

Spowoduje to wydrukowanie lokalizacji pliku konfiguracyjnego biblioteki python matplotlib, np.: /usr/local/lib/python2.7/dist-packages/matplotlib-2.0.2-py2.7-linux-armv7l.egg/matplotlib/mpl -data/matplotlibrc

Edytuj plik za pomocą edytora nano:

sudo nano

A w pliku zastąp wiersz, który mówi:

backend: gtk3agg

z tą linią:

backend: Qt4Agg

Musisz również odkomentować linię:

#backend.qt4: PyQt4

Zapisz plik i gotowe!

Instalacja Astropy nie powiodła się

Jeśli nie powiedzie się instalacja modułu astropy python, a wyświetlony komunikat o błędzie mówi:

ImportError: Brak modułu o nazwie _build_utils.apple_accelerate

Wtedy prawdopodobnie potrzebujesz nowszej wersji numpy. Więc śmiało uaktualnij numpy, aby rozwiązać problem:

sudo pip – uaktualnienie numpy

Po wykonaniu tej czynności musisz również wykonać całkowitą ponowną instalację modułów Pythona i innych pakietów, jak opisano w kroku 9.

Krok 17: Wyniki

Oto kilka zdjęć meteorów, które otrzymaliśmy podczas przechwytywania meteorów i uruchamiania wcześniej zainstalowanego oprogramowania.