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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

TESS-W je fotometar dizajniran za mjerenje i kontinuirano praćenje svjetline noćnog neba za proučavanje svjetlosnog zagađenja. Nastao je tokom evropskog projekta STARS4ALL H2020 sa 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). Pregledajte https://tess.stars4all.eu/ za više informacija.

Ovaj dokument sadrži neke tehničke detalje fotometra svjetline TESS-W za noćno nebo i opisuje kako ga izgraditi. Uključuje elektronske i optičke sheme senzora, kao i kućište otporno na vremenske uvjete.

Više informacija o TESS fotometru predstavljeno je u Zamorano et al. “STARS4ALL fotometar svjetline noćnog neba” na sastanku Umjetna svjetlost noću (ALAN2016) u Cluju, Napoca, Rumunija, septembar 2016.

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

Ovo je prva radna verzija Instructables. Budite u toku.

Korak 1: Opis TESS-W

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

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

Svjetlost s neba prikuplja se optikom koja uključuje dihroični filter za odabir propusnog opsega. Filter u potpunosti pokriva kolektor (1). Senzor (koji se ne vidi na ovoj slici) nalazi se na štampanoj ploči zajedno sa 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 stepeni.

Spektralni odziv TESS-W se uspoređuje s astronomskim Johnsonovim B, V i R fotometrijskim trakama i sa spektrima svjetlosnog zagađenog neba u Madridu i tamnog neba astronomske opservatorije Calar Alto.

Korak 2: Elektronika fotometra TESS-W

Elektronska ploča

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

Datoteka potrebna za PCB može se preuzeti sa

PCB je dizajniran tako da stane u odabranu kutiju kućišta (vidi kasnije).

Glavne komponente

Elektronski dijelovi štampanih ploča mogu se pregledavati na priloženoj slici i u datoj datoteci.

Korak 3: Optika fotometra TESS-W

Dizajn i komponente

Svjetlost s neba prikuplja se optikom koja uključuje dihroični filter za odabir propusnog opsega. Filter u potpunosti pokriva kolektor. Kućište fotometra ima jasan prozor koji omogućava nebeskoj svjetlosti da uđe u fotometar. Unutrašnjost je zaštićena staklenim prozorom.

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

Čist prozor

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

Dihroični filter

Dihroični filter je zaobljeni filter promjera 20 mm koji u potpunosti pokriva svjetlosni kolektor. Ovo osigurava da nefiltrirana svjetlost ne dopire do detektora. Ovo je važno jer je detektor TSL237 osjetljiv u infracrvenom (IC). UVIR filter je dizajniran za prijenos od 400 do 750 nm, odnosno smanjuje ultraljubičasti odziv detektora ispod 400 nm i IC 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 svetlosti

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

Koristimo sakupljače crnog svjetla nominalnih 60 stepeni 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. Ugaoni odziv sličan je Gaussovoj funkciji od 17 stepeni pune širine na pola maksimuma (FWHM).

Kutije

Elektronika i optika fotometra TESS zaštićeni su jednostavnim kućištem zasnovanim 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 dovoljan nivo zaštite od prodora vode i prašine. Kako bi se spriječilo hrđanje vijaka, originalni vijci su promijenjeni vijcima od nehrđajućeg čelika.

Korak 4: TESS-W kućište

Kutije

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

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

Obrada kutija

Potrebno je izvesti jednostavnu mašinsku obradu kutije. Prozor koji omogućava 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 port za infracrveni termometar i ima 8,5 mm u promjeru. S druge strane kutije potrebna je rupa 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 unutrašnjost kutije u crno.

Obrada kutija

2. Bušenje:

● 1x 20 mm za prozor ● 1x 12 mm za kablovsku uvodnicu ● 1x 8.5 mm za termopilo ● 2x 2.5 mm za grejač ● 2x 1 mm sa strane kutije.

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

Thermopile

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

Antena

10. Izbušite rupu za pričvršćivanje antene za kutiju.11. Odrežite uglove antene.12. Uklonite keramičku antenu wifi modula, a također i priključak antene i crvenu LED diodu.

2. Montaža

Molimo slijedite ovaj redoslijed:

1. Pričvrstite antenu na kutiju pomoću vijka. Postavite kabelsku uvodnicu i kabel za napajanje.3. Pričvrstite kolektor (crni cilindar) na PCB (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. Lemljenje prema otpornom grijaču dvoglava 2-pinska žica sa kablom za povezivanje ploče 55 mm.8. Spojite termopile i otpor (pazite da ne slomite PCB).

Otpor djeluje kao grijač i povezan je s poklopcem pomoću aluminijske ploče. 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 povezivanje 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 sa različitih uređaja dosljedna. TESS-W se unakrsno kalibrira u odnosu na glavni fotometar u Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) sa Universidad Complutense de Madrid.

Postavka je integrirajuća sfera čija unutrašnjost može biti osvijetljena izvorom svjetla i s nekoliko optičkih priključaka za povezivanje fotometara. Upotrebljeni izvor svjetlosti je LED od 596 nm sa 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

Kompletan sistem 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 akreditive za objavljivanje u brokeru.

Razvijen je uzorak potrošača u Pythonu za spremanje podataka u SQLite bazu podataka. Ovaj potrošač može biti instaliran na jednom ili više računara ili servera. Glavne karakteristike softvera navedene su u nastavku:

● Prilagođeni softver za TESS razvijen u C.

● Softver za izdavače MQTT razvijen u Arduino IDE i ESP8266 bibliotekama.

● MQTT posrednik bilo u internoj 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 nego komunikacija zasnovana na HTTP -u.

Svaki senzor šalje periodična mjerenja udaljenom MQTT serveru putem lokalnog usmjerivača. Ovaj poslužitelj - nazvan „posrednik“u svijetu MQTT - prima podatke od mnogih senzora i preraspodjeljuje ih na sve pretplaćene strane, čime se izdvajaju izdavači od potrošača. Udaljeni server se može postaviti bilo interno u centralnom objektu za projekat. Alternativno, možemo koristiti dostupne, besplatne MQTT posrednike kao što je test.mosquitto.org.

Svaki softverski klijent može se pretplatiti na brokera i konzumirati informacije koje objavljuju TESS uređaji. Razvit će se poseban MQTT klijent za prikupljanje svih ovih 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 port MQTT brokera.

o Naziv prilagođen instrumentu (jedinstven po uređaju)

o naziv MQTT kanala (kao što je gore opisano)

WiFi konfiguracija

Kada se prvi put spoji na napajanje, TESS-W stvara WiFi pristupnu točku. Korisnik popunjava postavke koje uključuju ime (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 se mora povezati s ovom pristupnom tačkom.

● Pregledajte internetskim preglednikom sljedeću URL adresu:

● Popunite obrazac parametrima navedenim u 2.3

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

Kada uređaj izgubi vezu s WiFi usmjerivačem, ponovno pokrenite sistem i ponovno se konfigurirajte kao pristupna točka, 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 naučni 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. Ova mjerenja se mogu vizualizirati s naše platforme (https://tess.stars4all.eu/plots/). Osim toga, svi podaci generirani na mreži mogu se preuzeti sa naše Zenodo zajednice (https://zenodo.org/communities/stars4all)