Φωτόμετρο φωτεινότητας TESS-W Night Sky Brightness: 8 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Το TESS-W είναι ένα φωτόμετρο που έχει σχεδιαστεί για τη μέτρηση και τη συνεχή παρακολούθηση της φωτεινότητας του νυχτερινού ουρανού για μελέτες ρύπανσης του θώρακα. Δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια του Ευρωπαϊκού Έργου STARS4ALL H2020 με ανοιχτό σχεδιασμό (υλικό και λογισμικό). Το φωτόμετρο TESS-W έχει σχεδιαστεί για να στέλνει δεδομένα μέσω WIFI. Τα δεδομένα απεικονίζονται σε πραγματικό χρόνο και μοιράζονται (ανοιχτά δεδομένα). Περιηγηθείτε στη διεύθυνση https://tess.stars4all.eu/ για περισσότερες πληροφορίες.

Αυτό το έγγραφο περιέχει ορισμένες τεχνικές λεπτομέρειες του φωτόμετρου φωτεινότητας νυχτερινού ουρανού TESS-W και περιγράφει τον τρόπο κατασκευής του. Περιλαμβάνει τα ηλεκτρονικά και οπτικά σχήματα του αισθητήρα, καθώς και το περίβλημα από τις καιρικές συνθήκες.

Περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το φωτόμετρο TESS παρουσιάστηκαν στους Zamorano et al. "Φωτόμετρο φωτεινότητας νυχτερινού ουρανού STARS4ALL" στο Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Ρουμανία, Σεπτέμβριος 2016.

Το TESS-W αναπτύχθηκε από μια ομάδα και ο σχεδιασμός βασίζεται στο έργο του Cristóbal García.

Αυτή είναι η πρώτη λειτουργική έκδοση του Instructables. Μείνετε συντονισμένοι.

Βήμα 1: Περιγραφή του TESS-W

Το φωτόμετρο περικλείεται σε ένα κουτί προστασίας από τις καιρικές συνθήκες που περιέχει τα προσαρμοσμένα ηλεκτρονικά και οπτικά μέρη. Το TESS διαθέτει προσαρμοσμένη πλακέτα τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) με ESP8266. Το ESP8266 είναι ένα τσιπ χαμηλού κόστους WIFI με πλήρη στοίβα TCP/IP και δυνατότητα μικροελεγκτή. Το ηλεκτρονικό χρησιμοποιείται για την ανάγνωση της συχνότητας που παρέχει ο αισθητήρας φωτός TSL237 (για δεδομένα φωτεινότητας νυχτερινού ουρανού) και επίσης η μονάδα θερμόμετρου υπερύθρων MLX90614ESF-BA (για πληροφορίες κάλυψης νέφους).

Ο ανιχνευτής φωτεινότητας του ουρανού είναι μια φωτοδίοδος TSL237 που μετατρέπει το φως σε συχνότητα. Είναι ο ίδιος αισθητήρας που χρησιμοποιείται από τα φωτόμετρα SQM. Ωστόσο, το bandpass επεκτείνεται περισσότερο στο κόκκινο εύρος με τη χρήση διχρωμικού φίλτρου (με σήμανση UVIR στα γραφήματα) σε σχέση με το έγχρωμο φίλτρο BG38 του SQM.

Το φως από τον ουρανό συλλέγεται με τα οπτικά που περιλαμβάνουν ένα διχρωικό φίλτρο για την επιλογή του εύρους ζώνης. Το φίλτρο καλύπτει πλήρως τον συλλέκτη (1). Ο αισθητήρας (δεν φαίνεται σε αυτήν την εικόνα) βρίσκεται σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος μαζί με τα ηλεκτρονικά είδη που κατασκευάζονται κατά παραγγελία (2). Η μονάδα WIFI (3) με κεραία μέσα στο κουτί που επεκτείνει το εύρος WIFI. Ένας αισθητήρας σχεδόν υπέρυθρων (4) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του ουρανού. Τέλος, ο θερμαντήρας (5) τίθεται σε λειτουργία όταν χρειάζεται για να απαλλαγεί από τη συμπύκνωση στο παράθυρο ή ακόμη και για να λιώσει ο πάγος ή το χιόνι (6). Το οπτικό πεδίο (FoV) είναι FWHM = 17 μοίρες.

Η φασματική απόκριση του TESS-W συγκρίνεται με τις αστρονομικές φωτομετρικές ζώνες Johnson B, V και R και με τα φάσματα ενός φωτεινού μολυσμένου ουρανού της Μαδρίτης και του σκοτεινού αστρονομικού παρατηρητηρίου Calar Alto.

Βήμα 2: TESS-W Photometer Electronics

Ηλεκτρονικός πίνακας

Το κύριο συστατικό του TESS είναι μια ηλεκτρονική πλακέτα προσαρμοσμένη (PCB, πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος).

Μπορείτε να κατεβάσετε το αρχείο που απαιτείται για το PCB από τη διεύθυνση

Το PCB έχει σχεδιαστεί για να χωράει μέσα στο επιλεγμένο πλαίσιο περιβλήματος (δείτε αργότερα).

Κύρια εξαρτήματα

Τα ηλεκτρονικά μέρη των PCB μπορούν να περιηγηθούν στη συνοδευόμενη εικόνα και στο παρεχόμενο αρχείο.

Βήμα 3: Οπτικά φωτόμετρο TESS-W

Σχεδιασμός και εξαρτήματα

Το φως από τον ουρανό συλλέγεται με την οπτική που περιλαμβάνει ένα διχρωικό φίλτρο για την επιλογή του εύρους ζώνης. Το φίλτρο καλύπτει πλήρως τον συλλέκτη. Το περίβλημα του φωτόμετρου έχει ένα καθαρό παράθυρο που επιτρέπει στο φως του ουρανού να εισέλθει στο φωτόμετρο. Το εσωτερικό προστατεύεται με γυάλινο διάφανο παράθυρο.

Ο οπτικός σχεδιασμός απεικονίζεται στο πρώτο σχήμα. Το φως περνά από το διάφανο παράθυρο φίλτρου (1) και εισέρχεται μέσω μιας οπής (3) του καλύμματος του περιβλήματος (2). Το διάφανο παράθυρο είναι κολλημένο στο κάλυμμα του περιβλήματος. Το διχρωμικό φίλτρο (4) βρίσκεται στην κορυφή του συλλέκτη φωτός (5). Ο ανιχνευτής (6) έχει τοποθετηθεί στην έξοδο του συλλέκτη.

Το καθαρό παράθυρο

Το πρώτο στοιχείο είναι ένα διαφανές παράθυρο που επιτρέπει στο φως να περάσει στα υπόλοιπα εξαρτήματα και σφραγίζει το φωτόμετρο. Αυτό είναι ένα παράθυρο κατασκευασμένο από γυαλί (BAK7) επειδή πρέπει να αντιστέκεται στον καιρό. Το παράθυρο έχει πάχος 2 mm και διάμετρο 50 mm. Η καμπύλη μετάδοσης έχει μετρηθεί στον οπτικό πάγκο εργασίας LICA-UCM. Είναι σχεδόν σταθερό ~ 90% στην περιοχή μήκους κύματος 350nm -1050nm, πράγμα που σημαίνει ότι το διαυγές παράθυρο δεν εισάγει αλλαγή στο χρώμα του φωτός.

Το διχρωμικό φίλτρο

Το διχρωικό φίλτρο είναι ένα στρογγυλεμένο φίλτρο διαμέτρου 20 mm για να καλύψει πλήρως τον συλλέκτη φωτός. Αυτό διασφαλίζει ότι δεν υπάρχει άφιλτρο φως που φτάνει στον ανιχνευτή. Αυτό είναι σημαντικό αφού ο ανιχνευτής TSL237 είναι λογικός στο υπέρυθρο (IR). Το φίλτρο UVIR σχεδιάστηκε για μετάδοση από 400 έως 750 nm, δηλαδή κόβει την υπεριώδη απόκριση του ανιχνευτή κάτω από 400 nm και την απόκριση IR πάνω από 750 nm. Η καμπύλη μετάδοσης είναι παρόμοια με ένα συνδυασμό φίλτρου μεγάλης διέλευσης και βραχείας διέλευσης με σχεδόν επίπεδη απόκριση που φτάνει σχεδόν το 100% όπως μετρήθηκε στον οπτικό πάγκο εργασίας LICA-UCM (δείτε τα γραφήματα στην περιγραφή)

Ο συλλέκτης φωτός

Για να συλλέξει το φως από τον ουρανό, το TESS χρησιμοποιεί έναν συλλέκτη φωτός. Αυτός ο συλλέκτης είναι πολύ φθηνός επειδή είναι κατασκευασμένος από πλαστικό χρησιμοποιώντας χύτευση με έγχυση. Αυτοί οι φακοί χρησιμοποιούνται για να εκπέμπουν το φως στους φακούς. Το εσωτερικό μέρος είναι ένας διαφανής ανακλαστήρας παραβολών. Η μαύρη θήκη εμποδίζει το αδέσποτο φως να φτάσει στον ανιχνευτή.

Χρησιμοποιούμε συλλέκτες μαύρου φωτός με ονομαστικούς 60 βαθμούς FoV. Όταν χρησιμοποιείται στο TESS, το FoV μειώνεται λόγω της θέσης του ανιχνευτή έξω από τον συλλέκτη. Το τελικό μετρημένο FoV (συμπεριλαμβανομένης της πιθανής βινιέτας από το κάλυμμα του περιβλήματος) έχει μετρηθεί στον οπτικό πάγκο εργασίας. Η γωνιακή απόκριση είναι παρόμοια με μια συνάρτηση Gauss 17 μοιρών πλήρους πλάτους στο μισό μέγιστο (FWHM).

Το κιβώτιο

Τα ηλεκτρονικά και τα οπτικά του φωτόμετρου TESS προστατεύονται από ένα απλό περίβλημα βασισμένο σε ένα εμπορικό πλαστικό κουτί που είναι κατάλληλο να είναι εξωτερικό και να αντέχει στις καιρικές συνθήκες.

Το κουτί είναι μικρό (εξωτερικά: 58 x 83 x 34 mm, εσωτερικά: 52 x 77 x 20 mm). Το κουτί διαθέτει βιδωτό κάλυμμα για πρόσβαση στο εσωτερικό. Η σφραγισμένη κατασκευή παρέχει αρκετό επίπεδο προστασίας από την είσοδο νερού και σκόνης. Για να αποφύγετε τη σκουριά των βιδών, οι αρχικές βίδες έχουν αλλάξει από ανοξείδωτες βίδες.

Βήμα 4: Περίβλημα TESS-W

Το κιβώτιο

Τα ηλεκτρονικά και τα οπτικά του φωτόμετρου TESS προστατεύονται από ένα απλό περίβλημα βασισμένο σε ένα εμπορικό πλαστικό κουτί που είναι κατάλληλο να είναι εξωτερικό και να αντέχει στις καιρικές συνθήκες.

Το κουτί είναι μικρό (εξωτερικά: 58 x 83 x 34 mm, εσωτερικά: 52 x 77 x 20 mm). Το κουτί διαθέτει βιδωτό κάλυμμα για πρόσβαση στο εσωτερικό. Η σφραγισμένη κατασκευή παρέχει αρκετό επίπεδο προστασίας από την είσοδο νερού και σκόνης. Για να αποφύγετε τη σκουριά των βιδών, οι αρχικές βίδες έχουν αλλάξει από ανοξείδωτες βίδες.

Επεξεργασία κουτιού

Είναι απαραίτητο να εκτελέσετε κάποια απλή κατεργασία στο κουτί. Το παράθυρο που επιτρέπει στο φως να φτάνει στον συλλέκτη φωτός έχει πλάτος 20 mm σε διάμετρο. Καλύπτεται από ένα διαφανές παράθυρο που πρέπει να κολληθεί με ανθεκτική στις καιρικές συνθήκες σιλικόνη. Η μικρή τρύπα είναι η θύρα θερμόμετρου IR και έχει διάμετρο 8,5 mm. Στην άλλη πλευρά του κουτιού είναι απαραίτητη μια τρύπα 12 mm για τον αδένα καλωδίων. Οι δύο διατρήσεις των 2,5 mm χρησιμοποιούνται για τη στερέωση του θερμαντήρα στο κάλυμμα του κουτιού.

Βήμα 5: Τοποθέτηση του φωτομέτρου TESS-W

1. Προετοιμασία

1. Βάψτε το κουτί μέσα σε μαύρο χρώμα.

Επεξεργασία κουτιού

2. Γεώτρηση:

● 1x 20 mm για το παράθυρο. ● 1x 12 mm για τον αγωγό καλωδίων. ● 1x 8,5 mm για το θερμοστάτη. ● 2x 2,5 mm για τον θερμαντήρα. ● 2x 1 mm στο πλάι του κουτιού.

3. Τρυπήστε την πλάκα διάχυσης αλουμινίου (πάχος 1 mm) για την αντίσταση του θερμαντήρα, 4. Βιδώστε την αντίσταση και την πλάκα στο κάλυμμα.5. Κολλήστε τους αποστάτες 8mm για το PCB.6. Κολλήστε το διάφανο παράθυρο (ο θερμαντήρας αντίστασης πρέπει να βιδωθεί στη θέση του)

Θερμοπλήρωμα

7. Αφαιρέστε τον ρυθμιστή τάσης και συνδέστε και τους δύο ακροδέκτες συγκολλώντας μια γέφυρα.8. Συγκολλήστε ένα καλώδιο 4 ακίδων μονής κεφαλής στην υποδοχή μήκους 60 mm. Κολλήστε το θερμοστοιχείο στο κάλυμμα.

Κεραία

10. Τρυπήστε μια τρύπα για να στερεώσετε την κεραία στο κουτί.11. Κόψτε τις γωνίες της κεραίας.12. Αφαιρέστε την κεραμική κεραία της μονάδας wifi, καθώς και τον συνδετήρα κεραίας και το κόκκινο LED.

2. Τοποθέτηση

Ακολουθήστε αυτήν τη διαδοχική σειρά:

1. Ασφαλίστε την κεραία στο κουτί χρησιμοποιώντας μια βίδα. Τοποθετήστε το στυπιοθλίπτη καλωδίου και το καλώδιο τροφοδοσίας.3. Ασφαλίστε τον συλλέκτη (μαύρο κύλινδρο) στο PCB (δύο βίδες).4. Ασφαλίστε το PCB στο κουτί (δύο βίδες).5. Βιδώστε το καλώδιο τροφοδοσίας στην υποδοχή της πράσινης πλακέτας. (Κόκκινο σύρμα σε θετικό).6. Κολλήστε το καλώδιο κεραίας στη μονάδα wifi. Συγκολλήστε με θερμαντήρα αντίστασης ένα καλώδιο σύνδεσης 2 ακίδων μονής κεφαλής στην πλάκα 55 mm.8. Συνδέστε το θερμοστοιχείο και την αντίσταση (προσέξτε να μην σπάσετε το PCB).

Η αντίσταση λειτουργεί ως θερμάστρα και συνδέεται με το κάλυμμα με πλάκα αλουμινίου. Οι εικόνες εξηγούν τις επόμενες διαδικασίες: Η κεραία πρέπει να βιδωθεί στο κουτί, ο ρυθμιστής του θερμοστοιχείου έχει αντικατασταθεί από μια γέφυρα και οι δύο αποστάτες (σε μαύρο χρώμα) για το PCB πρέπει να κολληθούν στο κουτί. Το εσωτερικό του κουτιού είναι βαμμένο σε μαύρο χρώμα.

Ένα από τα σχήματα δείχνει την αρχική μονάδα WIFI που διαθέτει κεραμική κεραία και πρίζα για σύνδεση επιπλέον κεραίας (επάνω). Χρησιμοποιούμε μια κεραία της οποίας το καλώδιο είναι κολλημένο στη μονάδα wifi (κάτω). Σημειώστε ότι η κεραμική κεραία, η πρίζα και το κόκκινο LED κοντά στο καλώδιο έχουν αφαιρεθεί.

Βήμα 6: Φωτομετρική βαθμονόμηση TESS-W

Τα φωτόμετρα πρέπει να βαθμονομηθούν για να διασφαλιστεί ότι οι μετρήσεις από διαφορετικές συσκευές είναι συνεπείς. Τα TESS-W είναι διασταυρωμένα σε σχέση με ένα κύριο φωτόμετρο στο Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) του Universidad Complutense de Madrid.

Η εγκατάσταση είναι μια ολοκληρωμένη σφαίρα της οποίας το εσωτερικό θα μπορούσε να φωτιστεί από μια πηγή φωτός και με πολλές οπτικές θύρες για τη σύνδεση των φωτόμετρων. Η φωτεινή πηγή που χρησιμοποιείται είναι ένα LED 596 nm με 14 nm FWHM.

Εάν θέλετε να βαθμονομήσετε το φωτόμετρο TESS-W, μπορείτε να επικοινωνήσετε με το LICA-UCM.

Βήμα 7: Λογισμικό TESS-W

Λογισμικό λειτουργικής μονάδας WIFI

Επικοινωνία και λογισμικό

Το πλήρες σύστημα περιλαμβάνει ένα δίκτυο αισθητήρων και έναν μεσίτη λογισμικού που μεσολαβεί μεταξύ παραγωγών και καταναλωτών πληροφοριών που προορίζεται για βαθμονομημένους αισθητήρες. Μόλις βαθμονομήσετε το φωτόμετρό σας (βλ. Βήμα 6), το STARS4ALL θα σας παράσχει τα διαπιστευτήρια για δημοσίευση στον μεσίτη.

Έχει αναπτυχθεί ένα δείγμα καταναλωτή στην Python για την αποθήκευση δεδομένων σε μια βάση δεδομένων SQLite. Αυτός ο καταναλωτής μπορεί να εγκατασταθεί σε έναν ή πολλούς υπολογιστές ή διακομιστές. Τα κύρια χαρακτηριστικά του λογισμικού παρατίθενται παρακάτω:

● Προσαρμοσμένο λογισμικό για το TESS που αναπτύχθηκε στο C.

Software Λογισμικό εκδότη MQTT που αναπτύχθηκε στις βιβλιοθήκες Arduino IDE και ESP8266.

● MQTT Broker είτε σε εσωτερική εγκατάσταση είτε σε διαθέσιμο τρίτο μέρος (π.χ. δοκιμή mosquitto.org)

Software Συνδρομητικό λογισμικό MQTT που λαμβάνει δεδομένα από εκδότες και τα αποθηκεύει σε σχεσιακή βάση δεδομένων (SQLite).

Το MQTT είναι ένα ελαφρύ πρωτόκολλο M2M / Internet of Things κατάλληλο για περιορισμένες συσκευές που απαιτεί πολύ λιγότερα έξοδα από τις επικοινωνίες που βασίζονται σε

Κάθε αισθητήρας στέλνει περιοδικά μετρήσεις σε έναν απομακρυσμένο διακομιστή MQTT μέσω ενός τοπικού δρομολογητή. Αυτός ο διακομιστής - που ονομάζεται "μεσίτης" στον κόσμο MQTT - λαμβάνει δεδομένα από πολλούς αισθητήρες και αναδιανέμει σε όλα τα εγγεγραμμένα μέρη, αποσυνδέοντας έτσι τους εκδότες από τους καταναλωτές. Ο απομακρυσμένος διακομιστής μπορεί να αναπτυχθεί είτε εσωτερικά σε μια κεντρική εγκατάσταση για το έργο. Εναλλακτικά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαθέσιμους, δωρεάν μεσίτες MQTT όπως το test.mosquitto.org.

Οποιοσδήποτε πελάτης λογισμικού μπορεί να εγγραφεί στον μεσίτη και να καταναλώσει τις πληροφορίες που δημοσιεύονται από τις συσκευές TESS. Θα αναπτυχθεί ένας ειδικός πελάτης MQTT για τη συλλογή όλων αυτών των δεδομένων και την αποθήκευσή τους σε μια βάση δεδομένων SQLite.

Διαμόρφωση συσκευής

Η διαμόρφωση του οργάνου θα μειωθεί στο ελάχιστο για να βοηθήσει στη συντήρηση.

● Κάθε συσκευή χρειάζεται αυτήν τη διαμόρφωση:

o WiFi SSID και κωδικός πρόσβασης.

o Σταθερή βαθμονόμηση φωτόμετρου.

o Διεύθυνση IP και θύρα MQTT Broker.

o Όνομα φιλικό προς το όργανο (μοναδικό ανά συσκευή)

o Όνομα καναλιού MQTT (όπως περιγράφεται παραπάνω)

Διαμόρφωση WiFi

Όταν συνδέεται για πρώτη φορά με το ρεύμα, το TESS-W δημιουργεί ένα σημείο πρόσβασης WiFi. Ο χρήστης συμπληρώνει τις ρυθμίσεις που περιλαμβάνουν το όνομα (SSID) και τον κωδικό πρόσβασης του δρομολογητή WiFi, το μηδενικό σημείο της φωτομετρίας και τη διεύθυνση Internet και το όνομα του αποθετηρίου μεσίτη. Μετά από μια επαναφορά και απενεργοποίηση και ενεργοποίηση του κύκλου, το φωτόμετρο TESS αρχίζει να παράγει και να στέλνει δεδομένα.

Κατά την πρώτη εκκίνηση, το TESS ξεκινά ως σημείο πρόσβασης με το όνομα TESSconfigAP. Ένα κινητό τηλέφωνο πρέπει να συνδεθεί σε αυτό το σημείο πρόσβασης.

● Περιηγηθείτε με ένα πρόγραμμα περιήγησης στο Διαδίκτυο την ακόλουθη διεύθυνση URL:

● Συμπληρώστε τη φόρμα με τις παραμέτρους που αναφέρονται στο 2.3

● Επανεκκινήστε τη συσκευή, η οποία θα συνδεθεί στον τοπικό δρομολογητή.

Όταν η συσκευή χάσει τη σύνδεση με το δρομολογητή WiFi, επανεκκινήστε και ρυθμίστε ξανά τον εαυτό σας ως σημείο πρόσβασης, το οποίο είναι βολικό για να αλλάξετε τη διαμόρφωση.

Λογισμικό

Μπορείτε να βρείτε μια τεκμηρίωση του υλικολογισμικού TESS-W στο αποθετήριο github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Για τον μικροεπεξεργαστήhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Βήμα 8: Τελικές παρατηρήσεις

Το Foundationδρυμα STARS4ALL είναι η συνέχεια του έργου STARS4ALL που είναι υπεύθυνο για τη λειτουργία του δικτύου φωτόμετρων TESS-W. Πρόκειται για ένα έργο επιστήμης πολιτών που παράγει δεδομένα ενδιαφέροντος για μελέτες φωτορύπανσης.

Μόλις βαθμονομηθεί και διαμορφωθεί το φωτόμετρό σας, θα αρχίσει να στέλνει τις μετρήσεις στην υποδομή STARS4ALL. Αυτές οι μετρήσεις μπορούν να απεικονιστούν από την πλατφόρμα μας (https://tess.stars4all.eu/plots/). Επιπλέον, όλα τα δεδομένα που δημιουργούνται στο δίκτυο μπορούν να μεταφορτωθούν από την κοινότητα Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)