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Durch den neuen Raspberry Pi 5 wurde es möglich gleich 2 Webcams an einem Raspberry zu betreiben. Begeistert von dieser Möglichkeit, habe ich mir den neuen Raspberry Pi 5 kommen lassen. Da die alten Kameramodule der bisherigen Webcam nicht sonderlich lichtempfindlich waren, habe ich auch nach neuen Kameramodulen geschaut, welche größere Pixel haben und damit mehr Licht einfangen können. Fündig wurde ich bei einem Kameramodul der Marke Waveshare mit dem Sony IMX290 Bildsensor, welches zudem einen schwenkbaren Infrarotfilter besitzt. Dieser kann bei Bedarf in den Lichtweg geschwenkt werden, so das farblich korrekte Bilder am Tag aufgenommen werden. Nachts kann er raus geschwenkt werden, so das astronomische Objekte am Himmel besser sichtbar werden. Der IMX290 Bildsensor hat Pixel mit 2,9um x 2,9um Kantenlänge und damit eine deutlich höhrere Lichtempfindlichkeit als die meisten anderen Kameramodule für den Raspberry Pi. Daher kann der Bildsensor deutlich mehr Licht einfangen und astronomische Objekte kommen bei nächtlichen Langzeitbelichtungen viel besser zur Geltung. Der IMX290 wird sogar in einigen, niedrigpreisigen Astrokameras verwendet.
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Um Störeinstrahlungen anderer Komponenten zu verhindern, habe ich die Flachbandleitungen zu den Kameras mit Alu-Klebeband umklebt. Auf diesem Bild sind zudem auch die beiden GPIO-Leitungen zu sehen, welche das Schwenken des Infrarotfilters steuern.
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Derartige Störeinstrahlungen wurden im Testbetrieb als linienartige Bildstörungen bei Langzeitaufnahmen sichtbar. In den Zeitraffervideos sah dies alles andere als schön aus. Auch reduzierte diese Bildstörung Details, so das gerade vom Sternenhimmel deutlich weniger zu sehen war. Seit dem ich die Flachbandleitungen zu den Kameramodulen mit Alu-Klebeband beklebt habe, sind derartige Bildstörungen nahezu komplett verschwunden.
Da ich mittlerweile über einen 3d-Drucker verfüge und auch schon einige Erfahrungen in 3d-Konstruktionen am Computer besitze, lag es nahe, das Gehäuse selbst zu entwerfen und mit einem witterungs- und UV-beständigem Material zu drucken. Von der alten Webcam habe ich mir die 30° Neigungswinkel abgenommen und dies auf das neue Gehäuse übertragen. Heraus gekommen ist eine Art Spitzdach, bei welchem die Giebelseiten 30° Neigung haben und die Kameramodule aufnehmen. Zudem wurden Bohrungen für die Kameraobjektive hinzugefügt. Letztlich wurde es in meinem 3D-Drucker mit PETG (besonders witterungs- und UV-beständiges Material) gedruckt. Die Möglichkeit das Gehäuse selbst zu entwerfen und auszudrucken eröffnete mir völlig neue Möglichkeiten, da ich nicht auf handelsübliche Standardware zurück greifen musste. Das Gehäuse besteht aus 2 Teilen. Einem Kasten mit Kabeldurchführung und dem Deckel mit 2 Kameraeinheiten. Um die 1,7mm Weitwinkelobjektive der Kameramodule vor Wind und Wetter zu schützen wurden mit Silikon Uhrengläser mit 45mm Druchmesser aufgeklebt. Um jegliches Eindringen von Nässe und Feuchtigkeit zu verhindern, wurde das Gehäuse zudem mit 2 Schichten Klarlack aus der Sprühdose lackiert.
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Direkt neben der doppelten Wetterkamera ist auf diesem Bild auch die erneuerte AllSky-Kamera zu sehen. Diese hat ebenfalls ein Waveshare IMX290 Kameramodul mit schwenkbaren IR-Filter und ein neues 1,35mm M12 Weitwinkelobjetiv erhalten. Dieses 1,35mm Objektiv hat nun einen derart starken Fischaugeneffekt, dass der gesamte Himmel bis runter zum Horizont abgebildet wird. Diese Kamera hat vor allem die Aufgabe astronomische Objekte und Meteore aufzuzeichnen. Zudem habe ich hier nun auf eine fertige Software zurück gegriffen, welche ein wenig mehr kann, als meine selbst geschriebenen Webcam-Programme.
Um den Raspberry Pi 5 betreiben zu können, bedarf es noch weiterer Hardware. So wurden noch eine aktive Lüfterkühlung, eine M.2 NVMe SSD sowie ein POE+SSD-Modul beschafft. Das POE+SSD-Modul beinhaltet gleich beides. Nicht nur nimmt es die SSD-Festplatte auf und ermöglicht es dem Raspberry mit diesem besonders flinken und stromsparenden Speichermedium zu arbeiten, auch bietet es die Möglichkeit den Raspberry über das Netzwerkkabel mit Strom zu versorgen. Hierfür bedarf es allerdings einer Stromeinspeisung in das Netzwerkkabel, was bei mir durch einen POE-Switch erfolgt. Dadurch bedarf es nur noch eines einzigen Kabels, dem Netzwerkkabel.
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Wie so oft, gab es auch hier einige Startschwierigkeiten. Immer wieder hat sich der Raspberry aufgehangen, hat keine Bilder aufgenommen und war zum Teil nicht mehr erreichbar. Besonders dramatisch war es, als durch einen Schreib-Lesefehler das System beschädigt wurde. Der Raspberry startete normal und schien auch wie gewohnt zu funktionieren. Aber er führte keine Hintergrundscripte mehr aus, welche meine über die Jahre entwickelte, selbst geschriebene Kamerasoftware verwendet um Zeitrafferaufnahmen zu erstellen und auf die Homepage hochzuladen. Daher musste der gesamte Raspberry noch einmal neu aufgesetzt werden. Glücklicher Weise ließen sich die Programme in ihrer aktuellen Fassung, sowie wichtige System- und Konfigurationsdateien sichern, so das der Raspberry nach dem Neuaufsetzen schnell wie gewünscht konfiguriert und startklar gemacht werden konnte. Die Ursache all dieser Aussetzer und Probleme offenbarte sich dann auch nach und nach. Der neuen Raspberry Pi 5 lief einfach zu schnell. So hatte ich den PCIe Gen3 Support, sowie den Turbo-Modus des Raspberry aktiviert. Der PCIe Gen3 Support ist vom Hersteller des Raspberry als experimentell deklariert, sorgt aber gegenüber dem PCIe Gen2 für eine doppelt so hohe Schreib- Leserate. Die SSD-Festplatte läuft mit Gen3 doppelt so schnell wie mit Gen2. Bei den meisten funktioniert er problemlos. Diesen habe ich nach all den Schwierigkeiten und Problemen deaktiviert, so dass die M.2 SSD jetzt im PCIe Gen 2 Modus läuft. Auch der Turbomodus, welcher den Raspberry dazu zwingt mit maximaler Geschwindigkeit zu laufen, habe ich wieder deaktiviert. Seit dem läuft der Raspberry zuverlässig. Offenbar läuft der Raspberry mit diesen beiden EInstellungen so schnell, dass es immer wieder zu Datenübertragungsfehlern zwischen SSD-Festplatte und dem Raspberry kommt. Daher läuft er jetzt lieber etwas langsamer, dafür aber stabil und zuverlässig. Zur Sicherheit wurde noch ein "Watchdog" Hintergrundprozess aktiviert. Dieser "Watchdog" ist ein kleiner Hardwareteil auf dem Raspberry, welcher von der restlichen Hardware unabhängig läuft. Stellt dieser fest, dass der Raspberry hängt, wird der Raspberry automatisch neu gestartet. Somit sollte es zukünftig keine Probleme mit dem Raspberry und der doppelten Wetterkamera mehr geben.
Gespannt bin ich auf die Nachtaufnahmen in der dunklen Jahreszeit. Jetzt zu Zeiten des Sonnenhöchststandes geht die Sonne nicht weit genug unter, um den Himmel so dunkel werden zu lassen, dass viele astronomische Details sichtbar werden:
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Die Software zu den Kameramodulen steuert die Belichtungszeit in der Nacht in Abhängigkeit zum Sonnenstand. Je tiefer die Sonne unter dem Horizont steht, desto länger wird die Belichtungszeit. Es war nicht ganz einfach eine Formel zu finden, welche die Belichtungszeit genau so steuert, dass es in der Dämmerung nicht zu gravierenden Überbelichtungen kommt. Inzwischen klappt das aber ganz gut. Bei einem Sonnenstand von -6° wird zwischen automatischer Belichtung und softwareseitig berechneter Belichtungszeit umgeschaltet. Zu erkennen ist dies daran, dass der Balken auf welchem die Wetterdaten stehen, sein Farbe ändert. Tagsüber, wenn die automatische Belichtung aktiv ist, hat dieser Balken eine blaue Farbe. Nachts, wenn die softwareberechnete Belichtungszeit genutzt wird, ist dieser Balken schwarz. Bei dieser Umschaltung wird auch der Infrarotfilter im Kameramodul geschwenkt, so das bis -6° Sonnenstand, der Infrarotfilter für farblich korrekte Tageslichtaufnahmen sorgt. Auch der Grünstich in den Nachtaufnahmen konnte inzwischen durch eine manuelle Farbkorrektur behoben werden. Die Nachtaufnahmen sehen nun viel natürlicher aus. Da nachts der Infrarotfilter aus dem Lichtweg raus geschwenkt ist, haben die Nachtaufnahmen einen leichten Rotstich.
Der große Vorteil dieser neuen Doppelkamera ist es, dass sowohl auf- als auch abziehendes Wettergeschehen aufgezeichnet wird. Dadurch und durch die Weitwinkeloptik beider Kameramodule entgeht der Wetterstation nun kaum noch etwas in Sachen Wetter. Ob aufziehendes Gewitter mit Kilometer hohem Wolkenturm, ein abziehender Schauer mit schicken Regenbogen, oder im Winter aus Ost aufziehende Schneeschauer, es wird alles aufgezeichnet. Zudem werden am Tage jetzt alle 10 Sekunden Bilder aufgenommen und auf die Homepage hochgeladen. Die Webseite wurde entsprechend geändert, so dass die Webcambilder alle 10 Sekunden aktualisiert werden. In der Nacht werden alle 30 Sekunden Bilder aufgenommen. Dadurch ergeben sich deutlich mehr Details, welche in den Videos festgehalten werden. Möglich wird dies durch die hohe Lichtempfindlichkeit der IMX290 Bildsensoren. Am Tage, als auch Nachts hat sich die Menge an Bildmaterial dadurch verdoppelt. Das alte Kameramodul hat Nachts stets im Minuteninterval und am Tage alle 20 Sekunden aufgezeichnet.
Das wäre soweit alles, was es zur neuen Doppelkamera zu berichten gibt. Ich hoffe sie läuft lange und zuverlässig und beschert viele schöne Wetter- und Astroaufnahmen wie diese:
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