Observatorium Surya: 11 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Berapakah kemiringan sumbu bumi? Di lintang mana saya berada?

Jika Anda menginginkan jawabannya dengan cepat, Anda dapat beralih ke Google atau aplikasi GPS di ponsel cerdas Anda. Tetapi jika Anda memiliki Raspberry Pi, modul kamera, dan sekitar satu tahun untuk melakukan beberapa pengamatan, Anda dapat menentukan sendiri jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini. Dengan menyiapkan kamera dengan filter matahari di lokasi tetap dan menggunakan Pi untuk mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari, Anda dapat mengumpulkan banyak data tentang jalur matahari melalui langit dan, dengan perluasan, jalur Bumi di sekitarnya. matahari. Dalam Instruksi ini, saya menunjukkan kepada Anda bagaimana saya membuat observatorium surya saya sendiri dengan harga di bawah $100.

Sebelum kita melangkah lebih jauh, saya harus menunjukkan bahwa saya hanya dua bulan dalam percobaan selama setahun jadi saya tidak akan dapat memasukkan hasil akhir. Namun, saya dapat berbagi pengalaman saya membangun proyek ini dan semoga memberi Anda gambaran tentang bagaimana membangun proyek Anda sendiri.

Meskipun sama sekali tidak sulit, proyek ini memberikan kesempatan untuk melatih beberapa keterampilan yang berbeda. Minimal, Anda harus dapat menghubungkan Raspberry Pi ke kamera dan servo dan Anda harus dapat melakukan beberapa tingkat pengembangan perangkat lunak untuk mengekstrak data dari gambar yang Anda ambil. Saya juga menggunakan alat pertukangan dasar dan printer 3D tetapi ini tidak penting untuk proyek ini.

Saya juga akan menjelaskan upaya pengumpulan data jangka panjang yang telah saya lakukan dan bagaimana saya akan menggunakan OpenCV untuk mengubah ratusan gambar menjadi data numerik yang dapat dianalisis menggunakan spreadsheet atau bahasa pemrograman pilihan Anda. Sebagai bonus, kami juga akan memanfaatkan sisi seni kami dan melihat beberapa gambar visual yang menarik.

Langkah 1: Tldr; Instruksi Singkat

Instruksi ini agak panjang sehingga untuk memulai, inilah intinya, tidak ada detail tambahan yang diberikan instruksi.

1. Dapatkan Raspberry Pi, kamera, servo, relai, film surya, kutil dinding, dan berbagai macam perangkat keras
2. Hubungkan semua perangkat keras itu
3. Konfigurasikan Pi dan tulis beberapa skrip sederhana untuk mengambil gambar dan menyimpan hasilnya
4. Bangun kotak proyek dan pasang semua perangkat keras di dalamnya
5. Temukan tempat untuk meletakkan proyek di mana ia dapat melihat matahari dan tidak akan terbentur atau berdesak-desakan
6. Taruh di sana
7. Mulai mengambil gambar
8. Setiap beberapa hari, pindahkan gambar ke komputer lain agar kartu SD Anda tidak penuh
9. Mulai belajar OpenCV sehingga Anda dapat mengekstrak data dari gambar Anda
10. Tunggu setahun

Itulah proyek singkatnya. Sekarang teruslah membaca untuk detail tambahan tentang langkah-langkah ini.

Langkah 2: Latar Belakang

Manusia telah mengamati matahari, bulan, dan bintang selama kita ada dan proyek ini tidak mencapai apa pun yang tidak dilakukan nenek moyang kita ribuan tahun yang lalu. Tapi alih-alih menempatkan tongkat di tanah dan menggunakan batu untuk menandai lokasi bayangan pada waktu-waktu penting, kita akan menggunakan Raspberry Pi dan kamera dan melakukan semuanya dari dalam kenyamanan rumah kita. Proyek Anda tidak akan menjadi tempat wisata seribu tahun dari sekarang, tetapi di sisi positifnya, Anda juga tidak perlu berjuang keras untuk menempatkan batu-batu besar.

Ide umum dalam proyek ini adalah mengarahkan kamera ke lokasi tetap di langit dan mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari. Jika Anda memiliki filter yang sesuai pada kamera Anda dan kecepatan rana yang tepat, Anda akan memiliki gambar cakram matahari yang tajam dan terdefinisi dengan baik. Dengan menggunakan gambar-gambar ini, Anda dapat meletakkan tongkat virtual di tanah dan mempelajari beberapa hal menarik.

Agar ukuran Instructable ini dapat dikelola, yang akan saya bahas hanyalah cara menentukan kemiringan sumbu bumi dan garis lintang tempat pengambilan gambar. Jika bagian komentar menunjukkan minat yang cukup, saya dapat membicarakan beberapa hal lain yang dapat Anda pelajari dari observatorium surya Anda dalam artikel lanjutan.

Kemiringan Aksial Sudut antara matahari pada hari terjauh utara dan hari terjauh selatan sama dengan kemiringan sumbu bumi. Anda mungkin telah belajar di sekolah bahwa ini adalah 23,5 derajat tetapi sekarang Anda akan mengetahuinya dari pengamatan Anda sendiri dan bukan hanya dari buku teks.

LintangSekarang kita mengetahui kemiringan sumbu bumi, kurangi itu dari ketinggian jalur matahari pada hari terpanjang dalam setahun untuk mempelajari garis lintang lokasi Anda saat ini.

Mengapa repot-repot? Jelas Anda dapat menemukan nilai-nilai ini dengan lebih tepat dan cepat, tetapi jika Anda adalah tipe orang yang membaca Instructables, Anda tahu ada banyak kepuasan melakukannya sendiri. Mempelajari fakta tentang dunia di sekitar Anda menggunakan tidak lebih dari beberapa pengamatan langsung yang sederhana dan matematika langsung adalah inti dari proyek ini.

Langkah 3: Komponen yang Diperlukan

Meskipun Anda dapat melakukan seluruh proyek ini dengan kamera yang mahal dan mewah, saya tidak memilikinya. Tujuan proyek ini adalah memanfaatkan apa yang sudah saya miliki dari proyek sebelumnya. Ini termasuk Raspberry Pi, modul kamera, dan sebagian besar item lain yang tercantum di bawah ini meskipun saya harus pergi ke Amazon untuk beberapa di antaranya. Total biaya jika Anda harus membeli semuanya akan menjadi sekitar 100 USD.

• Raspberry Pi (model apa pun bisa dilakukan)
• Modul kamera Raspberry Pi
• Kabel pita yang lebih panjang untuk kamera (opsional)
• dongle nirkabel
• Servo standar
• 5V relai
• Hub USB bertenaga
• Strip daya dan kabel ekstensi
• Lembar film surya
• Memo kayu, plastik, HDPE, dll
• Papan proyek bergelombang

Saya juga menggunakan printer 3D Monoprice saya, tetapi itu adalah kenyamanan dan bukan keharusan. Sedikit kreativitas di pihak Anda akan membuat Anda menemukan cara yang cocok untuk bertahan tanpa itu.

Langkah 4: Mengkonfigurasi Raspberry Pi

Mempersiapkan

Saya tidak akan membahas banyak detail di sini dan akan menganggap bahwa Anda merasa nyaman dengan menginstal OS pada Pi dan mengonfigurasinya. Jika tidak, ada banyak sumber daya di web untuk membantu Anda memulai.

Berikut adalah hal terpenting yang harus diperhatikan selama penyiapan.

• Pastikan koneksi WiFi Anda dimulai secara otomatis saat Pi reboot
• Aktifkan sshProyek mungkin akan dipasang di tempat yang jauh sehingga Anda tidak akan menghubungkannya ke monitor dan keyboard. Anda akan menggunakan ssh & scp sedikit untuk mengonfigurasinya dan menyalin gambar ke komputer lain.
• Pastikan untuk mengaktifkan login otomatis melalui ssh sehingga Anda tidak perlu memasukkan kata sandi secara manual setiap kali
• Aktifkan modul kameraBanyak orang mencolokkan kamera tetapi lupa mengaktifkannya
• Nonaktifkan mode GUIAnda akan menjalankan tanpa kepala sehingga tidak perlu menghabiskan sumber daya sistem untuk menjalankan server X
• Instal paket gpio menggunakan apt-get atau yang serupa
• Atur zona waktu ke UTC Anda ingin gambar Anda pada waktu yang sama setiap hari dan tidak ingin tersingkir oleh Waktu Musim Panas. Paling mudah hanya menggunakan UTC.

Sekarang adalah saat yang tepat untuk bereksperimen dengan modul kamera. Gunakan program 'raspistill' untuk mengambil beberapa gambar. Anda juga harus bereksperimen dengan opsi baris perintah untuk melihat bagaimana kecepatan rana dikontrol.

Antarmuka Perangkat Keras

Modul kamera memiliki antarmuka kabel pita khusus, tetapi kami menggunakan pin GPIO untuk mengontrol relai dan servo. Perhatikan bahwa ada dua skema penomoran berbeda yang umum digunakan dan mudah membingungkan. Saya lebih suka menggunakan opsi '-g' daripada perintah gpio sehingga saya dapat menggunakan nomor pin resmi.

Pilihan pin Anda mungkin berbeda jika Anda memiliki model Pi yang berbeda dari yang saya gunakan. Konsultasikan diagram pinout untuk model spesifik Anda untuk referensi.

• Pin 23 - Keluaran digital ke RelaySinyal ini menghidupkan relai, yang memberikan daya ke servo
• Pin 18 - PWM ke servoPosisi servo dikendalikan oleh sinyal Modulasi Lebar Pulsa
• Ground - Pin ground apa pun sudah cukup

Lihat skrip shell terlampir untuk mengontrol pin ini.

Catatan: Dialog unggah di situs ini keberatan dengan upaya saya mengunggah file yang berakhiran '.sh'. Jadi saya menamainya dengan ekstensi '.notsh' dan unggahannya berfungsi dengan baik. Anda mungkin ingin mengganti namanya kembali menjadi '.sh' sebelum digunakan.

crontab

Karena saya ingin mengambil gambar setiap lima menit selama sekitar 2,5 jam, saya menggunakan crontab, yang merupakan utilitas sistem untuk menjalankan perintah terjadwal bahkan ketika Anda tidak masuk. Sintaks untuk ini agak kikuk jadi gunakan mesin pencari pilihan Anda untuk mendapatkan lebih banyak detail. Baris yang relevan dari crontab saya terlampir.

Apa yang dilakukan entri ini adalah untuk a) mengambil gambar setiap lima menit dengan filter surya terpasang dan b) menunggu beberapa jam dan mengambil beberapa gambar tanpa filter.

Langkah 5: Kotak Proyek

Saya akan benar-benar berhemat pada instruksi di bagian ini dan membiarkan Anda berimajinasi sendiri. Alasannya adalah bahwa setiap instalasi akan berbeda dan akan tergantung di mana Anda menginstal proyek dan jenis material yang Anda kerjakan.

Aspek terpenting dari kotak proyek adalah penempatannya sedemikian rupa sehingga tidak mudah bergerak. Kamera tidak boleh bergerak setelah Anda mulai mengambil gambar. Jika tidak, Anda harus menulis perangkat lunak untuk melakukan registrasi gambar dan menyusun semua gambar secara digital. Lebih baik memiliki platform tetap sehingga Anda tidak harus berurusan dengan masalah itu.

Untuk kotak proyek saya, saya menggunakan 1/2" MDF, sepotong kecil kayu lapis 1/4", bingkai cetak 3D untuk menahan kamera pada sudut yang diinginkan dan beberapa papan proyek bergelombang putih. Potongan terakhir ditempatkan di depan bingkai cetak 3D untuk melindunginya dari sinar matahari langsung dan menghindari potensi masalah dengan lengkungan.

Saya membiarkan bagian belakang dan atas kotak terbuka untuk berjaga-jaga jika saya perlu mengambil barang elektronik tetapi itu belum terjadi. Ini telah bekerja selama tujuh minggu sekarang tanpa perlu perbaikan atau penyesuaian di pihak saya.

Filter Bergerak

Satu-satunya bagian dari kotak proyek yang perlu dijelaskan adalah servo dengan lengan yang dapat digerakkan.

Modul kamera Raspberry Pi standar tidak berfungsi dengan baik jika Anda hanya mengarahkannya ke matahari dan mengambil gambar. Percayalah pada saya ini … saya mencoba.

Untuk mendapatkan gambar matahari yang dapat digunakan, Anda harus menempatkan filter surya di depan lensa. Mungkin ada filter pre-made mahal yang dapat Anda beli untuk ini, tetapi saya membuatnya sendiri menggunakan sepotong kecil film surya dan sepotong HDPE 1/4 dengan lubang melingkar di dalamnya. Film surya dapat dibeli dari Amazon untuk sekitar $ 12. Dalam retrospeksi, saya bisa memesan bagian yang jauh lebih kecil dan menghemat sedikit uang. Jika Anda memiliki beberapa kacamata gerhana matahari tua tergeletak di sekitar yang tidak terpakai, Anda mungkin dapat memotong salah satu lensa dan membuat filter yang sesuai.

Membuat Filter Bergerak

Meskipun sebagian besar gambar yang Anda ambil akan menggunakan filter di tempatnya, Anda juga ingin mendapatkan gambar di waktu lain saat matahari keluar dari bingkai. Ini adalah apa yang akan Anda gunakan sebagai gambar latar belakang untuk melapisi gambar matahari Anda yang telah disaring. Anda dapat membuatnya sehingga Anda memindahkan filter secara manual dan mengambil gambar latar belakang ini, tetapi saya memiliki servo tambahan dan ingin mengotomatiskan langkah itu.

Untuk Apa Relay?

Di antara cara Pi menghasilkan sinyal PWM dan servo low-end yang saya gunakan, ada kalanya saya menyalakan semuanya dan servo hanya akan duduk di sana dan "berceloteh". Artinya, ia akan bergerak maju mundur dalam langkah-langkah yang sangat kecil saat mencoba menemukan posisi tepat yang diperintahkan Pi. Hal ini menyebabkan servo menjadi sangat panas dan mengeluarkan suara yang mengganggu. Jadi saya memutuskan untuk menggunakan relay untuk memberikan daya ke servo hanya selama dua kali sehari saya ingin mengambil gambar tanpa filter. Ini membutuhkan penggunaan pin keluaran digital lain pada Pi untuk memberikan sinyal kontrol ke relai.

Langkah 6: Memberikan Kekuatan

Ada empat item yang membutuhkan daya dalam proyek ini:

1. Raspberry Pi
2. Dongle Wi-Fi (Jika Anda menggunakan model Pi yang lebih baru dengan wi-fi bawaan, ini tidak diperlukan)
3. Relai 5V
4. Servo

Penting: Jangan mencoba menyalakan servo langsung dari pin 5V pada Raspberry Pi. Servo menarik lebih banyak arus daripada yang dapat disuplai Pi dan Anda akan melakukan kerusakan yang tidak dapat diperbaiki pada papan. Sebagai gantinya, gunakan sumber daya terpisah untuk memberi daya pada servo dan relai.

Apa yang saya lakukan adalah menggunakan satu kutil dinding 5V untuk memberi daya pada Pi dan satu lagi untuk memberi daya pada hub USB lama. Hub digunakan untuk mencolokkan dongle Wi-fi dan untuk memasok daya ke relai dan servo. Servo dan relai tidak memiliki jack USB jadi saya mengambil kabel USB lama dan memotong konektor dari ujung perangkat. Kemudian saya melepas kabel 5V dan ground dan menghubungkannya ke relai dan servo. Ini memberikan sumber daya ke perangkat tersebut tanpa mempertaruhkan kerusakan pada Pi.

Catatan: Pi dan komponen eksternal tidak sepenuhnya independen. Karena Anda memiliki sinyal kontrol yang datang dari Pi ke relai dan servo, Anda juga harus memiliki saluran ground yang kembali dari item tersebut ke Pi. Ada juga koneksi USB antara hub dan Pi sehingga wi-fi dapat beroperasi. Seorang insinyur listrik mungkin akan bergidik pada potensi loop tanah dan kerusakan listrik lainnya tetapi semuanya bekerja jadi saya tidak akan khawatir tentang kurangnya keunggulan teknik.:)

Langkah 7: Menyatukan Semuanya

Setelah Anda memasang semua bagian, langkah selanjutnya adalah memasang servo, lengan rana, dan kamera pada pelat pemasangan.

Dalam satu gambar di atas, Anda dapat melihat lengan rana pada posisinya (dikurangi film surya, yang belum saya rekam). Lengan rana terbuat dari 1/4 HDPE dan dipasang menggunakan salah satu hub standar yang disertakan dengan servo.

Pada gambar lainnya, Anda dapat melihat bagian belakang pelat pemasangan dan bagaimana servo dan kamera dipasang. Setelah gambar ini diambil, saya mendesain ulang bagian putih yang Anda lihat untuk mendekatkan lensa kamera ke lengan rana dan kemudian mencetaknya kembali dengan warna hijau. Itu sebabnya di gambar lain bagian putihnya tidak ada.

Kata Hati-hati

Modul kamera memiliki kabel pita kecil yang sangat kecil di papan yang menghubungkan kamera sebenarnya ke perangkat elektronik lainnya. Konektor kecil ini memiliki kecenderungan yang mengganggu untuk sering keluar dari soketnya. Saat muncul, raspistill melaporkan bahwa kamera tidak terhubung. Saya menghabiskan banyak waktu tanpa hasil untuk memasang kembali kedua ujung kabel pita yang lebih besar sebelum menyadari di mana letak masalah sebenarnya.

Setelah saya menyadari bahwa masalahnya adalah kabel kecil di papan, saya mencoba menahannya dengan selotip Kapton tetapi itu tidak berhasil dan akhirnya saya menggunakan setetes lem panas. Sejauh ini, lem telah menahannya di tempatnya.

Langkah 8: Pemilihan Situs

Teleskop besar dunia terletak di puncak gunung di Peru, Hawaii, atau beberapa lokasi lain yang relatif terpencil. Untuk proyek ini, daftar lengkap situs kandidat saya meliputi:

• Kusen jendela yang menghadap ke timur di rumah saya
• Kusen jendela yang menghadap ke barat di rumah saya
• Kusen jendela yang menghadap ke selatan di rumah saya

Yang tidak ada dalam daftar ini adalah Peru dan Hawaii. Jadi dengan pilihan-pilihan ini, apa yang harus saya lakukan?

Jendela yang menghadap ke selatan memiliki bentangan yang terbuka lebar tanpa ada bangunan yang terlihat tetapi karena masalah dengan segel cuaca, itu tidak jelas secara optik. Jendela yang menghadap ke barat mencakup pemandangan Pikes Peak yang indah dan akan menjadi pemandangan yang luar biasa tetapi terletak di ruang keluarga dan istri saya mungkin tidak suka proyek sains saya ditampilkan secara mencolok selama satu tahun penuh. Itu meninggalkan saya dengan pemandangan menghadap ke timur yang terlihat di menara antena besar dan bagian belakang Safeway lokal. Tidak terlalu cantik tapi itu pilihan terbaik.

Sungguh, yang paling penting adalah menemukan tempat di mana proyek tidak akan berdesak-desakan, dipindahkan, atau terganggu. Selama Anda bisa mendapatkan matahari dalam bingkai selama satu jam dua setiap hari, segala arah akan berhasil.

Langkah 9: Mengambil Gambar

Langit berawan

Saya kebetulan tinggal di suatu tempat yang mendapat banyak sinar matahari setiap tahun, yang bagus karena awan benar-benar merusak gambar. Jika sedikit berawan, matahari muncul sebagai piringan hijau pucat daripada piringan jingga yang jelas seperti yang saya dapatkan pada hari yang tidak berawan. Jika cukup berawan, tidak ada yang terlihat pada gambar.

Saya sudah mulai menulis beberapa perangkat lunak pengolah gambar untuk membantu mengatasi masalah ini tetapi kode itu belum siap. Sampai saat itu, saya hanya harus mengatasi keanehan cuaca.

Cadangkan Data Anda

Dengan kamera yang saya gunakan dan jumlah gambar yang saya ambil, saya menghasilkan sekitar 70MB gambar setiap hari. Bahkan jika kartu micro-SD pada Pi cukup besar untuk menampung data selama satu tahun, saya tidak akan mempercayainya. Setiap beberapa hari, saya menggunakan scp untuk menyalin data terbaru ke desktop saya. Di sana, saya melihat gambar untuk memastikan mereka baik-baik saja dan tidak ada hal aneh yang terjadi. Kemudian saya menyalin semua file itu ke NAS saya sehingga saya memiliki dua salinan data yang independen. Setelah itu, saya kembali ke Pi dan menghapus file asli.

Langkah 10: Analemma (atau… Gambar Delapan Besar Secara Astronomis)

Selain menentukan kemiringan sumbu dan garis lintang, mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari juga dapat memberikan kita pemandangan jalur Matahari yang sangat keren selama setahun.

Jika Anda pernah melihat film Cast Away with Tom Hanks, Anda mungkin ingat adegan di gua di mana ia menandai jalur matahari dari waktu ke waktu dan itu membuat angka delapan. Ketika saya pertama kali melihat adegan itu, saya ingin belajar lebih banyak tentang fenomena itu dan hanya tujuh belas tahun kemudian, saya akhirnya melakukan hal itu!

Bentuk ini disebut analemma dan merupakan hasil dari kemiringan sumbu bumi dan fakta bahwa orbit bumi berbentuk elips dan bukan lingkaran sempurna. Menangkap satu di film semudah menyiapkan kamera dan mengambil gambar pada waktu yang sama setiap hari. Meskipun ada banyak gambar analemma yang sangat bagus di web, salah satu hal yang akan kita lakukan dalam proyek ini adalah membuatnya sendiri. Untuk mengetahui lebih banyak tentang analemma dan bagaimana seseorang dapat menjadi inti dari almanak yang cukup berguna, lihat artikel ini.

Sebelum munculnya fotografi digital, menangkap gambar analemma membutuhkan keterampilan fotografi yang sebenarnya karena Anda harus hati-hati mengambil beberapa eksposur pada potongan film yang sama. Jelas kamera Raspberry Pi tidak memiliki film jadi alih-alih keterampilan dan kesabaran, kami hanya akan menggabungkan beberapa gambar digital untuk mendapatkan efek yang sama.

Langkah 11: Apa Selanjutnya?

Sekarang robot kamera kecil sudah siap dan dengan setia mengambil gambar setiap hari, apa selanjutnya? Ternyata, masih ada beberapa hal yang harus dilakukan. Perhatikan bahwa sebagian besar akan melibatkan penulisan python dan menggunakan OpenCV. Saya suka python dan menginginkan alasan untuk belajar OpenCV jadi itu adalah win-win untuk saya!

1. Secara otomatis mendeteksi hari berawanJika terlalu berawan, film surya dan kecepatan rana pendek membuat gambar buram. Saya ingin mendeteksi kondisi itu secara otomatis dan kemudian meningkatkan kecepatan rana atau memindahkan filter surya.
2. Gunakan pemrosesan gambar untuk menemukan matahari bahkan dalam gambar berawanSaya menduga adalah mungkin untuk menemukan titik pusat matahari bahkan jika awan menghalangi.
3. Hamparkan cakram matahari pada gambar latar belakang yang jelas untuk membentuk jejak lintasan matahari di siang hari
4. Buat analemmaTeknik dasar yang sama seperti langkah terakhir tetapi menggunakan gambar yang diambil pada waktu yang sama setiap hari
5. Ukur resolusi sudut kamera (derajat/piksel) Saya akan membutuhkan ini untuk perhitungan saya nanti

Ada lebih dari ini tetapi itu akan membuat saya sibuk untuk sementara waktu.

Terima kasih telah menemaniku sampai akhir. Saya harap Anda menikmati deskripsi proyek ini dan itu memotivasi Anda untuk menangani proyek Anda sendiri berikutnya!