Webcam-Projekt der
MFG Niederdorfelden e. V.
Klaus Sauerteig und Shintaro Fujita
Die Idee und der Wunsch nach einer vereinseigenen Webcam entstand nach unserem erfolgreichen Flugplatzumzug im Jahr 2014. Bei der Internet-Recherche fand ich etliche Lösungsansätze. Da unser Modellfluggelände keine Infrastruktur wie Strom, Telefon oder Internet hat, bleibt nur eine solarbetriebene Webcam.
Fertige Webcams mit Internetfunktionalität gibt es mittlerweile im Handel, sogenannte IP-Kameras. Möchte man diese IP-Kameras auch noch für Outdoor und mit Solarstromversorgung, findet man kaum etwas Passendes für wenig Geld. Auch ist man mit fertigen IP-Kameras auf die Software angewiesen, die mit dem Gerät ausgeliefert wird und in dieses integriert ist. Deshalb entschieden wir uns für einen anderen Weg, um an die gewünschten Kamerabilder vom Modellfluggelände zu kommen.
1. Überlegungen zur Stromversorgung
Zur Auslegung einer Solaranlage gibt es ganze Abhandlungen. Für uns schwer durchschaubar ist zunächst der Leistungshunger unserer Technik. Es gibt tatsächlich Messgeräte, die in die Stromversorgung eingeschleift werden und dann zuverlässig Auskunft geben. Weiterhin gibt es für einige wenige Komponenten im Netz Angaben, wie viel sie verbrauchen. Faktoren für die Effizienz der Solaranlage sind der Neigungswinkel des Solarpanels, die Himmelsrichtung und die Energiespeicherung, um nur einige zu nennen. Alles das zusammen ergibt mehr Unbekannte in der Gleichung als uns lieb ist. Daher haben wir uns kurzerhand für eine mittelgroße Solarzelle mit nicht allzu großen Pufferbatterien entschieden, wohlwissend, dass es Versorgungsengpässe geben kann.
Unsere Solaranlage – auch Photovoltaikanlage genannt – besteht aus einem monokristallinen 30 Watt Solarpanel, das über einen Solarregler zwei 7,5 Ah-Puffer–Bleigelbatterien auflädt und einem
wetterfestem Rahmen aus Edelstahl an der Südwand.
Die beiden Batterien sind parallel geschaltet und fungieren wie eine Einzelbatterie. Das Solarmodul ist exakt nach Süden ausgerichtet und mit einer Neigung von etwa 55° von der Waagerechten installiert. Für Deutschland gilt die Empfehlung, für den höchsten Stromertrag das liegende Solarpanel ungefähr 30° zu kippen. Für den besten Energieertrag über das Jahr gesehen wird ein Neigungswinkel von 55° empfohlen. Ich habe mich für die zweite Variante entschieden. Unsere Bleigelbatterien waren kostenlos und stammen aus einer Notstromversorgung. Sie haben noch genug Restkapazität ( > 80%) für unsere Anwendung.
Bei den Bleibatterien für Solaranlagen muss man Folgendes beachten. Es gibt die uns bekannten Starterbatterien für PKWs. Wie der Name schon sagt, sind die ‚Autobatterien‘ für den kurzen aber heftigen Startvorgang ausgelegt. Sie sind nur beschränkt zyklenfest – komplette Entladungen verkürzen die Lebensdauer drastisch. Der Elektrolyt ist in der Regel flüssige Säure und die Lade(schluss)spannung darf nicht mehr als 13,8 V betragen. Liegt sie doch darüber, zersetzt sich die Säure in Knallgas (Wasserstoff+Sauerstoff). Man kann diesen Verlust bei Batterien mit Öffnungen durch Auffüllen mit destilliertem Wasser ausgleichen.
Batterien aus einer Notstromversorgung
Die Empfehlung für Photovoltaikanlagen sind die geschlossenen Bleigelakkus. Hier ist die flüssige Säure gebunden. Außerdem liegt die Zyklenfestigkeit bei über 1000 und sie sind langlebiger und auch tiefentladefester. Die Lade(schluss)spannung liegt etwas höher, etwa bei 14,4 V.
Handelsübliche Kleinsolarregler kümmern sich um die Ladung der Batterien. Einfache, preiswerte Varianten messen die Batteriespannung und vergleichen sie mit der Herstellervorgabe. Erreicht die Batterie die obere Grenze (auch Ladeschlussspannung genannt), wird die Verbindung zur Solarzelle elektronisch getrennt. Beim Unterschreiten der Batteriespannung wird die Solarzelle wieder zugeschaltet. Die Ladung erfolgt also getaktet. Bei unserer Minimallösung erübrigt sich eine Kühlung des Ladereglers.
preiswerter Solarregler 2x8A max.
Die Schaltschwellen unseres Reglers liegen bei ca. 14,2 V/DC (± 5%) nach oben und in etwa bei < 12,9 V/DC (± 5%) nach unten. Damit erklärt sich unsere Wahl für Bleigelakkus. Wer ebenfalls eine preiswerte Solaranlage plant, sollte als mögliche Bezugsquelle für die Bleibatterien auch gebrauchte Batterien aus Rollstühlen erwägen. Diese Batterien sind genau der richtige Typ und werden auch frühzeitig ausgetauscht, um nicht das Risiko des ‚Liegenbleibens‘ einzugehen.
Rustikale Profiverdrahtung
2. Die Technik der Webcam
Für die Steuerung und das Management wurde ein Raspberry Pi B+Computer gewählt. Nur scheckkartengroß ist dies ein später Nachfolger der legendären Homecomputer wie Apple2 oder Commodore C64. Vorteil des Raspberry Pi ist die einfache Stromversorgung mit nur einer USB-Spannung von 5 V.
Raspberry Pi B+ mit Dualcore CPU, 512 MB RAM, 4xUSB2.0
Ein Raspberry Pi, kurz Raspi, läuft mit einem Betriebssystem namens Raspbian, das ein Linux-Klone ist. Der Linux-Kern ist unter der GPL (General Public Licence) lizensiert und lizenzkostenfrei. Gerade deshalb sind quasi alle Raspi-Programme frei am Markt erhältlich. Ein Raspi hat einen ARM Cortex-A-Prozessor, der weitverbreitet ist und oft in Smartphones eingesetzt wird. Dies ist der Grund, weshalb man bei der Betriebssystem- und somit auch der Softwarewahl flexibel ist. Microsoft hat angekündigt, dass ein Raspi basierend auf der ARM-Architektur kompatibel mit Windows 10 sein wird.
Die Rechenarbeit zur Auslösung der Kamera in wählbaren Intervallen und die Weiterverarbeitung erledigt unser kleiner Rechenknecht perfekt. Per Cronjob, einem zeitgesteuertem Script, erfolgt jeden Abend ein Shutdown des Betriebssystems und kurz danach die Abschaltung der Stromversorgung per Schaltuhr.
5 MP Kameramodul mit Standardlinse
Die eigentliche Kamera ist ein Kameramodul, das extra für den Raspi entwickelt wurde und 5 MP Auflösung hat. Dieses Modul ist etwa briefmarkengroß und hat als Standard eine winzige Fixfokuslinse. So eine Linse lässt sich nicht justieren und bildet alles im vorgegebenen Bereich scharf ab.
Aus der Restekiste: Verbrennermotorträger als Objektivhalter
Mir war das Blickfeld zu eng. Deshalb habe dieses Objektiv entfernt und durch ein zoombares, weitwinkligeres ersetzt. Dieses Modul wird über eine 15-polige serielle MIPI-Kameraschnittstelle (CSI), die onboard auf dem Raspi sitzt, angesteuert. Ebenso könnte man an die USB 2.0 Buchsen des Raspi jede handelsübliche USB-Kamera anschließen. Das Betriebssystem eines Raspi unterstützt jede handelsübliche Hardware durch eine (Linux)Treiberdatenbank, die kaum Wünsche offen lässt.
Die Versorgungsspannung für den Raspi liefert ein Stepdown-Wandler, der die 12 V Batteriespannung auf 5 V USB-Spannung wandelt. Der Stepdown-Wandler ist die einzige Möglichkeit, quasi ohne hohe Leistungsverluste die überzähligen Volts zu eliminieren. Ich wählte hier einen gängigen Wandler, der gerne für Arduino-Programmierboards eingesetzt wird.
Preiswerter Spannungswandler (max. 3 A) mit hohem Wirkungsgrad
Sein Wirkungsgrad ist mit maximal 96% recht ordentlich und schont unseren kostbaren Solarstrom. Unser Raspi B+ verbraucht im sogenannten Headlessbetrieb (ohne Maus, Tastatur und HDMI-Monitor) aber mit WLAN-Adapter in Nanobauweise im Leerlauf rund 300 mA, was etwa 1,5 W entspricht. Der WLAN-Adapter wurde nach Einrichtung der Software wieder entfernt, wodurch wir etwa100 mA einsparen.
Der bestückte Einschub fürs Outdoor-Gehäuse
Wetterfest verpackt findet die komplette Einheit ihren Platz in einem Outdoor-Kameragehäuse.
Wasserfestes Kamera Leergehäuse
Wir arbeiten mit einer einzigen 12 V Spannungseinführung ins Gehäuse. Die Spannung wird im Outdoorgehäuse gewandelt. Um Problemen mit Feuchtigkeit durch Kondensation vorzubeugen, wird das Outdoorgehäuse mit etwas Trockenmittel versehen. Platz für die kleinen Beutelchen ist genug da.
Trockenmittel findet man z. B. in Schuhkartons
Solaranlage und Kamera können räumlich voneinander getrennt werden. Zur Verbindung sollte ein Kabel mit genügendem Querschnitt gewählt werden, um einem Spannungsverlust vorzubeugen. Unsere Leitungslänge beträgt um die 5 m und hat ein Kabelquerschnitt von 1,5 mm2 . Die Leitungen, die im Freien verlegt werden, sollten UV-stabil sein, z. B. eine Silikonschlauchleitung.
3. UMTS Datenversand und Software
Da, wo ein Mobiltelefon Empfang hat, kann unsere Webcam eine Internetverbindung aufbauen. Realisiert wird dies durch einen handelsüblichen USB-Surfstick in einer routerlosen Konfiguration.
Surfstick und Stepdown-Wandler
Der Surfstick baut via UMTS eine Internetverbindung auf. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) ist ein Mobilfunkstandard der dritten Generation (3G). Zusätzlich braucht man einen Mobilfunkprovider, der eine Internet-Flatrate anbietet. Es gibt vereinzelt leistungsschwache Gratisangebote, die durch Werbe-SMS finanziert werden. Unsere Flatrate läuft zur Zeit noch über eine Zweitkarte eines Vereinsmitgliedes und ist somit ‚kostenlos‘. Auf längere Sicht werden wir für eine preiswerte Flatrate etwas Geld sammeln. Die gibt es für weniger als 10 Euro im Monat. Ausreichend ist eine reine Internet-Flatrate ohne Telefonie und SMS. Unser Raspi ist nach einem Ausfall der Versorgungsspannung selbststartend. Er initialisiert selbstständig per PIN Eingabe die SIM-Karte im Surfstick. Die PIN-Abfrage der SIM-Karte könnte man jedoch auch ganz abschalten, wenn man die SIM-Karte in ein Handy einlegt und dort in den Einstellungen die PIN-Abfrage deaktiviert.
Es folgen die Skripte und Einstellungen am Raspi:
Abb.1 Zur Umschaltung des Surfsticks in den Modembetrieb werden die rot hinterlegten Werte benötigt. In unserer Konfiguration vom Hersteller ZTE:
usb_modeswitch.conf
Abb.2 wvdial ist ein Linux-Kommando und installiert die Modemkonfiguration entsprechend der folgenden Konfigurationsdatei:
Abb.3 Skript zur Bilderzeugung, Dateinamenaufbereitung und FTP Übertragung:
Abb. 4 Skript mit dem Befehl zum Modembetrieb:
Abb.5 PHP Skript auf der Serverseite zur Auswertung und Anzeige der Webcamdateien (Auszug)
Abb.5: mfg_cam_image.php
Eine Hürde war die Umschaltung des Surfsticks unter Raspbian auf Modembetrieb. Normale Surfsticks arbeiten üblicherweise im Dualmode, als Datenspeicher mit eingelegter Memorycard oder im USB-Modembetrieb. Wir brauchen den zweiten Betriebszustand, um die Bilddaten per FTP-Client an den Webspace unserer Vereinshomepage abzuschicken. Ein FTP- (File Transfer Protocol) Client ist ein Programm, das Dateien an einen FTP-Server übertragen kann. Unsere Vereinswebseite fungiert hier als FTP-Server und speichert die Bilddaten in einem Zielverzeichnis. Ein PHP-Skript sorgt dafür, das Bild mit dem aktuellsten Datum aus dem Verzeichnis der Webcambilder auszuwählen und anzuzeigen. Die vorher angesprochenen Cronjobs werden beim Raspi in der Cronjobtabelle verwaltet. Dort hinterlegen wir den allabendlichen Stop zur Nachtzeit.
Abb.6 Der automatische Shutdown erfolgt um 21:25 Uhr. In der Crontabelle stehen die Minuten zuerst:
Das definierte Herunterfahren verhindert den Datenverlust, der beim Raspi möglich wäre. Auf das Nötigste reduziert, hat ein Raspi keinen Ein-/Ausschalter. Ausschalten durch das Wegnehmen der Versorgungsspannung ist denkbar, aber erst nach dem Herunterfahren. Unserer Meinung nach hat der Tageszyklus mit einer Nachtpause den Vorteil, dass es keine Langzeiteffekte durch eine ununterbrochene Betriebszeit geben kann.
preiswerte 12V Schaltuhr
Die Schaltung der Webcam steuern wir mit einer einfachen programmierbaren 12 V-Schaltuhr, die es für wenig Geld bei Ebay gibt. Wir können etwa neun Betriebsstunden pro Tag Solarstromversorgung einsparen. Dies ist sicherlich auch für die lichtarme Jahreszeit interessant.
Der Raspi hat aufgrund seiner Kompaktheit als Festspeicher nur eine eingelegte Micro-SD-Speicherkarte. Sie enthält neben dem Betriebssystem auch Verzeichnisse, die durch das Raspian ständig neu geschrieben werden, wie z. B. Logdateien etc. Aufgrund der verwendeten Speichertechnik ist ein Flashspeicher grundsätzlich nicht unbegrenzt oft beschreibbar. Man geht nach dem heutigen Stand der Technik von schätzungsweise 100.000 – 1.000.000 Schreibzugriffen aus. Was können wir also tun, um die Lebensdauer der Micro-SD-Karte zu erhöhen? Denkbar ist der Einsatz einer RAM-Disk. Dabei wird vom Arbeitsspeicher, der beim Raspi B+ 512 MB groß ist, ein Teil reserviert und die Schreibvorgänge, die eigentlich für die SD-Karte bestimmt sind, dorthin umgeleitet.
Wir können uns andererseits mit einem temporären Filesystem helfen.
Abb.7 Das systemweite, temporäre Dateisystem unter /tmp wird folgendermaßen geändert:
Zum Datenvolumen soviel: Jedes Einzelbild unseres Fluggeländes hat eine Größe von 640 x 480 P. Die Dateigröße hängt vom Detailreichtum des jeweiligen Bildes ab und bewegt sich zwischen 40-90 KB. Ein typischer Tag mit Aufnahmen von 6:00 – 21:30 Uhr alle 10 Minuten ergibt 93 Aufnahmen und hat ein Tagesgesamtvolumen von 6,6 MB. Für einen Monat mit 30 Tagen muss die erforderliche (=kostenpflichtige) Flatrate etwa 198 MB Bilddaten verkraften. Dazu kommt noch eine gewisse Datenmenge für das Handshake, das durch die Datenübertragung verursacht wird und u. a. eine Fehlerkorrektur ermöglicht. Eine raschere Taktung oder die nächste Qualitätsstufe mit 800 x 600 P wird die erforderliche Flatrate rasch ansteigen lassen.
Optional kann man am Raspi die GUI (grafische Oberfläche) abschalten. Damit sparen wir Arbeitsspeicher. Außerdem ist das Tool zur Hotkeyrealisierung überflüssig, da wir keine Tastatur am Raspi betreiben.
Abb.8 LightDM ist der DisplayManager und TriggerHappy das Tool für Keyboard Hotkeys:
Der eingesparte RAM beläuft sich auf 25 MB. Die im Dauerbetrieb gemessene CPU-Last beträgt exakt 5%.
Während der Installation auf dem Fluggelände haben wir festgestellt, dass es komfortabel ist, den Raspi per WLAN und SSH zu konfigurieren. Jedoch verbraucht auch ein WLAN-Adapter im Leerlauf Solarstrom. Wir haben uns folgende Lösung überlegt: Eine USB-Buchse des Raspi verlängern wir mit einem USB-Kabel bis in unseren Gerätewagen, an dem der Kameramast angeschraubt ist. Das USB-Kabel wird mit einem Schutzmantel UV-sicher installiert. Bei Bedarf haben wir auch in Zukunft eine Komunikationsmöglichkeit mit dem Raspi, indem wir den WLAN-Adapter ans USB-Kabel anstecken. So müssen wir nun nicht mehr jedesmal am Kameramast hochklettern und das Outdoorgehäuse aufschrauben.
Abb.9 Ein WLAN-Accesspoint am Raspi wird mit dem Paket ‚hostapd‘ realisiert. Unsere Konfigurationsdatei sieht wie folgt aus:
Letzter Feinschliff an der Webcamanlage
nur was für Sportliche
per WLAN aus dem Bauwagen via AP zum Raspi
4. Eingesetzte Technik:
(Preise teils aus 2014)
| 1/3″ Linse mit man. Focus,2.8-12mm, 110-23.8Grad, F1.4 | 11,86 € |
| Raspberry Kameramodul 5 MP, Ver. 1.3, 1080p, CSI Bus | 22,89 € |
| DC 7V-24V auf 5V 3A Step Down Buck KIS3R33S Modul | 1,- € |
| 16mm F2.0 1/3″ Replacement Board Lens for CCTV Camera | 5,87 € |
| Raspberry Pi B+ Microcomputer | 29,90 € |
| Gehäuse für Raspi | 8,90 € |
| Edimax EW-7811Un Netzwerkadapter, USB 2.0 | 7,85 € |
| Samsung 8GB Micro SD Karte, bespielt mit Noobs | 5,90 € |
| Offgridtec, Solarpanel 30 Watt Mono 12V | 39,90 € |
| Kemo Solar Laderegler Dual 16A | 14,29 € |
| Pollin Kameragehäuse Outdoor | 14,95 € |
| Pollin Kamera-Wandhalter, Metall | 8,95 € |
| 12 Volt Schaltuhr, programmierbar | 5,88 € |
| Gesamt | 178,14 € |
Von Vereinsmitgliedern gespendet:
- 2 Stück Yuasa NPW30-12 Bleigel Batterien
- O2 Surfstick
- Handarbeit, Softwareprogrammierung und unsere Zeit (!)
Modellfluggruppe Niederdorfelden
