外观
流星监控项目 II - 树莓派配置
注意
本文正在长期更新阶段.
我们对于边缘站点考虑用树莓派 5 进行数据的初步处理，但是我手上只有一台树莓派 4B. 鉴于这两代之间的 gpio (General Purpose Input & Output) 是一样的，所以暂时先用 4B 来尝试一下.
首先说明一下，我的这台树莓派 4B 已经安装了 GMN 为树莓派设计的 RMS 流星监测系统.
提示
这个系统的下载地址和安装文档见：https://globalmeteornetwork.org/wiki/index.php?title=Installing_OS_onto_a_Raspberry_Pi
要注意的是，这个系统是基于 Bullseye 的，也就是 debian 11.x. debian 11.0 在 2021 年 8 月 14 日发行，11.11 在 2024 年 8 月 31 日发行，Bullseye 的生命周期为 5 年：前面 3 年 (也就是到 2024 年 8 月 14 日) 为 full debian support；后面 2 年 (直到 2026 年 8 月 31 日) 为 LTS (Long Time Support). 因此我想我也得更新一下系统了.
GPS 的 PPS 时间同步
本部分主要参考 这篇文章.
为了精确地同步任意两个站点之间的时间 (必须达到亚毫秒量级，否则最严重的情况是两地完全无法确定捕捉到的信号是同一颗流星、最好的情况则是定轨出现大幅度的误差.)，我们会在树莓派上面安装 GPS 模块. 说是安装，实际上就是把买来的 GPS 模块用一组排线连接到树莓派上面. 而不像 Windows 一样使用 NTP 协议进行时间同步是因为，NTP 协议本身的精度就只能达到毫秒量级，远远不足以达到我们的要求. 其实之前在 流星监控项目 I 的阶段，我们也想过在 Windows 上用 PPS 做时间同步，但是并没有实现，因为一直没有找到相关的时间同步工具，唯一找到的只有 Meinberg NTP，这个玩意实在是过于难以使用 (而且是基于 NTP 协议)，只好作罢. 那时候就已经发现了 Linux 系统上面有一个绝佳的工具 chrony，只可惜我当时读了很久的文档发现它仅仅支持 Linux. 不过既然我们已经有了装好 debian 的树莓派 4B，那么就该开始舒适地使用 chrony.
首先依旧是排线. 这一次的排线和 Windows 相比实际上差不多，用到的是树莓派的 4, 6, 8, 10, 12 接口. 具体接线如图：
其中树莓派上面引脚的编号按照下图所示：
提示
下面的操作假设已经安装了 debian 11 及之后的系统 (在 debian 13 上也测试过)；假设已经安装了 vim (因为 nano 在做这种编辑的时候我实在是用不习惯.)
用管理员权限编辑 DHCP 客户端守护进程配置文件
/etc/dhcpcd.confsudo vi /etc/dhcpcd.conf在文件中加入下面几行：
interface eth0 static ip_address=192.168.0.2/24 static routers=192.168.0.1 static domain_name_servers=192.168.0.1重启 DHCP 服务：
service networking restart配置时区 查看当前时区：
timedatectl查看时区列表：
timedatectl list-timezones设定当前时区：
sudo timedatectl set-timezone Asia/Shanghai更新
apt就是普通的更新步骤，为了防止出现额外的差错.sudo apt update sudo apt upgrade sudo reboot安装 PPS 时间同步所需要的软件包
sudo apt install pps-tools gpsd gpsd-clients python3-gps chrony它们分别的功能：
- pps-tools - 包含了 Linux 系统中用来调用读取 PPS 信号的 API (换句话说，这是个驱动.)
- gpsd - 通过 TCP 2947 端口识别 GPS 硬件设备 (换句话说，这是 GPS 的驱动.)
- gpsd-clients - 上面那个 gpsd 的用户交互界面.
- python3-gps - 用来和 gpsd 交互的 python 代码包.
- chrony - 一个 ntpd (我们在 Windows 上见过的那个超级难用的东西) 在 Linux 下的替代品. 不过我认为这是一个极佳的优化品.
系统层面的准备 修改
/boot/config.txt：sudo bash -c "echo 'dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18' >> /boot/config.txt" sudo bash -c "echo 'enable_uart=1' >> /boot/config.txt" sudo bash -c "echo 'init_uart_baud=9600' >> /boot/config.txt"修改
/etc/modules：sudo bash -c "echo 'pps-gpio' >> /etc/modules"进入树莓派硬件设置，enable 特定端口：
sudo raspi-config这之后会弹出一个界面，在界面中选择：
重启树莓派：
sudo reboot配置 PPS 端口 首先确认 PPS 被正确识别了：
lsmod | grep pps这里的输出如果有
pps_gpio后面一串数字就是有内容，反之则会显示无法找到. 为了看到 PPS 那个端口输出了什么东西，可以输入sudo ppstest /dev/pps0这里能够看到一个每秒输出的信号，按
Ctrl + C退出.注意
这里的信号有可能每一条都返回的是
error -1之类的内容，看起来有很大问题，但是实际上的原因可能只是天线没有拿到室外，导致 GPS 模块没接收到信号.gpsd 配置 首先配置开机自启动：
sudo vi /etc/default/gpsd注意
原文这里没写
sudo，实测发现不行，还是要 root 权限.修改成下面这样：
START_DAEMON="true" DEVICES="/dev/ttyS0 /dev/pps0" GPSD_OPTIONS="-n" USBAUTO="true"之后重启系统：
sudo reboot用 gpsd-clients 查看 GPS 信号的接收情况：
gpsmon应该看到类似这样的界面：
(别来盒我 ) 如果只有一长串报错信息，比如下面这种，就说明 GPS 模块没有被识别.
tcp://localhost:2947 JSON slave driver> (82) {"class":"VERSION","release":"3.22","rev":"3.22","proto_major":3,"proto_minor":14} (262) {"class":"DEVICES","devices":[{"class":"DEVICE","path":"/dev/ttyS0","activated":"2023-08-06T15:25:27.449Z","native":0,"bps":9600,"parity":"N","stopbits":1,"cycle":1.00},{"class" :"DEVICE","path":"/dev/pps0","driver":"PPS","activated":"2023-08-06T15:25:27.472Z"}]} (122) {"class":"WATCH","enable":true,"json":false,"nmea":false,"raw":2,"scaled":false,"timing":false,"split24":false,"pps":true}注意
实际上这里有两种可能：我们在树莓派 5 上面测试的时候也出现了同样的问题，但是接线并没有出错，原因是树莓派 5 默认的接口不再是前面提到的
ttyS0，而有可能变成serial0，导致配置文件里面写的和硬件连接对不上号，无法识别硬件.chrony 设置 首先要编辑 chrony 的配置文件，
sudo vi /etc/chrony/chrony.conf进入之后加入下述内容：
server time-a-b.nist.gov iburst server time-a-g.nist.gov server time-c-wwv.nist.gov server utcnist3.colorado.edu server 0.us.pool.ntp.org server time.cloudflare.com server time.windows.com server time.apple.com local stratum 10 refclock SHM 0 refid NMEA precision 1e-1 offset 0.5 delay 0.2 noselect refclock SHM 1 refid PPS precision 1e-7 lock NMEA allow 192.168.0.0/16前面几行指定 server 是为了在 GPS 不工作的情况下，通过网络连接到全球各地的服务器上面进行时间同步. 另外，我这里的
refclock配置和参考文章中写得不太一样，这是因为我之前用参考文章里面的代码没有成功，所以问了 Gemini，得到现在配置文件中的这个代码. 之后重启 chrony：sudo systemctl restart chrony警告
这里要特别注意一下，
refclock配置中SHM后面的那一个数字，代表了读取的时候的窗口序号. 用命令sudo ntpshmmon测试，应该能够看到每秒有两条输出，每条输出中都含有类似NTP0、NTP1、NTP2之类的内容，这里的数字表明了之前SHM那里的数字我们应该填写什么. 我配置的时候输出的是NTP0和NTP2，所以应该把配置文件的第二个refclock改成SHM 2.验证时间同步服务 有三条验证的命令. 首先是查看所有时间同步方式的状态：
chronyc -n sourcestats输出结果是每个同步服务器的偏移和延迟等等.
Name/IP Address NP NR Span Frequency Freq Skew Offset Std Dev ============================================================================== NMEA 0 0 0 +0.000 2000.000 +0ns 4000ms GPS 0 0 0 +0.000 2000.000 +0ns 4000ms 132.163.96.1 1 0 0 +0.000 2000.000 +1585us 4000ms 129.6.15.28 1 0 0 +0.000 2000.000 -1381us 4000ms 132.163.97.3 1 0 0 +0.000 2000.000 -750us 4000ms 128.138.140.211 1 0 0 +0.000 2000.000 -1720us 4000ms 5.78.71.97 1 0 0 +0.000 2000.000 +1208us 4000ms 162.159.200.1 1 0 0 +0.000 2000.000 -2466us 4000ms 40.119.6.228 1 0 0 +0.000 2000.000 -2860us 4000ms 17.253.126.253 1 0 0 +0.000 2000.000 -2831us 4000ms第二个命令是查看当前所使用的源和其他所有源的可用性：
chronyc -n sources -v输出结果比较复杂，是下面的形式：
.-- Source mode '^' = server, '=' = peer, '#' = local clock. / .- Source state '*' = current best, '+' = combined, '-' = not combined, | / 'x' = may be in error, '~' = too variable, '?' = unusable. || .- xxxx [ yyyy ] +/- zzzz || Reachability register (octal) -. | xxxx = adjusted offset, || Log2(Polling interval) --. | | yyyy = measured offset, || \ | | zzzz = estimated error. || | | \ MS Name/IP address Stratum Poll Reach LastRx Last sample =============================================================================== #? NMEA 0 4 377 14 +44ms[ +44ms] +/- 108ms #* GPS 0 4 377 14 +936ns[+1316ns] +/- 177ns ^- 132.163.96.1 1 10 377 967 +1556us[+1573us] +/- 18ms ^- 129.6.15.28 1 10 377 241 -1953us[-1952us] +/- 23ms ^- 132.163.97.3 1 10 377 121 -1576us[-1576us] +/- 22ms ^- 128.138.140.211 1 10 377 24m -1938us[-1923us] +/- 21ms ^- 5.78.71.97 2 10 377 409 +1838us[+1835us] +/- 37ms ^- 162.159.200.1 3 10 377 458 -5633us[-5637us] +/- 19ms ^- 40.119.6.228 3 10 377 396 -6626us[-6629us] +/- 37ms ^- 17.253.126.253 1 10 377 447 -4726us[-4729us] +/- 7672us注意
这里的
-v是用来 print 上面那一大坨提示信息的. 第一列和第二列的符号含义分别是：*表示我们正在从这个源同步信号.+表示这个源的信号可用.-表示这个源的信号可用但是被排除.?表示这个源无法连接. 任何一个源最开始都是这个状态，接收到三个以上的连续信号之后才能摆脱这一状态.x表示一个坏的源.~表示一个不稳定的源.
第三个命令用来查看当前的时间同步源信息：
chronyc -n tracking输出结果应该是一些时间同步的信息，比如当前时间、和源之间的延迟之类，
Reference ID : 47505300 (GPS) Stratum : 1 Ref time (UTC) : Sat Aug 06 00:55:22 2023 System time : 0.000000141 seconds fast of NTP time Last offset : +0.000000302 seconds RMS offset : 0.000000300 seconds Frequency : 11.530 ppm fast Residual freq : +0.000 ppm Skew : 0.004 ppm Root delay : 0.000000001 seconds Root dispersion : 0.000016511 seconds Update interval : 16.0 seconds Leap status : Normal调整
offset最后通过chronyc -n sourcestats输出结果的offset值，修改之前 chrony 配置文件中的offset后面的数字即可. 如果不做调整，很可能出现无法对上时间的问题.