Birdwatch

Dieses Repository enthält zwei Python-Skripte birdwatch_camera.py und birdwatch_server.py zum Aufzeichnen und Speichern von Fotos und Videos von einer Raspberry Pi Camera, die ich mit meinem Vater zur Überwachung einer Vogelfamilie in einem selbstgebauten Vogelhaus programmiert habe.

• Das Vogelhaus
• Die Python-Skripte
• Beispiel-Videos
• Installation
• Details zur Implementierung
• Tipps

Das Vogelhaus

Das Foto links zeigt das Vogelhaus während des Baus, vor dem Anstrich und dem Bekleben mit Dachpappe. Die Technik verbirgt sich hinter dem dreieckigen Brett oberhalb des Einfluglochs. Das Foto rechts zeigt diese Technik. Die kleine Platine in der Mitte ist die Kamera - eine Raspberry Pi NoIR Camera V2, also ohne Infrarot-Filter. Die größere Platine ist mit Vorwiderständen für vier Infrarot-LEDs bestückt und mit vier GPIO-Ports des Raspberry Pi verbunden.

Mittels der Infrarot-LEDs kann das Innere unsichtbar beleuchtet und somit auch bei absoluter Dunkelheit Aufnahmen von den Vögeln gemacht werden.

Die Python-Skripte

Die Skripte sind so aufgebaut, dass sie auf zwei Rechner verteilt werden können:

1. Einen Raspberry Pi mit Raspberry Pi Camera im Vogelhaus, der abwechselnd ein Foto und ein 30-sekündiges Video aufnimmt.
2. Ein weiterer Linux-basierter Rechner, der die Fotos und Videos dauerhaft speichert.

Das Skript birdwatch_camera.py für den Raspberry Pi überträgt die aufgenommenen Fotos und Videos per MQTT-Protokoll an den zweiten Rechner über die MQTT-Topics

• birdwatch für die Fotos und
• birdwatch/video für die Videos.

Auf einem dritten Topic birdwatch/debug werden Statusinformationen von beiden Rechnern (d.h. den Skripten) übertragen. Durch die Verwendung von MQTT können die Daten einfach auf weiteren Rechnern oder mit geeigneten Smartphone-Apps angezeigt werden.

Das Präfix birdwatch in den Topic-Namen kann einfach per Kommandozeilenargument geändert werden.

Das Skript birdwatch_camera.py lauscht auf einem vierten Topic birdwatch/ir_leds. Empfängt es eine "1", so aktiviert es die GPIO-Pins für die Infrarot-LEDs. Bei "0" werden sie wieder ausgeschaltet.

Außerdem lauscht birdwatch_camera.py auf birdwatch/shutdown_camera. Werden binnen fünf Sekunden zwei Nachrichten (als Schutz gegen versehentliches Auslösen) mit "1" empfangen, so wird der Rechner mit shutdown now heruntergefahren. Das funktioniert nur, wenn birdwatch_camera.py mit entsprechender Berechtigung ausgeführt wird.

birdwatch_camera.py. Das Python-Skript liegt in scripts/birdwatch_camera.py und bietet folgende Optionen:

usage: birdwatch_camera.py [-h] [--host HOST] [--topic TOPIC] [--tmp TMP]

Birdwatch camera service.

optional arguments:
  -h, --help     show this help message and exit
  --host HOST    MQTT host name or IP (default=192.168.1.1)
  --topic TOPIC  topic name (default=birdwatch)
  --tmp TMP      path for temporary storage of video/photo (default=/tmp)

birdwatch_server.py. Das Python-Skript für den zweiten Linux-Rechner zur dauerhaften Speicherung der Fotos und Videos findet sich in scripts/birdwatch_server.py und bietet folgende Optionen:

usage: birdwatch_server.py [-h] [--host HOST] [--topic TOPIC]
                           [--storage STORAGE]

Birdwatch server service.

optional arguments:
  -h, --help         show this help message and exit
  --host HOST        MQTT host name or IP (default=192.168.1.1)
  --topic TOPIC      topic name (default=birdwatch)
  --storage STORAGE  path for permanent storage of video/photo
                     (default=/samba/public)

Die Fotos und Videos werden jeden Tag in einem neuen Ordner YYYY-MM-DD abgespeichert, mit Namen image_YYYY-MM-DD_HH-MM-SS.jpg bzw. video_YYYY-MM-DD_HH-MM-SS.mp4. Videos werden vor der finalen Speicherung automatisch mit ffmpeg in das MP4-Format konvertiert.

Beispiel-Videos

Ein paar Eindrücke von Nestbau, Brüten und Aufzucht der Küken in unserem Vogelhaus im Frühjahr 2021. Klick auf GIF lädt höher aufgelöste MP4-Videodatei herunter.

Installation

birdwatch_camera.py ruft mit subprocess.Popen verschiedene Programme als separate Prozesse auf. Diese sind:

• raspistill und raspivid zur eigentlichen Aufnahme der Fotos und Videos. Diese Programme sind Teil des Raspberry Pi OS.
• mosquitto_pub zum Versand der Bild- und Videodateien. Dieses kann mit sudo apt install mosquitto-clients installiert werden.

Auch birdwatch_server.py ruft verschiedene Programme auf:

• mosquitto_sub zum Empfang der Bild- und Videodateien. Auch dieses ist Teil des mosquitto-clients Pakets.
• ffmpeg zur Konvertierung der Videodateien. Dieses kann mit sudo apt install ffmpeg installiert werden.

Beide Skripte verwenden außerdem die Paho-MQTT-Client-Library für Python. Diese kann mit sudo apt install python3-paho-mqtt installiert werden.

Im Ordner systemd-config finden sich Vorlagen um birdwatch_camera.py und birdwatch_server.py als Systemd-Dienste einzurichten und beim Boot automatisch zu starten. Die Vorlagen sind mit sudo-Berechtigung jeweils nach /etc/systemd/system zu kopieren, anzupassen und dann mit sudo systemctl enable birdwatch_camera.service bzw. sudo systemctl enable birdwatch_server.service zu aktivieren.

Schließlich wird noch ein MQTT-Server benötigt. Wir haben gute Erfahrungen mit Eclipse Mosquitto gemacht. Dieser kann unter Ubuntu und Raspberry Pi OS mittels sudo apt install mosquitto installiert werden.

Details zur Implementierung

• Die Skripte birdwatch_camera.py und birdwatch_server.py sind beide recht knapp gehalten. Die meisten Funktionen liegen in einer gemeinsam verwendeten Python-Datei scripts/birdwatch.py.
• Wie unter Installation beschrieben, rufen beide Python-Skripte diverse Programme als separate Prozesse auf. Auf diese Weise können mehrere Aufgaben parallel ausgeführt werden, da beim Aufruf von subprocess.Popen das global interpreter lock (GIL) freigegeben wird.
• Alle Namen, GPIO-Pin-Nummern, etc. sind in scripts/birdwatch_constants.py definiert und können so leicht angepasst werden.

Tipps

• Die aktuell und zuletzt aufgenommenen Fotos und Videos werden von scripts/birdwatch_camera.py kurzzeitig in einem Tmp-Ordner gespeichert. Um die Zahl der Speicherzugriff auf die SD-Karte zu minimieren empfiehlt sich die Verwendung einer RAM-Disk. Der Pfad zur RAM-Disk muss dann über die Option --tmp mitgegeben werden.
• Zur Abfrage des letzten Fotos und der Statusmeldungen von einem Android-basierten Smartphone aus, haben wir gute Erfahrungen mit der App MQTT Dash gemacht. In dieser App kann auch eine Schaltfläche eingerichtet werden, mit der die Infrarot-LEDs über das Topic birdwatch/ir_leds an- und abgeschaltet werden können. Ebenso kann eine Schaltfläche zum Herunterfahren des Kamera-Rechners über das Topic birdwatch/shutdown_camera eingerichtet werden.