Kamera termiczna oparta na Raspberry Pi

Kamera termiczna oparta na Raspberry Pi
Pobierz PDF Download icon

Obserwacja świata w podczerwieni to fascynująca sprawa. Niestety nasze oczy nie rejestrują tego fragmentu pasma promieniowania elektromagnetycznego, więc skazani jesteśmy na wykorzystywanie specjalnych kamer. Urządzenia te są zazwyczaj dosyć drogie, dlatego też studenci z politechniki w Michigan postanowili skonstruować własne, otwarte urządzenie tego typu. Grupa kierowana przez dr. Joshue Pearce'a opracowała otwarty projekt kamery termalnej, wykorzystującej komputer jednopłytkowy Raspberry Pi i moduł kamery podczerwonej FLIR Lepton.

Obrazowanie rozkładu temperatury - termografia - ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach: przemyśle, nauce czy medycynie. Termografia polega na obrazowaniu w zakresie średniej podczerwieni, to jest od 9 do 14 mm. Każde ciało emituje promieniowanie elektromagnetyczne, najczęściej w zakresie podczerwieni, o długości fali odwrotnie proporcjonalnej do jego temperatury. Emisja z maksimum przypadającym na zakres średniej podczerwieni odpowiada temperaturom najczęściej spotykanym w naszym otoczeniu.

Urządzenia do obrazowania w podczerwieni są zazwyczaj bardzo drogie. Aby jednak skorzystać z tej technologii na uczelni, zespół dr. Pearce'a skonstruował własną kamerę termiczną na bazie modułu kamery podczerwonej Lepton firmy FLIR. Jest to ekonomiczny moduł do zastosowań w sprzęcie przenośnym i konsumenckim.

Elementy składowe układu

Autorzy użyli pierwszej generacji komputerka Raspberry Pi - wersji B+, do budowy opisanego urządzenia. Jednak każda inna wersja Raspberry będzie odpowiednia do tej kamery i napisanego oprogramowania, wymagając jedynie minimalnych poprawek. Wszystkie elementy składowe zebrano w tabeli 1.

Przygotowywanie karty SD

Na początek musimy przygotować odpowiednio kartę SD dla komputera Raspberry Pi, aby mógł poprawnie działać. Do tego potrzebny będzie nam zwykły komputer PC, wyposażony w czytnik kart SD. W pierwszej kolejności musimy sformatować kartę i umieścić na niej instalator systemu operacyjnego dla Raspberry Pi. Do formatowania karty możemy użyć jednego z dedykowanych do tego celu programów. Autor konstrukcji wskazuje program Formatter for Windows i opis w artykule dotyczy tego programu.

Po pobraniu i zainstalowaniu programu możemy w komputerze umieścić kartę SD i uruchomić zainstalowany program. Następnie wybieramy opcję FORMAT SIZE ADJUSTMENT, czyli formatowanie z dostosowaniem wielkości karty SD. Jeśli opcja jest zaznaczona, to możemy kliknąć OK i przejść dalej. W polu „Drive” wybieramy literę dysku skojarzoną z naszą kartą SD. Jeśli w komputerze zainstalowany mamy tylko jeden czytnik kart, z jedną kartą, to oprogramowanie automatycznie wykryje literę dysku, pod którą znajduje się karta. Po ustawieniu wszystkich parametrów możemy nacisnąć przycisk Format i potwierdzić to, naciskając OK w kolejnych okienkach, które będą się pojawiać. Po chwili oczekiwania karta microSD zostanie sformatowana.

Kolejnym krokiem jest instalacja systemu operacyjnego z wykorzystaniem pakietu NOOBS. Należy pobrać najnowszą wersję pakietu w postaci pliku ZIP (w chwili pisania artykułu jest to 3.0.1). NOOBS najprościej pobrać z oficjalnej witryny www.raspberrypi.org. Po pobraniu paczki zawartość musimy wypakować na czystą kartę microSD, którą sformatowaliśmy w poprzednim kroku. Możemy teraz włożyć kartę microSD do Raspberry Pi, podłączyć myszkę i klawiaturę oraz ekran (np. telewizor poprzez port HDMI). Po uruchomieniu systemu postępujemy zgodnie z poleceniami na ekranie, instalując system operacyjny Raspbian.

Podłączenie FLIR Lepton do Raspberry Pi

Rysunek 1. Moduł FLIR Lepton na płytce z wyprowadzeniami wszystkich sygnałów

Kolejnym krokiem jest podłączenie do komputera modułu kamery FLIR Lepton. Warto kupić moduł Lepton w postaci modułu deweloperskiego - od razu przylutowanego do płytki drukowanej, z wyprowadzonymi wszystkimi potrzebnymi sygnałami na złączach szpilkowych. W ten sposób możemy połączyć moduł kamery z komputerem przy użyciu płytki stykowej lub zworek. Moduł z kamerą FLIR Lepton pokazano na rysunku 1. Moduł z kamerą potrzebuje do komunikacji dwóch interfejsów szeregowych - SPI do przesyłania danych oraz I2C do przesyłania informacji kontrolnych. Komputer Raspberry Pi wyposażony jest w oba te interfejsy oraz duże wsparcie programistyczne do tworzenia oprogramowania w postaci gotowych bibliotek do języków takich jak C i Python.

Rysunek 2. Schemat wyprowadzeń 40-pinowego złącza Raspberry Pi. Oznaczono piny, które trzeba podłączyć do modułu kamery

Raspberry Pi ma 40-pinowe złącze, na którym wyprowadzono m.in. linie interfejsów SPI oraz I2C, a także zasilanie i masę. Na rysunku 2 pokazano, gdzie znajdziemy poszczególne sygnały SPI (MOSI, MISO, CLK i CS) oraz I2C (SDA i SCL). Łączymy je w wybrany przez siebie sposób z odpowiadającymi sygnałami po stronie modułu z kamerą termowizyjną. Pamiętajmy, aby dołączać moduł do kamery po odłączeniu zasilacza od Raspberry Pi. Na rysunku 3 pokazano podłączony moduł z kamerą na płytce stykowej. Po podłączeniu wszystkiego do komputera Raspberry Pi możemy ponownie uruchomić komputer (podłączyć zasilanie do portu microUSB) i przejść do konfiguracji.

W pierwszej kolejności musimy podłączyć Internet - poprzez kabel (Ethernet) lub Wi-Fi. W zależności od tego, w jaki sposób podłączamy nasz moduł Raspberry Pi do Internetu, sposób konfiguracji będzie inny. Po podłączeniu do sieci musimy zaktualizować wszystkie komponenty systemu. W tym celu należy uruchomić terminal i po kolei wpisać komendy:

Instalacja potrzebnego oprogramowania

Po skonfigurowaniu komputera możemy przystąpić do instalacji potrzebnego oprogramowania. W pierwszej kolejności musimy zainstalować bibliotekę Qt wraz z zestawem narzędzi deweloperskich do tworzenia graficznego interfejsu użytkownika. Aby zainstalować pakiet narzędzi deweloperskich, w terminalu wpisujemy komendę:

LeptonThread.cpp znajdziemy także odwołanie do funkcji lepton_perform_ffc(). Służy ona do uruchomienia funkcji FFC - rekalibracji sensora, mającej na celu poprawienie jednorodności jego pracy. FFC uruchamiać należy w momencie, gdy obraz, jaki widzimy, przypomina środkowy lub prawy obraz, pokazany na rysunku 6. Implementacja funkcji lepton_perform_ffc() znajduje się w pliku Lepton_I2C.cpp, który pokazany jest na listingu 3. Funkcja lepton_perform_ffc() uruchamia jedynie połączenie z kamerą Lepton (poprzez interfejs I2C) i wykorzystuje funkcję z SDK, które dostarcza FLIR, wraz z samą kamerą. W pliku Lepton_I2C.cpp oraz Lepton_I2C.h zaimplementować można oczywiście i inne funkcje, jakie dostępne są w SDK.

Podsumowanie

W powyższym artykule przedstawiliśmy ciekawy projekt amatorskiej kamery termowizyjnej, opartej na sensorze FLIR Lepton. Sensor ten nie jest tanim elementem - w zależności od wersji i tego, czy jest zainstalowany na gotowej płytce PCB, kosztuje od kilkuset, do nawet 1,5 tysiąca złotych - to i tak jest o wiele tańsze rozwiązanie, niż dedykowana kamera termowizyjna. Dodatkowo, dzięki standardowym interfejsom - SPI oraz I2C - moduł ten z łatwością może zostać podłączony do dowolnego mikrokontrolera, płytki rozwojowej czy komputera jednopłytkowego. Ogromna elastyczność modułu i łatwość jego oprogramowania, dzięki dedykowanemu SDK, jest jego ogromną zaletą.

Nikodem Czechowski

Źródła:

 

  • http://bit.ly/2YIg7FN
  • http://bit.ly/32gyrIg

 

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
sierpień 2019
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów