TESS-W Fotometar svjetline noćnog neba: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

TESS-W je fotometar dizajniran za mjerenje i kontinuirano praćenje svjetline noćnog neba za proučavanje svjetlosnog zagađenja. Nastao je tijekom europskog projekta STARS4ALL H2020 s otvorenim dizajnom (hardver i softver). Fotometar TESS-W dizajniran je za slanje podataka putem WIFI-ja. Podaci se vizualiziraju u stvarnom vremenu i dijele (otvoreni podaci). Za više informacija pregledajte

Ovaj dokument sadrži neke tehničke detalje fotometra svjetline noćnog neba TESS-W i opisuje njegovu izradu. Uključuje elektroničke i optičke sheme senzora, kao i kućište otporno na vremenske uvjete.

Više informacija o TESS fotometru predstavljeno je u Zamorano i sur. “STARS4ALL fotometar svjetline noćnog neba” na sastanku Umjetna svjetlost noću (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumunjska, rujan 2016.

TESS-W je razvio tim, a dizajn se temelji na djelu Cristóbala Garcíe.

Ovo je prva radna verzija Instructablesa. Budite u toku.

Korak 1: Opis TESS-W-a

Fotometar je zatvoren u kutiju otpornu na vremenske uvjete koja sadrži prilagođenu elektroniku i optičke dijelove. TESS ima prilagođenu tiskanu ploču (PCB) s ESP8266. ESP8266 je jeftin WIFI čip s punim TCP/IP stogom i mogućnostima mikrokontrolera. Elektronika se koristi za očitavanje frekvencije koju daje svjetlosni senzor TSL237 (za podatke o svjetlini noćnog neba), a također i modul infracrvenog termometra MLX90614ESF-BA (za informacije o oblačnoj navlaci).

Detektor svjetline neba je TSL237 fotodioda koja pretvara svjetlost u frekvenciju. To je isti senzor koji koriste SQM fotometri. Međutim, propusni opseg proširen je na crveni raspon upotrebom dikroičnog filtera (označen sa UVIR na plohama) u odnosu na filter boje BG38 SQM -a.

Svjetlost s neba prikuplja se optikom koja uključuje dikroični filter za odabir propusnog opsega. Filter potpuno pokriva kolektor (1). Senzor (koji se ne vidi na ovoj slici) nalazi se na tiskanoj ploči zajedno s prilagođenom elektronikom (2). WIFI modul (3) s antenom unutar kutije koja proširuje WIFI raspon. Za mjerenje temperature neba koristi se infracrveni senzor (4). Konačno, grijač (5) se uključuje kada je potrebno kako bi se uklonila kondenzacija na prozoru ili čak otopio led ili snijeg (6). Vidno polje (FoV) je FWHM = 17 stupnjeva.

Spektralni odziv TESS-W uspoređuje se s astronomskim Johnsonovim B, V i R fotometrijskim vrpcama i sa spektrima svjetlom zagađenog neba Madrida i tamnog neba astronomske opservatorije Calar Alto.

Korak 2: Elektronika fotometra TESS-W

Elektronička ploča

Glavna komponenta TESS -a je elektronička ploča po mjeri (PCB, tiskana ploča).

Datoteka potrebna za tiskanu pločicu može se preuzeti s

PCB je dizajniran tako da stane unutar odabrane kutije kućišta (vidi kasnije).

Glavne komponente

Elektronički dijelovi PCB -a mogu se pregledavati na priloženoj slici i u priloženoj datoteci.

Korak 3: Optika fotometra TESS-W

Dizajn i komponente

Svjetlost s neba prikuplja se optikom koja uključuje dikroični filter za odabir propusnog opsega. Filter potpuno pokriva kolektor. Kućište fotometra ima jasan prozor koji omogućuje nebeskom svjetlu da uđe u fotometar. Unutrašnjost je zaštićena staklenim prozorom.

Optički dizajn prikazan je na prvoj slici. Svjetlo prolazi kroz prozor prozirnog filtra (1) i ulazi kroz otvor (3) na poklopcu kućišta (2). Čisti prozor zalijepljen je za poklopac kućišta. Dikroični filter (4) nalazi se na vrhu sakupljača svjetlosti (5). Detektor (6) je postavljen na izlazu kolektora.

Čist prozor

Prva komponenta je prozirni prozor koji propušta svjetlost do ostalih komponenti i brtvi fotometar. Ovo je prozor napravljen od stakla (BAK7) jer bi trebao odoljeti vremenskim prilikama. Prozor je debljine 2 mm i promjera 50 mm. Krivulja prijenosa mjerena je na optičkom radnom stolu LICA-UCM. Gotovo je konstanta ~ 90% u rasponu valnih duljina 350nm -1050nm, što znači da čist prozor ne unosi promjenu boje svjetla.

Dichroic filter

Dikroični filter je zaobljeni filter promjera 20 mm koji u potpunosti prekriva sakupljač svjetla. To osigurava da nefiltrirano svjetlo ne dopire do detektora. To je važno jer je detektor TSL237 osjetljiv u infracrvenoj (IR). UVIR filter dizajniran je za prijenos od 400 do 750 nm, odnosno smanjuje ultraljubičasti odziv detektora ispod 400 nm i IR odziv preko 750 nm. Krivulja prijenosa slična je kombinaciji dugotrajnog i kratkopropusnog filtra s gotovo ravnim odzivom koji doseže gotovo 100% mjereno u LICA-UCM optičkom radnom stolu (pogledajte grafikone u opisu)

Kolektor svjetla

Kako bi prikupio svjetlost s neba, TESS koristi sakupljač svjetla. Ovaj kolektor je vrlo jeftin jer je izrađen od plastike pomoću brizganja. Ove leće se koriste za zračenje svjetla u svjetiljkama. Unutarnji dio je prozirni paraboloidni reflektor. Crni držač sprječava da zalutalo svjetlo dopre do detektora.

Koristimo sakupljače crnog svjetla nominalnih 60 stupnjeva FoV. Kada se koristi u TESS -u, FoV se smanjuje zbog položaja detektora izvan kolektora. Konačni izmjereni FoV (uključujući moguće vinjetiranje s poklopca kućišta) izmjeren je u optičkom radnom stolu. Kutni odziv sličan je Gaussovoj funkciji od 17 stupnjeva pune širine na pola maksimuma (FWHM).

Kutija

Elektronika i optika fotometra TESS zaštićeni su jednostavnim kućištem temeljenim na komercijalnoj plastičnoj kutiji koja je prikladna za vanjsku upotrebu i otporna na vremenske uvjete.

Kutija je mala (izvana: 58 x 83 x 34 mm; iznutra: 52 x 77 x 20 mm). Kutija ima vijčani poklopac za pristup iznutra. Zapečaćena konstrukcija pruža dovoljnu razinu zaštite od prodora vode i prašine. Kako bi se spriječilo hrđanje vijaka, izvorni su vijci promijenjeni vijcima od nehrđajućeg čelika.

Korak 4: TESS-W kućište

Kutija

Elektronika i optika fotometra TESS zaštićeni su jednostavnim kućištem temeljenim na komercijalnoj plastičnoj kutiji koja je prikladna za vanjsku upotrebu i otporna na vremenske uvjete.

Kutija je mala (izvana: 58 x 83 x 34 mm; iznutra: 52 x 77 x 20 mm). Kutija ima vijčani poklopac za pristup iznutra. Zapečaćena konstrukcija pruža dovoljnu razinu zaštite od prodora vode i prašine. Kako bi se spriječilo hrđanje vijaka, izvorni su vijci promijenjeni vijcima od nehrđajućeg čelika.

Obrada kutija

Potrebno je izvesti nekoliko jednostavnih strojnih obrada na kutiji. Prozor koji omogućuje svjetlosti da dođe do kolektora svjetlosti ima širinu od 20 mm u promjeru. Pokriven je prozorskim prozorom koji bi trebao biti zalijepljen silikonom otpornim na vremenske uvjete. Mala rupa je priključak za IR termometar i ima promjer 8,5 mm. S druge strane kutije potreban je otvor od 12 mm za kabelsku uvodnicu. Dvije perforacije od 2,5 mm koriste se za pričvršćivanje grijača na poklopac kutije.

Korak 5: Montiranje TESS-W fotometra

1. Priprema

1. Obojite unutarnju kutiju u crno.

Obrada kutija

2. Bušenje:

● 1x 20 mm za prozor ● 1x 12 mm za kabelsku uvodnicu. ● 1x 8,5 mm za termopipu. ● 2x 2,5 mm za grijač. ● 2x 1 mm sa strane kutije.

3. Izbušite aluminijsku ploču difuzora (debljine 1 mm) za otpor grijača, 4. Odvijte otpor i ploču do poklopca.5. Zalijepite odstojnike od 8 mm za PCB.6. Zalijepite čisti prozor (otporni grijač treba pričvrstiti na mjesto)

Termopile

7. Uklonite regulator napona i spojite oba terminala lemljenjem mosta.8. Lemite jednoglavu 4-pinsku žicu na konektor duljine 60 mm.9. Zalijepite termopilu na poklopac.

Antena

10. Izbušite rupu za pričvršćivanje antene na kutiju.11. Obrežite kutove antene.12. Uklonite keramičku antenu wifi modula, također priključak antene i crvenu LED diodu.

2. Montaža

Slijedite ovaj redoslijed:

1. Pričvrstite antenu na kutiju pomoću vijka.2. Postavite kabelsku uvodnicu i kabel za napajanje.3. Pričvrstite kolektor (crni cilindar) na tiskanu ploču (dva vijka).4. Pričvrstite PCB na kutiju (dva vijka).5. Pričvrstite kabel za napajanje na konektor zelene ploče. (Crvena žica na pozitivan).6. Lemljeni antenski kabel na wifi modul.7. Lemiti na otpornički grijač dvoglavi 2-polni kabel žice na priključni kabel od 55 mm.8. Spojite termopile i otpor (pazite da ne slomite PCB).

Otpor djeluje kao grijač i povezan je s poklopcem aluminijskom pločom. Slike objašnjavaju sljedeće procese: Antenu je potrebno pričvrstiti na kutiju, regulator termopile zamijenjen je mostom, a dva odstojnika (u crnoj boji) za PCB treba zalijepiti na kutiju. Unutrašnjost kutije obojena je crnom bojom.

Jedna od slika prikazuje originalni WIFI modul koji ima keramičku antenu i utičnicu za spajanje dodatne antene (gore). Koristimo antenu čiji je kabel lemljen na wifi modulu (dolje). Imajte na umu da su keramička antena, utičnica i crvena LED dioda u blizini kabela uklonjeni.

Korak 6: TESS-W fotometrijska kalibracija

Fotometri trebaju biti kalibrirani kako bi se osiguralo da su mjerenja s različitih uređaja dosljedna. TESS-W su unakrsno kalibrirani u odnosu na glavni fotometar u Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) s Universidad Complutense de Madrid.

Postavka je integrirajuća sfera čija se unutrašnjost može osvijetliti izvorom svjetla i s nekoliko optičkih priključaka za povezivanje fotometara. Upotrijebljeni izvor svjetlosti je LED od 596 nm s 14 nm FWHM.

Ako želite kalibrirati svoj TESS-W fotometar, možete se obratiti LICA-UCM.

Korak 7: TESS-W softver

Softver WIFI modula

Komunikacija i softver

Cjeloviti sustav uključuje senzorsku mrežu i softverskog posrednika koji posreduje između proizvođača informacija i potrošača koji je rezerviran za kalibrirane senzore. Nakon što ste kalibrirali svoj fotometar (pogledajte korak 6), STARS4ALL će vam dati vjerodajnice za objavljivanje u posredniku.

Razvijen je uzorak potrošača u Pythonu za spremanje podataka u SQLite bazu podataka. Ovaj se potrošač može instalirati na jedno ili više računala ili poslužitelja. Glavne karakteristike softvera navedene su u nastavku:

● Prilagođeni softver za TESS razvijen u C.

● MQTT izdavački softver razvijen u Arduino IDE i ESP8266 knjižnicama.

● MQTT posrednik u vlastitoj implementaciji ili dostupna treća strana (tj. Testirajte mosquitto.org)

● Pretplatnički softver MQTT koji prima podatke od izdavača i pohranjuje ih u relacijsku bazu podataka (SQLite).

MQTT je lagani protokol M2M / Internet of Things pogodan za ograničene uređaje koji zahtijeva daleko manje troškova od komunikacija temeljenih na HTTP -u.

Svaki senzor šalje lokalna mjerenja na udaljeni MQTT poslužitelj putem lokalnog usmjerivača. Ovaj poslužitelj - nazvan „posrednik“u svijetu MQTT - prima podatke od mnogih senzora i preraspodjeljuje ih na sve pretplaćene strane, čime se izdvaja izdavači od potrošača. Udaljeni poslužitelj može se postaviti unutar kuće u središnji objekt projekta. Alternativno, možemo koristiti dostupne, besplatne posrednike za MQTT, poput test.mosquitto.org.

Svaki softverski klijent može se pretplatiti na brokera i konzumirati informacije objavljene na TESS uređajima. Razvit će se poseban MQTT klijent za prikupljanje svih tih podataka i njihovo spremanje u SQLite bazu podataka.

Konfiguracija uređaja

● Konfiguracija instrumenta bit će svedena na minimum radi lakšeg održavanja.

● Svaki uređaj treba ovu konfiguraciju:

o WiFi SSID i lozinka.

o Konstanta kalibracije fotometra.

o IP adresa i priključak posrednika MQTT.

o Naziv prilagođen instrumentu (jedinstven po uređaju)

o naziv kanala MQTT (kao što je gore opisano)

WiFi konfiguracija

Prilikom prvog spajanja na napajanje, TESS-W stvara WiFi pristupnu točku. Korisnik popunjava postavke koje uključuju naziv (SSID) i lozinku WiFi usmjerivača, nultu točku fotometrije te internetsku adresu i naziv spremišta posrednika. Nakon resetiranja, isključivanja i uključivanja ciklusa, TESS fotometar počinje proizvoditi i slati podatke.

Pri prvom pokretanju TESS počinje kao pristupna točka s imenom TESSconfigAP. Mobilni telefon mora se povezati s ovom pristupnom točkom.

● Pregledajte internetskim preglednikom sljedeći URL:

● Ispunite obrazac parametrima navedenim u 2.3

● Ponovo pokrenite uređaj koji će se povezati s lokalnim usmjerivačem.

Kad uređaj izgubi vezu s WiFi usmjerivačem, ponovno se pokrenite i ponovno konfigurirajte kao pristupnu točku, što je prikladno za promjenu konfiguracije.

Softver

TESS-W Firmware dokumentacija se može pronaći u github spremištu

github.com/cristogg/TESS-W

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

Za mikroprocesorhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Korak 8: Završne napomene

Zaklada STARS4ALL nastavak je projekta STARS4ALL koji je zadužen za rad mreže fotometara TESS-W. Ovo je građanski znanstveni projekt koji proizvodi podatke od interesa za studije svjetlosnog zagađenja.

Nakon što je vaš fotometar kalibriran i konfiguriran, počet će slati mjerenja u infrastrukturu STARS4ALL. Ta se mjerenja mogu vizualizirati s naše platforme (https://tess.stars4all.eu/plots/). Osim toga, svi podaci generirani na mreži mogu se preuzeti s naše Zenodo zajednice (https://zenodo.org/communities/stars4all)