TESS-W natthimmels lysstyrke fotometer: 8 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

TESS-W er et fotometer designet for å måle og kontinuerlig overvåke lysstyrken på nattehimmelen for lysforurensningsstudier. Det ble opprettet under STARS4ALL H2020 European Project med en åpen design (maskinvare og programvare). TESS-W fotometeret er designet for å sende data via WIFI. Dataene visualiseres i sanntid og deles (åpne data). Bla gjennom https://tess.stars4all.eu/ for mer informasjon.

Dette dokumentet inneholder noen tekniske detaljer om TESS-W natthimmels lysstyrke fotometer og beskriver hvordan du bygger det. Den inkluderer sensorens elektroniske og optiske skjemaer og også det værbestandige kabinettet.

Mer informasjon om TESS -fotometeret ble presentert i Zamorano et al. “STARS4ALL natthimmels lysstyrke fotometer” på Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Romania, september 2016.

TESS-W har utviklet seg av et team, og designet er basert på arbeidet til Cristóbal García.

Dette er den første arbeidsversjonen av Instructables. Følg med.

Trinn 1: Beskrivelse av TESS-W

Fotometeret er innelukket i en værbestandig boks som inneholder den skreddersydde elektronikken og optiske deler. TESS har et skreddersydd kretskort (PCB) med en ESP8266. ESP8266 er en rimelig WIFI-brikke med full TCP/IP-stabel og mikrokontroller. Elektronikken brukes til å lese frekvensen levert av TSL237 lyssensor (for natthimmels lysstyrke data) og også MLX90614ESF-BA Infrarød termometer modul (for skydekkeinformasjon).

Himmelsstyrken er en TSL237 fotodiode som konverterer lys til frekvens. Det er den samme sensoren som brukes av SQM -fotometerne. Båndpasset er imidlertid mer utvidet til det røde området ved bruk av et dikroisk filter (merket UVIR på plottene) med hensyn til BG38 -fargefilteret til SQM.

Lyset fra himmelen samles med optikken som inkluderer et dikroisk filter for å velge båndpass. Filteret dekker oppsamleren (1) helt. Sensoren (ikke sett på dette bildet) er plassert på et kretskort sammen med den skreddersydde elektronikken (2). WIFI -modulen (3) med en antenne inne i esken som utvider WIFI -området. En nær-infrarød sensor (4) brukes til å måle himmelens temperatur. Til slutt slås varmeapparatet (5) på når det trengs for å kvitte seg med kondens på vinduet eller til og med smelte isen eller snøen (6). Synsfeltet (FoV) er FWHM = 17 grader.

Spektralresponsen til TESS-W sammenlignes med de astronomiske Johnson B-, V- og R-fotometriske båndene og med spektrene til den lysforurensede himmelen i Madrid og Calar Alto astronomiske observatoriets mørke himmel.

Trinn 2: TESS-W fotometerelektronikk

Elektronisk tavle

Hovedkomponenten i TESS er et skreddersydd elektronisk kort (PCB, kretskort).

Filen som trengs for PCB kan lastes ned fra

Kretskortet er designet for å passe inn i den valgte skapboksen (se senere).

Hovedkomponenter

PCBs elektroniske deler kan bla gjennom på bildet som følger med og i den medfølgende filen.

Trinn 3: TESS-W fotometeroptikk

Design og komponenter

Lyset fra himmelen samles med optikken som inkluderer et dikroisk filter for å velge båndpass. Filteret dekker oppsamleren helt. Fotometeret har et klart vindu som lar himmellyset komme inn i fotometeret. Innsiden er beskyttet med et glassklart vindu.

Den optiske designen er avbildet i den første figuren. Lyset passerer det klare filtervinduet (1) og går inn gjennom et hull (3) på kapslingsdekselet (2). Det klare vinduet limes til dekselet til skapet. Det dikroiske filteret (4) er plassert på toppen av lyskollektoren (5). Detektoren (6) er plassert ved kollektorutgangen.

Det klare vinduet

Den første komponenten er et gjennomsiktig vindu som lar lyset passere til resten av komponentene og forsegler fotometeret. Dette er et vindu laget i glass (BAK7) fordi det skal tåle været. Vinduet har en tykkelse på 2 mm og en diameter på 50 mm. Overføringskurven er målt på LICA-UCM optisk arbeidsbenk. Det er nesten konstant ~ 90% i bølgelengdeområdet 350nm -1050nm, det betyr at det klare vinduet ikke innfører endring i lysets farge.

Det dikroiske filteret

Det dikroiske filteret er et avrundet filter på 20 mm i diameter for å dekke lyssamleren fullstendig. Dette sikrer at det ikke er noe ufiltrert lys som når detektoren. Dette er viktig siden TSL237 -detektoren er fornuftig i infrarød (IR). UVIR -filteret ble designet for å overføre fra 400 til 750 nm, dvs. det kutter det ultrafiolette svaret til detektoren under 400 nm og IR -responsen over 750 nm. Overføringskurven ligner en kombinasjon av et langpass og et kortpassfilter med nesten flat respons som når nesten 100% målt i LICA-UCM optisk arbeidsbenk (se plottene i beskrivelsen)

Lyssamleren

For å samle lyset fra himmelen bruker TESS en lyssamler. Denne samleren er veldig billig fordi den er laget i plast ved hjelp av sprøytestøping. Disse linsene brukes til å stråle lyset i lommelykter. Den indre delen er en gjennomsiktig paraboloid reflektor. Den svarte holderen forhindrer at det lysende lyset når detektoren.

Vi bruker kolleksjoner av svart lys med nominell 60 grader FoV. Ved bruk i TESS reduseres FoV på grunn av posisjonen til detektoren utenfor oppsamleren. Den siste målte FoV (inkludert mulig vignettering fra kabinettdekselet) er målt i den optiske arbeidsbenken. Vinkelresponsen ligner en gaussisk funksjon på 17 grader full bredde på halv maksimum (FWHM).

Boksen

Elektronikken og optikken til TESS fotometeret er beskyttet av et enkelt kabinett basert på en kommersiell plastboks som er egnet til å være utendørs og motstå forvitring.

Boksen er liten (utsiden: 58 x 83 x 34 mm; innsiden: 52 x 77 x 20 mm). Boksen har et skruedeksel for å få tilgang til innsiden. Den forseglede konstruksjonen gir nok beskyttelsesnivå mot inntrengning av både vann og støv. For å forhindre at skruene lider av rust, har de originale skruene blitt byttet med skruer i rustfritt stål.

Trinn 4: TESS-W-kabinett

Boksen

Elektronikken og optikken til TESS fotometeret er beskyttet av et enkelt kabinett basert på en kommersiell plastboks som er egnet til å være utendørs og motstå forvitring.

Boksen er liten (utsiden: 58 x 83 x 34 mm; innsiden: 52 x 77 x 20 mm). Boksen har et skruedeksel for å få tilgang til innsiden. Den forseglede konstruksjonen gir nok beskyttelsesnivå mot inntrengning av både vann og støv. For å forhindre at skruene lider av rust, har de originale skruene blitt byttet med skruer i rustfritt stål.

Boksmaskinering

Det er nødvendig å utføre litt enkel bearbeiding på esken. Vinduet som lar lyset nå lyssamleren har en bredde på 20 mm i diameter. Det er dekket av et klart vindu som skal limes med værbestandig silikon. Det lille hullet er IR -termometerporten og har 8,5 mm i diameter. På den andre siden av boksen er det nødvendig med et 12 mm hull for kabelgjennomføringen. De to perforeringene på 2,5 mm brukes til å feste varmeren til boksdekselet.

Trinn 5: Montering av TESS-W fotometer

1. Forberedelse

1. Mal esken inne i svart.

Boksmaskinering

2. Boring:

● 1x 20 mm for vinduet ● 1x 12 mm for kabelgjennomføringen. ● 1x 8,5 mm for termopilen. ● 2x 2,5 mm for varmeapparatet. ● 2x 1 mm på siden av esken.

3. Bor aluminiums diffusorplate (1 mm tykkelse) for varmeapparatets motstand, 4. Skru motstanden og platen på lokket. Lim 8 mm avstandsstykker til kretskortet. Lim det klare vinduet (motstandsvarmeren skal skrues på plass)

Termopile

7. Fjern spenningsregulatoren og koble til begge terminalene ved å lodde en bro. Lodd en 4-pinners wire-to-board kontakt med 60 mm lengde. Lim termopilen til omslaget.

Antenne

10. Bor et hull for å feste antennen til esken. Trim hjørnene på antennen. Fjern den keramiske antennen på wifi -modulen og også antennekontakten og den røde LED -en.

2. Montering

Følg denne bestilte sekvensen:

1. Fest antennen til esken med en skrue. Plasser kabelgjennomføringen og strømledningen. Fest solfangeren (svart flaske) til kretskortet (to skruer).4. Fest kretskortet til esken (to skruer).5. Skru strømkabelen til den grønne kortkontakten. (Rød ledning til positiv).6. Loddeantennekabel til wifi -modul. Lodding til motstandsvarmer en 2-pinners 2-pinners ledning til bordkontaktkabel på 55 mm.8. Koble termopilen og motstanden (vær forsiktig så du ikke ødelegger kretskortet).

Motstanden fungerer som varmeapparat og er koblet til dekselet med en aluminiumsplate. Bildene forklarer de neste prosessene: Antennen skal skrus fast i boksen, regulatoren til termopilen er byttet ut med en bro, og de to avstandsstykkene (i svart) for kretskortet skal limes på esken. Innsiden av esken er malt i svart.

En av figurene viser den originale WIFI -modulen som har en keramisk antenne og en kontakt for å koble til en ekstra antenne (øverst). Vi bruker en antenne hvis kabel er loddet til wifi -modulen (nederst). Vær oppmerksom på at den keramiske antennen, stikkontakten og den røde LED -en nær kabelen er fjernet.

Trinn 6: TESS-W fotometrisk kalibrering

Fotometerene bør kalibreres for å sikre at målingene fra forskjellige enheter er konsistente. TESS-W er krysskalibrert i forhold til et masterfotometer ved Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) ved Universidad Complutense de Madrid.

Oppsettet er en integrerende sfære hvis interiør kan belyses av en lyskilde og med flere optiske porter for å koble fotometrene. Lyskilden som brukes er en LED på 596 nm med 14 nm FWHM.

Hvis du ønsker å kalibrere TESS-W fotometeret ditt, kan du kontakte LICA-UCM.

Trinn 7: TESS-W-programvare

WIFI -modul programvare

Kommunikasjon og programvare

Hele systemet inkluderer et sensornettverk og en programvaremegler som formidler mellom informasjonsprodusenter og forbrukere som er forbeholdt kalibrerte sensorer. Når du har kalibrert fotometeret ditt (se trinn 6), vil STARS4ALL gi deg legitimasjon for å publisere i megleren.

En prøveforbruker i Python for å lagre data i en SQLite -database er utviklet. Denne forbrukeren kan installeres på en eller flere PCer eller servere. Programvarens hovedkarakteristikker er oppført nedenfor:

● Tilpasset programvare for TESS utviklet i C.

● MQTT -utgiverprogramvare utviklet i Arduino IDE- og ESP8266 -bibliotekene.

● MQTT Broker enten i en intern distribusjon eller en tilgjengelig tredjepart (dvs. test mosquitto.org)

● MQTT -abonnentprogramvare som mottar data fra utgivere og lagrer dem i en relasjonsdatabase (SQLite).

MQTT er en lettprotokoll M2M / Internet of Things som er egnet for begrensede enheter som krever langt mindre overhead enn HTTP -basert kommunikasjon.

Hver sensor sender periodiske målinger til en ekstern MQTT -server via en lokal ruter. Denne serveren - kalt "megler" i MQTT -verdenen - mottar data fra mange sensorer og distribuerer til alle abonnenter, og kobler dermed utgivere fra forbrukere. Den eksterne serveren kan distribueres enten internt i et sentralt anlegg for prosjektet. Alternativt kan vi bruke tilgjengelige, gratis MQTT -meglere som test.mosquitto.org.

Enhver programvareklient kan abonnere på megleren og forbruke informasjonen som er publisert av TESS -enhetene. En spesiell MQTT -klient vil bli utviklet for å samle alle disse dataene og lagre dem i en SQLite -database.

Enhetskonfigurasjon

● Instrumentkonfigurasjonen reduseres til et minimum for å hjelpe vedlikeholdet.

● Hver enhet trenger denne konfigurasjonen:

o WiFi SSID og passord.

o Fotometer kalibreringskonstant.

o MQTT Broker IP -adresse og port.

o Instrumentvennlig navn (unikt per enhet)

o MQTT -kanalnavn (som beskrevet ovenfor)

WiFi -konfigurasjon

Når TESS-W først kobles til strømmen, oppretter det et WiFi-tilgangspunkt. Brukeren fyller ut innstillingene som inkluderer navnet (SSID) og passordet til WiFi -ruteren, nullpunktet til fotometrien og internettadressen og navnet på meglerlageret. Etter en tilbakestilling og slå av og på syklusen begynner TESS -fotometeret å produsere og sende data.

Ved første oppstart starter TESS som et tilgangspunkt med navnet TESSconfigAP. En mobiltelefon må koble seg til dette tilgangspunktet.

● Bla gjennom en nettleser med følgende URL:

● Fyll ut skjemaet med parameterne oppført i 2.3

● Start enheten på nytt, som kobles til den lokale ruteren.

Når enheten mister koblingen til WiFi -ruteren, starter du på nytt og konfigurerer deg selv igjen som et tilgangspunkt, noe som er praktisk å endre konfigurasjonen.

Programvare

TESS-W-fastvaren og en dokumentasjon finnes på github-depotet

github.com/cristogg/TESS-W

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

For mikroprosessoren

Trinn 8: Avsluttende kommentarer

STARS4ALL Foundation er en videreføring av STARS4ALL-prosjektet som har ansvaret for driften av TESS-W fotometernettverk. Dette er et borgervitenskapelig prosjekt som produserer data av interesse for studier av lysforurensning.

Når fotometeret er kalibrert og konfigurert, begynner målingene å sendes til STARS4ALL -infrastrukturen. Disse målingene kan visualiseres fra plattformen vår (https://tess.stars4all.eu/plots/). I tillegg kan alle data som genereres i nettverket lastes ned fra vårt Zenodo -fellesskap (https://zenodo.org/communities/stars4all)