Güneş Gözlemevi: 11 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Dünyanın ekseninin eğikliği nedir? Hangi enlemdeyim?

Hızlı bir şekilde yanıt almak istiyorsanız, ya Google'a ya da akıllı telefonunuzdaki bir GPS uygulamasına dönersiniz. Ama eğer bir Raspberry Pi'niz, bir kamera modülünüz varsa ve bir kaç yıllık gözlemleriniz varsa, bu soruların cevaplarını kendiniz belirleyebilirsiniz. Sabit bir yere güneş filtreli bir kamera kurarak ve her gün aynı saatte fotoğraf çekmek için Pi'yi kullanarak, güneşin gökyüzündeki yolu ve buna bağlı olarak Dünya'nın etrafındaki yolu hakkında birçok veri toplayabilirsiniz. Güneş. Bu Eğitilebilir Kitapta, size 100 doların altında kendi güneş gözlem evimi nasıl yaptığımı gösteriyorum.

Yine de daha ileri gitmeden önce, bir yıllık deneyimime sadece iki ay kaldığımı ve bu nedenle nihai sonuçları ekleyemeyeceğimi belirtmeliyim. Ancak, bu projeyi inşa etme deneyimimi paylaşabilirim ve umarım size kendinizinkini nasıl inşa edeceğiniz konusunda bir fikir verebilirim.

Hiç de zor olmasa da, bu proje birkaç farklı beceriyi kullanma fırsatı sunuyor. En azından, bir Raspberry Pi'yi bir kameraya ve bir servoya bağlayabilmeniz ve çektiğiniz resimlerden veri çıkarmak için bir miktar yazılım geliştirme yapabilmeniz gerekecektir. Ayrıca temel ahşap işleme araçlarını ve bir 3D yazıcıyı da kullandım ancak bunlar bu proje için çok önemli değil.

Ayrıca, üstlendiğim uzun vadeli veri toplama çabasını ve yüzlerce resmi bir elektronik tablo veya seçtiğiniz programlama dili kullanılarak analiz edilebilecek sayısal verilere dönüştürmek için OpenCV'yi nasıl kullanacağımı anlatacağım. Bir bonus olarak, ayrıca sanatsal yönümüzden de yararlanacağız ve bazı ilginç görsel resimlere bakacağız.

Adım 1: Tldr; Kısa Talimatlar

Bu Eğitilebilirlik biraz uzun, bu yüzden başlamak için, işte çıplak kemikler, fazladan ayrıntı verilmemiş talimatlar yok.

1. Bir Raspberry Pi, kamera, servo, röle, güneş filmi, duvar siğilleri ve çeşitli donanımlar edinin
2. Tüm bu donanımı bağla
3. Pi'yi yapılandırın ve fotoğraf çekmek ve sonuçları kaydetmek için bazı basit komut dosyaları yazın
4. Bir proje kutusu oluşturun ve tüm bu donanımı içine monte edin
5. Projeyi güneşi görebileceği bir yere koyacak bir yer bulun ve çarpma veya itişme olmasın
6. oraya koy
7. Fotoğraf çekmeye başla
8. SD kartınızı doldurmamak için birkaç günde bir resimleri başka bir bilgisayara taşıyın.
9. Resimlerinizden veri çıkarabilmek için OpenCV öğrenmeye başlayın
10. bir yıl bekle

Kısaca proje bu. Şimdi bu adımlarla ilgili ek ayrıntılar için okumaya devam edin.

2. Adım: Arka Plan

İnsanlar biz var olduğumuzdan beri güneşi, ayı ve yıldızları izliyorlar ve bu proje atalarımızın binlerce yıl önce yapmadığı hiçbir şeyi başaramıyor. Ancak, kilit zamanlarda gölgelerin yerlerini işaretlemek için yere bir çubuk koymak ve kayaları kullanmak yerine, bir Raspberry Pi ve kamera kullanacağız ve hepsini evimizin rahatlığında yapacağız. Projeniz bundan bin yıl sonra turistik bir yer olmayacak ama artı tarafta, devasa kayaları yerlerine oturtmak için de uğraşmanıza gerek kalmayacak.

Bu projedeki genel fikir, bir kamerayı gökyüzünde sabit bir yere doğrultmak ve her gün aynı saatte fotoğraf çekmektir. Fotoğraf makinenizde uygun bir filtreniz ve doğru deklanşör hızınız varsa, güneş diskinin net, iyi tanımlanmış görüntülerine sahip olursunuz. Bu resimleri kullanarak yere sanal bir çubuk koyabilir ve epeyce ilginç şeyler öğrenebilirsiniz.

Bu Eğitilebilir Yazının boyutunu yönetilebilir tutmak için, ele alacağım tek şey, Dünya ekseninin eğiminin ve resimlerin çekildiği enlemin nasıl belirleneceğidir. Yorumlar bölümü yeterli ilgiyi gösteriyorsa, güneş gözlemevinizden öğrenebileceğiniz diğer bazı şeylerden bir sonraki makalede bahsedebilirim.

Eksen Eğimi, Güneş'in en kuzeyde olduğu gün ile en güneyde olduğu gün arasındaki açı, Dünya'nın eksen eğikliği ile aynıdır. Bunun 23,5 derece olduğunu okulda öğrenmiş olabilirsiniz ama şimdi bunu sadece bir ders kitabından değil, kendi gözlemlerinizden öğreneceksiniz.

LatitudeArtık Dünya'nın ekseninin eğimini bildiğimize göre, mevcut konumunuzun enlemini öğrenmek için yılın en uzun gününde güneşin yolunun yüksekliğinden bunu çıkarın.

Neden Rahatsız Edin?Açıkçası bu değerleri çok daha kesin ve hızlı bir şekilde bulabilirsiniz, ancak Instructables'ı okuyan türden biriyseniz, bunu kendiniz yapmanın çok fazla memnuniyet olduğunu bilirsiniz. Bazı basit, doğrudan gözlemler ve doğrudan matematikten başka bir şey kullanmadan çevrenizdeki dünya hakkında gerçekleri öğrenmek bu projenin bütün amacıdır.

3. Adım: Gerekli Bileşenler

Tüm bu projeyi uygun şekilde pahalı ve şık bir kamerayla yapabilirken, bende onlardan biri yok. Bu projenin bir amacı, önceki projelerden elimde olanlardan yararlanmaktı. Bu, bir Ahududu Pi, kamera modülü ve birkaçı için Amazon'a gitmem gerekse de aşağıda listelenen diğer öğelerin çoğunu içeriyordu. Her şeyi satın almanız gerekiyorsa toplam maliyet 100 USD civarında olacaktır.

• Ahududu Pi (herhangi bir model yapacaktır)
• Raspberry Pi kamera modülü
• Kamera için daha uzun şerit kablo (isteğe bağlı)
• kablosuz program kilidi
• standart servo
• 5V röle
• Güçlendirilmiş USB hub
• Güç şeridi ve uzatma kablosu
• Güneş filmi levhası
• Hurda kereste, plastik, HDPE, vb.
• Oluklu proje panosu

Monoprice 3D yazıcımı da kullandım ama bu bir kolaylıktı, zorunluluk değildi. Kendi açınızdan biraz yaratıcılık, onsuz geçinmek için uygun bir yol bulmanızı sağlayacaktır.

Adım 4: Raspberry Pi'yi Yapılandırma

Kurmak

Burada fazla ayrıntıya girmeyeceğim ve Pi'ye bir işletim sistemi kurma ve yapılandırma konusunda rahat olduğunuzu varsayacağım. Değilse, web'de başlamanıza yardımcı olacak birçok kaynak vardır.

Kurulum sırasında dikkat edilmesi gereken en önemli noktalar şunlardır.

• Pi yeniden başlatıldığında WiFi bağlantınızın otomatik olarak başladığından emin olun.
• ssh'yi etkinleştir Proje muhtemelen bir monitöre ve klavyeye bağımlı olmayacak şekilde yol dışı bir yere kurulacaktır. Yapılandırmak ve resimleri başka bir bilgisayara kopyalamak için ssh & scp'yi biraz kullanacaksınız.
• Her seferinde parolanızı manuel olarak girmek zorunda kalmamak için ssh üzerinden otomatik oturum açmayı etkinleştirdiğinizden emin olun.
• Kamera modülünü etkinleştirinBirçok kişi kamerayı takıyor ancak etkinleştirmeyi unutuyor
• GUI modunu devre dışı bırakın Başsız çalışacaksınız, böylece sistem kaynaklarını bir X sunucusu çalıştırarak harcamanıza gerek kalmaz
• apt-get veya benzerini kullanarak gpio paketini kurun
• Saat dilimini UTC'ye ayarlayın Fotoğraflarınızın her gün aynı saatte olmasını istiyorsunuz ve Yaz Saati Uygulaması ile kaybolmak istemiyorsunuz. Sadece UTC'yi kullanmak en kolayı.

Şimdi kamera modülünü denemek için iyi bir zaman. Birkaç fotoğraf çekmek için 'raspistill' programını kullanın. Deklanşör hızının nasıl kontrol edildiğini görmek için komut satırı seçeneklerini de denemelisiniz.

Donanım Arayüzleri

Kamera modülünün kendi özel şerit kablo arayüzü vardır ancak röle ve servoyu kontrol etmek için GPIO pinlerini kullanıyoruz. Ortak kullanımda iki farklı numaralandırma şeması olduğunu ve karıştırılmasının kolay olduğunu unutmayın. Resmi pin numaralarını kullanabilmek için gpio komutuna '-g' seçeneğini kullanmayı tercih ediyorum.

Kullanmakta olduğumdan farklı bir Pi modeliniz varsa, pin seçiminiz değişebilir. Referans için özel modeliniz için pinout şemalarına bakın.

• Pin 23 - Röleye Dijital Çıkış Bu sinyal, servoya güç sağlayan röleyi açar
• Pim 18 - servoya PWM Servo konumu bir Darbe Genişliği Modülasyon sinyali ile kontrol edilir
• Toprak - Herhangi bir topraklama pimi yeterli olacaktır

Bu pinleri kontrol etmek için ekteki kabuk komut dosyalarına bakın.

Not: Bu sitedeki yükleme iletişim kutusu, '.sh' ile biten dosyaları yükleme girişimlerime itiraz etti. Bu yüzden onları bir '.notsh' uzantısıyla yeniden adlandırdım ve yükleme düzgün çalıştı. Kullanmadan önce muhtemelen onları yeniden '.sh' olarak yeniden adlandırmak isteyeceksiniz.

crontab

Yaklaşık 2,5 saatlik bir süre boyunca her beş dakikada bir fotoğraf çekmek istediğim için, oturum açmamış olsanız bile programlanmış komutları çalıştırmak için bir sistem aracı olan crontab'ı kullandım. Bunun sözdizimi biraz hantal, bu yüzden daha fazla ayrıntı almak için seçtiğiniz arama motoru. Crontab'ımdaki ilgili satırlar ektedir.

Bu girişlerin yaptığı şey, a) güneş filtresi yerindeyken her beş dakikada bir fotoğraf çekmek ve b) birkaç saat beklemek ve yerinde filtresiz birkaç fotoğraf çekmek.

Adım 5: Proje Kutusu

Bu bölümdeki talimatları gerçekten es geçeceğim ve sizi kendi hayal gücünüze bırakacağım. Bunun nedeni, her kurulumun farklı olması ve projeyi nereye kurduğunuza ve çalıştığınız malzeme türlerine bağlı olmasıdır.

Proje kutusunun en önemli özelliği kolay hareket etmeyecek şekilde yerleştirilmesidir. Fotoğraf çekmeye başladığınızda kamera hareket etmemelidir. Aksi takdirde, görüntü kaydı yapmak ve tüm resimleri dijital olarak sıraya koymak için bir yazılım yazmanız gerekecektir. Bu sorunla uğraşmak zorunda kalmamak için sabit bir platforma sahip olmak daha iyidir.

Proje kutum için 1/2" MDF, küçük bir 1/4" kontrplak parçası, kamerayı istenen açıda tutmak için 3D baskılı bir çerçeve ve biraz beyaz oluklu proje tahtası kullandım. Bu son parça, doğrudan güneş ışığından korumak ve bükülme ile ilgili olası sorunları önlemek için 3D baskılı çerçevenin önüne yerleştirilir.

Elektroniklere geçmem gerekebilir diye kutunun arkasını ve üstünü açık bıraktım ama bu henüz olmadı. Benim açımdan herhangi bir düzeltmeye veya ince ayara ihtiyaç duymadan yedi haftadır çalışıyor.

Hareketli Filtre

Proje kutusunun biraz açıklamayı hak eden tek kısmı, hareketli kollu servo.

Standart Raspberry Pi kamera modülü, sadece güneşe doğrultup fotoğraf çekerseniz pek iyi çalışmaz. Bu konuda bana güven… Denedim.

Güneşin kullanılabilir bir resmini elde etmek için merceğin önüne bir güneş filtresi yerleştirmeniz gerekir. Muhtemelen bunun için satın alabileceğiniz pahalı önceden yapılmış filtreler vardır, ancak küçük bir güneş filmi parçası ve içinde dairesel bir delik bulunan bir parça 1/4 HDPE kullanarak kendim yaptım. Güneş filmi şuradan satın alınabilir. Amazon yaklaşık 12 dolara. Geriye dönüp baktığımda, çok daha küçük bir parça sipariş edip biraz para biriktirebilirdim. Etrafta kullanılmayan eski güneş tutulması gözlükleriniz varsa, lenslerden birini kesip uygun bir filtre yapabilirsiniz.

Filtreyi Hareket Ettirme

Çektiğiniz fotoğrafların çoğu filtre takılıyken olsa da, günün diğer saatlerinde güneşin çerçeve dışında olduğu zamanlarda da fotoğraf çekmek istersiniz. Bunlar, filtrelenmiş güneş resimlerinizi üst üste bindirmek için arka plan resimleri olarak kullanacağınız şeylerdir. Filtreyi manuel olarak hareket ettirecek ve bu arka plan görüntülerini alacak şekilde oluşturabilirsiniz, ancak etrafta ek bir servo vardı ve bu adımı otomatikleştirmek istedim.

Röle ne için?

Pi'nin PWM sinyalleri üretme şekli ile kullandığım düşük kaliteli servo arasında, her şeyi çalıştırdığım ve servonun orada oturup "gevezelik ettiği" zamanlar oldu. Yani, Pi'nin komuta ettiği tam konumu bulmaya çalışırken çok küçük adımlarla ileri geri hareket ederdi. Bu, servonun çok ısınmasına ve rahatsız edici bir ses çıkarmasına neden oldu. Bu yüzden, filtrelenmemiş fotoğraf çekmek istediğim günde yalnızca iki kez servoya güç sağlamak için bir röle kullanmaya karar verdim. Bu, röleye kontrol sinyali sağlamak için Pi üzerinde başka bir dijital çıkış pininin kullanılmasını gerektiriyordu.

Adım 6: Güç Sağlama

Bu projede güce ihtiyaç duyan dört öğe var:

1. Ahududu Pi
2. Wi-Fi dongle (Dahili wi-fi ile daha sonraki bir model Pi kullanıyorsanız, bu gerekli olmayacaktır)
3. 5V Röle
4. Servo

Önemli: Servoya doğrudan Raspberry Pi üzerindeki 5V pinden güç vermeye çalışmayın. Servo, Pi'nin sağlayabileceğinden daha fazla akım çeker ve karta onarılamaz bir zarar verirsiniz. Bunun yerine servo ve röleye güç sağlamak için ayrı bir güç kaynağı kullanın.

Yaptığım şey, Pi'ye güç sağlamak için bir 5V duvar siğilini ve eski bir USB hub'ına güç sağlamak için bir diğerini kullanmaktı. Hub, Wi-fi dongle'ı takmak ve röle ile servoya güç sağlamak için kullanılır. Servo ve rölenin USB jakları yok, bu yüzden eski bir USB kablosu aldım ve konektörü cihaz ucundan kestim. Sonra 5V ve topraklama kablolarını soyup röleye ve servoya bağladım. Bu, Pi'ye zarar vermeden bu cihazlara bir güç kaynağı sağladı.

Not: Pi ve harici bileşenler tamamen bağımsız değildir. Pi'den röleye ve servoya gelen kontrol sinyalleriniz olduğundan, bu öğelerden Pi'ye giden bir toprak hattınız da olmalıdır. Hub ve Pi arasında wi-fi'nin çalışabilmesi için bir USB bağlantısı da vardır. Bir elektrik mühendisi muhtemelen toprak döngüleri ve diğer elektriksel yaramazlık potansiyeli karşısında titreyecektir, ancak hepsi işe yarıyor, bu yüzden mühendislik mükemmelliğinin eksikliği konusunda endişe etmeyeceğim.:)

7. Adım: Hepsini Bir Araya Getirmek

Tüm parçaları bağladıktan sonra, bir sonraki adım servoyu, deklanşör kolunu ve kamerayı montaj plakasına monte etmektir.

Yukarıdaki bir resimde, deklanşör kolunu konumunda görebilirsiniz (henüz bantlamadığım güneş filmi eksi). Deklanşör kolu 1/4 HDPE'den yapılmıştır ve servo ile birlikte gelen standart göbeklerden biri kullanılarak takılır.

Diğer resimde ise montaj plakasının arkasını ve servo ve kameranın nasıl takıldığını görebilirsiniz. Bu resim çekildikten sonra, kamera merceğini deklanşöre yaklaştırmak için gördüğünüz beyaz parçayı yeniden tasarladım ve ardından yeşil olarak yeniden bastım. Bu yüzden diğer resimlerde beyaz kısım yok.

Dikkatli Söz

Kamera modülünün kartında, gerçek kamerayı elektronik aksamın geri kalanına bağlayan çok küçük bir şerit kablo bulunur. Bu küçük konektörün sık sık yuvasından çıkma gibi can sıkıcı bir eğilimi vardır. Çıktığında raspistill kameranın bağlı olmadığını bildiriyor. Asıl sorunun nerede yattığını fark etmeden önce, daha büyük şerit kablonun her iki ucunu da sonuçsuz bir şekilde yeniden oturtmak için çok zaman harcadım.

Sorunun tahtadaki küçük kablo olduğunu anladıktan sonra, onu Kapton bantla tutmayı denedim ama bu işe yaramadı ve sonunda bir sıcak yapıştırıcıya başvurdum. Şimdiye kadar, yapıştırıcı onu yerinde tuttu.

Adım 8: Yer Seçimi

Dünyanın en büyük teleskopları Peru, Hawaii veya diğer nispeten uzak bir yerde dağların tepelerinde yer almaktadır. Bu proje için aday sitelerin tam listesi şunları içeriyordu:

• Evimde doğuya bakan bir pencere pervazı
• Evimde batıya bakan bir pencere pervazı
• Evimde güneye bakan bir pencere pervazı

Bu listede özellikle eksik olan Peru ve Hawaii. Peki bu seçenekler göz önüne alındığında, ne yapacaktım?

Güneye bakan pencere, görünürde hiçbir bina olmayan geniş bir alana sahiptir, ancak hava sızdırmazlığıyla ilgili bir sorun nedeniyle optik olarak net değildir. Batıya bakan pencerede Pikes Peak'in harika bir manzarası var ve harika bir manzaraya sahip olabilirdi ama aile odasında bulunuyor ve karım bilim projemin bir yıl boyunca bu kadar belirgin bir şekilde sergilenmesinden hoşlanmayabilir. Bu beni büyük bir anten kulesine ve yerel Safeway'in arkasına bakan doğuya bakan manzara ile bıraktı. Çok güzel değil ama bu en iyi seçimdi.

Gerçekten de en önemli şey, projenin sarsılmayacağı, taşınmayacağı veya başka bir şekilde rahatsız edilmeyeceği bir yer bulmaktır. Her gün iki saat boyunca güneşi çerçeveye alabildiğiniz sürece, herhangi bir yön işe yarayacaktır.

Adım 9: Fotoğraf Çekmek

Bulutlu gökyüzü

Her yıl çok fazla güneş alan bir yerde yaşıyorum, bu iyi bir şey çünkü bulutlar resimlere gerçekten zarar veriyor. Hafif bulutluysa, güneş, bulutsuz bir günde aldığım iyi tanımlanmış turuncu disk yerine soluk yeşil bir disk olarak çıkar. Çok bulutluysa, görüntüde hiçbir şey görünmez.

Bu sorunları hafifletmek için bazı görüntü işleme yazılımları yazmaya başladım ama bu kod henüz hazır değil. O zamana kadar, havanın kaprisleri etrafında çalışmak zorundayım.

Verilerinizi Yedekleyin

Kullandığım kamera ve çektiğim fotoğraf sayısı ile her gün yaklaşık 70 MB görüntü oluşturuyorum. Pi'deki mikro SD kart, bir yıllık veriyi tutacak kadar büyük olsa bile, ona güvenmezdim. Birkaç günde bir, son verileri masaüstüme kopyalamak için scp kullanıyorum. Orada, iyi olduklarından ve garip bir şey olmadığından emin olmak için görüntüleri izliyorum. Sonra tüm bu dosyaları NAS'ıma kopyalarım, böylece verilerin iki bağımsız kopyası olur. Ondan sonra Pi'ye geri dönüyorum ve orijinal dosyaları siliyorum.

Adım 10: Analemma (veya… Astronomik Olarak Büyük Bir Şekil Sekiz)

Eksenel eğimi ve enlemi belirlemenin yanı sıra, her gün aynı saatte fotoğraf çekmek de bize bir yıl boyunca Güneş'in yolunu çok güzel bir şekilde görmemizi sağlayabilir.

Cast Away with Tom Hanks filmini izlediyseniz, mağaradaki güneşin yolunu zamanla çizdiği ve sekiz rakamı yaptığı sahneyi hatırlarsınız. O sahneyi ilk gördüğümde, bu fenomen hakkında daha fazla şey öğrenmek istedim ve sadece on yedi yıl sonra, sonunda tam da bunu yapmaya başladım!

Bu şekle analemma denir ve Dünya'nın ekseninin eğik olmasının ve Dünya'nın yörüngesinin elips şeklinde olması ve mükemmel bir daire olmaması gerçeğinin sonucudur. Birini filme çekmek, bir kamerayı kurmak ve her gün aynı saatte fotoğraf çekmek kadar basittir. Web'de çok güzel analemma resimleri varken, bu projede yapacağımız şeylerden biri kendimizinkini oluşturmak. Analemma ve oldukça kullanışlı bir almanak'ın merkezinde nasıl olunabileceği hakkında daha fazla bilgi için bu makaleye bakın.

Dijital fotoğrafçılığın ortaya çıkmasından önce, aynı film parçası üzerinde dikkatli bir şekilde birden fazla pozlama yapmanız gerekeceğinden, bir analemmanın resmini çekmek gerçek fotoğraf becerileri gerektiriyordu. Açıkçası Raspberry Pi kamerada film yok, bu yüzden beceri ve sabır yerine aynı efekti elde etmek için birden fazla dijital görüntüyü birleştireceğiz.

Adım 11: Sırada Ne Var?

Artık küçük kamera robotu yerinde olduğuna ve her gün sadakatle fotoğraf çektiğine göre, sırada ne var? Görünüşe göre, hala yapılacak birkaç şey var. Bunların çoğunun python yazmayı ve OpenCV kullanmayı içereceğini unutmayın. Python'u seviyorum ve OpenCV öğrenmek için bir bahane arıyordum, bu benim için bir kazan-kazan!

1. Bulutlu günleri otomatik olarak algıla Çok bulutluysa, güneş filmi ve kısa deklanşör hızı opak bir resim oluşturur. Bu durumu otomatik olarak algılamak ve ardından deklanşör hızını artırmak veya güneş filtresini yoldan çekmek istiyorum.
2. Bulutlu resimlerde bile güneşi bulmak için görüntü işlemeyi kullanın Bulutlar yolda olsa bile güneşin merkez noktasını bulmanın mümkün olduğundan şüpheleniyorum.
3. Gün boyunca güneşin yolunun bir izini oluşturmak için güneş disklerini net bir arka plan resminin üzerine yerleştirin
4. Son adımla aynı temel teknikle, ancak her gün aynı saatte çekilen fotoğrafları kullanarak bir analemma oluşturun
5. Kameranın açısal çözünürlüğünü ölçün (derece/piksel)Daha sonraki hesaplamalarım için buna ihtiyacım olacak

Bundan daha fazlası var ama bu beni bir süre meşgul edecek.

Sonuna kadar benimle olduğun için teşekkürler. Umarım bu proje açıklamasını beğenmişsinizdir ve sizi bir sonraki projenize başlamanız için motive eder!