Observator solar: 11 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Care este înclinarea axei Pământului? La ce latitudine sunt?

Dacă doriți răspunsul rapid, fie apelați la Google, fie la o aplicație GPS de pe smartphone. Dar dacă aveți un Raspberry Pi, un modul de cameră și aproximativ un an pentru a face câteva observații, puteți determina singur răspunsurile la aceste întrebări. Configurând o cameră cu filtru solar într-o locație fixă și folosind Pi pentru a face fotografii în același timp în fiecare zi, puteți aduna o mulțime de date despre calea soarelui prin cer și, prin extensie, calea Pământului în jurul soarele. În acest Instructable, vă arăt cum mi-am făcut propriul meu observator solar pentru sub 100 USD.

Înainte de a merge mult mai departe, ar trebui să subliniez că am doar două luni în experimentul meu de un an, așa că nu voi putea include rezultatele finale. Cu toate acestea, îmi pot împărtăși experiența mea în construirea acestui proiect și, sperăm, să vă dau o idee despre cum să vă construiți propriul.

Deși nu este deloc greu, acest proiect oferă posibilitatea de a exercita mai multe abilități diferite. Cel puțin, trebuie să puteți conecta un Raspberry Pi la o cameră și un servo și va trebui să puteți realiza un anumit nivel de dezvoltare software pentru a extrage date din fotografiile pe care le faceți. De asemenea, am folosit instrumente de bază pentru prelucrarea lemnului și o imprimantă 3D, dar acestea nu sunt cruciale pentru acest proiect.

Voi descrie, de asemenea, efortul de colectare a datelor pe termen lung pe care l-am întreprins și cum voi folosi OpenCV pentru a transforma sute de imagini în date numerice care pot fi analizate folosind o foaie de calcul sau limbajul dvs. de programare la alegere. Ca bonus, vom intra și în partea noastră artistică și vom analiza câteva imagini vizuale interesante.

Pasul 1: Tldr; Instrucțiuni scurte

Acest Instructable este un pic pe partea lungă, așa că pentru a începe, iată oasele goale, fără detalii suplimentare furnizate instrucțiuni.

1. Obțineți un Raspberry Pi, o cameră, un servo, un releu, un film solar, negii de perete și hardware asortat
2. Conectați tot acel hardware
3. Configurați Pi și scrieți câteva scripturi simple pentru a face fotografii și a salva rezultatele
4. Construiți o cutie de proiect și montați tot hardware-ul în ea
5. Găsiți un loc unde să puneți proiectul unde poate vedea soarele și nu va fi lovit sau împiedicat
6. Pune-l acolo
7. Începeți să faceți fotografii
8. La fiecare câteva zile, mutați imaginile pe alt computer pentru a nu umple cardul SD
9. Începeți să învățați OpenCV, astfel încât să puteți extrage date din imaginile dvs.
10. Așteaptă un an

Acesta este proiectul pe scurt. Acum continuați să citiți pentru detalii suplimentare despre acești pași.

Pasul 2: fundal

Oamenii urmăresc soarele, luna și stelele de când suntem în jur și acest proiect nu realizează nimic din ceea ce strămoșii noștri nu au făcut în urmă cu mii de ani. Dar, în loc să așezăm un băț în pământ și să folosim pietre pentru a marca locațiile umbrelor în momentele cheie, vom folosi un Raspberry Pi și o cameră și vom face totul din interiorul confortului caselor noastre. Proiectul dvs. nu va fi un site turistic peste o mie de ani de acum, dar, în plus, nu va trebui să vă luptați pentru a pune la dispoziție bolovani gigantici.

Ideea generală a acestui proiect este să îndreptați camera către o locație fixă pe cer și să faceți fotografii în același timp în fiecare zi. Dacă aveți un filtru adecvat pentru camera dvs. și viteza de expunere potrivită, veți avea imagini clare și bine definite ale discului soarelui. Folosind aceste imagini, puteți pune un stick virtual în pământ și puteți învăța câteva lucruri interesante.

Pentru a menține dimensiunea acestui instrument ușor de gestionat, tot ce voi acoperi este cum să determin înclinarea axei Pământului și latitudinea în care sunt realizate fotografiile. Dacă secțiunea de comentarii indică suficient interes, pot vorbi despre unele dintre celelalte lucruri pe care le puteți învăța de la observatorul solar într-un articol de continuare.

Inclinarea axială Unghiul dintre soare în ziua în care este cel mai îndepărtat spre nord și ziua în care este cel mai îndepărtat spre sud este același cu înclinarea axei Pământului. Poate că ați învățat la școală că aceasta este de 23,5 grade, dar acum veți ști asta din propriile observații și nu pur și simplu dintr-un manual.

Latitudine Acum, că știm înclinarea axei Pământului, scădeți-o din înălțimea căii soarelui în cea mai lungă zi a anului pentru a afla latitudinea locației dvs. curente.

Evident, ați putea găsi aceste valori mult mai precis și mai repede, dar dacă sunteți tipul de persoană care citește Instructables, știți că există o mulțime de satisfacții făcând asta singuri. Învățarea faptelor despre lumea înconjurătoare folosind nimic mai mult decât observații simple, directe și matematică directă este punctul central al acestui proiect.

Pasul 3: Componente necesare

În timp ce ați putea face acest proiect întreg cu o cameră foto scumpă și elegantă, nu am una dintre acestea. Un obiectiv pentru acest proiect a fost să folosesc ceea ce aveam deja la îndemână din proiectele anterioare. Aceasta a inclus un Raspberry Pi, un modul de cameră și majoritatea celorlalte articole enumerate mai jos, deși a trebuit să merg la Amazon pentru câteva dintre ele. Costul total dacă trebuie să cumpărați totul va fi de aproximativ 100 USD.

• Raspberry Pi (orice model va face)
• Modul de cameră Raspberry Pi
• Cablu panglică mai lung pentru cameră (opțional)
• Dongle wireless
• Servo standard
• Releu 5V
• Hub USB alimentat
• Banda de alimentare și cablul prelungitor
• Foaie de film solar
• Resturi de cherestea, plastic, HDPE etc.
• Panou de proiect ondulat

Am folosit și imprimanta 3D Monoprice, dar asta a fost o comoditate și nu o necesitate. Un pic de creativitate din partea ta vă va permite să veniți cu un mod adecvat de a trece fără asta.

Pasul 4: Configurarea Raspberry Pi

Înființat

Nu am de gând să intru în detaliu aici și voi presupune că sunteți confortabil cu instalarea unui sistem de operare pe Pi și configurarea acestuia. Dacă nu, există o mulțime de resurse pe web pentru a vă ajuta să începeți.

Iată cele mai importante lucruri pe care trebuie să le acordați atenție în timpul configurării.

• Asigurați-vă că conexiunea WiFi pornește automat atunci când Pi repornește
• Activați ssh Proiectul va fi instalat probabil într-un loc în afara locului, astfel încât să nu îl aveți conectat la un monitor și tastatură. Veți folosi ssh & scp destul de puțin pentru a-l configura și a copia imaginile pe alt computer.
• Asigurați-vă că activați autentificarea automată prin ssh, astfel încât să nu trebuie să introduceți parola manual de fiecare dată
• Activați modulul camerei Multe persoane conectează camera, dar uită să o activeze
• Dezactivați modul GUI Veți rula fără cap, deci nu este nevoie să cheltuiți resursele sistemului care rulează un server X
• Instalați pachetul gpio folosind apt-get sau similar
• Setați fusul orar la UTC Doriți imaginile dvs. la aceeași oră în fiecare zi și nu doriți să fiți aruncate de ora de vară. Cel mai ușor să folosești UTC.

Acum ar fi un moment bun să experimentați cu modulul camerei. Utilizați programul „raspistill” pentru a face câteva fotografii. De asemenea, ar trebui să experimentați cu opțiunile din linia de comandă pentru a vedea cum este controlată viteza obturatorului.

Interfețe hardware

Modulul camerei are propria interfață dedicată a cablului ribbon, dar folosim pinii GPIO pentru a controla releul și servo-ul. Rețineți că există două scheme de numerotare diferite în uz comun și este ușor să vă confundați. Prefer să folosesc opțiunea „-g” față de comanda gpio, astfel încât să pot folosi numerele oficiale de pin.

Selecția dvs. de pini poate varia dacă aveți un model Pi diferit de cel pe care îl folosesc. Consultați diagramele de identificare pentru modelul dvs. specific pentru referință.

• Pinul 23 - Ieșire digitală la releu Acest semnal pornește releul, care asigură alimentarea servo-ului
• Pinul 18 - PWM la servo Poziția servo este controlată de un semnal de modulare a lățimii impulsurilor
• Masă - Orice știft de masă va fi suficient

Consultați scripturile shell atașate pentru controlul acestor ace.

Notă: dialogul de încărcare de pe acest site s-a opus încercărilor mele de a încărca fișiere care s-au încheiat cu „.sh”. Așa că le-am redenumit cu o extensie „.notsh” și încărcarea a funcționat bine. Probabil că veți dori să le redenumiți înapoi la „.sh” înainte de utilizare.

crontab

Deoarece vreau să fac fotografii la fiecare cinci minute pe o perioadă de aproximativ 2,5 ore, am folosit crontab, care este un utilitar de sistem pentru rularea comenzilor programate chiar și atunci când nu sunteți conectat. motorul de căutare la alegere pentru a obține mai multe detalii. Liniile relevante din crontabul meu sunt atașate.

Ce fac aceste intrări este de a) face o fotografie la fiecare cinci minute cu filtrul solar în poziție și b) așteptați câteva ore și faceți câteva fotografii fără filtru în poziție.

Pasul 5: Caseta de proiect

O să scap cu adevărat instrucțiunile din această secțiune și vă voi lăsa în voia imaginației voastre. Motivul este că fiecare instalare va fi diferită și va depinde de locul în care instalați proiectul și de tipurile de material cu care lucrați.

Cel mai important aspect al casetei de proiect este că va fi așezat într-un mod în care nu se va deplasa ușor. Camera nu ar trebui să se miște odată ce ați început să faceți fotografii. În caz contrar, va trebui să scrieți software pentru a efectua înregistrarea imaginilor și pentru a alinia toate imaginile digital. Mai bine să aveți o platformă fixă, astfel încât să nu aveți de-a face cu această problemă.

Pentru cutia mea de proiect, am folosit MDF de 1/2 ", o bucată mică de placaj de 1/4", un cadru tipărit 3D pentru a ține camera la unghiul dorit și o placă de proiectare ondulată albă. Ultima piesă este plasată în fața cadrului tipărit 3D pentru a-l proteja de lumina directă a soarelui și pentru a evita potențialele probleme de deformare.

Am lăsat partea din spate și partea de sus a cutiei deschise în caz că trebuie să ajung la electronică, dar asta nu s-a întâmplat încă. A funcționat de șapte săptămâni acum, fără a avea nevoie de remedieri sau modificări din partea mea.

Filtru mobil

Singura parte a cutiei de proiect care merită unele explicații este servo cu brațul mobil.

Modulul de cameră standard Raspberry Pi nu funcționează atât de bine dacă îl îndreptați spre soare și faceți o fotografie. Crede-mă în asta … Am încercat.

Pentru a obține o imagine utilizabilă a soarelui trebuie să plasați un filtru solar în fața obiectivului. Probabil că există filtre pre-fabricate scumpe pe care le puteți cumpăra pentru acest lucru, însă eu mi le-am făcut folosind o bucată mică de film solar și o bucată de 1/4 HDPE cu o gaură circulară tăiată în el. Filmul solar poate fi achiziționat de la Amazon pentru aproximativ 12 dolari. Retrospectiv, aș fi putut comanda o piesă mult mai mică și aș fi economisit câțiva bani. Dacă aveți niște ochelari vechi de eclipsă de soare care nu sunt folosiți, ați putea să tăiați unul dintre obiective și să creați un filtru adecvat.

Efectuarea mutării filtrului

În timp ce majoritatea fotografiilor pe care le faceți vor fi cu filtrul în poziție, doriți să obțineți fotografii și în alte momente ale zilei, când soarele este în afara cadrului. Acestea sunt ceea ce veți folosi ca imagini de fundal pentru suprapunerea imaginilor filtrate de soare. Puteți să-l construiți astfel încât să mutați manual filtrul și să faceți aceste imagini de fundal, dar am avut un servo suplimentar în jurul meu și am vrut să automatizez acel pas.

Pentru ce este releul?

Între modul în care Pi generează semnale PWM și servo-ul low-end pe care l-am folosit, au existat momente în care aș porni totul și servo-ul ar sta acolo și a „vorbi”. Adică, s-ar mișca înainte și înapoi în pași foarte mici, în timp ce încerca să găsească poziția exactă pe care o comanda Pi. Acest lucru a făcut ca servo-ul să se încălzească foarte tare și a făcut un zgomot enervant. Așa că am decis să folosesc un releu pentru a furniza energie servoului numai în timpul celor două ori pe zi în care vreau să fac fotografii nefiltrate. Acest lucru a necesitat utilizarea unui alt pin digital de ieșire pe Pi pentru a furniza semnalul de control al releului.

Pasul 6: Furnizarea de energie

Există patru elemente care au nevoie de energie în acest proiect:

1. Raspberry Pi
2. Dongle Wi-Fi (Dacă utilizați un model Pi ulterior cu Wi-Fi încorporat, acest lucru nu va fi necesar)
3. Releu 5V
4. Servo

Important: Nu încercați să alimentați servo-ul direct de la pinul de 5V de pe Raspberry Pi. Servoul atrage mai mult curent decât poate furniza Pi și vei face rău iremediabil plăcii. În schimb, utilizați o sursă de alimentare separată pentru a alimenta servo și releu.

Ceea ce am făcut a fost să folosesc un neg de perete de 5V pentru a alimenta Pi și un altul pentru a alimenta un hub USB vechi. Butucul este utilizat pentru conectarea dongle-ului Wi-Fi și pentru furnizarea de energie la releu și servo. Servo-ul și releul nu au mufe USB, așa că am luat un cablu USB vechi și am tăiat conectorul de la capătul dispozitivului. Apoi am dezbrăcat firele de 5V și de masă și le-am conectat la releu și la servo. Acest lucru a furnizat o sursă de energie acestor dispozitive fără a risca deteriorarea dispozitivului Pi.

Notă: Pi și componentele externe nu sunt complet independente. Deoarece aveți semnale de control care vin de la Pi la releu și servo, trebuie să aveți, de asemenea, o linie de masă care să revină de la acele articole la Pi. Există, de asemenea, o conexiune USB între hub și Pi, astfel încât wi-fi-ul să poată funcționa. Un inginer electric ar fi tresărit probabil la potențialul buclelor la sol și la alte răutăți electrice, dar totul funcționează, așa că nu mă voi îngrijora de lipsa excelenței inginerești.:)

Pasul 7: Puneți totul împreună

După ce ați conectat toate piesele, următorul pas este să montați servo, brațul de declanșare și camera pe placa de montare.

Într-o imagine de mai sus, puteți vedea brațul obturatorului în poziție (minus pelicula solară, pe care nu o înregistrasem încă). Brațul obturatorului este realizat din HDPE de 1/4 și este atașat folosind unul dintre butucii standard furnizați cu servo.

În cealaltă imagine, puteți vedea partea din spate a plăcii de montare și cum sunt atașate servo și cameră. După ce a fost făcută această imagine, am reproiectat piesa albă pe care o vedeți pentru a apropia obiectivul camerei de fotografiat de brațul obturatorului și apoi l-am retipărit în verde. De aceea, în alte imagini partea albă nu este prezentă.

Cuvânt de precauție

Modulul camerei are un cablu panglică foarte mic pe placa care conectează camera reală la restul electronicelor. Acest mic conector are o tendință enervantă de a ieși frecvent din priză. Când apare, raspistill raportează că camera nu este conectată. Mi-am petrecut mult timp readucând fără rezultat ambele capete ale cablului cu bandă mai mare înainte de a-mi da seama unde se află problema reală.

După ce mi-am dat seama că problema era micul cablu de pe placă, am încercat să-l țin apăsat cu bandă Kapton, dar asta nu a funcționat și am apelat în cele din urmă la un pic de adeziv fierbinte. Până în prezent, lipiciul l-a ținut pe loc.

Pasul 8: Selectarea site-ului

Marile telescoape ale lumii sunt situate pe vârfurile munților din Peru, Hawaii sau în altă locație relativ îndepărtată. Pentru acest proiect, lista mea completă de site-uri candidate a inclus:

• Un pervaz orientat spre est în casa mea
• Un pervaz orientat spre vest în casa mea
• Un pervaz orientat spre sud în casa mea

Deosebit de absenți din această listă sunt Peru și Hawaii. Deci, având în vedere aceste alegeri, ce trebuia să fac?

Fereastra orientată spre sud are o întindere larg deschisă, fără clădiri în vedere, dar din cauza unei probleme cu sigiliul meteorologic, nu este clar din punct de vedere optic. Fereastra orientată spre vest include o vedere minunată asupra vârfului Pikes și ar fi oferit o priveliște extraordinară, dar este situată în camera de familie, iar soției mele nu i-ar plăcea ca proiectul meu științific să fie afișat atât de vizibil pentru un an întreg. Asta m-a lăsat cu vederea orientată spre est, cu vedere spre un turn mare de antenă și partea din spate a Safeway-ului local. Nu foarte drăguț, dar asta a fost cea mai bună alegere.

Într-adevăr, cel mai important lucru este să găsești un loc în care proiectul să nu fie împins, mutat sau altfel deranjat. Atâta timp cât puteți obține soarele în cadru timp de o oră două în fiecare zi, orice direcție va funcționa.

Pasul 9: Fotografierea

Cer înnorat

Întâmplăm să trăiesc undeva cu mult soare în fiecare an, ceea ce este bine, deoarece norii chiar fac ravagii cu imaginile. Dacă este ușor tulbure, soarele iese mai degrabă ca un disc verde pal, decât ca un disc portocaliu bine definit, pe care îl primesc într-o zi fără nori. Dacă este destul de tulbure, nimic nu apare pe imagine.

Am început să scriu niște software de procesare a imaginilor pentru a ajuta la atenuarea acestor probleme, dar acel cod nu este încă pregătit. Până atunci, trebuie doar să lucrez în jurul capriciilor vremii.

Faceți backup datelor dvs

Cu camera pe care o folosesc și cu numărul de fotografii pe care le fac, generez aproximativ 70 MB de imagini în fiecare zi. Chiar dacă cardul micro-SD de pe Pi ar fi suficient de mare pentru a deține date în valoare de un an, nu aș avea încredere în ea. La fiecare câteva zile, folosesc scp pentru a copia datele recente pe desktopul meu. Acolo, văd imaginile pentru a mă asigura că sunt în regulă și că nu s-a întâmplat nimic ciudat. Apoi copiez toate acele fișiere pe NAS-ul meu, astfel încât să am două copii independente ale datelor. După aceea, mă întorc la Pi și șterg fișierele originale.

Pasul 10: Analemă (sau … o figură optică astronomică mare)

Pe lângă determinarea înclinării axiale și a latitudinii, realizarea de fotografii în același timp în fiecare zi ne poate oferi, de asemenea, o vedere foarte rece a traseului Soarelui pe parcursul unui an.

Dacă ați văzut vreodată filmul Cast Away cu Tom Hanks, s-ar putea să vă amintiți scena din peșteră unde a marcat calea soarelui de-a lungul timpului și a făcut o cifră opt. Când am văzut acea scenă pentru prima dată, am vrut să aflu mai multe despre acest fenomen și, la doar șaptesprezece ani mai târziu, în cele din urmă mă apuc să fac exact asta!

Această formă se numește analemă și este rezultatul înclinării axei Pământului și a faptului că orbita Pământului este eliptică și nu un cerc perfect. Capturarea unui film este la fel de simplă ca și configurarea unei camere și realizarea unei fotografii în același timp în fiecare zi. Deși există o mulțime de imagini foarte bune ale analemei pe web, unul dintre lucrurile pe care le vom face în acest proiect este să ne creăm propriile noastre. Pentru mai multe detalii despre analemă și despre modul în care cineva poate fi centrul unui almanah destul de util, consultați acest articol.

Înainte de apariția fotografiei digitale, realizarea unei imagini a unei analeme a necesitat abilități fotografice reale, deoarece ar trebui să faceți cu atenție mai multe expuneri pe aceeași bucată de film. Evident, camera Raspberry Pi nu are film, așa că, în loc de pricepere și răbdare, vom combina pur și simplu mai multe imagini digitale pentru a obține același efect.

Pasul 11: Ce urmează?

Acum, când micul aparat de fotografiat-robot este la locul său și face fotografii cu fidelitate în fiecare zi, ce urmează? După cum se dovedește, există încă destul de multe lucruri de făcut. Rețineți că cele mai multe dintre acestea vor implica scrierea python și utilizarea OpenCV. Îmi place python și îmi doresc o scuză pentru a învăța OpenCV, așa că este un câștig pentru mine!

1. Detectați automat zilele înnorate Dacă este prea înnorat, filmul solar și viteza scurtă de declanșare fac o imagine opacă. Vreau să detectez automat acea stare și apoi fie să măresc viteza obturatorului, fie să mut filtrul solar din cale.
2. Utilizați procesarea imaginilor pentru a găsi soarele chiar și în fotografii înnorate Bănuiesc că este posibil să găsiți punctul central al soarelui, chiar dacă norii sunt în cale.
3. Suprapuneți discurile solare pe o imagine clară de fundal pentru a forma o cale a traseului soarelui în timpul zilei
4. Creați o analiză Aceeași tehnică de bază ca ultimul pas, dar folosind fotografii făcute la aceeași oră în fiecare zi
5. Măsurați rezoluția unghiulară a camerei (grade / pixeli). Am nevoie de aceasta pentru calculele mele ulterioare

Există mai mult decât atât, dar asta mă va ține ocupat pentru o vreme.

Mulțumesc că ai rămas cu mine până la capăt. Sper că ți-a plăcut această descriere a proiectului și că te motivează să abordezi propriul tău proiect!