Fotometr jasu noční oblohy TESS-W: 8 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

TESS-W je fotometr navržený k měření a nepřetržitému sledování jasu noční oblohy pro studie znečištění světel. Byl vytvořen během evropského projektu STARS4ALL H2020 s otevřeným designem (hardware a software). Fotometr TESS-W byl navržen tak, aby odesílal data přes WIFI. Data jsou vizualizována v reálném čase a sdílena (otevřená data). Další informace naleznete na adrese

Tento dokument obsahuje některé technické podrobnosti o fotometru jasu noční oblohy TESS-W a popisuje, jak jej sestavit. Obsahuje elektronická a optická schémata senzoru a také kryt odolný proti povětrnostním vlivům.

Více informací o fotometru TESS bylo uvedeno v Zamorano et al. „Fotometr jasu noční oblohy STARS4ALL“na setkání Artificial Light At Night (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumunsko, září 2016.

TESS-W vyvinul tým a design vychází z díla Cristóbala Garcíi.

Toto je první funkční verze Instructables. Zůstaňte naladěni.

Krok 1: Popis TESS-W

Fotometr je uzavřen v krabici odolné proti povětrnostním vlivům, která obsahuje elektroniku a optické součásti vyrobené na míru. TESS má na zakázku vyrobenou desku plošných spojů (PCB) s ESP8266. ESP8266 je levný čip WIFI s plným zásobníkem TCP/IP a schopností mikrokontroléru. Elektronika slouží ke čtení frekvence poskytované světelným senzorem TSL237 (pro údaje o jasu noční oblohy) a také modulem infračerveného teploměru MLX90614ESF-BA (pro informace o oblačnosti).

Detektor jasu oblohy je fotodioda TSL237, která převádí světlo na frekvenci. Je to stejný snímač, jaký používají fotometry SQM. Pásmová propust je však více rozšířena na červenou oblast s použitím dichroického filtru (na grafech označeného UVIR) s ohledem na barevný filtr BG38 SQM.

Světlo z oblohy je shromažďováno pomocí optiky, která obsahuje dichroický filtr pro výběr pásmové propusti. Filtr zcela zakrývá kolektor (1). Senzor (na tomto obrázku není vidět) je umístěn na desce s plošnými spoji spolu s elektronikou vyrobenou na míru (2). WIFI modul (3) s anténou uvnitř krabice, která rozšiřuje dosah WIFI. K měření teploty oblohy se používá téměř infračervený senzor (4). Nakonec se v případě potřeby zapne topení (5), aby se odstranila kondenzace na okně nebo dokonce roztavil led nebo sníh (6). Zorné pole (FoV) je FWHM = 17 stupňů.

Spektrální odezva TESS-W je porovnávána s astronomickými fotometrickými pásy Johnson B, V a R a se spektry světelně znečištěné oblohy v Madridu a tmavé oblohy astronomické observatoře Calar Alto.

Krok 2: Elektronika fotometru TESS-W

Elektronická deska

Hlavní součástí TESS je zakázková elektronická deska (PCB, deska s plošnými spoji).

Soubor potřebný pro desku plošných spojů lze stáhnout z

Deska plošných spojů byla navržena tak, aby se vešla do vybrané krabice skříně (viz dále).

Hlavní komponenty

Elektronické součástky desek plošných spojů lze procházet na přiloženém obrázku a v poskytnutém souboru.

Krok 3: Optika fotometru TESS-W

Design a komponenty

Světlo z oblohy je shromažďováno pomocí optiky, která obsahuje dichroický filtr pro výběr pásmové propusti. Filtr zcela zakrývá kolektor. Kryt fotometru má průhledné okénko, které umožňuje vstup světla oblohy do fotometru. Vnitřek je chráněn průhledným skleněným oknem.

Optický design je znázorněn na prvním obrázku. Světlo prochází průhledným okénkem filtru (1) a vstupuje otvorem (3) krytu skříně (2). Čiré okno je nalepeno na krytu rozváděče. Dichroický filtr (4) je umístěn v horní části kolektoru světla (5). Detektor (6) byl umístěn na výstupu z kolektoru.

Jasné okno

První komponentou je průhledné okno, které umožňuje průchod světla ke zbývajícím součástem a utěsňuje fotometr. Jedná se o okno vyrobené ze skla (BAK7), protože by mělo odolávat povětrnostním vlivům. Okno má tloušťku 2 mm a průměr 50 mm. Křivka přenosu byla měřena na optickém pracovním stole LICA-UCM. Je téměř konstantní ~ 90% v rozsahu vlnových délek 350 nm -1050 nm, to znamená, že jasné okno nezavádí změnu barvy světla.

Dichroický filtr

Dichroický filtr je zaoblený filtr o průměru 20 mm, který zcela zakrývá kolektor světla. Tím je zajištěno, že k detektoru nedosáhne žádné nefiltrované světlo. To je důležité, protože detektor TSL237 je citlivý v infračerveném (IR). Filtr UVIR byl navržen pro přenos od 400 do 750 nm, tj. Snižuje ultrafialovou odezvu detektoru pod 400 nm a infračervenou odezvu přes 750 nm. Křivka přenosu je podobná kombinaci dlouhého a krátkého průchodu filtru s téměř plochou odezvou dosahující téměř 100%, měřeno v optickém pracovním stole LICA-UCM (viz grafy v popisu)

Sběrač světla

Aby TESS zachytil světlo z oblohy, používá sběrač světla. Tento kolektor je velmi levný, protože je vyroben z plastu pomocí vstřikování. Tyto čočky slouží k paprskům světla v baterkách. Vnitřní část je průhledný paraboloidový reflektor. Černý držák zabraňuje tomu, aby se rozptýlené světlo dostalo k detektoru.

Používáme kolektory černého světla o nominálních 60 stupních FoV. Při použití v TESS je FoV snížena díky poloze detektoru mimo kolektor. Konečná naměřená FoV (včetně možné vinětace z krytu skříně) byla měřena v optickém pracovním stole. Úhlová odezva je podobná Gaussově funkci 17 stupňů plné šířky při polovině maxima (FWHM).

Krabice

Elektronika a optika fotometru TESS je chráněna jednoduchým pouzdrem založeným na komerčním plastovém boxu, který je vhodný pro venkovní použití a odolává povětrnostním vlivům.

Krabice je malá (vnější: 58 x 83 x 34 mm; vnitřní: 52 x 77 x 20 mm). Krabice má šroubovací kryt pro přístup dovnitř. Utěsněná konstrukce poskytuje dostatečnou úroveň ochrany proti vniknutí vody a prachu. Aby se předešlo korozi šroubů, byly původní šrouby změněny šrouby z nerezové oceli.

Krok 4: Příloha TESS-W

Krabice

Elektronika a optika fotometru TESS je chráněna jednoduchým pouzdrem založeným na komerčním plastovém boxu, který je vhodný pro venkovní použití a odolává povětrnostním vlivům.

Krabice je malá (vnější: 58 x 83 x 34 mm; vnitřní: 52 x 77 x 20 mm). Krabice má šroubovací kryt pro přístup dovnitř. Utěsněná konstrukce poskytuje dostatečnou úroveň ochrany před vniknutím vody a prachu. Aby se předešlo korozi šroubů, byly původní šrouby změněny šrouby z nerezové oceli.

Obrábění krabic

Na krabici je nutné provést nějaké jednoduché obrábění. Okno, které propouští světlo do sběrače světla, má šířku 20 mm v průměru. Je zakryta čirým oknem, které by mělo být nalepeno silikonem odolným proti povětrnostním vlivům. Malý otvor je port infračerveného teploměru a má průměr 8,5 mm. Na druhé straně krabice je nutný 12 mm otvor pro kabelovou průchodku. Dvě perforace 2,5 mm slouží k připevnění ohřívače ke krytu krabice.

Krok 5: Montáž fotometru TESS-W

1. Příprava

1. Namalujte krabici uvnitř černou barvou.

Obrábění krabic

2. Vrtání:

● 1x 20 mm pro okno. ● 1x 12 mm pro kabelovou průchodku. ● 1x 8,5 mm pro termopilot. ● 2x 2,5 mm pro ohřívač. ● 2x 1 mm na boku krabice.

3. Vyvrtejte hliníkovou desku difuzoru (tloušťka 1 mm) pro odpor ohřívače. 4. Přišroubujte odpor a desku ke krytu.5. Nalepte 8mm rozpěrky pro PCB.6. Nalepte průhledné okno (odporový ohřívač by měl být přišroubován)

Termopile

7. Demontujte regulátor napětí a obě svorky spojte pájením můstku. Pájejte jednopólový 4pinový konektor na desce o délce 60 mm. Přilepte termopil na kryt.

Anténa

10. Vyvrtejte otvor pro připevnění antény k krabici. Ořízněte rohy antény. Odstraňte keramickou anténu modulu wifi a také konektor antény a červenou LED.

2. Montáž

Dodržujte prosím tuto seřazenou sekvenci:

1. Zajistěte anténu ke krabici pomocí šroubu. Umístěte kabelovou průchodku a napájecí kabel. Zajistěte kolektor (černý válec) k DPS (dva šrouby). Zajistěte desku plošných spojů ke krabici (dva šrouby). Přišroubujte napájecí kabel ke konektoru zelené desky. (Červený vodič na kladný pól).6. Pájecí kabel antény k modulu wifi. 7. Pájecí na odporový ohřívač jednohlavý 2kolíkový kabel s konektorem 55 mm.8. Připojte termopilo a odpor (dávejte pozor, abyste nerozbili desku plošných spojů).

Odpor funguje jako ohřívač a je spojen s krytem hliníkovou deskou. Obrázky vysvětlují další procesy: Anténu je třeba přišroubovat ke krabici, regulátor termopilu vyměnit za můstek a do krabice nalepit dvě rozpěrky (černé) pro DPS. Vnitřek krabice je natřen černou barvou.

Jeden z obrázků ukazuje původní modul WIFI, který má keramickou anténu a zásuvku pro připojení další antény (nahoře). Používáme anténu, jejíž kabel je připájen k wifi modulu (dole). Všimněte si, že byla odstraněna keramická anténa, zásuvka a červená LED v blízkosti kabelu.

Krok 6: Fotometrická kalibrace TESS-W

Fotometry by měly být kalibrovány, aby se zajistilo, že měření z různých zařízení jsou konzistentní. TESS-W jsou křížově kalibrovány vzhledem k hlavnímu fotometru na Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) z Universidad Complutense de Madrid.

Nastavení je integrující koule, jejíž vnitřek by mohl být osvětlen světelným zdrojem a několika optickými porty pro připojení fotometrů. Jako světelný zdroj je použita LED 596 nm se 14 nm FWHM.

Pokud si přejete kalibrovat svůj fotometr TESS-W, můžete kontaktovat společnost LICA-UCM.

Krok 7: Software TESS-W

Software modulu WIFI

Komunikace a software

Kompletní systém zahrnuje senzorovou síť a softwarového makléře, který zprostředkovává informace mezi výrobci a spotřebiteli a který je vyhrazen kalibrovaným senzorům. Jakmile zkalibrujete svůj fotometr (viz krok 6), STARS4ALL vám poskytne pověření k publikování v makléři.

Byl vyvinut ukázkový spotřebitel v Pythonu pro ukládání dat do databáze SQLite. Tento spotřebitel může být nainstalován na jeden nebo více počítačů nebo serverů. Hlavní charakteristiky softwaru jsou uvedeny níže:

● Vlastní software pro TESS vyvinutý v C.

● Software vydavatele MQTT vyvinutý v knihovnách Arduino IDE a ESP8266.

● MQTT Broker buď v interním nasazení, nebo v dostupné třetí straně (tj. Test mosquitto.org)

● Předplatitelský software MQTT, který přijímá data od vydavatelů a ukládá je do relační databáze (SQLite).

MQTT je lehký protokol M2M / Internet of Things vhodný pro omezená zařízení, který vyžaduje mnohem menší režii než komunikace založená na

Každý senzor odesílá periodicky měření na vzdálený server MQTT prostřednictvím místního routeru. Tento server - ve světě MQTT nazvaný „broker“- přijímá data z mnoha senzorů a přerozděluje všem přihlášeným stranám, čímž odděluje vydavatele od spotřebitelů. Vzdálený server lze nasadit buď interně v centrálním zařízení projektu. Alternativně můžeme použít dostupné, bezplatné makléře MQTT, jako je test.mosquitto.org.

Jakýkoli softwarový klient se může přihlásit k odběru makléře a využívat informace publikované zařízeními TESS. Pro shromažďování všech těchto dat a jejich ukládání do databáze SQLite bude vyvinut speciální klient MQTT.

Konfigurace zařízení

● Konfigurace nástroje bude snížena na minimum, což usnadní údržbu.

● Každé zařízení potřebuje tuto konfiguraci:

o WiFi SSID a heslo.

o Kalibrační konstanta fotometru.

o IP adresa a port MQTT Broker.

o Název přátelský k nástroji (jedinečný pro každé zařízení)

o Název kanálu MQTT (jak je popsáno výše)

Konfigurace WiFi

Při prvním připojení k napájení vytvoří TESS-W přístupový bod WiFi. Uživatel vyplní nastavení, které obsahuje název (SSID) a heslo WiFi routeru, nulový bod fotometrie a internetovou adresu a název úložiště brokerů. Po resetování a vypnutí a zapnutí cyklu začne fotometr TESS vytvářet a odesílat data.

Při prvním spuštění TESS začíná jako přístupový bod s názvem TESSconfigAP. K tomuto přístupovému bodu se musí připojit mobilní telefon.

● Procházejte internetovým prohlížečem následující adresu URL:

● Vyplňte formulář s parametry uvedenými v 2.3

● Restartujte zařízení, které se připojí k místnímu routeru.

Když zařízení ztratí spojení s WiFi routerem, restartujte se a znovu se nakonfigurujte jako přístupový bod, což je vhodné pro změnu konfigurace.

Software

Firmware TESS-W a dokumentaci lze nalézt v úložišti github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Pro mikroprocesor

Krok 8: Závěrečné poznámky

Nadace STARS4ALL je pokračováním projektu STARS4ALL, který má na starosti provoz sítě fotometrů TESS-W. Jedná se o projekt občanské vědy, který produkuje údaje zajímavé pro studie světelného znečištění.

Jakmile je váš fotometr zkalibrován a nakonfigurován, začne odesílat měření do infrastruktury STARS4ALL. Tato měření lze zobrazit z naší platformy (https://tess.stars4all.eu/plots/). Všechna data generovaná v síti lze navíc stáhnout z naší komunity Zenodo (https://zenodo.org/community/stars4all)