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Wärmebildkamera für den Raspberry Pi

21.07.2019 | 09:09 Uhr |

Die Macher von Pimoroni haben wieder zugeschlagen und stellen eine neue Erweiterung für den Raspberry Pi vor. Es ist eine neue Wärmebildkamera. Bei der zugehörigen Software müssen Sie allerdings noch selber Hand anlegen.

Das Thermal Camera Breakout von Pimoroni ist in der Lage, Wärmebilder zu erzeugen. Die Aufgabe einer Wärmebildkamera besteht darin, die von einem Körper abgestrahlte Wärme aufzufangen und in ein Bild umzuwandeln. Genutzt werden solche Sensoren, um beispielsweise schlecht isolierte Bereiche an Fassaden zu erkennen. Dort, wo es deutlich wärmer als in der Umgebung ist, strahlt dann das Haus zu viel Energie ab.

Das Zubehör eignet sich für den Raspberry Pi und für Arduino und ist im Pimoroni-Shop für 56 Euro erhältlich.

Der Baustein für thermische Überwachung

Wer die Kamera aus der Verpackung holt, sollte vorsichtig hantieren, denn dieses Modul ist sehr klein. Außerdem sind zwei winzig kleine Stecker enthalten, die schnell übersehen werden könnten. Angeboten wird die Kamera in zwei Varianten – mit Erfassungswinkel von 55 Grad sowie 110 Grad. Beide Bauteile schaffen eine Auflösung von 32 x 32 Pixeln, die Bilder mit bis zu 64 Frames pro Sekunde produzieren können. Die grobe Auflösung macht bereits deutlich, dass es hier nicht um exakte Aufnahmen gehen kann, sondern darum, ein Temperaturgefälle zu visualisieren. Damit würde sich die Kamera beispielsweise auch dazu eignen, Experimente in einem Klassenraum in Echtzeit zu verfolgen. Beachten sollte man den Temperaturbereich, den die Sensoren abdecken. Er liegt zwischen –40 und +300 Grad Celsius. Das genügt dann, um leichte exotherme chemische Reaktionen zu verfolgen oder die Wärmeentwicklung eines Notebooks zu beobachten.

Der Sensor ist auf einem kleinen Board befestigt, das so ausgelegt wurde, dass es direkt auf die ersten fünf Pins der GPIO-Leiste eines Raspberry Pi passt. Im Lieferumfang ist auch ein kleiner Schuh enthalten, mit dem die Erweiterung direkt auf die Steckerleiste aufgesetzt werden kann. Da sich das Design der GPIO-Leiste über die verschiedenen Raspberry-Versionen niemals geändert hat, lässt sich die Kamera selbst noch auf einem der allerersten Platinenmodelle verwenden.

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Allerdings benötigen Sie softwareseitig die aktuellste Version von Raspbian und das will man der ersten Generation des Raspberry dann doch nicht zumuten. Die Kamera unterstützt auch eine Stromversorgung mit fünf Volt, womit die Erweiterung auch auf einigen Modellen des Arduino verwendet werden kann.

Während der Adapter fest auf der Leiste sitzt, ruht die Kamera doch recht wacklig auf den Anschlüssen. Um mehr Flexibilität in Projekten zu erreichen, besorgen Sie sich am besten noch etwas Material, um die Kamera auch räumlich getrennt von der Platine betreiben zu können. Dazu gibt es im Fachhandel für wenig Geld Steckkabel (Sie benötigen Male-Female-Kabel), mit denen Sie gezielt die Pins der Steckerleiste mit dem Kameramodul verbinden. Dazu stellen Sie eine physikalische Verbindung mit den Pins 1, 3, 5, 7 und 9 her.

Die Kamera ist auch mit dem genialen Breakout Garden von Pimoroni kompatibel. Diese Erweiterung sorgt dafür, dass mehrere kleinere Sensoren über die gleiche Steckerleiste betrieben werden können. Das Erweiterungsboard sitzt dabei fest auf der Platine und die mitgelieferten Abstandshalter verhindern Kurzschlüsse.

Die softwaretechnische Einrichtung

So muss das Board mit dem mitgelieferten Schuh auf den Raspberry gesteckt werden.
Vergrößern So muss das Board mit dem mitgelieferten Schuh auf den Raspberry gesteckt werden.

Während sich die Hardware einfach anschließen lässt, müssen Sie die zugehörige Software selber kompilieren. Wer bisher noch keinerlei Berührungspunkte mit Bibliotheken und mit der Programmiersprache Python gesammelt hat, sollte das Produkt nicht ernsthaft in Erwägung ziehen. Denn derzeit gibt es (noch) keine Software, die direkt auf die Kamera zugreifen kann. Einfach anschließen und den Raspberry booten, funktioniert nicht.

Um das beste Ergebnis aus den Sensoren herauszuholen, ist es ratsam, die Übertragungsrate der Verbindung zu erhöhen. Dabei ist aber zu beachten, dass die Gefahr besteht, dass eventuell weitere angeschlossene Sensoren nicht mehr richtig arbeiten. Ist dagegen die Kamera die einzige Erweiterung, spricht nichts gegen das Heraufsetzen der Geschwindigkeit. Öffnen Sie auf der SD-Karte, die Sie für den Systemstart verwenden, die Datei „/boot/config.txt“. Die Baudrate, also die Geschwindigkeit, setzen Sie dann etwa so:

dtparam=i2c1_baudrate=400000  

Dies entspricht 400 KHz, was für eine Framerate von acht FPS sorgt. Arbeitet die Kamera allein, spricht auch nichts gegen den höheren Wert „dtparam=i2c1_baudrate= 1000000“ – also ein MHz. Das liefert dann bereits flotte 32 FPS.

In der „config.txt“ des Raspberry Pi sollten Sie die Baudrate für die Übertragung höhersetzen.
Vergrößern In der „config.txt“ des Raspberry Pi sollten Sie die Baudrate für die Übertragung höhersetzen.

Natürlich haben die Entwickler von Pimoroni auch Software herausgebracht, die den Sensor der Kamera auswertet. Dazu müssen sich die Anwender zunächst die benötigten Dateien von der Github-Seite des Projekts herunterladen. Die Adresse ist nicht nur im Shop genannt, sondern auch noch einmal auf der Verpackung des Kits aufgedruckt. Aus dem Quelltext wird dann zunächst eine Bibliothek erzeugt, welche dann die Kommunikation mit der Kamera übernimmt.

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So gehen Sie vor: Zunächst wird der Quellcode heruntergeladen und mit Tar folgendermaßen entpackt:

wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.55.tar.gz
tar xvfz bcm2835-1.55.tar.gz  

Wechseln Sie dann in das Verzeichnis der entpackten Dateien. Dort beginnt der klassische Dreischritt beim Kompilieren von Dateien:

./configure
make
sudo make install 

Es kann passieren, dass der Vorgang abgebrochen wird, weil noch einige Abhängigkeiten nicht erfüllt sind. Das sind nach unserer Erfahrung drei Bibliotheken. Mit

sudo apt-get install libavutil-dev libavcodec-dev libavformat-dev  

holen Sie das nach. Anschließend sollte „make“ keine Fehler mehr melden.

Ist die Installation erfolgreich abgeschlossen, können Sie in einem Terminal einmal

sudo ./test 

ausprobieren. In Ansi-Farben sollte nun ein erstes Bild auf dem Bildschirm zu erkennen sein, das auf die Werte der Kamera zugreift. Die Entwickler haben auch noch eine Reihe weiterer Funktionen integriert. Da deren Quellcode auf der Projektseite ja dokumentiert ist, können Sie sich schrittweise an die Anpassung und die Nutzung der Funktionen herantasten. Wer lieber in Python entwickelt, was auf dem Raspberry ja meist die bevorzugte Programmierung ist, wirft am besten einmal einen Blick in den Ordner mit den Python-Scripts, die ebenfalls in den Bibliotheken schlummern. Bereits das Script „test.py“ sollte die Umrisse eines aufgenommenen Objekts ausgeben.

Keine Porträts erwarten! Die Optik eignet sich nur zur Darstellung von Temperaturdifferenzen.
Vergrößern Keine Porträts erwarten! Die Optik eignet sich nur zur Darstellung von Temperaturdifferenzen.

Ein Hinweis für fortgeschrittene Entwickler auf dem Raspberry Pi: Aktuell gibt es vom Hersteller noch keine Abstraktionsschicht für den Zugriff auf die Kamera, die sich in eigenen Projekten einfach ansprechen lassen würde. Hier dürfte sich aber in den kommenden Wochen sicherlich noch etwas tun, da Pimoroni in der Vergangenheit die ausgelieferte Software stets weiterentwickelt und entwicklungsfreundlicher gemacht hat.

In der Praxis bietet die Kamera zwar einen großzügigen Erfassungswinkel, aber bei Aufnahmen aus größeren Distanzen wird der Unterschied zwischen einer professionellen Wärmebildkamera (die mehrere Tausend Euro kostet) und diesem Bauteil für knapp 60 Euro schon mehr als deutlich. Die besten Ergebnisse liefert der Sensor aus kurzen Distanzen. Dennoch ist das Experimentieren mit dem Thermal Breakout ebenso unterhaltsam wie lehrreich.

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