Przenośny rejestrator obrazów z Raspberry Pi Zero

Większość projektów, które opisujemy na łamach Elektroniki Praktycznej przypomina raczej prototypy niż gotowe urządzenia. To dlatego, że ich twórcy koncentrują się najczęściej na elektronice, a obudowa jest albo prowizoryczna, albo przede wszystkim zabawna. Raspberry Pi Wearable Time Lapse Camera, opracowana przez Phillipa Burgessa i braci Ruiz z USA mocno wyróżnia się na tym tle, gdyż w praktyce ma cechy gotowego, dopracowanego urządzenia i całkiem atrakcyjny wygląd. A dzięki dostępności wszystkich podzespołów i materiałów można szybko samodzielnie odtworzyć projekt i zabrać go na najbliższe wakacje. Co więcej, to jeden z nielicznych w EP projektów urządzenia noszonego, a więc tzw. typu „wearable”. Jest to również okazja by wykorzystać nowe Raspberry Pi Zero, które po wyczerpaniu poprzedniej wersji jest teraz dostępne w sprzedaży.

Idea

Twórcy Raspberry Pi Wearable Time Lapse Camera postawili sobie bardzo jasny cel – chodziło im o stworzenie wygodnego w użyciu, przenośnego rejestratora obrazów. Tak by można było robić np. prezentacje typu timelapse. Nic więcej. Nie starali się ani uzyskać nie wiadomo jakiej wydajności, możliwości nagrywania wideo ani wyprowadzać wielu przycisków do konfiguracji. Stąd mogli skoncentrować się na tym, co było dla nich najważniejsze i względnie szybko przygotować cały projekt.

W rezultacie rejestrator działa w dosyć prosty sposób. Jego domyślne ustawienia sprawiają, że po podłączeniu zasilania i uruchomieniu systemu operacyjnego kamera zaczyna wykonywać fotografie z odstępami co 15 sekund. Obrazy zapisywane są w jednym konkretnym katalogu i zawierają znaczniki czasowe w nazwach. Po wyłączeniu rejestratora można wyjąć kartę pamięci i włożyć ją do czytnika, po czym samodzielnie zgrać zdjęcia. Niby proste, ale całość wykonania zdecydowanie zasługuje na uwagę. Jak się sprawdza w praktyce? Można zobaczyć na wideo pod adresem https://goo.gl/maqaAc.

Elektronika

Podstawowe komponenty użyte w projekcie to Raspberry Pi Model Zero w wersji 1.3 (rysunek 2), Raspberry Pi Camera w 8-megapikselowej wersji V2 (rysunek 3) oraz polimerowy akumulator litowo-jonowy o pojemności 500 mAh (rysunek 4). Zarówno Raspberry Pi, jak i moduł kamery można swobodnie zastąpić inną wersją – choćby klasycznym, dużym RPI, a kamerę starszym modelem, bądź nawet wersją na podczerwień. Użyte podzespoły i napisane oprogramowanie są na tyle uniwersalne, że będą działać z każdym z tych komponentów.

Moduł kamery został podłączony do Raspberry Pi za pomocą adekwatnej taśmy (rysunek 5), takiej jak dostępna pod adresem https://goo.gl/D9Zgr7. Użyto karty pamięci 4 GB, ale jeśli chce się zapisywać bardzo dużo zdjęć, warto sięgnąć po większą pamięć. Sekcję zasilania wzbogacono o moduł ładowarki (rysunek 6), który umożliwia jednoczesne ładowanie akumulatora i zasilanie komputera. Jest on dosyć drogi, gdyż kosztuje 15 dolarów (https://goo.gl/b4o27h), stąd znacznie podnosi cenę projektu. Zamiast tego można po prostu bezpośrednio podłączyć napięcie 5 V z zasilacza, lub użyć prostszej ładowarki. Pozostałe komponenty to przełącznik suwakowy (rysunek 7), przełącznik przyciskany monostabilny (rysunek 8) i dioda LED z rezystorem 100 V w postaci gotowego moduliku (rysunek 9). Wszystkie komponenty zebrano na rysunku 10.

Połączenia pomiędzy podzespołami są bardzo proste. Kamerę należy podłączyć tasiemką do złącza na Raspberry Pi. Układ zasilania (wyprowadzenia + i –) należy podłączyć do pinów zasilania 5 V i masy w Raspberry Pi. Diodę LED z szeregowo podłączonym rezystorem należy wpiąć pomiędzy piny GPIO5 i masę. Przycisk monostabilny pomiędzy piny GPIO21 i masę. Posłuży do bezpiecznego wyłączania rejestratora. Wyprowadzenie akumulatora trzeba podpiąć do jedynego pasującego złącza na płytce PowerBoost. Przełącznik monostabilny podłączamy pomiędzy wejście EN a masę układu PowerBoost, dzięki czemu będzie służyć jako włącznik całego rejestratora. Układ wyprowadzeń Raspberry Pi Zero pokazano na rysunku 11.

Mechanika

Wielką zaletą opisywanego projektu jest dobrze dopasowana obudowa mechaniczna. Składa się ona z trzech podstawowych części, które można wydrukować nawet na niewielkiej drukarce 3D (rysunek 12). Wierzchnią i spodnią część obudowy uzupełnia klips, który pozwala zamontować kamerę np. na pasku. Ma on też otwór, dzięki któremu cały rejestrator można zawiesić na cienkiej lince.

Projekt obudowy można bezpłatnie pobrać z repozytorium Thingiverse (https://goo.gl/Ur8jNp). Wizualizację modelu pokazano na rysunku 13. Wśród plików 3D jest także fragment do zamontowania statywu. Pliki są w formacie STL, a więc osoby umiejące projektować mogą sobie swobodnie zmodyfikować obudowę tak, by pasowała do innych podzespołów, w tym np. do większego akumulatora. Ci czytelnicy, którzy nie mają takich zdolności, a chcieliby użyć nieco innych podzespołów będą w gorszej sytuacji, ale w praktyce większość modyfikacji będzie polegała na rezygnacji np. z modułu PowerBoost, po którym wolną przestrzeń można po prostu zapchać klejem termicznym. Zresztą twórcy i tak wykorzystali klej w swoim projekcie.

Sama obudowa została zaprojektowana tak, by idealnie pasować do użytych komponentów. Najlepiej wydrukować ją z użyciem poliaktydu (PLA). Twórcy zalecają delikatnie zwiększyć model o jakieś 2%, jeśli ma być wykonywany z filamentu ABS.

Montaż

Dobrze dopasowana obudowa i precyzyjnie dobrane komponenty sprawiają, że aby uzyskać idealne spasowanie części, trzeba je odpowiednio zmontować.

Przełącznik przesuwany należy pozbawić jednego z bocznych wyprowadzeń, a pozostałe dwa przylutować do cienkich przewodów. Moduł LED należy również podłączyć do dwóch przewodów, a jeśli stosujemy oddzielną diodę zamiast modułu, najlepiej rezystor dolutować tak by rezystor można było swobodnie ułożyć w obudowie. Przycisk monostabilny też lutujemy do dwóch cienkich przewodów. Przewody od przełącznika bistabilnego montujemy do przelotek EN i GND na module ładowarki (rysunek 14). Wyprowadzenia ładowarki łączymy przewodami z Raspberry Pi Zero – najlepiej od spodu. Następnie, również od spodu lutujemy wyprowadzenia diody LED z opornikiem. Kolejny krok to podłączenie taśmą kamery z komputerem i podczepienie akumulatora w gniazdo na module zasilania. Przycisku monostabilnego nie należy na tym etapie trwale lutować do Raspberry Pi ze względu na konstrukcję obudowy. Całość po wykonaniu połączeń elektrycznych powinna wyglądać tak, jak na rysunku 15.

W praktyce można już sprawdzić czy wszystko poprawnie działa (choć wypada mieć wcześniej przygotowany system, o którym napiszemy w kolejnym kroku). Podpięcie wszystkich komponentów wraz z naładowanym akumulatorem może spowodować uruchomienie Raspberry Pi, o ile tylko przełącznik przesuwny jest w odpowiedniej pozycji. Włączenie przetwornicy jest sygnalizowane niebieską diodą. Raspberry Pi uruchamia się około minuty przy pierwszym starcie i mniej więcej połowę krócej przy kolejnych restartach. Czas ten może się wydłużać, jeśli na karcie pamięci znajdzie się bardzo wiele plików graficznych. W domyślnym trybie pracy, za każdym razem gdy wykonywana jest fotografia, zapala się też dioda LED przylutowana do GPIO5.

Aby bezpiecznie wyłączyć rejestrator trzeba przez kilka sekund potrzymać przycisk podłączony do GPIO21, który powoduje wysłanie polecenia HALT do systemu i wstrzymanie jego pracy. Po zakończeniu pracy urządzenia można wyjąć kartę i sprawdzić, czy zdjęcia zostały wykonane.

Zlutowane ze sobą elementy można umieszczać w obudowie, ale najlepiej zacząć od przycisku monostabilnego, którego wyprowadzenia należy przeciągnąć przez otwór w jej spodzie i następnie już na stałe przylutować do Raspberry Pi. W drugiej kolejności wypada zamontować przetwornicę (tak by weszła na wypustki w obudowie) i umieścić obok niej akumulator. Jeśli elementy obudowy nie są idealnie spasowane po druku 3D, można użyć kleju by podzespoły nie poruszały się luźno. Diodę LED należy przymontować do otworu we froncie obudowy. Jeśli użyto innej niż w oryginalnym projekcie, prawdopodobnie będzie konieczne jej przyklejenie. Ważny krok to odpowiednie wypozycjonowanie moduły kamery. Tu również projektanci obudowy przygotowali odpowiednie wypustki, które pozwalają na sztywne uchwycenie kamery (rysunek 16).

W końcu można zamontować Raspberry PI, uważając by odpowiednio zawinąć tasiemkę łączącą RPI z kamerą. Dobrym pomysłem jest wykorzystanie niewielkiej ilości taśmy izolacyjnej lub innego elastycznego, ale i lepkiego materiału, który zapobiegnie rozwijaniu się tasiemki. Gdy niemal wszystko jest na miejscu można zamontować z boku przełącznik bistabilny. Wtedy można też zamknąć obudowę, która powinna w tym momencie wydać z siebie przyjemny „klik” (rysunek 17). Jeśli się to nie udaje, można spróbować umieścić przełącznik bistabilny w drugiej części obudowy i wtedy ponownie spróbować zamknąć całość.

Montaż klipsu wykonuje się na koniec poprzez wciśnięcie go w otwór z tyłu obudowy. Może się zdarzyć, że będzie on wymagać użycia kleju, by pewnie trzymał się w miejscu (rysunek 18).

Oprogramowanie

Twórcy przygotowali gotowy obraz ze skonfigurowanym systemem, który można pobrać z adresu https://goo.gl/Yfp4Vy i wgrać go na kartę microSD o pojemności 4 GB. Plik ten jest spakowany i zajmuje 365 MB. Skorzystanie z tego pliku sprawia, że nie trzeba robić nic więcej. My jednak pokażemy, jak projekt zrealizować samodzielnie, a przy okazji wyjaśnimy na jakiej zasadzie działa.

Po pierwsze należy pobrać aktualną wersję Raspbiana – najlepiej w wersji Lite. Jest dostępny ze strony https://goo.gl/Zfo4ZG i zgrać go na kartę pamięci. Przy pierwszym uruchomieniu trzeba wykonać polecenie sudo raspi-config i rozszerzyć partycję (opcja Expand Filesystem), włączyć kamerę (Enable Camera), a najlepiej też włączyć SSH i skonfigurować ustawienia klawiatury, by nie były brytyjskie. Należy się też upewnić, że komputer ma łączność z Internetem.

Po restarcie należy zainstalować oprogramowanie, które pozwoli na korzystanie z interfejsu GPIO. W tym celu używamy WiringPi:

sudo apt-get update
sudo apt-get install wiringpi

W katalogu /boot należy stworzyć plik timelapse.sh. Można to uczynić poleceniem sudo nano /boot/timelapse.sh.

Alternatywnie plik ten można wgrać bezpośrednio na kartę pamięci za pomocą czytnika, gdyż katalog /boot jest widoczny na zwykłych komputerach z systemem Windows.

Plik timelapse.sh zawiera tak naprawdę praktycznie cały skrypt wraz z ustawieniami. Jego treść publikujemy na listingu 1.

Pozostaje tylko zapewnić, by skrypt uruchamiał się automatycznie po starcie Raspberry Pi. W tym celu w pliku /etc/rc.local należy dodać treść sh /boot/timelapse.sh 2>/dev/null &.

Zasada działania

Wypada jeszcze wyjaśnić jak działa i jak zmienić ustawienia projektu. W praktyce Raspberry Pi Wearable Time Lapse Camera po prostu w pętli pobiera aktualny czas, sprawdza czy minęło przynajmniej 15 sekund (lub inny okres wpisany w konfiguracji) od wykonania poprzedniego zdjęcia, po czym uruchamia program do obsługi kamery i wykonuje zdjęcie. Jest ono zapisywane z kolejnymi numerami w katalogu docelowym. W pliku konfiguracyjnym oprócz interwału czasowego podana jest także rozdzielczość zdjęć oraz jakość kompresji. Sam program raspistill jest wywoływany z opcją –t 250, która mówi, że zdjęcie ma być wykonane 250 ms od uruchomienia programu. Może się zdarzyć, że do tego czasu kamera się nie ustabilizuje odpowiednio i w niektórych przypadkach konieczne jest zwiększenie tego czasu. Gdyby była potrzeba można też ręcznie za pomocą dalszych parametrów ustalić inne parametry ekspozycji, czy czułość sensora obrazu. Warto zaznajomić się z dokumentacją ze strony https://goo.gl/eZZM8S.

Twórcy dodają także, że jeśli bardzo zależy nam na tym by nie stracić żadnego ujęcia, można dodać polecenie sync zaraz po poleceniu wykonania fotografii. Spowoduje to, że na karcie pamięci poprawnie utrwalone zostaną ewentualne pliki przechowywane jeszcze w pamięci, tyle że proces ten trwa kilka sekund i znacznie wydłuża minimalny interwał pomiędzy kolejnymi ujęciami (z ok. 2 sekund do mniej więcej 10 sekund).

Podsumowanie i ocena projektu

Zaprezentowany projekt jest nie tylko estetyczny, ale i praktyczny – może być faktycznie użyteczny. Stanowią też dobrą okazję do wypróbowania możliwości druku 3D. Opcjonalnie rejestrator można doposażyć w zewnętrzny obiektyw, taki jak do telefonów komórkowych i mocowany magnetycznie (rysunek 19). Całość projektu można obejrzeć pod adresem https://goo.gl/QSiE5W.

Od strony programistycznej jest bardzo prosty, choć bardzo podobny efekt dałoby się uzyskać w prostszy sposób. Mianowicie sam program raspistill pozwala na wykonywanie zdjęć z określonym interwałem czasowym – nawet krótszym niże te 2 sekundy, poniżej których trudno zejść w skrypcie przygotowanym na potrzeby projektu. Niestety timelapse wykonany bezpośrednio z użyciem ustawień raspistill będzie utrzymywać cały czas włączoną kamerę, która pobiera prąd z akumulatora. Do tego nowe moduły kamer nie mają diody LED, więc nie byłoby możliwości sygnalizowania momentów wykonywania zdjęć.

Warto jednak zauważyć, że pomimo starań o zmniejszenie poboru energii, twórcy wcale nie wykazali się w tym zakresie bardzo dużym wysiłkiem. Pętla nieskończona, w której pobierany jest aktualny czas i porównywany z poprzednim czasem fotografii wykonuje się niemal non stop, obciążając tym samym procesor komputera. Co prawda nie angażuje to obwodów graficznych ani niemal żadnych innych, ale znacznie bardziej eleganckim rozwiązaniem byłoby wykorzystanie bardziej zaawansowanego języka programowania (choćby pythona) i rozpisanie funkcji na wątki, które w trakcie oczekiwania na wykonanie praktycznie nie korzystałyby z procesora. Nic nie stoi na przeszkodzie, by taką modyfikację projektu wykonać już samodzielnie. W końcu wszystkie komponenty, wraz z projektem obudowy – nie ulegną zmianie.

Marcin Karbowniczek, EP