Solarna opservatorija: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Koji je nagib Zemljine osi? Na kojoj sam geografskoj širini?

Ako želite brzi odgovor, obratite se Googleu ili GPS aplikaciji na svom pametnom telefonu. No, ako imate Raspberry Pi, modul kamere i otprilike godinu dana da izvršite neka zapažanja, odgovore na ova pitanja možete sami odrediti. Postavljanjem kamere sa solarnim filterom na fiksnu lokaciju i korištenjem Pi za snimanje slika u isto vrijeme svaki dan, možete prikupiti mnogo podataka o Sunčevom putu kroz nebo i, prošireno, o Zemljinoj putanji oko sunce. U ovom Instructable -u pokazujem vam kako sam napravio vlastitu solarnu opservatoriju za manje od 100 dolara.

Prije nego što odemo mnogo dalje, trebao bih naglasiti da sam tek dva mjeseca u svom jednogodišnjem eksperimentu pa neću moći uključiti konačne rezultate. Međutim, mogu podijeliti svoje iskustvo u izgradnji ovog projekta i nadam se da ću vam dati ideju o tome kako izgraditi vlastiti.

Iako nije nimalo težak, ovaj projekt pruža priliku za vježbanje nekoliko različitih vještina. U najmanju ruku, morate biti u mogućnosti spojiti Raspberry Pi na kameru i servo i morat ćete biti u mogućnosti izvršiti određeni nivo razvoja softvera da biste izvukli podatke iz slika koje snimite. Koristio sam i osnovne alate za obradu drveta i 3D štampač, ali oni nisu presudni za ovaj projekat.

Opisaću i dugoročne napore na prikupljanju podataka koje sam poduzeo i kako ću koristiti OpenCV za pretvaranje stotina slika u numeričke podatke koji se mogu analizirati pomoću proračunske tablice ili vašeg programskog jezika po izboru. Kao bonus, posetićemo i našu umetničku stranu i pogledati neke zanimljive vizuelne slike.

Korak 1: Tldr; Kratka uputstva

Ovaj Instructable je malo dugačak pa za početak, evo golih kostiju, bez dodatnih detalja.

1. Nabavite Raspberry Pi, kameru, servo, relej, solarni film, zidne bradavice i raznovrsni hardver
2. Povežite sav taj hardver
3. Konfigurirajte Pi i napišite neke jednostavne skripte za snimanje slika i spremanje rezultata
4. Napravite projektnu kutiju i u nju montirajte sav taj hardver
5. Nađite mjesto za postavljanje projekta gdje može vidjeti sunce i neće se sudariti ili gurnuti
6. Stavi to tamo
7. Počnite da slikate
8. Svakih nekoliko dana premještajte slike na drugo računalo kako ne biste napunili SD karticu
9. Počnite učiti OpenCV kako biste mogli izdvojiti podatke sa svojih slika
10. Sačekaj godinu dana

Ukratko, to je projekat. Sada nastavite čitati za dodatne detalje o ovim koracima.

Korak 2: Pozadina

Ljudi posmatraju Sunce, Mjesec i zvijezde sve dok smo mi prisutni, a ovaj projekat ne postiže ništa što naši preci nisu učinili prije hiljada godina. No, umjesto da stavimo štap u zemlju i da kamenjem označimo lokacije sjena u ključnim trenucima, upotrijebit ćemo Raspberry Pi i kameru, a sve to iz udobnosti naših domova. Vaš projekt neće biti turističko mjesto za hiljadu godina od sada, ali sa pozitivne strane, nećete se morati ni boriti oko postavljanja ogromnih stijena.

Opća ideja ovog projekta je usmjeriti kameru na fiksnu lokaciju na nebu i fotografirati svaki dan u isto vrijeme. Ako na fotoaparatu imate odgovarajući filter i odgovarajuću brzinu zatvarača, imat ćete jasne, dobro definirane slike sunčevog diska. Pomoću ovih slika možete staviti virtualni štap u zemlju i naučiti dosta zanimljivih stvari.

Da bi se veličina ovog Instructable -a držala pod kontrolom, sve što ću pokriti je kako odrediti nagib Zemljine osi i zemljopisnu širinu na kojoj su fotografije snimljene. Ako odjeljak komentara ukazuje na dovoljno interesa, u sljedećem članku mogu govoriti o nekim drugim stvarima koje možete naučiti iz svoje solarne opservatorije.

Aksijalni nagib Ugao između sunca na dan kada je najdalje sjeverno i dan kada je najjužnije isti je kao nagib Zemljine osi. Možda ste u školi naučili da je to 23,5 stepeni, ali sada ćete to znati iz vlastitih zapažanja, a ne samo iz udžbenika.

Geografska širina Sada kada znamo nagib Zemljine osi, oduzmite to od nadmorske visine putanje Sunca na najduži dan u godini da biste saznali širinu vaše trenutne lokacije.

Zašto Bother? Očigledno biste mogli pronaći ove vrijednosti mnogo preciznije i brže, ali ako ste tip osobe koja čita Instructables, znate da postoji veliko zadovoljstvo ako to radite sami. Učenje činjenica o svijetu oko vas koristeći samo jednostavna, direktna zapažanja i izravnu matematiku, cijeli je smisao ovog projekta.

Korak 3: Potrebne komponente

Iako biste cijeli ovaj projekt mogli izvesti primjereno skupom i elegantnom kamerom, ja nemam jednu od njih. Cilj ovog projekta bio je iskoristiti ono što sam već imao pri ruci iz prethodnih projekata. Ovo je uključivalo Raspberry Pi, modul kamere i većinu ostalih stavki navedenih u nastavku, iako sam morao otići na Amazon za nekoliko njih. Ukupni troškovi ako morate kupiti sve bit će oko 100 USD.

• Raspberry Pi (bilo koji model će to učiniti)
• Modul kamere Raspberry Pi
• Duži trakasti kabel za kameru (opcionalno)
• Bežični dongle
• Standardni servo
• 5V relej
• Napajano USB čvorište
• Razvodnik i produžni kabel
• List solarnog filma
• Staro drvo, plastika, HDPE itd
• Valovita projektna ploča

Koristio sam i svoj Monoprice 3D štampač, ali to je bila pogodnost, a ne potreba. Malo vaše kreativnosti omogućit će vam da smislite odgovarajući način da se snađete i bez toga.

Korak 4: Konfiguriranje Raspberry Pi

Postaviti

Neću ovdje ulaziti u detalje i pretpostavit ću da vam je ugodno instalirati OS na Pi i konfigurirati ga. Ako ne, na webu postoji mnogo resursa koji će vam pomoći da započnete.

Evo najvažnijih stvari na koje treba obratiti pažnju prilikom postavljanja.

• Uvjerite se da se vaša WiFi veza automatski pokreće kada se Pi ponovno pokrene
• Omogući sshProjekat će vjerovatno biti instaliran na nesklonom mjestu tako da ga nećete priključiti na monitor i tastaturu. Prilično ćete koristiti ssh & scp da ga konfigurirate i kopirate slike na drugi računar.
• Uključite automatsko prijavljivanje putem ssh-a kako ne biste morali svaki put ručno unositi lozinku
• Omogućavanje modula kamere Mnogi ljudi priključuju kameru, ali je zaboravljaju omogućiti
• Onemogućite GUI način rada, radit ćete bez glave pa nema potrebe trošiti sistemske resurse na pokretanje X servera
• Instalirajte gpio paket pomoću apt-get ili slično
• Postavite vremensku zonu na UTC Želite da vaše slike budu svaki dan u isto vrijeme i da ne želite da vas vrijeme baci na ljetno računanje vremena. Najjednostavnije je koristiti UTC.

Sada bi bilo dobro vrijeme za eksperimentiranje s modulom kamere. Pomoću programa 'raspistill' snimite nekoliko slika. Također biste trebali eksperimentirati s opcijama naredbenog retka da vidite kako se kontrolira brzina zatvarača.

Hardverska sučelja

Modul kamere ima svoje namjensko sučelje s vrpčanim kablom, ali koristimo GPIO pinove za kontrolu releja i servo -a. Imajte na umu da postoje dvije različite sheme numeriranja koje se uobičajeno koriste i lako ih je zbuniti. Radije koristim opciju '-g' za naredbu gpio kako bih mogao koristiti službene PIN brojeve.

Vaš izbor pinova može se razlikovati ako imate drugačiji model Pi od onog koji koristim. Za referencu pogledajte dijagrame iscrtavanja za vaš model.

• Pin 23 - Digitalni izlaz na relejOvaj signal uključuje relej, koji napaja servo
• Pin 18 - PWM prema servopoložaju Položaj serva kontrolira signal modulacije širine impulsa
• Uzemljenje - Bilo koja iglica za uzemljenje će biti dovoljna

Za kontrolu ovih pinova pogledajte priložene skripte ljuske.

Napomena: Dijalog za učitavanje na ovoj web stranici usprotivio se mojim pokušajima postavljanja datoteka koje su završile sa '.sh'. Zato sam ih preimenovao sa ekstenzijom '.notsh' i upload je dobro funkcionirao. Vjerovatno ćete ih htjeti preimenovati u '.sh' prije upotrebe.

crontab

Pošto želim da slikam svakih pet minuta u periodu od oko 2,5 sata, koristio sam crontab, koji je sistemski pomoćni program za pokretanje zakazanih komandi čak i kada niste prijavljeni. Sintaksa za ovo je pomalo nespretna, pa koristite tražilicu po vašem izboru za više detalja. Priloženi su odgovarajući redovi iz mog crontaba.

Ono što ovi unosi rade je da a) slikate svakih pet minuta sa postavljenim solarnim filterom i b) sačekate nekoliko sati i snimite nekoliko slika bez postavljenog filtera.

Korak 5: Projektna kutija

Stvarno ću uštedjeti upute u ovom odjeljku i prepustiti vas vlastitoj mašti. Razlog je taj što će svaka instalacija biti drugačija i ovisit će o tome gdje instalirate projekt i vrsti materijala s kojim radite.

Najvažniji aspekt projektne kutije je da je postavljena na način da se neće lako kretati. Kamera se ne bi trebala pomaknuti kada počnete snimati fotografije. U suprotnom ćete morati napisati softver za registraciju slike i digitalno poredati sve slike. Bolje je imati fiksnu platformu kako se ne biste morali nositi s tim problemom.

Za svoju projektnu kutiju koristio sam 1/2 "MDF, mali komad šperploče od 1/4", 3D štampani okvir za držanje kamere pod željenim uglom i neku bijelu valovitu ploču za projekte. Ovaj posljednji komad stavlja se ispred 3D štampanog okvira kako bi ga zaštitio od direktne sunčeve svjetlosti i izbjegao potencijalne probleme sa savijanjem.

Ostavio sam stražnju i gornju stranu kutije otvorene u slučaju da moram pristupiti elektronici, ali to se još nije dogodilo. Radi već sedam sedmica bez potrebe za bilo kakvim popravcima ili izmjenama s moje strane.

Pokretni filter

Jedini dio projektne kutije koji zaslužuje objašnjenje je servo s pomičnom rukom.

Standardni modul kamere Raspberry Pi ne radi tako dobro ako ga samo usmjerite prema suncu i snimite sliku. Vjerujte mi na ovo … Pokušao sam.

Da biste dobili upotrebljivu sliku sunca, morate postaviti solarni filter ispred objektiva. Vjerojatno postoje skupi unaprijed izrađeni filtri koje možete kupiti za ovo, ali ja sam ih napravio vlastitim rukama koristeći mali komad solarne folije i komad 1/4 HDPE-a s izrezanom kružnom rupom. Solarni film možete kupiti od Amazon za oko 12 USD. U retrospektivi, mogao sam naručiti mnogo manji komad i uštedjeti malo novca. Ako imate neke stare naočare za pomrčinu Sunca koje ležite oko nekorištene, možda ćete moći izrezati jedno od sočiva i napraviti odgovarajući filter.

Pokretanje filtera

Iako će većina slika koje snimite biti sa postavljenim filterom, takođe želite da ih slikate u drugo doba dana kada sunce nije u kadru. Ovo ćete koristiti kao pozadinske slike za prekrivanje vaših filtriranih slika sunca. Mogli ste ga izgraditi tako da ručno premjestite filter i snimite ove pozadinske slike, ali ja sam imao dodatni servo i htio sam automatizirati taj korak.

Čemu služi relej?

Između načina na koji Pi generira PWM signale i niskokvalitetnog servo-a koji sam koristio, bilo je trenutaka kada bih sve uključio, a servo bi samo sjedio i "brbljao". Odnosno, kretao bi se naprijed -nazad vrlo malim koracima dok je pokušavao pronaći tačan položaj kojim je Pi komandovao. To je uzrokovalo da se servo jako zagrije i proizvede neugodnu buku. Stoga sam odlučio koristiti relej za napajanje servo -a samo dva puta dnevno u kojima želim snimati nefiltrirane slike. To je zahtijevalo upotrebu drugog digitalnog izlaznog pina na Pi -u za davanje upravljačkog signala releju.

Korak 6: Omogućavanje napajanja

U ovom projektu postoje četiri stavke kojima je potrebna snaga:

1. Raspberry Pi
2. Wi-Fi ključ (Ako koristite noviji model Pi sa ugrađenim wi-fi-jem, to neće biti potrebno)
3. 5V relej
4. Servo

Važno: Ne pokušavajte napajati servo izravno s 5V pina na Raspberry Pi. Servo crpi više struje nego što Pi može opskrbiti, a ploči ćete nanijeti nepopravljivu štetu. Umjesto toga, koristite zaseban izvor napajanja za napajanje servo i releja.

Ono što sam učinio je da sam upotrijebio jednu zidnu bradavicu od 5 V za napajanje Pi -a, a drugu za napajanje starog USB čvorišta. Čvorište se koristi za priključivanje Wi-Fi ključa i za napajanje releja i servo-a. Servo i relej nemaju USB priključke pa sam uzeo stari USB kabel i odrezao konektor s kraja uređaja. Zatim sam skinuo žice 5V i uzemljenje te ih spojio na relej i servo. Ovo je dalo izvor napajanja tim uređajima bez rizika od oštećenja Pi.

Napomena: Pi i vanjske komponente nisu potpuno neovisne. Budući da imate kontrolne signale koji dolaze iz Pi -a na relej i servo, morate imati i uzemljenje koje se vraća od tih stavki do Pi. Postoji i USB veza između čvorišta i Pi-ja tako da wi-fi može raditi. Inženjer elektrotehnike vjerojatno bi se zgražao od potencijala za petlje uzemljenja i drugih električnih nevolja, ali sve funkcionira pa se neću brinuti o nedostatku inženjerske izvrsnosti.:)

Korak 7: Sastavite sve zajedno

Nakon što ste spojili sve dijelove, sljedeći korak je montiranje servo, okidača i kamere na montažnu ploču.

Na jednoj gornjoj slici možete vidjeti zatvarač u položaju (minus solarni film, koji još nisam zalijepio). Ruka zatvarača izrađena je od 1/4 HDPE -a i pričvršćena je pomoću jednog od standardnih čvorišta koja su isporučena sa servo pogonom.

Na drugoj slici možete vidjeti stražnju stranu montažne ploče i kako su servo i kamera pričvršćeni. Nakon što je ova slika snimljena, redizajnirao sam bijeli komad koji vidite kako biste objektiv fotoaparata približili ruci zatvarača, a zatim ga ponovno odštampao u zelenoj boji. Zato na drugim slikama bijeli dio nije prisutan.

Riječ opreza

Modul kamere ima vrlo mali trakasti kabel na ploči koji povezuje stvarnu kameru s ostatkom elektronike. Ovaj mali konektor ima dosadnu tendenciju da često iskače iz utičnice. Kad iskoči, raspistill izvještava da kamera nije povezana. Proveo sam dosta vremena bezuspješno ponovno postavljajući oba kraja veće vrpce prije nego što sam shvatio gdje leži pravi problem.

Nakon što sam shvatio da je problem mali kabel na ploči, pokušao sam ga držati pritisnutom Kapton trakom, ali to nije uspjelo i konačno sam pribjegao mrvici vrućeg ljepila. Do sada ga je ljepilo držalo na mjestu.

Korak 8: Odabir lokacije

Veliki svjetski teleskopi nalaze se na vrhovima planina u Peruu, na Havajima ili na nekoj drugoj relativno udaljenoj lokaciji. Za ovaj projekt moja potpuna lista web lokacija kandidata uključivala je:

• Prozorska daska okrenuta prema istoku u mojoj kući
• Prozorska daska okrenuta prema zapadu u mojoj kući
• Prozorska daska okrenuta prema jugu u mojoj kući

Na ovoj listi posebno nedostaju Peru i Havaji. S obzirom na ove izbore, šta sam trebao učiniti?

Prozor okrenut prema jugu ima široko otvoreno prostranstvo bez vidljivih zgrada, ali zbog problema sa vremenskim zaptivkama optički nije jasan. Prozor okrenut prema zapadu ima odličan pogled na Pikes Peak i omogućio bi izvanredan pogled, ali nalazi se u porodičnoj sobi i mojoj ženi se možda ne bi svidjelo da moj naučni projekat bude tako istaknut cijelu godinu. To mi je ostavilo pogled na istok koji gleda na veliki antenski toranj i stražnji dio lokalnog Safewaya. Nije baš lijepo, ali to je bio najbolji izbor.

Zaista, najvažnije je pronaći mjesto na kojem se projekt neće gurati, premještati ili na drugi način ometati. Sve dok možete unositi sunce u kadar dva sata svaki dan, bilo koji smjer će funkcionirati.

Korak 9: Fotografiranje

Cloudy Skies

Slučajno živim negdje gdje svake godine obasja puno sunca, što je dobro jer oblaci zaista uništavaju slike. Ako je malo oblačno, sunce izlazi kao blijedozeleni disk umjesto dobro definiranog narančastog diska koji dobijem na dan bez oblaka. Ako je prilično oblačno, ništa se ne prikazuje na slici.

Počeo sam pisati neki softver za obradu slika kako bih ublažio ove probleme, ali taj kod još nije spreman. Do tada, moram samo zaobići hirove vremena.

Napravite sigurnosnu kopiju svojih podataka

Uz kameru koju koristim i broj slika koje snimim, generiram oko 70 MB slika svaki dan. Čak i da je mikro-SD kartica na Pi-u dovoljno velika da može pohraniti podatke vrijedne godinu dana, ne bih joj vjerovao. Svakih nekoliko dana koristim scp za kopiranje nedavnih podataka na radnu površinu. Tamo pregledavam slike kako bih se uvjerio da su u redu i da se nije dogodilo ništa čudno. Zatim kopiram sve te datoteke na svoj NAS tako da imam dvije nezavisne kopije podataka. Nakon toga se vraćam na Pi i brišem originalne datoteke.

Korak 10: Analema (ili… astronomski velika osmica)

Osim određivanja aksijalnog nagiba i geografske širine, snimanje slika u isto vrijeme svaki dan može nam pružiti i vrlo hladan pogled na putanju Sunca tokom godine.

Ako ste ikada gledali film Cast Away with Tom Hanks, možda se sjećate scene u pećini u kojoj je on vremenom označio sunčevu putanju pa je postala osma. Kad sam prvi put vidio tu scenu, želio sam saznati više o tom fenomenu, a samo sedamnaest godina kasnije konačno sam počeo raditi upravo to!

Ovaj oblik se naziva analema i rezultat je nagiba Zemljine osi i činjenice da je Zemljina orbita eliptična, a ne savršen krug. Snimanje jedne na filmu jednostavno je kao postavljanje kamere i snimanje fotografije u isto vrijeme svaki dan. Iako na webu postoji mnogo vrlo dobrih slika analeme, jedna od stvari koje ćemo učiniti u ovom projektu je stvoriti vlastitu. Za mnogo više o analemi i tome kako neko može biti središte prilično korisnog almanaha, pogledajte ovaj članak.

Prije pojave digitalne fotografije, snimanje slike analeme zahtijevalo je stvarne fotografske vještine jer biste morali pažljivo snimiti više ekspozicija na istom komadu filma. Očigledno da Raspberry Pi kamera nema film pa ćemo umjesto vještine i strpljenja jednostavno kombinirati više digitalnih slika kako bismo dobili isti efekt.

Korak 11: Šta je sljedeće?

Sada kada je mali fotoaparat-robot na mjestu i vjerno fotografira svaki dan, što je sljedeće? Kako se ispostavilo, ima još dosta stvari za napraviti. Imajte na umu da će većina njih uključivati pisanje pythona i korištenje OpenCV -a. Sviđa mi se python i želio sam izgovor za učenje OpenCV-a, tako da je to za mene dobitna strana!

1. Automatski otkrijte oblačne dane Ako je previše oblačno, solarni film i kratka brzina zatvarača stvaraju neprozirnu sliku. Želim automatski otkriti to stanje, a zatim ili povećati brzinu zatvarača ili pomaknuti solarni filter s puta.
2. Koristite obradu slike za pronalaženje sunca čak i na oblačnim slikama Sumnjam da je moguće pronaći središnju točku sunca čak i ako vam oblaci smetaju.
3. Prekrijte solarne diskove na jasnoj pozadinskoj slici kako biste formirali trag puta Sunca tokom dana
4. Napravite analemu Ista osnovna tehnika kao posljednji korak, ali koristeći slike snimljene svaki dan u isto vrijeme
5. Izmjerite kutnu rezoluciju kamere (stepeni/piksel) Ovo će mi trebati za kasnije proračune

Ima i više od ovoga, ali to će me neko vrijeme zauzeti.

Hvala što ste se držali mene do kraja. Nadam se da vam se svidio opis ovog projekta i da vas motivira da se pozabavite sljedećim projektom!