¡Raspberry Pi en la naturaleza! Lapso de tiempo extendido con batería: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Motivación: Quería usar una cámara Raspberry Pi con batería para tomar fotos al aire libre una vez al día para crear videos de lapso de tiempo a largo plazo. Mi aplicación particular es registrar el crecimiento de las plantas de cobertura del suelo durante la primavera y el verano que vienen.

Desafío: Diseñe un control de energía Raspberry Pi de baja corriente para garantizar una larga duración de la batería.

Mi solución: utilizo un reloj despertador pirateado, un circuito Attiny85 y una cuña Pimoroni OnOff para cortar completamente la energía de la Raspberry Pi cuando no está en uso. Mientras que el Attiny85 y el despertador continúan funcionando en modo de espera, el consumo de corriente es de solo 5 microAmps. Dos baterías AAA alimentan tanto a Attiny como al despertador, mientras que un banco de energía USB alimenta el Pi.

Funcionamiento básico: cuando suena el despertador, se despierta un circuito Attiny en reposo, que luego indica a Pimoroni OnOff shim que aplique energía desde el banco de energía USB a la Raspberry Pi. El Pi ejecuta un script de ejecución en el arranque (tome una fotografía). Después de que haya pasado el tiempo suficiente (60 segundos en mi aplicación), el circuito Attiny nuevamente señaliza el ajuste Pimoroni OnOff y luego el Attiny entra en modo de suspensión. Según la señal de Attiny, el shim Pimoroni OnOff ejecuta el comando de apagado de Pi y, una vez que se completa el proceso de apagado de Pi, corta la energía del banco de energía USB a Raspberry Pi.

Paso 1: Piezas y herramientas

Partes:

Raspberry Pi Zero o Raspberry Pi Zero W (consume más energía)

Módulo de cámara Raspberry PI

Estuche Raspberry Pi Zero

Pimoroni ONOFF SHIM RASP PI INTERRUPTOR DE ALIMENTACIÓN, Digikey

OPTOISOLATOR Digikey

Objetivo de reloj despertador digital con pilas

ATtiny85 8 DIP Digikey

(2) TAPA ALUMINIO 100UF Digikey

Módulo RTC DS3231 AliExpress

(2) resistencia de 68 ohmios

Cable micro USB corto (aproximadamente 6 pulgadas)

Caja transparente Amac SKU #: 60120. 4 "x 4" x 5-1 / 16 "h The Container Store

Banco de energía USB Kmashi de 11200 mAh # k-mp806 o similar

Cinta adhesiva doble

Pequeño tornillo autorroscante

(2) cabezales de apilamiento hembra de 1 x 8 pines - comúnmente vendidos como cabezales de apilamiento Arduino UNO AliExpress

Perforar o pelar la tabla de aproximadamente 1 1/4 "por 2"

5 1/2 por 5/12 por 3/4 de espesor de pino o madera contrachapada

Tubo de PVC de 1 1/4 de aproximadamente 15 de largo

1 1/4 acoplador de PVC

(2) cuerdas elásticas cortas de aproximadamente 10 de largo

(4) pasadores de madera de 1/4 "de diámetro de aproximadamente 1" de largo

Casquillo de la manga del poste natural de UltraDeck Menards

Instrumentos:

Cortadores de alambre y soldador

Arduino UNO u otra forma de programar ATtiny85

Conecta cables y puentes

Teclado, mouse, monitor HDMI, puerto USB y concentrador Ethernet, cable OTG

Multímetro

Paso 2: Instale el sistema operativo Raspberry Pi, Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC y el módulo de cámara Pi

Configuración de Pi Zero. Prepara la tarjeta SD para Raspberry Pi con la distribución que prefieras. Durante el proceso de configuración inicial, asegúrese de habilitar la interfaz I2C, la cámara y el inicio de CLI con inicio de sesión automático, configure la hora local correcta y cambie su contraseña. También recomiendo configurar una dirección IP estática para facilitar las cosas en el futuro. Suelde el cabezal macho a Pi Zero. Puede usar el encabezado estándar de 2 x 20 o un encabezado de 2 x 6 más corto, ya que los 40 pines no son necesarios para este proyecto, solo los primeros 12 pines.

Instalación de la cámara. Coloque Pi Zero en su estuche y use el cable de cinta corto incluido para conectar el módulo de la cámara al Pi Zero enrutando la ranura del extremo del estuche de salida del cable. Coloque la cubierta superior ranurada GPIO y fije la cámara a la cubierta con cinta adhesiva doble (ver foto).

Prepare la cuña Pimoroni OnOff, DS3231 RTC. Aunque el Pimoroni OnOff Shim viene con un cabezal hembra de 2 x 6, en su lugar utilicé dos cabezales de apilamiento hembra de 1 x 6 que se venden comúnmente para Arduino UNO, los pines del cabezal deben extenderse por encima del Pimoroni OnOff Shim en las ubicaciones de los pines 1, 3, 5, 7, 9, las otras clavijas se pueden cortar a la longitud de clavija estándar. Empuje el DS3231 RTC en las clavijas extendidas como se muestra en la foto y luego empuje el subconjunto Pimoroni OnOff Shim y DS3231 RTC en las clavijas del cabezal Raspberry Pi como se muestra.

Instale el software Pimoroni OnOff Shim con:

curl https://get.pimoroni.com/onoffshim | intento

Para obtener información adicional sobre la instalación de Shim, consulte aquí

Instale el software DS3231 RTC según estas instrucciones

Pruebas iniciales - Cámara, Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC

Conecte el teclado y el monitor locales a Pi Zero. Asegúrese de tener una conexión de red (cable ethernet o Wifi). Conecte el cable de alimentación USB Pimoroni OnOff Shim.

una. Presione el botón Pimoroni OnOff Shim durante 3 segundos y luego suéltelo; esto activa o desactiva el Pi Zero. Observe el proceso de inicio y apagado en el monitor. Su Pi Zero ahora tiene una actualización de tecnología avanzada: ¡un interruptor de encendido / apagado!

B. Configure la hora DS3231 y verifique que lea la hora correcta con:

sudo hwclock -w

sudo hwclock -r

C. Pruebe el funcionamiento de la cámara según estas instrucciones.

Paso 3: Configure la secuencia de comandos Run-At-Boot de Raspberry Pi y pruebe la cámara

Cree y muévase al nuevo subdirectorio zerocam

mkdir zerocam

cd zerocam

Utilice nano editor para crear un nuevo archivo de secuencia de comandos

nano photo.sh

Luego copie y pegue el siguiente código en el editor nano. El nano de cierre con Ctrl + X, Y luego Retorno.

#! / bin / bash

FECHA = $ (fecha + "% Y-% m-% d_% H% M") raspistill -o /home/pi/zerocam/$DATE-j.webp

Dado que este script usa el comando de conversión, deberá instalar ImageMagick en la Raspberry Pi

sudo apt-get update

sudo apt-get install imagemagick

Hacer que el archivo sea ejecutable

chmod + x photo.sh

Abra /etc/rc.local (los comandos de este archivo se ejecutan en el arranque)

sudo nano /etc/rc.local

Cerca de la parte inferior del archivo, justo antes de la declaración de salida 0, agregue esta nueva línea y luego cierre nano con Ctrl + X, Y y luego Retorno.

sh /home/pi/zerocam/photo.sh

Con un monitor local conectado, pruebe que funciona

sudo reiniciar

El Pi debería reiniciarse y tomar una foto. Habrá un nuevo archivo-j.webp

También pruebe encender y apagar el Pi con el botón pulsador Pimoroni. Mida y registre el tiempo de arranque de Pi. Debe ser menos de 60 segundos.

Paso 4: Hackear el despertador

Observe la operación producida: instale dos baterías AAA en el reloj despertador y practique el ajuste de la hora y la alarma según las instrucciones incluidas. En particular, observe que suena la alarma: debería ver (1) el pequeño símbolo de alarma de la pantalla parpadeando, (2) el zumbador suena durante 1 minuto y luego se apaga y (3) el LED de luz de fondo se ilumina durante 5 segundos y luego se apaga.

Desmontar - Quite los cuatro tornillos de la parte trasera del reloj para separar las dos mitades, luego quite cuatro tornillos más para liberar la PCB principal.

Corte: corte los cables LED en la parte frontal de la PCB como se muestra y suelde a los cables de 5 de largo a los cables restantes en la parte posterior de la PCB (vea la ilustración). Desolde el zumbador como se muestra.

A los terminales del compartimiento de la batería, agregue dos cables adicionales (rojo y negro) más un capacitor electrolítico 100MFD como se muestra (observe la polaridad).

Vuelva a ensamblar el reloj asegurándose de encaminar el LED y la batería nueva por las ranuras de retención de la cubierta trasera como se muestra.

Vuelva a probar: instale las baterías y pruebe la función de alarma; ahora, cuando suene la alarma, debería ver parpadear el pequeño símbolo de alarma de la pantalla, pero sin zumbador ni luz de fondo. Conecte un multímetro a los cables LED que debe detectar aproximadamente 3 VCC cuando la alarma se apaga durante un período de aproximadamente 5 segundos.

Paso 5: Construya la placa de circuito Attiny85

Refiriéndose a la foto y Attiny85 Schematic.pdf construya la placa de circuito en una pequeña pieza de placa de perforación o strip. Notas:

• Asegúrese de usar un conector DIP de 8 pines para el chip Attiny85, ya que debe quitarse para la programación.
• Asegure la orientación correcta de los Optos antes de soldar.
• Los cables del puente a la cuña Pimoroni deben tener al menos 4 pulgadas de largo con conectores hembra para conectar los pines macho de la cuña BTN.
• Observe la polaridad al realizar conexiones con un clic de alarma: el circuito no tiene protección de polaridad inversa

Paso 6: Cargue el código en el chip Attiny 85

Usando un Arduino Uno u otros medios, cargue el código (archivo AttinyPiPowerControl.ino adjunto) a su chip Attiny85. Nota: este código permite que el PI se inicie durante 60 segundos, tome una foto y acceda al símbolo del sistema de la terminal antes de iniciar el proceso de apagado. A continuación, puede instalar el chip Attiny85 en el zócalo de la placa de circuito; compruebe la orientación dos veces.

Nota: Si necesita más o menos tiempo de ejecución de Pi, simplemente edite esta línea cerca de la parte inferior:

retraso (60000); // deja que Pi arranque y corra por un tiempo

Paso 7: Cableado y prueba inicial y descarga de archivos de fotos desde PI

Alambrado:

Conecte el banco de energía USB al puerto micro USB de Pimoroni shim. Conecte los cables de puente de la placa de circuito Attiny85 a la cuña Pimoroni, asegúrese de que el cable negro se conecte al pin BTN del borde más externo en la cuña Pimoroni.

Prueba:

Instale 2 pilas AAA en el reloj despertador y configure la hora del reloj. También recomiendo conectar el puerto HDMI de Pi a un monitor local.

Encienda la alarma y programe una alarma dentro de unos minutos en el futuro. Cuando suene la alarma, debería ver:

una. El icono de la alarma del reloj comienza a parpadear

B. Después de unos 5 segundos, el LED rojo de Pimoroni Shim se enciende durante 5 segundos.

C. El Pi comienza a arrancar

D. Después de unos 20 segundos, el LED de la cámara se enciende y se toma una foto. Si tiene un monitor local conectado, verá una breve vista previa de la foto tomada.

mi. Después de otros 40 segundos más o menos, el Pi arranca hasta el símbolo del sistema de la terminal

F. Pi inicia el proceso de apagado, después de unos 20 segundos, el LED rojo de Pimoroni Shim parpadea, lo que indica que se corta la alimentación al PI.

Descarga de archivos de fotos de PI

Conecto el PI a mi red usando un cable OTG y un adaptador USB a Ethernet, alimentando Pi desde la pared. Luego use WinSCP para descargar archivos a mi PC.

Paso 8: Ensamble el gabinete de la electrónica

Conecte la placa de circuito Attiny85 a la parte posterior del reloj despertador con un pequeño tornillo autorroscante. Fije el PI al reloj con cinta adhesiva doble como se muestra

Fije el lado izquierdo del reloj a la parte inferior de la vitrina con cinta adhesiva doble

Conecte el banco de energía USB a la parte inferior de la vitrina con cinta adhesiva doble como se muestra.

Coloque la caja superior sobre la parte inferior de la vitrina como se muestra.

Paso 9: construya la estaca de montaje, el ensamblaje final y libere el PI en la naturaleza

Pieza inferior: En una pieza de madera de 5 1/2 x 5 1/2, corte 4 ranuras de 3/4 "hacia adentro desde cada lado como se muestra. Usé una broca de enrutador de 1/4, pero también puede perforar y aserrar. el centro haga un agujero para el acoplamiento de PVC de 1 1/4. El tamaño ideal del agujero es de 1 5/8 ", pero como solo tenía una sierra perforadora de 1 3/4", la usé y construí el diámetro exterior del acoplamiento con cinta aislante. Pegamento acoplamiento en su lugar con epoxi.

Centre la caja de la electrónica sobre el bloque de madera y marque su contorno. Luego taladre cuatro orificios de 1/4 a lo largo de cada lado como se muestra. Pegue cuatro clavijas de madera de 1 "de largo y 1/4" de diámetro en estos orificios; esto ayudará a mantener el gabinete centrado.

Pieza superior: taladre cuatro orificios de 3/16 "cerca del borde inferior de cada tamaño e inserte ganchos en S de 3/4" de largo en cada orificio doblando los extremos cerrados para que no se caigan. En los bordes interiores, pegue 4 trozos de madera de 4 1/2 de grosor, lo que ayudará a mantener la pieza superior centrada sobre el cerramiento.

Ensamblaje final: Coloque el gabinete de la electrónica entre las piezas superior e inferior y asegúrelo con dos cuerdas elásticas como se muestra

Libere PI en la naturaleza: haga una estaca de montaje cortando un tubo de PVC de 1 1/4 "de una longitud adecuada para sus propósitos, corte un extremo en un ángulo de 45 grados para que sea más fácil de golpear en el suelo. En mi caso, ' Estoy interesado en el crecimiento de plantas de cobertura del suelo (Vinea minor) esta primavera y, por lo tanto, mi estaca de PVC mide solo 15 "de largo. Verifique que las baterías AAA estén nuevas, que el banco de energía USB esté completamente cargado y que el reloj de alarma esté configurado correctamente; luego, coloque la estaca en el suelo y deslice el conjunto sobre la estaca de montaje; vea la foto.

Paso 10: Mediciones de corriente y prueba de duración acelerada de la batería

Medí la corriente usando el multímetro Radio Shack RS-232 (22-812) y el software complementario Meter View. No es la elección de la bestia, pero es lo que tengo.

La medición del consumo de corriente de dos baterías AAA alimenta la placa Attiny85 y el reloj despertador

Para "conectar en serie" el multímetro, utilicé baterías falsas y una fuente de alimentación de banco de 3 VCC (ver foto). Vea el gráfico de la corriente medida durante el período "activo" (comienza con el evento de alarma - termina cuando Attiny85 regresa al modo de suspensión). El consumo sin alarma fue constante de 0,0049 mA. Resumen -

Periodo activo = 78 segundos

Promedio del período activo Corriente = 4.85 mA

Corriente sin alarma = 4,9 microA (0,0049 mA)

Calculé un consumo de corriente diario promedio de 0.0093 mA de los dos AAA (750 mAh / cada uno) considerando los modos inactivo y activo, y la duración teórica de la batería> 8 años usando este método.

Medición del consumo de corriente PI del banco de energía USB. Para "conectar en serie" el multímetro utilicé un cable USB modificado (ver foto). Consulte el gráfico de la corriente medida durante el período "activo" (arranque PI - apagado PI). Durante el período no activo, la cuña Pimoroni ONOFF corta completamente la energía a Pi, por lo que el consumo de corriente es ~ cero. Resumen -

Periodo activo = 97 segundos

Promedio del período activo Corriente = 137 mA

Suponiendo un banco de energía de 11200 mAh, el número teórico de ciclos de período activo es> 3000.

Prueba de duración acelerada de la batería

Controle temporalmente el PI con Arduino UNO programado para ciclos rápidos: el tiempo entre alarmas fue de 2 minutos frente a las 24 horas normales.

Prueba n. ° 1: banco de energía de 11200 mAh. Comencé a las 10 de la noche y me detuve a la 1 de la tarde del día siguiente. Resultados: 413 fotos tomadas, 3 de 4 LED de nivel de carga aún encendidos al final de la prueba.

Prueba n. ° 2: banco de energía de 7200 mAh. Comencé a las 7:30 p.m. y me detuve a las 4:30 p.m. del día siguiente. Resultados: 573 fotos tomadas, 2 de 4 LED de nivel de carga aún encendido al final de la prueba.

Conclusión: Creo que los resultados anteriores indican que es probable que se realice una operación de al menos un año tomando 1 por foto.