Fotometr jasności nocnego nieba TESS-W: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

TESS-W to fotometr przeznaczony do pomiaru i ciągłego monitorowania jasności nocnego nieba do badań zanieczyszczenia światłem. Powstał w ramach projektu europejskiego STARS4ALL H2020 z otwartą konstrukcją (sprzęt i oprogramowanie). Fotometr TESS-W został zaprojektowany do przesyłania danych przez sieć WIFI. Dane są wizualizowane w czasie rzeczywistym i udostępniane (dane otwarte). Odwiedź stronę https://tess.stars4all.eu/, aby uzyskać więcej informacji.

Niniejszy dokument zawiera niektóre szczegóły techniczne fotometru jasności nocnego nieba TESS-W i opisuje sposób jego budowy. Zawiera schematy elektroniczne i optyczne czujnika, a także obudowę odporną na warunki atmosferyczne.

Więcej informacji na temat fotometru TESS przedstawiono w Zamorano i in. „Fotometr jasności nocnego nieba STARS4ALL” na spotkaniu Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumunia, wrzesień 2016 r.

TESS-W został opracowany przez zespół, a projekt opiera się na pracy Cristóbala Garcíi.

To jest pierwsza działająca wersja Instructables. Bądź na bieżąco.

Krok 1: Opis TESS-W

Fotometr jest dołączony do pudełka odpornego na warunki atmosferyczne, w którym znajdują się wykonane na zamówienie elementy elektroniczne i optyczne. TESS posiada wykonaną na zamówienie płytkę drukowaną (PCB) z ESP8266. ESP8266 to tani układ WIFI z pełnym stosem TCP/IP i możliwościami mikrokontrolera. Elektronika jest używana do odczytu częstotliwości dostarczanej przez czujnik światła TSL237 (dla danych o jasności nocnego nieba), a także moduł termometru na podczerwień MLX90614ESF-BA (dla informacji o zachmurzeniu).

Detektor jasności nieba to fotodioda TSL237, która zamienia światło na częstotliwość. Jest to ten sam czujnik, którego używają fotometry SQM. Jednak pasmo pasmowe jest bardziej rozszerzone do zakresu czerwonego przy użyciu filtra dichroicznego (oznaczonego na wykresach UVIR) w porównaniu z filtrem barwnym BG38 SQM.

Światło z nieba jest zbierane za pomocą optyki, która zawiera filtr dichroiczny do wyboru pasmowoprzepustowego. Filtr całkowicie zakrywa kolektor (1). Czujnik (niewidoczny na tym zdjęciu) znajduje się na płytce drukowanej wraz z wykonaną na zamówienie elektroniką (2). Moduł WIFI (3) z anteną w pudełku, która rozszerza zasięg WIFI. Czujnik bliskiej podczerwieni (4) służy do pomiaru temperatury nieba. Na koniec grzałka (5) jest włączana w razie potrzeby, aby pozbyć się skroplin na oknie lub nawet stopić lód lub śnieg (6). Pole widzenia (FoV) to FWHM=17 stopni.

Odpowiedź spektralna TESS-W jest porównywana z pasmami fotometrycznymi Johnson B, V i R oraz z widmami skażonego światłem nieba Madrytu i ciemnego nieba obserwatorium astronomicznego Calar Alto.

Krok 2: Elektronika fotometru TESS-W

Tablica elektroniczna

Głównym elementem TESS jest wykonana na zamówienie płytka elektroniczna (PCB, płytka drukowana).

Plik potrzebny do PCB można pobrać z

PCB została zaprojektowana tak, aby pasowała do wybranej puszki obudowy (patrz dalej).

Główne składniki

Części elektroniczne PCB można przeglądać na załączonym obrazku oraz w dostarczonym pliku.

Krok 3: Optyka fotometru TESS-W

Projekt i komponenty

Światło z nieba jest zbierane za pomocą optyki, która zawiera filtr dichroiczny do wyboru pasma przepustowego. Filtr całkowicie zakrywa kolektor. Obudowa fotometru ma przezroczyste okienko, przez które światło nieba wpada do fotometru. Wnętrze zabezpieczone jest przeszkloną szybą.

Konstrukcja optyczna jest przedstawiona na pierwszym rysunku. Światło przechodzi przez przezroczyste okienko filtra (1) i wchodzi przez otwór (3) w pokrywie obudowy (2). Przezroczyste okienko jest przyklejone do pokrywy obudowy. Filtr dichroiczny (4) znajduje się na górze kolektora światła (5). Detektor (6) został umieszczony na wyjściu kolektora.

Jasne okno

Pierwszym elementem jest przezroczyste okienko, które przepuszcza światło do pozostałych elementów i uszczelnia fotometr. Jest to okno wykonane ze szkła (BAK7), ponieważ powinno być odporne na pogodę. Okno ma grubość 2 mm i średnicę 50 mm. Krzywa transmisji została zmierzona na stanowisku optycznym LICA-UCM. Jest prawie stała ~90% w zakresie długości fali 350nm -1050nm, co oznacza, że przezroczyste okienko nie wprowadza zmiany barwy światła.

Filtr dichroiczny

Filtr dichroiczny to zaokrąglony filtr o średnicy 20 mm, który całkowicie pokrywa kolektor światła. Gwarantuje to, że do detektora nie dociera żadne niefiltrowane światło. Jest to ważne, ponieważ detektor TSL237 jest czuły w podczerwieni (IR). Filtr UVIR został zaprojektowany do transmisji od 400 do 750 nm, tzn. obcina odpowiedź detektora na ultrafiolet poniżej 400 nm i odpowiedź IR powyżej 750 nm. Krzywa transmisji jest zbliżona do kombinacji filtra długo- i krótkoprzepustowego z niemal płaską odpowiedzią sięgającą prawie 100%, jak zmierzono w optycznym stole warsztatowym LICA-UCM (patrz wykresy przy opisie)

Kolektor światła

W celu zebrania światła z nieba TESS używa kolektora światła. Ten kolektor jest bardzo tani, ponieważ jest wykonany z tworzywa sztucznego metodą wtrysku. Soczewki te służą do przesyłania światła w latarkach. Wewnętrzna część to przezroczysty odbłyśnik paraboloidalny. Czarny uchwyt zapobiega przedostawaniu się rozproszonego światła do detektora.

Używamy kolektorów światła czarnego o nominalnym 60 stopni FoV. W przypadku użycia w TESS pole widzenia jest zmniejszone ze względu na położenie detektora poza kolektorem. Ostateczne zmierzone pole widzenia (w tym możliwe winietowanie z pokrywy obudowy) zostało zmierzone na stole optycznym. Odpowiedź kątowa jest podobna do funkcji Gaussa 17 stopni pełnej szerokości przy połowie maksimum (FWHM).

Pudełko

Elektronika i optyka fotometru TESS są chronione prostą obudową opartą na komercyjnej plastikowej skrzynce, która jest przystosowana do użytku na zewnątrz i jest odporna na warunki atmosferyczne.

Pudełko jest małe (na zewnątrz: 58 x 83 x 34 mm; wewnątrz: 52 x 77 x 20 mm). Pudełko ma zakręcaną pokrywę dostępową do środka. Uszczelniona konstrukcja zapewnia wystarczający poziom ochrony przed wnikaniem wody i kurzu. Aby zapobiec rdzewieniu śrub, oryginalne śruby zostały zastąpione śrubami ze stali nierdzewnej.

Krok 4: Obudowa TESS-W

Pudełko

Elektronika i optyka fotometru TESS są chronione prostą obudową opartą na komercyjnej plastikowej obudowie, która jest przystosowana do użytku na zewnątrz i jest odporna na warunki atmosferyczne.

Pudełko jest małe (na zewnątrz: 58 x 83 x 34 mm; wewnątrz: 52 x 77 x 20 mm). Pudełko ma zakręcaną pokrywę dostępową do środka. Uszczelniona konstrukcja zapewnia wystarczający poziom ochrony przed wnikaniem wody i kurzu. Aby zapobiec rdzewieniu śrub, oryginalne śruby zostały zastąpione śrubami ze stali nierdzewnej.

Obróbka pudełek

Konieczne jest wykonanie prostej obróbki na pudełku. Okno pozwalające na dotarcie światła do kolektora światła ma szerokość 20 mm. Pokryta jest przezroczystym okienkiem, które należy przykleić silikonem odpornym na warunki atmosferyczne. Mały otwór to port termometru IR i ma średnicę 8,5 mm. Z drugiej strony puszki potrzebny jest otwór 12 mm na dławik kablowy. Dwie perforacje 2,5 mm służą do mocowania grzałki do pokrywy skrzynki.

Krok 5: Montaż fotometru TESS-W

1. Przygotowanie

1. Pomaluj pudełko w środku na czarno.

Obróbka pudełek

2. Wiercenie:

● 1x 20 mm na okno.● 1x 12 mm na dławik kablowy.● 1x 8,5 mm na termostos.● 2x 2,5 mm na grzałkę.● 2x 1 mm z boku skrzynki.

3. Nawiercić aluminiową płytkę dyfuzora (grubość 1 mm) pod opór grzałki, 4. Przykręcić opornik i płytkę do pokrywy.5. Przyklej 8mm dystanse do PCB.6. Przyklej przezroczyste okienko (grzejnik oporowy powinien być przykręcony)

Termostos

7. Wyjmij regulator napięcia i połącz oba zaciski lutując mostek.8. Przylutuj jednogłowicowy 4-pinowy przewód do złącza płytki o długości 60 mm.9. Przyklej termostos do okładki.

Antena

10. Wywierć otwór, aby przymocować antenę do skrzynki.11. Przytnij rogi anteny.12. Usuń ceramiczną antenę modułu Wi-Fi, a także złącze antenowe i czerwoną diodę LED.

2. Montaż

Proszę postępować zgodnie z tą uporządkowaną sekwencją:

1. Przymocuj antenę do skrzynki za pomocą śruby.2. Umieść dławik kablowy i przewód zasilający.3. Przymocuj kolektor (czarny cylinder) do płytki drukowanej (dwie śruby).4. Przymocuj płytkę PCB do skrzynki (dwie śruby).5. Przykręć kabel zasilający do zielonego złącza płytki. (Czerwony przewód do dodatniego).6. Przylutuj kabel antenowy do modułu wifi.7. Przylutować do grzałki oporowej jednogłowicowy 2-pinowy przewód do złącza na płytce o długości 55 mm.8. Podłącz termostos i rezystancję (uważaj, aby nie uszkodzić płytki drukowanej).

Rezystor działa jak grzałka i jest połączony z pokrywą aluminiową płytą. Zdjęcia wyjaśniają kolejne procesy: Antena powinna być przykręcona do puszki, regulator termostosu został zastąpiony mostkiem, a dwie przekładki (w kolorze czarnym) do PCB należy przykleić do puszki. Wnętrze pudełka pomalowane jest na czarno.

Jeden z rysunków przedstawia oryginalny moduł WIFI, który posiada antenę ceramiczną oraz gniazdo do podłączenia dodatkowej anteny (góra). Używamy anteny, której kabel jest przylutowany do modułu wifi (na dole). Zwróć uwagę, że antena ceramiczna, gniazdo i czerwona dioda LED przy kablu zostały usunięte.

Krok 6: Kalibracja fotometryczna TESS-W

Fotometry powinny być skalibrowane, aby zapewnić spójność pomiarów z różnych urządzeń. TESS-W są kalibrowane krzyżowo względem fotometru wzorcowego w Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) na Universidad Complutense de Madrid.

Układ jest sferą całkującą, której wnętrze może być oświetlone źródłem światła oraz kilkoma portami optycznymi do podłączenia fotometrów. Zastosowanym źródłem światła jest dioda LED 596 nm z 14 nm FWHM.

Jeśli chcesz skalibrować fotometr TESS-W, możesz skontaktować się z LICA-UCM.

Krok 7: Oprogramowanie TESS-W

Oprogramowanie modułu WIFI

Komunikacja i oprogramowanie

Kompletny system obejmuje sieć czujników i brokera oprogramowania, który pośredniczy między producentami informacji a konsumentami, który jest zarezerwowany dla skalibrowanych czujników. Po skalibrowaniu fotometru (patrz Krok 6), STARS4ALL dostarczy Ci dane uwierzytelniające do opublikowania w brokerze.

Opracowano przykładowy konsument w Pythonie do przechowywania danych w bazie danych SQLite. Tego konsumenta można zainstalować na jednym lub wielu komputerach lub serwerach. Poniżej wymieniono główne cechy oprogramowania:

● Niestandardowe oprogramowanie dla TESS opracowane w C.

● Oprogramowanie wydawnicze MQTT opracowane w bibliotekach Arduino IDE i ESP8266.

● Broker MQTT we wdrożeniu wewnętrznym lub dostępnej stronie trzeciej (np. test mosquitto.org)

● Oprogramowanie subskrybenta MQTT odbierające dane od wydawców i przechowujące je w relacyjnej bazie danych (SQLite).

MQTT to lekki protokół M2M / Internet of Things, odpowiedni dla urządzeń z ograniczeniami, które wymagają znacznie mniej narzutów niż komunikacja oparta na

Każdy czujnik wysyła okresowo pomiary do zdalnego serwera MQTT za pośrednictwem lokalnego routera. Serwer ten – nazwany w świecie MQTT „brokerem” – odbiera dane z wielu czujników i rozprowadza je do wszystkich subskrybujących stron, tym samym oddzielając wydawców od konsumentów. Serwer zdalny może zostać wdrożony we własnym zakresie w centralnym obiekcie projektu. Alternatywnie możemy skorzystać z dostępnych, darmowych brokerów MQTT, takich jak test.mosquitto.org.

Każdy klient oprogramowania może subskrybować brokera i korzystać z informacji publikowanych przez urządzenia TESS. Zostanie opracowany specjalny klient MQTT, który będzie gromadził wszystkie te dane i przechowywał je w bazie danych SQLite.

Konfiguracja urzadzenia

● Konfiguracja przyrządu zostanie ograniczona do minimum, aby ułatwić konserwację.

● Każde urządzenie wymaga tej konfiguracji:

o SSID WiFi i hasło.

o Stała kalibracji fotometru.

o Adres IP i port brokera MQTT.

o Przyjazna nazwa instrumentu (unikalna na urządzenie)

o Nazwa kanału MQTT (jak opisano powyżej)

Konfiguracja WiFi

Po pierwszym podłączeniu do zasilania, TESS-W tworzy punkt dostępu WiFi. Użytkownik wypełnia ustawienia, które zawierają nazwę (SSID) i hasło routera WiFi, punkt zerowy fotometrii oraz adres internetowy i nazwę repozytorium brokera. Po zresetowaniu oraz cyklu wyłączenia i włączenia fotometr TESS zaczyna wytwarzać i wysyłać dane.

Przy pierwszym uruchomieniu TESS uruchamia się jako punkt dostępowy o nazwie TESSconfigAP. Z tym punktem dostępu musi łączyć się telefon komórkowy.

● Przeglądaj w przeglądarce internetowej następujący adres URL:

● Wypełnij formularz parametrami wymienionymi w 2.3

● Zrestartuj urządzenie, które połączy się z lokalnym routerem.

Gdy urządzenie utraci połączenie z routerem WiFi, zrestartuj i skonfiguruje się ponownie jako punkt dostępowy, co jest wygodne do zmiany konfiguracji.

Oprogramowanie

Firmware TESS-W i dokumentację można znaleźć w repozytorium github

github.com/cristogg/TESS-W

Dla ESP8266https://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-w-v2_0/tess-w-v2_0.ino.generic.bin

Dla mikroprocesorahttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Krok 8: Uwagi końcowe

Fundacja STARS4ALL jest kontynuacją projektu STARS4ALL, który odpowiada za działanie sieci fotometrów TESS-W. Jest to obywatelski projekt naukowy, który generuje interesujące dane do badań nad zanieczyszczeniem światłem.

Po skalibrowaniu i skonfigurowaniu fotometru rozpocznie wysyłanie pomiarów do infrastruktury STARS4ALL. Pomiary te można wizualizować z naszej platformy (https://tess.stars4all.eu/plots/). Dodatkowo wszystkie dane generowane w sieci można pobrać z naszej społeczności Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)