Raspberry Pi trong tự nhiên! Kéo dài thời gian với pin: 10 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Động lực: Tôi muốn sử dụng máy ảnh Raspberry Pi chạy pin để chụp ảnh mỗi ngày một lần ngoài trời nhằm tạo video tua nhanh thời gian dài. Ứng dụng cụ thể của tôi là ghi lại sự phát triển của cây phủ trên mặt đất vào mùa xuân và mùa hè sắp tới.

Thách thức: Thiết kế kiểm soát điện năng Raspberry Pi dòng điện thấp để đảm bảo tuổi thọ pin lâu dài.

Giải pháp của tôi: Tôi sử dụng đồng hồ báo thức bị tấn công, mạch Attiny85 & miếng đệm Pimoroni OnOff để cắt hoàn toàn nguồn điện cho Raspberry Pi khi không sử dụng. Trong khi Attiny85 và đồng hồ báo thức tiếp tục chạy ở chế độ chờ, mức thu hiện tại chỉ là 5 microAmps. Hai pin AAA cung cấp năng lượng cho cả Attiny và đồng hồ báo thức, trong khi một pin dự phòng USB cung cấp năng lượng cho Pi.

Hoạt động cơ bản: Khi đồng hồ báo thức tắt, nó đánh thức một mạch Attiny đang ngủ, sau đó báo hiệu Pimoroni OnOff shim cấp nguồn từ ổ cắm USB cho Raspberry Pi. Pi thực thi một tập lệnh chạy khi khởi động (chụp ảnh). Sau khi đủ thời gian trôi qua (60 giây trong ứng dụng của tôi), mạch Attiny lại báo hiệu Pimoroni OnOff shim và sau đó Attiny chuyển sang chế độ ngủ. Dựa trên tín hiệu từ Attiny, Pimoroni OnOff shim thực hiện lệnh tắt Pi và sau khi quá trình tắt Pi hoàn tất, sẽ cắt nguồn từ ổ cắm USB sang Raspberry Pi.

Bước 1: Các bộ phận và công cụ

Các bộ phận:

Raspberry Pi Zero hoặc Raspberry Pi Zero W (thu hút nhiều điện năng hơn)

Mô-đun máy ảnh Raspberry PI

Vỏ Raspberry Pi Zero

Pimoroni ONOFF SHIM RASP PI CÔNG TẮC ĐIỆN, Digikey

OPTOISOLATOR Digikey

Mục tiêu đồng hồ báo thức kỹ thuật số hoạt động bằng pin

ATtiny85 8 DIP Digikey

(2) CAP ALUM 100UF Digikey

DS3231 Mô-đun RTC AliExpress

(2) Điện trở 68 ohm

Cáp micro USB ngắn (khoảng 6 inch)

Clear Box Amac SKU #: 60120. 4 "x 4" x 5-1 / 16 "h Cửa hàng Container

Kmashi 11200 mAh USB Power Bank # k-mp806 hoặc tương tự

Băng dính kép

Vít tự khai thác nhỏ

(2) Các tiêu đề xếp chồng nữ 1 X 8 pin - thường được bán một tiêu đề xếp chồng Arduino UNO AliExpress

Bảng Perf hoặc dải khoảng 1 1/4 "x 2"

5 1/2 x 5/12 x 3/4 gỗ thông hoặc ván ép dày

1 1/4 ống PVC dài khoảng 15"

1 1/4 bộ ghép PVC

(2) dây bungee ngắn dài khoảng 10"

(4) Chốt chốt bằng gỗ đường kính 1/4 "dài khoảng 1"

UltraDeck Natural Post Sleeve Cap Menards

Công cụ:

Máy cắt dây và sắt hàn

Arduino UNO hoặc cách khác để lập trình ATtiny85

Móc dây và dây nhảy

Bàn phím, chuột, màn hình HDMI, cổng USB và Ethernet Hub, cáp OTG

Mulitmeter

Bước 2: Cài đặt Raspberry Pi OS, Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC và Pi Camera Module

Thiết lập Pi Zero. Chuẩn bị thẻ SD cho Raspberry Pi với sự phân phối của sự lựa chọn của bạn. Trong quá trình thiết lập ban đầu, hãy đảm bảo bật giao diện I2C, máy ảnh và khởi động vào CLI với đăng nhập tự động, đặt giờ địa phương chính xác và thay đổi mật khẩu của bạn. Tôi cũng khuyên bạn nên thiết lập Địa chỉ IP tĩnh để giúp mọi thứ dễ dàng hơn. Đầu nam hàn thành Pi Zero. Bạn có thể sử dụng tiêu đề 2 x 20 tiêu chuẩn hoặc tiêu đề 2 x 6 ngắn hơn, vì tất cả 40 chân không cần thiết cho dự án này - chỉ 12 chân đầu tiên.

Cài đặt Máy ảnh. Gắn Pi Zero vào vỏ và sử dụng cáp ruy-băng ngắn đi kèm để kết nối mô-đun máy ảnh với Pi Zero định tuyến khe cắm đầu ra của cáp. Lắp nắp trên có rãnh GPIO và gắn máy ảnh vào nắp bằng băng dính kép (xem ảnh).

Chuẩn bị Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC. Mặc dù Pimoroni OnOff Shim đi kèm với tiêu đề nữ 2 x 6, thay vào đó, tôi đã sử dụng hai tiêu đề xếp chồng 1 x 6 nữ "thường được bán cho Arduino UNO, các chân tiêu đề cần phải mở rộng trên Pimoroni OnOff Shim tại các vị trí chân Raspberry Pi 1, 3, 5, 7, 9, các chân khác có thể được cắt giảm theo độ dài chân tiêu chuẩn. Đẩy DS3231 RTC lên các chân mở rộng như trong ảnh và sau đó đẩy cụm phụ Pimoroni OnOff Shim & DS3231 RTC lên các chân tiêu đề Raspberry Pi như hình.

Cài đặt phần mềm Pimoroni OnOff Shim với:

curl https://get.pimoroni.com/onoffshim | bấu víu

Để biết thêm thông tin về cách cài đặt Shim, hãy xem tại đây

Cài đặt phần mềm DS3231 RTC theo các hướng dẫn này

Thử nghiệm ban đầu - Máy ảnh, Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC

Kết nối bàn phím và màn hình cục bộ với Pi Zero. Đảm bảo bạn có kết nối mạng (cáp ethernet hoặc Wifi). Kết nối cáp nguồn USB Pimoroni OnOff Shim.

Một. Nhấn nút nhấn Pimoroni OnOff Shim trong 3 giây rồi thả ra - thao tác này sẽ bật hoặc tắt Pi Zero. Quan sát quá trình khởi động và tắt máy trên màn hình. Pi Zero của bạn hiện đã có bản nâng cấp công nghệ tiên tiến - công tắc bật / tắt!

NS. Đặt thời gian DS3231 và xác minh rằng nó đọc đúng thời gian bằng:

sudo hwclock -w

sudo hwclock -r

NS. Kiểm tra chức năng máy ảnh theo các hướng dẫn này.

Bước 3: Thiết lập Tập lệnh Run-At-Boot và Kiểm tra Camera của Raspberry Pi

Tạo và chuyển vào thư mục con zerocam mới

mkdir zerocam

cd zerocam

Sử dụng trình chỉnh sửa nano để tạo tệp tập lệnh mới

nano photo.sh

Sau đó, sao chép và dán đoạn mã dưới đây vào trình chỉnh sửa nano. Đóng nano bằng Ctrl + X, Y rồi Return.

#! / bin / bash

DATE = $ (date + "% Y-% m-% d_% H% M") raspistill -o /home/pi/zerocam/$DATE.jpg convert -pointsize 80 -fill yellow -draw "text 570, 1800 ' $ (date) '"/home/pi/zerocam/$DATE.jpg /home/pi/zerocam/$DATE.jpg

Vì tập lệnh này sử dụng lệnh chuyển đổi, bạn sẽ cần cài đặt ImageMagick trên Raspberry Pi

sudo apt-get cập nhật

sudo apt-get install imagemagick

Làm cho tệp có thể thực thi được

chmod + x photo.sh

Mở /etc/rc.local (các lệnh trong tệp này chạy khi khởi động)

sudo nano /etc/rc.local

Gần cuối tệp, ngay trước câu lệnh exit 0, hãy thêm dòng mới này và sau đó đóng nano bằng Ctrl + X, Y rồi Return.

sh /home/pi/zerocam/photo.sh

Với một màn hình cục bộ được kết nối, hãy kiểm tra xem nó có hoạt động không

khởi động lại sudo

Pi nên khởi động lại và chụp ảnh. Sẽ có một tệp-j.webp

Đồng thời thử nghiệm bật và tắt Pi bằng nút nhấn Pimoroni. Đo và ghi lại thời gian khởi động Pi. Nó sẽ ít hơn 60 giây.

Bước 4: Hack Đồng hồ báo thức

Quan sát hoạt động được sản xuất - Lắp hai pin AAA vào đồng hồ báo thức và thực hành cài đặt thời gian và báo thức theo hướng dẫn kèm theo. Đặc biệt quan sát âm thanh cảnh báo - bạn sẽ thấy (1) biểu tượng cảnh báo nhỏ của màn hình nhấp nháy, (2) còi kêu trong 1 phút rồi tắt và (3) đèn LED phía sau sáng trong 5 giây rồi tắt.

Tháo rời - Tháo bốn vít từ đồng hồ trở lại để tách hai nửa, sau đó tháo thêm bốn vít để giải phóng PCB chính.

Hack - Cắt dây dẫn LED ở mặt trước của PCB như được hiển thị và hàn dây dài 5 vào các dây dẫn còn lại ở mặt sau của PCB (xem hình minh họa).

Đối với các cực của ngăn pin, hãy thêm hai dây bổ sung (đỏ và đen) cộng với một tụ điện 100MFD như hình vẽ (quan sát cực tính).

Lắp ráp lại đồng hồ để đảm bảo định tuyến đèn LED và pin mới dẫn ra các khe giữ nắp phía sau như hình minh họa.

Kiểm tra lại - Lắp pin và kiểm tra chức năng cảnh báo - bây giờ khi chuông báo tắt, bạn sẽ thấy biểu tượng cảnh báo nhỏ của màn hình nhấp nháy - nhưng không có còi và không có đèn nền. Kết nối đa đồng hồ với dây dẫn LED, bạn sẽ phát hiện ra khoảng 3 VDC khi chuông báo tắt trong khoảng thời gian khoảng 5 giây..

Bước 5: Xây dựng bảng mạch Attiny85

Tham khảo hình ảnh và Attiny85 Schematic.pdf xây dựng bảng mạch trên một miếng nhỏ của bảng mạch hoặc dải. Ghi chú:

• Đảm bảo sử dụng ổ cắm DIP 8 chân cho chip Attiny85 vì nó cần được tháo ra để lập trình.
• Đảm bảo hướng đúng của Optos trước khi hàn.
• Dây nhảy cho Pimoroni Shim phải dài ít nhất 4 inch với tiêu đề nữ để gắn chân Shims BTN nam.
• Quan sát phân cực khi thực hiện kết nối với nhấp chuột cảnh báo - mạch không có bảo vệ phân cực ngược

Bước 6: Tải mã lên Attiny 85 Chip

Sử dụng Arduino Uno hoặc các phương tiện khác, tải mã lên (tệp AttinyPiPowerControl.ino được đính kèm) vào chip Attiny85 của bạn. Lưu ý - mã này cho phép 60 giây để PI khởi động, chụp ảnh và truy cập dấu nhắc lệnh đầu cuối trước khi bắt đầu quá trình tắt máy. Sau đó, bạn có thể cài đặt chip Attiny85 vào ổ cắm bảng mạch của nó - kiểm tra kỹ hướng.

Lưu ý: Nếu bạn cần nhiều hơn hoặc ít hơn thời gian chạy Pi, chỉ cần chỉnh sửa dòng này ở gần cuối:

chậm trễ (60000); // để Pi khởi động và chạy trong một thời gian

Bước 7: Nối dây và kiểm tra ban đầu và tải xuống tệp ảnh từ PI

Hệ thống dây:

Kết nối pin sạc dự phòng USB với cổng micro usb của Pimoroni shim. Nối dây jumper từ bảng mạch Attiny85 với Pimoroni shim, đảm bảo dây đen kết nối với chân BTN cạnh ngoài cùng trên Pimoroni shim.

Thử nghiệm:

Lắp 2 pin AAA vào đồng hồ báo thức và cài đặt thời gian cho đồng hồ. Tôi cũng khuyên bạn nên kết nối cổng HDMI của Pi với màn hình cục bộ.

Bật Báo thức và đặt báo thức sau một vài phút. Khi chuông báo thức kêu, bạn sẽ thấy:

Một. Biểu tượng báo thức đồng hồ bắt đầu nhấp nháy

NS. Sau khoảng 5 giây, đèn LED đỏ Pimoroni Shim bật sáng trong 5 giây

NS. Pi bắt đầu khởi động

NS. Sau khoảng 20 giây, đèn LED camera bật sáng và ảnh sẽ được chụp. Nếu bạn có kết nối màn hình cục bộ, bạn sẽ thấy bản xem trước ngắn gọn của ảnh đã chụp.

e. Sau 40 giây nữa, Pi khởi động đến hết dấu nhắc lệnh của thiết bị đầu cuối

NS. Pi bắt đầu quá trình tắt máy, sau khoảng 20 giây, đèn LED màu đỏ Pimoroni Shim nhấp nháy cho biết nguồn điện được cắt cho PI

Tải xuống tệp ảnh từ PI

Tôi kết nối PI với mạng của mình bằng cáp OTG và bộ chuyển đổi USB với ethernet, cấp nguồn cho Pi từ ổ cắm trên tường. Sau đó, sử dụng WinSCP để tải tệp xuống PC của tôi.

Bước 8: Lắp ráp vỏ thiết bị điện tử

Gắn bảng mạch Attiny85 vào mặt sau của đồng hồ báo thức bằng vít tự khai thác nhỏ. Gắn PI vào đồng hồ bằng băng dính kép như hình minh họa

Gắn mặt trái đồng hồ vào đáy hộp màn hình bằng băng dính kép

Gắn pin dự phòng USB vào đáy hộp màn hình bằng băng dính kép như hình minh họa.

Đặt hộp trên cùng lên dưới cùng của hộp màn hình như được hiển thị.

Bước 9: Xây dựng cổ phần gắn kết, lắp ráp cuối cùng và thả PI vào tự nhiên

Mảnh dưới cùng: Trong một miếng gỗ 5 1/2 X 5 1/2, cắt 4 khe 3/4 "vào trong từ mỗi bên như hình minh họa. Tôi đã sử dụng 1/4 bit bộ định tuyến, nhưng bạn cũng có thể khoan và cưa. Trong trung tâm tạo một lỗ cho khớp nối PVC 1 1/4. Kích thước lỗ lý tưởng là 1 5/8 ", nhưng vì tôi chỉ có một chiếc cưa lỗ 1 3/4", tôi đã sử dụng nó và tạo khớp nối OD bằng băng keo. Keo dán khớp nối tại chỗ bằng epoxy.

Căn giữa vỏ thiết bị điện tử phía trên khối gỗ và đánh dấu đường viền của nó. Sau đó khoan bốn 1/4 lỗ dọc theo mỗi bên như hình minh họa. Keo dán bốn chốt gỗ đường kính 1 "dài 1/4" vào các lỗ này - điều này sẽ giúp giữ cho thùng loa được chính giữa.

Mảnh trên cùng: khoan bốn lỗ 3/16 "gần mép dưới của mỗi kích thước và chèn các móc chữ S dài 3/4" vào mỗi lỗ uốn cong các đầu đã đóng lại để chúng không bị rơi ra. Ở các cạnh bên trong, keo nóng 4 bốn miếng gỗ vụn dày 1/2 - những miếng này sẽ giúp giữ cho miếng trên cùng ở giữa bên trên thùng loa.

Lắp ráp cuối cùng: Kẹp vỏ thiết bị điện tử giữa các miếng trên và dưới và cố định bằng hai dây bungee như hình minh họa

Thả PI vào nơi hoang dã: Tạo cọc gắn bằng cách cắt 1 ống nhựa PVC 1/4 "có chiều dài phù hợp với mục đích của bạn, cắt một đầu ở góc 45 độ để dễ đập xuống đất hơn. Trong trường hợp của tôi, tôi ' m quan tâm đến sự phát triển của thực vật phủ trên mặt đất (Vinea nhỏ) vào mùa xuân này và vì vậy cọc PVC của tôi chỉ dài 15 ". Kiểm tra kỹ để đảm bảo rằng pin AAA còn mới, bộ sạc dự phòng USB đã được sạc đầy và đồng hồ báo thức được đặt đúng cách - sau đó đập cọc xuống đất và lắp ráp trượt trên đầu cọc gắn - xem ảnh.

Bước 10: Các phép đo hiện tại và kiểm tra tuổi thọ pin tăng tốc

Tôi đo dòng điện bằng Đồng hồ vạn năng Radio Shack RS-232 (22-812) và phần mềm Meter View đồng hành. Không phải sự lựa chọn của con thú, mà là thứ tôi có.

Đo dòng điện rút ra từ hai nguồn pin AAA Bảng mạch Attiny85 và đồng hồ báo thức

Để đồng hồ vạn năng "kết nối nối tiếp", tôi đã sử dụng pin giả và nguồn điện để bàn 3 VDC (xem ảnh). Xem biểu đồ dòng điện đo được trong thời gian "hoạt động" (bắt đầu bằng sự kiện báo động - kết thúc khi Attiny85 trở về chế độ ngủ). Rút ra không báo động là không đổi 0,0049 mA. Tóm lược -

Thời gian hoạt động = 78 giây

Thời gian Hoạt động Tr.bình Dòng điện = 4,85 mA

Dòng không báo động = 4,9 microA (0,0049 mA)

Tôi đã tính toán dòng điện trung bình hàng ngày rút ra là 0,0093 mA từ hai AAA (750 mAh / mỗi cái) khi xem xét chế độ ngủ và hoạt động, và tuổi thọ pin lý thuyết> 8 năm bằng cách sử dụng phương pháp này.

Đo dòng điện PI rút ra từ ổ cắm USB. Để "kết nối loạt" đồng hồ vạn năng, tôi đã sử dụng cáp USB đã sửa đổi (xem ảnh). Xem đồ thị của dòng điện đo được trong khoảng thời gian "hoạt động" (khởi động PI - PI tắt). Trong thời gian không hoạt động, miếng chêm Pimoroni ONOFF cắt hoàn toàn nguồn điện cho Pi, do đó dòng điện rút ra ~ 0. Tóm lược -

Thời gian hoạt động = 97 giây

Thời gian Hoạt động Tr.bình Dòng điện = 137 mA

Giả sử pin dự phòng 11200 mAh, số chu kỳ thời gian hoạt động theo lý thuyết là> 3000.

Kiểm tra tuổi thọ pin tăng tốc

Tôi tạm thời điều khiển PI bằng Arduino UNO được lập trình để chạy nhanh - thời gian giữa các lần báo thức là 2 phút so với 24 giờ bình thường.

Bài kiểm tra số 1: Pin dự phòng 11200mAh. Bắt đầu lúc 10 giờ tối và tôi tạm dừng lúc 1 giờ chiều ngày hôm sau. Kết quả: chụp 413 ảnh, 3 trong 4 đèn LED báo mức sạc vẫn sáng khi kết thúc thử nghiệm.

Bài kiểm tra số 2: Pin dự phòng 7200mAh. Bắt đầu lúc 7:30 tối và tôi tạm dừng lúc 4:30 chiều ngày hôm sau. Kết quả: Chụp được 573 ảnh, 2 trong 4 đèn LED báo mức sạc vẫn sáng khi kết thúc thử nghiệm.

Kết luận: Tôi tin rằng các kết quả trên cho thấy ít nhất một năm hoạt động chụp 1 bức ảnh trên mỗi bức ảnh.