מצפה שמש: 11 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

מהי הטיה של ציר כדור הארץ? באיזה קו רוחב אני נמצא?

אם אתה רוצה את התשובה במהירות, אתה פונה אל Google או לאפליקציית GPS בסמארטפון שלך. אבל אם יש לך פטל פטל, מודול מצלמה ושנה לערך לערוך כמה תצפיות, תוכל לקבוע את התשובות לשאלות אלה בעצמך. על ידי הצבת מצלמה עם מסנן סולארי במיקום קבוע ושימוש ב- Pi לצילום בו זמנית בכל יום, תוכלו לאסוף נתונים רבים אודות נתיב השמש בשמים, ובהרחבה, מסלול כדור הארץ מסביב. השמש. במדריך זה אני מראה לך איך הכנתי מצפה שמש משלי בפחות מ -100 דולר.

אך אם נמשיך רחוק יותר, עלי לציין שאני רק חודשיים לסיום הניסוי שלי, כך שלא אוכל לכלול את התוצאות הסופיות. עם זאת, אני יכול לשתף את ניסיוני בבניית הפרויקט הזה ובתקווה לתת לך מושג כיצד לבנות משלך.

למרות שזה לא קשה, הפרויקט הזה מספק הזדמנות לממש מספר כישורים שונים. לכל הפחות, עליך להיות מסוגל לחבר פטל פטל למצלמה ולסרוו ותצטרך לבצע פיתוח תוכנה ברמה מסוימת כדי לחלץ נתונים מהתמונות שאתה מצלם. השתמשתי גם בכלים בסיסיים לעיבוד עץ ובמדפסת תלת מימד אך אלה אינם חיוניים לפרויקט זה.

אתאר גם את מאמץ איסוף הנתונים לטווח הארוך שביצעתי וכיצד אשתמש ב- OpenCV כדי להפוך מאות תמונות לנתונים מספריים הניתנים לניתוח בעזרת גיליון אלקטרוני או שפת התכנות המועדפת עליך. כבונוס, נוכל גם להיעזר בצד האמנותי שלנו ולהסתכל על כמה תמונות ויזואליות מעניינות.

שלב 1: טלדר; הוראות קצרות

המדריך הזה הוא קצת בצד הארוך, אז כדי להתחיל, להלן העצמות החשופות, ללא פירוט נוסף המסופק הוראות.

1. קנה פטל פטל, מצלמה, סרוו, ממסר, סרט סולארי, יבלות לקיר וחומרה מגוונת
2. תחבר את כל החומרה הזו
3. הגדר את ה- Pi וכתוב כמה סקריפטים פשוטים לצילום תמונות ושמירת התוצאות
4. בנה קופסת פרוייקטים והרכיב בה את כל החומרה
5. מצא מקום להציב את הפרויקט במקום בו הוא יכול לראות את השמש והוא לא ייפגע או יבלוט
6. שים את זה שם
7. תתחיל לצלם
8. כל כמה ימים, העבר את התמונות למחשב אחר כדי שלא תמלא את כרטיס ה- SD שלך
9. התחל ללמוד OpenCV כדי שתוכל לחלץ נתונים מהתמונות שלך
10. חכה שנה

זה הפרויקט בקצרה. כעת המשך לקרוא לפרטים נוספים על שלבים אלה.

שלב 2: רקע

בני אדם צופים בשמש, בירח ובכוכבים כל עוד היינו בסביבה והפרויקט הזה לא משיג דבר שאבותינו לא עשו לפני אלפי שנים. אבל במקום להניח מקל באדמה ולהשתמש בסלעים כדי לסמן את מיקומי הצללים בזמני מפתח, נשתמש ב- Raspberry Pi ובמצלמה ונעשה את כל זה מתוך הנוחות של הבתים שלנו. הפרויקט שלך לא יהיה אתר תיירות בעוד אלף שנה מהיום, אך בצד החיובי, לא תצטרך להיאבק בהחלת סלעים ענקיים.

הרעיון הכללי בפרויקט זה הוא להפנות מצלמה למקום קבוע בשמיים ולצלם בו זמנית בכל יום. אם יש לך מסנן מתאים במצלמה שלך ומהירות התריס הנכונה, יהיו לך תמונות חדות ומוגדרות היטב של דיסק השמש. באמצעות תמונות אלה, אתה יכול לשים מקל וירטואלי באדמה וללמוד לא מעט דברים מעניינים.

כדי לשמור על גודל מדריך זה ניתן לניהול, כל מה שאדון הוא כיצד לקבוע את הטיה של ציר כדור הארץ ואת קו הרוחב שבו צולמות התמונות. אם סעיף ההערות מצביע על מספיק עניין, אני יכול לדבר על כמה מהדברים האחרים שאתה יכול ללמוד מהמצפה השמש שלך במאמר המשך.

הטייה צירית הזווית בין השמש ביום שהיא הכי רחוקה לצפון והיום שהיא הכי רחוקה דרומה זהה להטיה של ציר כדור הארץ. אולי למדת בבית הספר שמדובר ב -23.5 מעלות אך כעת תדע זאת מהתצפיות שלך ולא רק מתוך ספר לימוד.

כעת כשאנחנו יודעים את הטיה של ציר כדור הארץ, הפחת את זה מגובה נתיב השמש ביום הארוך ביותר בשנה כדי ללמוד את קו הרוחב של המיקום הנוכחי שלך.

ברור שאתה יכול למצוא את הערכים האלה הרבה יותר מדויק ומהיר, אבל אם אתה סוג האדם שקורא הוראות, אתה יודע שיש הרבה סיפוק לעשות זאת בעצמך. למידת עובדות על העולם סביבך תוך שימוש בתצפיות פשוטות וישירות ומתמטיקה פשוטה היא כל העניין של הפרויקט הזה.

שלב 3: רכיבים נדרשים

למרות שאתה יכול לעשות את כל הפרויקט הזה עם מצלמה יקרה ומתוחכמת, אין לי אחת כזו. מטרה לפרויקט זה הייתה לנצל את מה שכבר היה בידי מפרויקטים קודמים. זה כלל פטל פטל, מודול מצלמה, ורוב הפריטים האחרים המפורטים להלן אם כי הייתי צריך ללכת לאמזון בשביל כמה מהם. העלות הכוללת אם תצטרך לקנות הכל תהיה בסביבות 100 דולר.

• פטל פטל (כל דגם יעשה)
• מודול מצלמות Raspberry Pi
• כבל סרט ארוך יותר למצלמה (אופציונלי)
• דונגל אלחוטי
• סרוו סטנדרטי
• ממסר 5V
• רכזת USB מופעלת
• פס חשמל וכבל מאריך
• יריעה של סרט סולארי
• גרוטאות עץ, פלסטיק, HDPE וכו '
• לוח פרוייקטים גלי

השתמשתי גם במדפסת התלת מימד של Monoprice שלי אבל זה היה נוח ולא הכרחי. קצת יצירתיות מצידך תאפשר לך למצוא דרך מתאימה להסתדר בלי זה.

שלב 4: הגדרת ה- Raspberry Pi

להכין

אני לא הולך לפרט כאן הרבה ואניח שנוח לך להתקין מערכת הפעלה ב- Pi ולהגדיר אותו. אם לא, יש הרבה משאבים באינטרנט שיעזרו לך להתחיל.

להלן הדברים החשובים ביותר שיש לשים לב אליהם במהלך ההתקנה.

• וודא שחיבור ה- WiFi שלך מופעל אוטומטית כאשר ה- Pi מופעל מחדש
• הפעל ssh הפרוייקט כנראה יותקן במקום שאינו מהדרך, כך שלא תתחבר למסך ולמקלדת. אתה תשתמש ב- ssh & scp לא מעט כדי להגדיר אותו ולהעתיק תמונות למחשב אחר.
• הקפד להפעיל כניסה אוטומטית באמצעות ssh, כך שלא תצטרך להזין את הסיסמה שלך בכל פעם
• הפעל את מודול המצלמה הרבה אנשים מחברים את המצלמה, אך שוכחים להפעיל אותה
• השבת את מצב GUI אתה תפעיל ללא ראש ולכן אין צורך להשקיע משאבי מערכת בהפעלת שרת X
• התקן את חבילת gpio באמצעות apt-get או דומה
• הגדר את אזור הזמן ל- UTC אתה רוצה את התמונות שלך באותה שעה בכל יום ואינך רוצה להיזרק מהזמן. הכי פשוט פשוט להשתמש ב- UTC.

עכשיו יהיה זמן טוב להתנסות במודול המצלמה. השתמש בתוכנית 'raspistill' כדי לצלם כמה תמונות. עליך גם להתנסות באפשרויות שורת הפקודה כדי לראות כיצד נשלטת מהירות התריס.

ממשקי חומרה

למודול המצלמה יש ממשק כבל סרט ייעודי משלו אך אנו משתמשים בסיכות GPIO לשליטה בממסר ובסרוו. שים לב שישנן שתי תוכניות מספור שונות בשימוש נפוץ וקל להתבלבל. אני מעדיף להשתמש באפשרות '-g' לפקודה gpio כדי שאוכל להשתמש במספרי הסיכה הרשמיים.

מבחר הסיכות שלך עשוי להשתנות אם יש לך דגם Pi שונה מזה שבו אני משתמש. עיין בדיאגרמות pinout לדגם הספציפי שלך לעיון.

• פין 23 - יציאה דיגיטלית לממסר אות זה מפעיל את הממסר, המספק כוח לסרוו
• פין 18 - PWM לסרוו מיקום הסרווו נשלט על ידי אות אפנון רוחב דופק
• טחון - כל סיכה טחונה תספיק

עיין בסקריפטים המצורפים של המעטפת לשליטה על הסיכות הללו.

הערה: תיבת הדו -שיח להעלאה באתר זה התנגדה לניסיונות שלי להעלות קבצים שהסתיימו ב- '.sh'. אז שיניתי את שמם בסיומת '.notsh' וההעלאה עבדה מצוין. סביר להניח שתרצה לשנות את שמו חזרה ל- '.sh' לפני השימוש.

crontab

מכיוון שאני רוצה לצלם כל חמש דקות על פני תקופה של כ -2.5 שעות, השתמשתי ב- crontab, שהוא כלי מערכת להפעלת פקודות מתוזמנות גם כשאתה לא מחובר. התחביר של זה קצת מגושם אז השתמש ב- מנוע חיפוש לבחירתך כדי לקבל פרטים נוספים. השורות הרלוונטיות מה- crontab שלי מצורפות.

מה שהערכים האלה עושים הוא א) לצלם כל חמש דקות כשהמסנן הסולארי במקום וב) לחכות כמה שעות ולצלם כמה תמונות ללא מסנן.

שלב 5: תיבת הפרויקט

אני עומד לקמץ באמת בהוראות בסעיף זה ולהשאיר אותך לדמיון שלך. הסיבה היא שכל התקנה תהיה שונה ותלויה במיקום ההתקנה של הפרויקט ובסוגי החומרים שאיתם אתם עובדים.

ההיבט החשוב ביותר של תיבת הפרויקט הוא שהיא תהיה ממוקמת באופן שלא יזוז בקלות. המצלמה לא אמורה לזוז ברגע שאתה מתחיל לצלם. אחרת תצטרך לכתוב תוכנה לביצוע רישום תמונות וליישר את כל התמונות בצורה דיגיטלית. עדיף שתהיה פלטפורמה קבועה כדי שלא תצטרך להתמודד עם הבעיה הזו.

לתיבת הפרויקטים שלי השתמשתי ב- 1/2 אינץ 'MDF, חתיכה קטנה של דיקט 1/4 אינץ', מסגרת מודפסת בתלת מימד בכדי להחזיק את המצלמה בזווית הרצויה ולוח פרוייקט גלי לבן. היצירה האחרונה ממוקמת מול המסגרת המודפסת בתלת -ממד כדי להגן עליה מפני אור שמש ישיר ולמנוע בעיות אפשריות בהתעקמות.

השארתי את החלק האחורי והחלק העליון של הקופסה פתוח למקרה שאצטרך להגיע לאלקטרוניקה אבל זה עדיין לא קרה. זה עובד כבר שבעה שבועות ללא צורך בתיקונים או שינויי מצידי.

פילטר נייד

החלק היחיד בקופסת הפרויקט שראוי להסבר כלשהו הוא הסרוו עם הזרוע הנעת.

מודול המצלמה הסטנדרטי של Raspberry Pi לא עובד כל כך טוב אם רק מכוונים אותו לשמש ומצלמים. סמכו על זה … ניסיתי.

כדי לקבל תמונה שימושית של השמש עליך למקם מסנן סולארי מול העדשה. כנראה שיש מסננים יקרים מראש שתוכלי לקנות בשביל זה אבל הכנתי לבד בעזרת חתיכה קטנה של סרט שמש וחתיכת 1/4 HDPE עם חור עגול בתוכה. ניתן לרכוש את הסרט הסולארי מ- אמזון בכ -12 דולר. בדיעבד, יכולתי להזמין חתיכה קטנה בהרבה ולחסוך מעט כסף. אם יש לך כמה כוסות ליקוי חמה ישנות מונחות ללא שימוש, אולי תוכל לחתוך את אחת העדשות ולעשות פילטר מתאים.

ביצוע המסנן זז

בעוד שרוב התמונות שאתה מצלם יהיו עם המסנן במקום, אתה רוצה גם לקבל תמונות בשעות אחרות של היום כשהשמש מחוץ למסגרת. אלה הם מה שתשתמש בהם כתמונות הרקע לשכבת שכבות תמונות השמש המסוננות שלך. אתה יכול לבנות אותו כך שתזיז את המסנן באופן ידני ותצלם את תמונות הרקע האלה, אבל היה לי סרוו נוסף ורציתי להפוך את הצעד הזה לאוטומטי.

למה נועד הממסר?

בין האופן שבו ה- Pi יוצר אותות PWM לבין הסרוו הנמוך בו השתמשתי, היו פעמים שהייתי מפעיל הכל והסרוו היה פשוט יושב שם ו"מפטפט ". כלומר, הוא ינוע קדימה ואחורה בצעדים קטנים מאוד כאשר הוא ניסה למצוא את המיקום המדויק עליו פיקד הפי. זה גרם לסרוו להתחמם מאוד ועשה רעש מעצבן. אז החלטתי להשתמש בממסר כדי לספק כוח לסרוו רק במהלך הפעמיים ביום שאני רוצה לצלם תמונות לא מסוננות. זה דרש שימוש בסיכת פלט דיגיטלית נוספת ב- Pi כדי לספק את אות הבקרה לממסר.

שלב 6: מתן כוח

ישנם ארבעה פריטים הדורשים כוח בפרויקט זה:

1. פאי פטל
2. דונגל Wi-Fi (אם אתה משתמש בדגם מאוחר יותר של Pi עם Wi-Fi מובנה, זה לא יהיה נחוץ)
3. ממסר 5V
4. סרוו

חשוב: אל תנסה להפעיל את הסרוו ישירות מהפין 5V ב- Raspberry Pi. הסרוו שואב יותר זרם ממה שהפי יכול לספק ותגרמו נזק בלתי הפיך ללוח. במקום זאת, השתמש במקור כוח נפרד להפעלת הסרוו והממסר.

מה שעשיתי היה להשתמש ביבלת קיר אחת של 5V להנעת ה- Pi ובאחרת כדי להפעיל רכזת USB ישנה. הרכזת משמשת לחיבור הדונגל של ה- Wi-Fi ולאספקת כוח לממסר ולסרוו. לסרוו ולממסר אין שקעי USB אז לקחתי כבל USB ישן וחתכתי את המחבר מקצה המכשיר. אחר כך הפשטתי את חוטי ה -5 V והארקה וחיברתי אותם לממסר ולסרוו. זה סיפק מקור כוח לאותם מכשירים מבלי להסתכן בנזק ל- Pi.

הערה: ה- Pi והרכיבים החיצוניים אינם עצמאיים לחלוטין. מכיוון שיש לך אותות שליטה המגיעים מה- Pi אל הממסר והסרוו, עליך להיות גם בקו קרקע החוזר מהפריטים אל ה- Pi. יש גם חיבור USB בין הרכזת ל- Pi כך שה- wi-fi יכול לפעול. מהנדס חשמל כנראה ירעד מהפוטנציאל של לולאות קרקע ושובלות חשמל אחרות אבל הכל עובד כך שאני לא מתכוון לדאוג מחוסר מצוינות הנדסית.:)

שלב 7: חיבור הכל ביחד

לאחר חיבור כל החלקים, השלב הבא הוא הרכבה של סרוו, זרוע תריסים ומצלמה על צלחת ההרכבה.

בתמונה אחת למעלה, אתה יכול לראות את זרוע התריס במקומה (מינוס הסרט הסולארי, שעדיין לא הדבקתי). זרוע התריס עשויה 1/4 אינץ 'HDPE ומחוברת באמצעות אחד הרכזים הסטנדרטיים שהגיעו עם הסרוו.

בתמונה השנייה ניתן לראות את החלק האחורי של לוח ההרכבה וכיצד מחוברים הסרוו והמצלמה. לאחר צילום התמונה, עיצבתי מחדש את החלק הלבן שאתה רואה כדי לקרב את עדשת המצלמה לזרוע התריס ולאחר מכן הדפסתי אותה מחדש בירוק. לכן בתמונות אחרות החלק הלבן אינו קיים.

מילת זהירות

למודול המצלמה יש כבל סרט קטן מאוד על הלוח שמחבר את המצלמה בפועל לשאר האלקטרוניקה. למחבר הקטן הזה יש נטייה מעצבנת לצאת מהשקע שלו לעתים קרובות. כאשר הוא קופץ החוצה, raspistill מדווח כי המצלמה אינה מחוברת. ביליתי הרבה זמן לשוב ולפרוס מחדש את שני קצוות כבל הסרט הגדול לפני שהבנתי היכן נמצאת הבעיה האמיתית.

אחרי שהבנתי שהבעיה היא בכבל הקטן על הלוח, ניסיתי להחזיק אותו עם סרט קפטון אבל זה לא עבד ולבסוף ניגשתי לטיפת דבק חם. עד כה הדבק החזיק אותו במקומו.

שלב 8: בחירת אתר

הטלסקופים הגדולים בעולם ממוקמים על פסגות הרים בפרו, הוואי, או במיקום מרוחק יחסית אחר. לפרויקט זה, רשימת האתרים המועמדים המלאה שלי כללה:

• אדן חלון הפונה מזרחה בביתי
• אדן חלון הפונה מערבה בביתי
• אדן חלון הפונה דרומה בביתי

בפרט נעדרים מרשימה זו פרו והוואי. אז בהתחשב בבחירות האלה, מה עליי לעשות?

לחלון הפונה דרומה יש מרחב פתוח לרווחה מבלי לראות מבנים אך בשל בעיה בחותם מזג האוויר, הוא אינו ברור אופטית. החלון הפונה מערבה כולל נוף נהדר של פיקס פיק והיה מאפשר נוף נהדר אך הוא ממוקם בחדר המשפחה ואשתי אולי לא תאהב את פרויקט המדע שלי שיוצג בצורה בולטת במשך שנה שלמה. זה השאיר אותי עם הנוף הפונה מזרחה המשקיף על מגדל אנטנות גדול ועל החלק האחורי של הכביש המהיר המקומי. לא ממש יפה אבל זו הייתה הבחירה הטובה ביותר.

באמת, הדבר החשוב ביותר הוא למצוא מקום שבו הפרויקט לא יבלבל, לא יזוז או יופרע בדרך אחרת. כל עוד אתה יכול להכניס את השמש למסגרת למשך שעה שעתיים בכל יום, כל כיוון יעבוד.

שלב 9: צילום תמונות

שמיים מעוננים

אני גר במקרה שבכל שנה זורם לה הרבה שמש בכל שנה, וזה טוב מכיוון שעננים ממש גורמים להרס עם התמונות. אם הוא מעונן מעט, השמש יוצאת כדיסק ירוק בהיר ולא הדיסק הכתום המוגדר היטב שאני מקבל ביום נטול עננים. אם הוא מעונן למדי, שום דבר לא מופיע בתמונה.

התחלתי לכתוב כמה תוכנות לעיבוד תמונות שיעזרו להקל על בעיות אלה אך הקוד עדיין אינו מוכן. עד אז, אני רק צריך לעקוף את גחמות מזג האוויר.

גיבוי הנתונים שלך

בעזרת המצלמה שבה אני משתמש ומספר התמונות שאני מצלם, אני יוצר כ- 70MB תמונות בכל יום. גם אם כרטיס המיקרו SD ב- Pi היה גדול מספיק בכדי להכיל נתונים לשנה, לא הייתי סומך עליו. כל כמה ימים, אני משתמש ב- scp כדי להעתיק את הנתונים האחרונים לשולחן העבודה שלי. שם, אני צופה בתמונות כדי לוודא שהן תקינות וששום דבר מוזר לא קרה. אחר כך אני מעתיק את כל הקבצים האלה ל- NAS שלי כך שיהיו לי שני עותקים עצמאיים של הנתונים. לאחר מכן, אני חוזר ל- Pi ומוחק את הקבצים המקוריים.

שלב 10: אנלמה (או … דמות אסטרונומית גדולה שמונה)

מלבד קביעת הטיה וקו הרוחב הציריים, צילום תמונות בו זמנית בכל יום יכול גם לספק לנו תצוגה מגניבה מאוד של נתיב השמש במהלך שנה.

אם אי פעם ראיתם את הסרט Cast Away עם טום הנקס, אולי תזכרו את הסצנה במערה שבה הוא סימן את נתיב השמש לאורך זמן והיא הציגה מספר שמונה. כשראיתי את הסצינה הזו לראשונה, רציתי ללמוד עוד על התופעה הזו ושבע עשרה שנים מאוחר יותר, סוף סוף אני מצליח לעשות בדיוק את זה!

צורה זו נקראת אנאלמה והיא תוצאה של הטיית ציר כדור הארץ והעובדה שמסלול כדור הארץ הוא אליפטי ולא מעגל מושלם. צילום אחד על סרט פשוט כמו הגדרת מצלמה וצילום בו זמנית בכל יום. למרות שיש הרבה תמונות טובות מאוד של אנלמה באינטרנט, אחד הדברים שנעשה בפרויקט זה הוא ליצור משלנו. לפרטים נוספים אודות אנלמה וכיצד ניתן להוות את מרכזו של אלמנאך די שימושי, עיין במאמר זה.

לפני הופעת הצילום הדיגיטלי, לכידת תמונה של אנאלמה נדרשה כישורי צילום בפועל מכיוון שתצטרך לבצע חשיפות מרובות על אותה פיסת סרט. ברור שלמצלמת Raspberry Pi אין סרט, כך שבמקום מיומנות וסבלנות, פשוט נשלב תמונות דיגיטליות מרובות כדי לקבל את אותו האפקט.

שלב 11: מה הלאה?

עכשיו כשהרובוט המצלמה הקטן במקום ומצלם בנאמנות כל יום, מה הלאה? כפי שמתברר, עדיין יש לא מעט דברים לעשות. שים לב שרוב אלה יכללו כתיבת פייתון ושימוש ב- OpenCV. אני אוהב פייתון ורציתי תירוץ ללמוד OpenCV אז זה win-win בשבילי!

1. זיהוי אוטומטי של ימים מעוננים אם הוא מעונן מדי, סרט השמש ומהירות התריס הקצרה יוצרים תמונה אטומה. אני רוצה לזהות את המצב באופן אוטומטי ואז להגדיל את מהירות התריס או להזיז את המסנן הסולרי מהדרך.
2. השתמש בעיבוד תמונות כדי למצוא את השמש אפילו בתמונות עכורות אני חושד שאפשר למצוא את נקודת מרכז השמש גם אם עננים בדרך.
3. שכבו דיסקים סולאריים בתמונת רקע ברורה כדי ליצור מסלול אחר נתיב השמש במהלך היום
4. צור אנאלמה טכניקה בסיסית זהה לשלב האחרון אך באמצעות תמונות שצולמו בו זמנית בכל יום
5. מדוד את הרזולוציה הזוויתית של המצלמה (מעלות/פיקסל) אצטרך זאת לצורך החישובים המאוחרים שלי

יש יותר מזה אבל זה יעסיק אותי לזמן מה.

תודה שדבקת איתי עד הסוף. אני מקווה שנהניתם מתיאור הפרויקט הזה ושהוא מניע אתכם להתמודד עם הפרויקט הבא שלכם!