Diesen Sonnabend sind wir nicht zu KiCAD gekommen. Wir haben sehr spannende Ideen gesammelt für die Vogelhaus-Kamera und die Steuerung der Selbstausrichtenden-Solarzellen.

Vogelhaus-Webcam bzw. Hasenhotel

Im letzten Jahr haben unsere Naturforscher ein Vogelhaus mit einer Überwachungskamera ausgestattet. Diese hat im Frühling wirklich interessante Bilder und Videos von einer Staren-Familie im Meisen-Haus geliefert. Leider hatten die Bilder wenig Farbe und die Kamera brauchte Kabel für Strom und Videosignal. Deswegen wollen wir eine WLAN-Vogelhauskamera mit Solarzelle bauen. Big Brother is Watching You Nachhaltig.

Zu spät für diese Saison ?

Dieses Jahr werden wir mit unserer neuen WLAN-Webcam wahrscheinlich zu spät für die Vogelhäuser sein. Die Stare und Meisen sind schon fleißig auf der Suche nach Brutstätten. Aber wir können ja unser Hasenhotel mit einer Kamera ausstatten. Das ist auch einfacher zu testen und zu reparieren. Im kommenden Jahr haben wir so hoffentlich eine erprobte Kamera für ein Vogelhaus.

Für das Hasenhotel brauchen wir eine Weitwinkel-Kamera auf Augenhöhe mit den Hasen. Vielleicht in der Nähe von der Futterstelle. Die Kamera wäre gut in der Nähe der Tür, weil die Hasen dort gerne in der Sonne sitzen. Eine Nachtsicht-Funktion wird wahrscheinlich nicht gebraucht, weil die Hasen in der Nacht auch schlafen, oder?

Ein Mikrofon sollten wir dort nicht einbauen, weil Hasen nicht „bellen“. Die Wahrscheinlichkeit, dass wir damit Gespräche mithören könnten ist zu groß. Im Vogelhaus wäre ein Mikrofon interessant. Und das Haus ist auch weiter weg von sprechenden Leuten.

Technischer Aufbau

Im Frühjahr 2020 haben wir trotz Corona etwas an WLAN-Kameras mit dem ESP32 Kameramodul experimentieren können. Leider war die Bildqualität nicht überzeugend und die Reichweite des WLANs für uns zu gering. Der Ansatz bleibt aber spannend für die Zukunft, weil es etwas Energiesparsammer, Preisgünstiger und Kompakter sein könnte.

Stattdessen probieren wir es dieses Jahr mit einem Raspberry Pi Zero W. Dies ist ein sehr kleiner Computer mit 1GHz Prozessor, 512MB Arbeitsspeicher, WLAN, USB, Kameraanschluss und weiteren Anschlüssen. Der Stromverbrauch soll bei ca. 120mA bei 5V liegen. Es gibt viele gute erprobte Kameramodule für diese Boards, zum Beispiel mit Nachtsichtfunktion (also ohne Nah-Infrarot-Filter), Infrarot-Scheinwerfer, Weitwinkel-Objektiv und vieles mehr.

Als Stromversorgung benutzen wir eine Lithium-Ion Zelle in Kombination mit einem Laderegler, Spannungswandler und einer Solarzelle. Wir müssen noch ausprobieren, ob die Lithium-Batterie und Solarzelle genügend Kapazität hat oder wir größere brauchen. Die Kamera muss ja nicht immer aktiv sein. Dies wird durch ein- und ausschalten des Raspberry erreicht. Zu diesem Zweck benutzen wir ein Erweiterungsboard, dass den Raspberry Pi zeitbasiert einschalten und ausschalten kann.

Die Kamera wird direkt an den Raspberry Pi angeschlossen. Die aufgenommenen Bilder sollen über WLAN direkt zum Server oder einem weiteren Raspberry Pi mit Bildschirm übertragen werden. Erst dort werden die Daten angezeigt, gespeichert und komprimiert. Für die Übertragung können wir die integrierte WLAN-Antenne benutzen, eine Richt-Antenne einbauen, oder einen USB-WLAN-Stick anschließen.

Positionierung der Kamera

Die Kamera und der Raspberry Pi sind zusammen am Boden in einer wasserdichten Kiste. Die Kiste braucht eine Glasscheibe für die Kamera. Es wird eine Belüftung gegen Kondenswasser und Abwärme gebraucht, aber so dass die Kiste bei Wasserschaden nicht absäuft. Die Batterie und den Laderegler können wir auch in diese Kiste machen.

Aber die Solarzelle und die WLAN-Antenne müssen aufs Dach. Für die Solarzelle genügt es, zwei Drähte vom Dach nach unten zu führen. Aber lange WLAN-Antennenkabel sind nicht gut, weil wir zu große Energieverluste in dem Kabel hätten, also weniger Reichweite. Wir probieren es erstmal mit der integrierten Antenne des Raspberry Pi Zero.

Wenn die integrierte Antenne nicht reicht, dann ein USB-Kabel und ein WLAN USB-Stick in wasserdichter Plastikkiste auf dem Dach. Diese Kiste sollte nicht durchsichtig sein, aber UV-Beständigkeit ist wichtig. Der WLAN-Stick muss von dem Linux auf dem Raspberry Pi unterstützt werden. Den Stromverbrauch des WiFi müssen wir dann auch untersuchen.

Vom Boden zum Dach brauchen wir einen „Kabelkanal“ aus Holz, damit die Hasen nicht an der Plastik knabbern.

Selbstausrichtende Solarpanele

Wir betrachten im Moment ein Solarpanel das wir in einer Richtung kippen kann. Aber nicht drehen. Ziel ist es, die Panele so auszurichten, dass sie die maximale Leistung liefert.

Ausrichtung basierend aus Sonnenstand

Aus Datum, Uhrzeit und Standort kann man die Richtung und Höhe der Sonne überm Horizont ausrechnen. Das wollen wir auch probieren. Allerdings wissen wir damit nicht, wie die Bewölkung ist und ob eventuell durch die Wolken gerade eine andere Ausrichtung besser wäre. Und wenn das Wetter so schlecht ist, dass die Ausrichtung der Solarzelle völlig egal ist, würden wir das mit Lichtsensoren direkt vor Ort feststellen können.

Ausrichtung basierend auf Beleuchtungsrichtung

Eine Idee ist, lichtempfindliche Sensoren wie Photowiderstände oder Photodioden zu benutzen. Das funktioniert, falls der Sensor empfindler ist wenn das Licht von vorne statt schräg von der Seite auf die Sensorfläche fällt. In den Datenblättern der Photowiderstände haben wir leider keine Angaben zu der Richtungsempfindlichkeit gefunden. Bei den Photodioden gibt es die Wahl zwischen verschiedenen Öffnungswinkeln, z.B. 40° versus 110°. Wir vermuten, dass Photodioden mit kleinem Öffnungswinkel besser für unseren Zwecken funktionieren. Zum Beispiel SFH 203 Silizium-PIN-Fotodiode, 400…1100nm, 40°, 5 mm.

Ein Lichtsensor mit großen Öffnungswinkel wäre geeignet um herauszufinden, ob überhaupt Sonner scheint oder es zu stark bewölkt ist. Durch den großen Öffnungswinkel ist der Sensor nicht von der Ausrichtung und aktuellen Sonnenrichtung abhängig. Braucht also nicht mit den Solarzellen mit gedreht werden. Zum Beispiel SFH 203 P Silizium-PIN-Fotodiode, 400…1100nm, 150°, 5 mm.

Wenn man zwei Lichtsensoren verwendet, würden wir diese ein paar Grad nach links und rechts von der Richtung der Solarpanele ausrichten. Die Sensoren drehen sich mit der Solarzelle mit. Wenn einer der Sensoren mehr Helligkeit sieht als der andere, dann drehen wir die Solarzelle in diese Richtung, bis der Unterschied zwischen beiden Sensoren klein ist.

Mit drei Lichtsensoren würde der mittlere Sensor in die Richtung der Solarzelle schauen. Dann drehen wir die Solarzelle so weit, dass der mittlere Sensor das stärkste Signal sieht.

In der Erprobungssphase könnte es sinnvoll sein, ab und zu den gesamten Kippbereich abzufahren und die Werte der Solarzelle und der Sensoren aufzuzeichnen. Das braucht zwar mehr Energie für den Motor, aber wir können dann die Messwerte unserer Sensoren mit der tatsächlichen Leistung der Solarzelle vergleichen.

Wind und Sturm

Wir brauchen einen einfachen Windmesser. Wenn der Wind zu stark ist, sollen die Solarpanele sich flach stellen, um weniger Windwiderstand zu bieten.

Batterien intelligent mit Solarenergie laden

Um Batterien mit der Solarzelle zu laden wird eine Leistungsanpassung aka Maximum Power Point Tracking benötigt. Denn die Solarzelle liefert maximale Energie nicht, wenn wir einfach nur so viel Strom wie möglich aus ihr herausziehen. Eine einfache Ladereglung der Batterien würde den Ladestrom nur abhängig vom Batteriezustand wählen. Das sollte aber auch von der aktuellen Beleuchtung der Solarzelle abhängen.

Titelbild von Benjamin Nelan via Pixabay.


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