Fotometr jasu nočnej oblohy TESS-W: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

TESS-W je fotometer navrhnutý na meranie a nepretržité monitorovanie jasu nočnej oblohy pre štúdie svetelného znečistenia. Bol vytvorený počas európskeho projektu STARS4ALL H2020 s otvoreným dizajnom (hardvér a softvér). Fotometer TESS-W bol navrhnutý tak, aby odosielal údaje prostredníctvom WIFI. Údaje sú vizualizované v reálnom čase a zdieľané (otvorené údaje). Ďalšie informácie nájdete na stránke

Tento dokument obsahuje niektoré technické detaily o fotometri jasu nočnej oblohy TESS-W a popisuje, ako ho postaviť. Obsahuje elektronickú a optickú schému snímača a tiež kryt odolný voči poveternostným vplyvom.

Viac informácií o fotometri TESS bolo predložených v Zamorano et al. „Fotometer jasu nočnej oblohy STARS4ALL“na stretnutí s umelým svetlom v noci (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumunsko, september 2016.

TESS-W vyvinul tím a dizajn je založený na diele Cristóbala Garcíu.

Toto je prvá pracovná verzia pokynov. Držte sa.

Krok 1: Popis TESS-W

Fotometer je uzavretý do škatule odolnej voči poveternostným vplyvom, ktorá obsahuje elektroniku a optické diely vyrobené na mieru. TESS má na mieru vyrobenú dosku s plošnými spojmi (PCB) s ESP8266. ESP8266 je nízkonákladový čip WIFI s plným zásobníkom TCP/IP a možnosťou mikrokontroléra. Elektronika slúži na čítanie frekvencie poskytovanej svetelným senzorom TSL237 (pre údaje o jase nočnej oblohy) a tiež modulom infračerveného teplomera MLX90614ESF-BA (pre informácie o oblačnosti).

Detektor jasu oblohy je fotodióda TSL237, ktorá prevádza svetlo na frekvenciu. Je to rovnaký snímač, aký používajú fotometre SQM. Pásmový priechod je však viac rozšírený na červený rozsah s použitím dichroického filtra (na grafoch označeného UVIR) vzhľadom na farebný filter BG38 SQM.

Svetlo z neba je zachytávané optikou, ktorá obsahuje dichroický filter na výber pásmového prechodu. Filter úplne zakrýva kolektor (1). Senzor (na tomto obrázku nie je vidieť) je umiestnený na doske s plošnými spojmi spolu s elektronikou vyrobenou na mieru (2). WIFI modul (3) s anténou vo vnútri škatule, ktorá rozširuje dosah WIFI. Na meranie teploty oblohy sa používa takmer infračervený snímač (4). Nakoniec sa v prípade potreby zapne ohrievač (5), aby sa zbavil kondenzácie na okne alebo dokonca roztopil ľad alebo sneh (6). Zorné pole (FoV) je FWHM = 17 stupňov.

Spektrálna odozva TESS-W sa porovnáva s astronomickými fotometrickými pásmami Johnson B, V a R a so spektrami svetlo znečistenej oblohy v Madride a astronomickej observatória Calar Alto s tmavou oblohou.

Krok 2: Elektronika fotometra TESS-W

Elektronická doska

Hlavnou súčasťou TESS je elektronická doska na mieru (PCB, doska s plošnými spojmi).

Súbor potrebný pre DPS je možné stiahnuť z

Doska plošných spojov bola navrhnutá tak, aby sa zmestila do zvoleného boxu skrinky (pozri neskôr).

Hlavné komponenty

Elektronické súčiastky DPS je možné prehľadávať na priloženom obrázku a v poskytnutom súbore.

Krok 3: Optika fotometra TESS-W

Dizajn a komponenty

Svetlo z neba je zachytávané optikou, ktorá obsahuje dichroický filter na výber pásmového prechodu. Filter úplne zakrýva kolektor. Kryt fotometra má priehľadné okno, ktoré umožňuje oblohe vstupovať do fotometra. Vnútro je chránené skleneným priehľadným okienkom.

Optický dizajn je znázornený na prvom obrázku. Svetlo prechádza priehľadným okienkom filtra (1) a vstupuje cez otvor (3) krytu krytu (2). Číre okno je prilepené k krytu rozvádzača. Dichroický filter (4) je umiestnený na vrchu kolektora svetla (5). Detektor (6) bol umiestnený na výstupe z kolektora.

Jasné okno

Prvým komponentom je priehľadné okno, ktoré prepúšťa svetlo do ostatných komponentov a utesňuje fotometer. Toto je sklenené okno (BAK7), pretože by malo odolávať poveternostným vplyvom. Okno má hrúbku 2 mm a priemer 50 mm. Krivka prenosu bola meraná na optickom pracovnom stole LICA-UCM. Je to takmer konštantné ~ 90% v rozsahu vlnových dĺžok 350 nm -1050 nm, to znamená, že čisté okno nezavádza zmenu farby svetla.

Dichroický filter

Dichroický filter je zaoblený filter s priemerom 20 mm, ktorý úplne zakrýva kolektor svetla. To zaisťuje, že k detektoru nedosiahne žiadne nefiltrované svetlo. To je dôležité, pretože detektor TSL237 je citlivý na infračervené žiarenie (IR). UVIR filter bol navrhnutý tak, aby prenášal od 400 do 750 nm, tj. Znižuje ultrafialovú odozvu detektora pod 400 nm a infračervenú odozvu nad 750 nm. Prenosová krivka je podobná kombinácii dlhého a krátkeho priepustného filtra s takmer plochou odozvou dosahujúcou takmer 100%, merané v optickom pracovnom stole LICA-UCM (pozri grafy v popise)

Zberač svetla

Na zachytávanie svetla z oblohy používa TESS zberač svetla. Tento kolektor je veľmi lacný, pretože je vyrobený z plastu pomocou vstrekovania. Tieto šošovky slúžia na vyžarovanie svetla vo baterkách. Vnútornú časť tvorí priehľadný paraboloidový reflektor. Čierny držiak zabraňuje tomu, aby sa rozptýlené svetlo dostalo na detektor.

Používame kolektory čierneho svetla s nominálnymi 60 stupňami FoV. Pri použití v TESS je FoV znížená v dôsledku polohy detektora mimo kolektora. Konečné namerané FoV (vrátane možnej vinetácie z krytu krytu) sa meralo v optickom pracovnom stole. Uhlová odozva je podobná gaussovskej funkcii 17 stupňov plnej šírky pri polovici maxima (FWHM).

Box

Elektronika a optika fotometra TESS je chránená jednoduchým krytom založeným na komerčnom plastovom boxe, ktorý je vhodný do exteriéru a odoláva poveternostným vplyvom.

Krabica je malá (zvonka: 58 x 83 x 34 mm; vo vnútri: 52 x 77 x 20 mm). Krabica má skrutkovací kryt na prístup dovnútra. Utesnená konštrukcia poskytuje dostatočnú úroveň ochrany pred vniknutím vody a prachu. Aby sa zabránilo hrdzaveniu skrutiek, pôvodné skrutky boli zmenené pomocou skrutiek z nehrdzavejúcej ocele.

Krok 4: Kryt TESS-W

Box

Elektronika a optika fotometra TESS je chránená jednoduchým krytom založeným na komerčnom plastovom boxe, ktorý je vhodný do exteriéru a odoláva poveternostným vplyvom.

Krabica je malá (zvonka: 58 x 83 x 34 mm; vo vnútri: 52 x 77 x 20 mm). Krabica má skrutkovací kryt na prístup dovnútra. Utesnená konštrukcia poskytuje dostatočnú úroveň ochrany pred vniknutím vody a prachu. Aby sa zabránilo hrdzaveniu skrutiek, pôvodné skrutky boli zmenené pomocou skrutiek z nehrdzavejúcej ocele.

Obrábanie boxov

Na krabici je potrebné vykonať niekoľko jednoduchých opracovaní. Okno, ktoré prepúšťa svetlo do kolektora svetla, má priemer 20 mm. Je zakrytý priehľadným oknom, ktoré by malo byť prilepené silikónom odolným voči poveternostným vplyvom. Malý otvor je portom IR teplomera a má priemer 8,5 mm. Na druhej strane skrinky je potrebný 12 mm otvor pre káblovú priechodku. Dve perforácie 2,5 mm slúžia na pripevnenie ohrievača k krytu skrinky.

Krok 5: Montáž fotometra TESS-W

1. Príprava

1. Maľujte krabičku vo vnútri čiernou farbou.

Obrábanie boxov

2. Vŕtanie:

● 1x 20 mm pre okno. ● 1x 12 mm pre káblovú priechodku. ● 1x 8,5 mm pre termopilou. ● 2x 2,5 mm pre ohrievač. ● 2x 1 mm na bočnej strane škatule.

3. Vyvŕtajte hliníkový difúzor (hrúbka 1 mm) na odpor ohrievača. 4. Odskrutkujte odpor a dosku na kryt.5. Prilepte 8 mm rozpery na dosku plošných spojov.6. Prilepte priehľadné okno (odporový ohrievač by mal byť priskrutkovaný).

Termopil

7. Odstráňte regulátor napätia a spájajte obe svorky spájkovaním mostíka.8. Spájkujte 4-kolíkový konektor s jednou hlavou s jednou hlavou a dĺžkou 60 mm.9. Prilepte termopil na kryt.

Anténa

10. Vyvŕtajte otvor, ktorý pripevní anténu k krabici. Orežte rohy antény.12. Odstráňte keramickú anténu modulu wifi a tiež konektor antény a červenú diódu LED.

2. Montáž

Dodržujte prosím nasledujúcu postupnosť:

1. Pripevnite anténu k skrinke pomocou skrutky.2. Umiestnite káblovú priechodku a napájací kábel. Zaistite kolektor (čierny valec) na doske plošných spojov (dve skrutky).4. Zaistite PCB k krabici (dve skrutky).5. Zaskrutkujte napájací kábel do konektora zelenej dosky. (Červený vodič na kladný pól).6. Spájkovací kábel antény k modulu wifi.7. Spájkujte na odporový ohrievač jednokomorový 2-kolíkový konektorový kábel k doske 55 mm.8. Pripojte termopil a odpor (dávajte pozor, aby ste nerozbili DPS).

Odpor funguje ako ohrievač a je spojený s krytom hliníkovou platňou. Obrázky vysvetľujú ďalšie procesy: Anténu je potrebné priskrutkovať k krabici, regulátor termopilu vymeniť za mostík a dve rozpery (čierne) pre DPS by mali byť prilepené k krabici. Vnútro krabice je natreté čiernou farbou.

Jeden z obrázkov zobrazuje pôvodný modul WIFI, ktorý má keramickú anténu a zásuvku na pripojenie ďalšej antény (hore). Používame anténu, ktorej kábel je spájkovaný s wifi modulom (dole). Všimnite si toho, že keramická anténa, zásuvka a červená LED v blízkosti kábla boli odstránené.

Krok 6: Fotometrická kalibrácia TESS-W

Fotometre by mali byť kalibrované, aby sa zabezpečilo, že merania z rôznych zariadení sú konzistentné. TESS-W sú krížovo kalibrované vzhľadom na hlavný fotometer na Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) z Universidad Complutense de Madrid.

Zostava je integračná guľa, ktorej vnútro môže byť osvetlené svetelným zdrojom a niekoľkými optickými portami na pripojenie fotometrov. Ako svetelný zdroj je použitá LED 596 nm so 14 nm FWHM.

Ak si želáte kalibrovať svoj fotometer TESS-W, môžete kontaktovať spoločnosť LICA-UCM.

Krok 7: Softvér TESS-W

Softvér modulu WIFI

Komunikácia a softvér

Kompletný systém obsahuje senzorovú sieť a softvérového makléra, ktorý je sprostredkovateľom medzi výrobcami informácií a spotrebiteľmi a je vyhradený pre kalibrované senzory. Po kalibrácii fotometra (pozri krok 6) vám STARS4ALL poskytne poverenia na publikovanie v maklérovi.

Bol vyvinutý vzorový spotrebiteľ v Pythone na ukladanie údajov do databázy SQLite. Tento spotrebiteľ môže byť nainštalovaný do jedného alebo viacerých počítačov alebo serverov. Hlavné charakteristiky softvéru sú uvedené nižšie:

● Zákazkový softvér pre TESS vyvinutý v jazyku C.

● Softvér pre vydavateľov MQTT vyvinutý v knižniciach Arduino IDE a ESP8266.

● MQTT Broker buď vo vlastnom nasadení, alebo v dispozícii tretej strany (tj. Test mosquitto.org)

● Predplatiteľský softvér MQTT, ktorý prijíma údaje od vydavateľov a ukladá ich do relačnej databázy (SQLite).

MQTT je ľahký protokol M2M / Internet of Things vhodný pre obmedzené zariadenia, ktorý vyžaduje oveľa menšiu réžiu ako komunikácia založená na

Každý senzor odosiela periodicky merania na vzdialený server MQTT prostredníctvom lokálneho smerovača. Tento server - vo svete MQTT nazvaný „broker“- prijíma údaje z mnohých senzorov a znova ich distribuuje všetkým prihláseným stranám, čím oddeľuje vydavateľov od spotrebiteľov. Vzdialený server je možné nasadiť buď interne v centrálnom zariadení projektu. Alternatívne môžeme použiť dostupných bezplatných maklérov MQTT, ako napríklad test.mosquitto.org.

Každý softvérový klient sa môže prihlásiť k maklérovi a konzumovať informácie zverejnené zariadeniami TESS. Bude vyvinutý špeciálny klient MQTT na zhromažďovanie všetkých týchto údajov a ich ukladanie do databázy SQLite.

Konfigurácia zariadenia

● Konfigurácia prístroja sa zredukuje na minimum, aby sa uľahčila údržba.

● Každé zariadenie potrebuje túto konfiguráciu:

o WiFi SSID a heslo.

o Kalibračná konštanta fotometra.

o IP adresa a port makléra MQTT.

o Názov priateľský k nástroju (jedinečný pre každé zariadenie)

o Názov kanála MQTT (ako je popísané vyššie)

Konfigurácia WiFi

Pri prvom pripojení k napájaniu vytvorí TESS-W prístupový bod WiFi. Užívateľ vyplní nastavenia, ktoré obsahujú názov (SSID) a heslo WiFi routera, nulový bod fotometrie a internetovú adresu a názov úložiska brokerov. Po resetovaní, vypnutí a zapnutí cyklu začne fotometer TESS vytvárať a odosielať údaje.

Pri prvom spustení sa TESS spustí ako prístupový bod s názvom TESSconfigAP. K tomuto prístupovému bodu sa musí pripojiť mobilný telefón.

● Prejdite v internetovom prehliadači nasledujúcu adresu URL:

● Vyplňte formulár s parametrami uvedenými v bode 2.3

● Reštartujte zariadenie, ktoré sa pripojí k miestnemu smerovaču.

Akonáhle zariadenie stratí spojenie s WiFi routerom, reštartujte ho a znova sa nakonfiguruje ako prístupový bod, čo je vhodné na zmenu konfigurácie.

Softvér

Firmvér TESS-W a dokumentáciu nájdete v úložisku github

github.com/cristogg/TESS-W

Pre ESP8266

Pre mikroprocesor

Krok 8: Záverečné poznámky

Nadácia STARS4ALL je pokračovaním projektu STARS4ALL, ktorý má na starosti prevádzku siete fotometrov TESS-W. Ide o projekt občianskej vedy, ktorý prináša zaujímavé údaje pre štúdie svetelného znečistenia.

Akonáhle je váš fotometer kalibrovaný a nakonfigurovaný, začne odosielať merania do infraštruktúry STARS4ALL. Tieto merania je možné vizualizovať z našej platformy (https://tess.stars4all.eu/plots/). Navyše všetky údaje generované v sieti je možné stiahnuť z našej komunity Zenodo (https://zenodo.org/community/stars4all)