Raspberry Pi in the Wild! Lapso de tempo estendido com energia da bateria: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Motivação: Eu queria usar a câmera Raspberry Pi movida a bateria para tirar fotos uma vez por dia ao ar livre para criar vídeos com lapso de tempo de longo prazo. Minha aplicação específica é registrar o crescimento das plantas de cobertura do solo na próxima primavera e verão.

Desafio: Projetar controle de energia do Raspberry Pi de baixa corrente para garantir longa vida útil da bateria.

Minha solução: Eu uso um despertador hackeado, circuito Attiny85 e correção Pimoroni OnOff para cortar completamente a energia do Raspberry Pi quando não estiver em uso. Enquanto o Attiny85 e o despertador continuam funcionando no modo de espera, o consumo de corrente é de apenas 5 microAmps. Duas baterias AAA alimentam o Attiny e o despertador, enquanto um banco de energia USB alimenta o Pi.

Operação básica: Quando o despertador dispara, ele desperta um circuito Attiny adormecido, que sinaliza o calço Pimoroni OnOff para aplicar energia do banco de energia USB ao Raspberry Pi. O Pi executa um script run-at-boot (tire uma fotografia). Depois de passar um tempo suficiente (60 segundos em meu aplicativo), o circuito Attiny sinaliza novamente para o shim Pimoroni OnOff e, em seguida, o Attiny entra no modo de hibernação. Com base no sinal de Attiny, o shim Pimoroni OnOff executa o comando de desligamento do Pi e, após a conclusão do processo de desligamento do Pi, corta a energia do banco de energia USB para o Raspberry Pi.

Etapa 1: Peças e Ferramentas

Partes:

Raspberry Pi Zero ou Raspberry Pi Zero W (consome mais energia)

Módulo de câmera Raspberry PI

Caixa Raspberry Pi Zero

Pimoroni ONOFF SHIM RASP PI POWER SWITCH, Digikey

OPTOISOLATOR Digikey

Alvo de despertador digital operado por bateria

ATtiny85 8 DIP Digikey

(2) CAP ALUM 100UF Digikey

Módulo DS3231 RTC AliExpress

(2) resistor de 68 ohms

Cabo micro USB curto (cerca de 6 polegadas)

Caixa transparente Amac SKU nº: 60120. 4 "x 4" x 5-1 / 16 "h O armazenamento de contêineres

Kmashi 11200 mAh USB Power Bank # k-mp806 ou semelhante

Fita adesiva dupla

Parafuso pequeno auto-roscante

(2) Cabeçalhos de empilhamento fêmea de 1 X 8 pinos - comumente vendidos cabeçalhos de empilhamento Arduino UNO AliExpress

Perf ou strip board de cerca de 1 1/4 "por 2"

5 1/2 por 5/12 por 3/4 de pinho de espessura ou madeira compensada

Tubo de 1 1/4 de PVC com cerca de 15 de comprimento

1 1/4 PVC acoplador

(2) cordas elásticas curtas com cerca de 10 de comprimento

(4) alfinetes de madeira de 1/4 "de diâmetro com cerca de 1" de comprimento

UltraDeck Natural Post Sleeve Cap Menards

Ferramentas:

Cortadores de fio e ferro de solda

Arduino UNO ou outra forma de programar ATtiny85

Conecte o fio e os jumpers

Teclado, mouse, monitor HDMI, porta USB e hub Ethernet, cabo OTG

Multímetro

Etapa 2: instalar o Raspberry Pi OS, Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC e o módulo de câmera Pi

Configuração de Pi Zero. Prepare o cartão SD para Raspberry Pi com a distribuição de sua escolha. Durante o processo de configuração inicial, certifique-se de habilitar a interface I2C, a câmera e inicializar a CLI com login automático, defina a hora local correta e altere sua senha. Também recomendo configurar um endereço IP estático para facilitar as coisas no futuro. Soldar cabeçalho masculino para Pi Zero. Você pode usar o conector padrão 2 x 20 ou um conector 2 x 6 mais curto, pois todos os 40 pinos não são necessários para este projeto - apenas os primeiros 12 pinos.

Instalação da câmera. Encaixe o Pi Zero em seu estojo e use o cabo de fita curto incluído para conectar o módulo da câmera ao Pi Zero, direcionando o cabo para fora do slot da extremidade do estojo. Encaixe a tampa superior com fenda GPIO e prenda a câmera à tampa com fita adesiva dupla (veja a foto).

Prepare Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC. Embora o Pimoroni OnOff Shim venha com um cabeçote 2 x 6 fêmea, em vez disso usei dois cabeçotes de empilhamento 1 x 6 fêmea comumente vendidos para o Arduino UNOs, os pinos do cabeçalho precisam se estender acima do Pimoroni OnOff Shim nas localizações dos pinos 1, 3 do Raspberry Pi, 5, 7, 9, os outros pinos podem ser cortados no comprimento de pino padrão. Empurre o DS3231 RTC nos pinos estendidos como mostrado na foto e, em seguida, empurre o subconjunto Pimoroni OnOff Shim e DS3231 RTC nos pinos do painel Raspberry Pi como mostrado.

Instale o software Pimoroni OnOff Shim com:

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

Para obter informações adicionais sobre a instalação de Shim, clique aqui

Instale o software DS3231 RTC de acordo com estas instruções

Testes iniciais - Câmera, Pimoroni OnOff Shim, DS3231 RTC

Conecte o teclado local e o monitor ao Pi Zero. Certifique-se de ter uma conexão de rede (cabo Ethernet ou Wifi). Conecte o cabo de alimentação USB Pimoroni OnOff Shim.

uma. Pressione o botão Pimoroni OnOff Shim por 3 segundos e depois solte - isso ativa ou desativa o Pi Zero. Observe o processo de inicialização e desligamento no monitor. Seu Pi Zero agora tem uma atualização de tecnologia avançada - um botão liga / desliga!

b. Defina a hora DS3231 e verifique se ele lê a hora correta com:

sudo hwclock -w

sudo hwclock -r

c. Teste a função da câmera de acordo com estas instruções.

Etapa 3: configurar o script de execução na inicialização do Raspberry Pi e testar a câmera

Crie e mova para o novo subdiretório zerocam

mkdir zerocam

cd zerocam

Use o editor nano para criar um novo arquivo de script

nano photo.sh

Em seguida, copie e cole o código abaixo no editor nano. Feche o nano com Ctrl + X, Y e, em seguida, Return.

#! / bin / bash

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

Uma vez que este script usa o comando convert, você precisará instalar o ImageMagick no Raspberry Pi

sudo apt-get update

sudo apt-get install imagemagick

Torne o arquivo executável

chmod + x foto.sh

Abra /etc/rc.local (os comandos neste arquivo são executados na inicialização)

sudo nano /etc/rc.local

Próximo ao final do arquivo, pouco antes da instrução exit 0, adicione esta nova linha e feche o nano com Ctrl + X, Y e Return.

sh /home/pi/zerocam/photo.sh

Com um monitor local conectado, teste se ele funciona

sudo reboot

O Pi deve reiniciar e tirar uma foto. Haverá um novo arquivo-j.webp

Também teste ligar e desligar o Pi com o botão Pimoroni. Meça e registre o tempo de inicialização do Pi. Deve ser inferior a 60 segundos.

Etapa 4: hackear o despertador

Observe a operação produzida - Instale duas baterias AAA no despertador e pratique o ajuste da hora e do alarme de acordo com as instruções incluídas. Em particular, observe o som do alarme - você deve ver (1) o pequeno símbolo de alarme do display piscando, (2) a campainha soa por 1 minuto e depois apaga e (3) o LED de luz de fundo acende por 5 segundos e depois apaga.

Desmontar - Remova os quatro parafusos da parte traseira do relógio para separar as duas metades e, em seguida, remova mais quatro parafusos para liberar o PCB principal.

Hack - Corte os fios do LED na frente do PCB conforme mostrado e solde os fios longos de 5 nos fios restantes na parte traseira do PCB (veja a ilustração). Desolder a campainha conforme mostrado.

Para os terminais do compartimento da bateria, adicione dois fios adicionais (vermelho e preto) mais um capacitor eletrolítico 100MFD conforme mostrado (observe a polaridade).

Remonte o relógio, certificando-se de direcionar os cabos do LED e da bateria nova para fora dos slots de retenção da tampa traseira, conforme mostrado.

Teste novamente - instale as baterias e teste a função de alarme - agora, quando o alarme disparar, você deverá ver o pequeno símbolo de alarme do visor piscando - mas sem campainha e sem luz de fundo. Conecte um multímetro aos condutores de LED, você deve detectar cerca de 3 VCC quando o alarme dispara por um período de cerca de 5 segundos.

Etapa 5: construir placa de circuito Attiny85

Consultando a foto e Attiny85 Schematic.pdf, construa a placa de circuito em um pequeno pedaço de placa de perf ou strip. Notas:

• Certifique-se de usar um soquete DIP de 8 pinos para o chip Attiny85, pois ele precisa ser removido para programação.
• Assegure a orientação correta do Optos antes de soldar.
• Os condutores de jumper para Pimoroni Shim devem ter pelo menos 4 polegadas de comprimento com conectores fêmeas para conectar os pinos machos Shims BTN.
• Observe a polaridade ao fazer conexões com o clique do alarme - o circuito não tem proteção de polaridade reversa

Etapa 6: fazer upload do código para o chip Attiny 85

Usando um Arduino Uno ou outro meio, carregue o código (arquivo AttinyPiPowerControl.ino anexado) para o seu chip Attiny85. Nota - este código permite 60 segundos para o PI inicializar, tirar uma foto e chegar ao prompt de comando do terminal antes de iniciar o processo de desligamento. Você pode então instalar o chip Attiny85 em seu soquete da placa de circuito - verifique a orientação.

Nota: Se você precisar de mais ou menos tempo de execução Pi, apenas edite esta linha perto da parte inferior:

atraso (60.000); // deixe o Pi inicializar e correr por um tempo

Etapa 7: Fiação, teste inicial e download de arquivos de fotos do PI

Fiação:

Conecte o banco de energia USB à porta micro usb do calço Pimoroni. Conecte os cabos do jumper da placa de circuito Attiny85 ao calço Pimoroni, certifique-se de que o cabo preto se conecte ao pino BTN da borda mais externa do calço Pimoroni.

Teste:

Instale 2 pilhas AAA no despertador e defina a hora do relógio. Recomendo também conectar a porta HDMI de Pi a um monitor local.

Ligue o alarme e defina um alarme para alguns minutos no futuro. Quando o alarme disparar, você deverá ver:

uma. O ícone do alarme do relógio começa a piscar

b. Após cerca de 5 segundos, o LED vermelho Pimoroni Shim acende por 5 segundos

c. O Pi começa a inicializar

d. Após cerca de 20 segundos, o LED da câmera acende e uma foto é tirada. Se você tiver um monitor local conectado, verá uma breve prévia da foto tirada.

e. Depois de outros 40 segundos ou mais, o Pi inicializa todo o caminho até o prompt de comando do terminal

f. Pi inicia o processo de desligamento, após cerca de 20 segundos o LED vermelho Pimoroni Shim pisca indicando que a energia foi cortada para o PI

Baixando arquivos de fotos do PI

Eu conecto o PI à minha rede usando um cabo OTG e um adaptador USB para ethernet, alimentando o Pi do wall wart. Em seguida, use o WinSCP para baixar arquivos para o meu PC.

Etapa 8: montar o gabinete eletrônico

Prenda a placa de circuito Attiny85 na parte de trás do despertador usando um pequeno parafuso auto-roscante. Anexe PI ao relógio usando fita adesiva dupla como mostra

Prenda o relógio do lado esquerdo na parte inferior da caixa do visor com fita adesiva dupla

Conecte o banco de energia USB à parte inferior da caixa do monitor com fita adesiva dupla, conforme mostrado.

Coloque a caixa superior sobre a parte inferior da caixa do visor, conforme mostrado.

Etapa 9: construir a estaca de montagem, a montagem final e liberar o PI na selva

Parte inferior: em um pedaço de madeira de 5 1/2 X 5 1/2, corte 4 ranhuras de 3/4 "para dentro de cada lado, como mostrado. Usei uma fresa de 1/4, mas você também pode furar e serrar. o centro faz um orifício para o acoplamento de 1 1/4 de PVC. O tamanho ideal do orifício é 1 5/8 ", mas como eu só tinha uma serra copo de 1 3/4", usei-a e construí o diâmetro externo do acoplamento com fita adesiva. acoplamento no local com epóxi.

Centralize o gabinete eletrônico acima do bloco de madeira e marque seu contorno. Em seguida, faça quatro furos de 1/4 ao longo de cada lado, conforme mostrado. Cole quatro pinos de madeira de 1 "de comprimento 1/4" de diâmetro nesses orifícios - isso ajudará a manter o gabinete centralizado.

Peça superior: faça quatro orifícios de 3/16 "perto da borda inferior de cada tamanho e insira ganchos em S de 3/4" de comprimento em cada orifício, dobrando as pontas para que não caiam. Nas bordas internas, cole com cola quente 4 quatro pedaços de madeira de 1/2 espessura - eles ajudarão a manter a parte superior centralizada acima do gabinete.

Montagem final: Prenda o gabinete eletrônico entre as peças superior e inferior e prenda com duas cordas elásticas, conforme mostrado

Solte o PI na selva: faça uma estaca de montagem cortando um tubo de PVC de 1 1/4 "de comprimento adequado aos seus propósitos, corte uma extremidade em um ângulo de 45 graus para facilitar a cravação no solo. No meu caso, Estou interessado no crescimento de plantas de cobertura do solo (Vinea minor) nesta primavera e, portanto, minha participação de PVC tem apenas 15 "de comprimento. Verifique novamente se as pilhas AAA estão novas, o banco de energia USB está totalmente carregado e o despertador está configurado corretamente - em seguida, coloque a estaca no chão e deslize o conjunto no topo da estaca de montagem - veja a foto.

Etapa 10: medições de corrente e teste acelerado de vida útil da bateria

Eu medi a corrente usando o multímetro Radio Shack RS-232 (22-812) e o software Meter View associado. Não é a escolha da besta, mas é o que eu tenho.

Medição do consumo de corrente da placa Attiny85 de energia de duas baterias AAA e despertador

Para "conectar em série" o multímetro, usei baterias falsas e fonte de alimentação de bancada de 3 VCC (veja a foto). Veja o gráfico da corrente medida durante o período "ativo" (começa com o evento de alarme - termina com o retorno do Attiny85 ao modo de hibernação). O consumo sem alarme foi constante de 0,0049 mA. Resumo -

Período ativo = 78 segundos

Média do período ativo Corrente = 4,85 mA

Corrente sem alarme = 4,9 microA (0,0049 mA)

Calculei um consumo médio diário de corrente de 0,0093 mA dos dois AAA (750 mAh / cada), considerando os modos de repouso e ativo e a vida útil teórica da bateria> 8 anos usando este método.

Medição do consumo de corrente PI do banco de dados USB. Para "conectar em série" o multímetro, usei um cabo USB modificado (veja a foto). Veja o gráfico da corrente medida durante o período "ativo" (inicialização do PI - desligamento do PI). Durante o período não ativo, o calço Pimoroni ONOFF corta completamente a energia para Pi, então o consumo de corrente é ~ zero. Resumo -

Período ativo = 97 segundos

Média do período ativo Corrente = 137 mA

Assumindo um banco de energia de 11200 mAh, o número teórico de ciclos de período ativo é> 3000.

Teste acelerado de vida útil da bateria

Eu controlei temporariamente o PI com o Arduino UNO programado para um ciclo rápido - o tempo entre os alarmes era de 2 minutos em comparação com as 24 horas normais.

Teste nº 1: banco de potência de 11200 mAh. Comecei às 22h e parei às 13h do dia seguinte. Resultados: 413 fotos tiradas, 3 de 4 LEDs de nível de carga ainda acesos no final do teste.

Teste nº 2: banco de potência de 7200 mAh. Comecei às 19h30 e parei às 16h30 do dia seguinte. Resultados: 573 fotos tiradas, 2 de 4 LED de nível de carga ainda aceso no final do teste.

Conclusão: acredito que os resultados acima indicam a probabilidade de pelo menos um ano de operação, tirando 1 por foto.