Фотометр яркости ночного неба TESS-W: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

TESS-W - это фотометр, предназначенный для измерения и непрерывного мониторинга яркости ночного неба с целью изучения светового загрязнения. Он был создан в рамках европейского проекта STARS4ALL H2020 с открытым дизайном (аппаратное и программное обеспечение). Фотометр TESS-W был разработан для отправки данных через WIFI. Данные визуализируются в реальном времени и передаются (открытые данные). Посетите https://tess.stars4all.eu/ для получения дополнительной информации.

Этот документ содержит некоторые технические детали фотометра яркости ночного неба TESS-W и описывает, как его построить. Он включает в себя электронную и оптическую схемы датчика, а также погодозащищенный кожух.

Более подробная информация о фотометре TESS была представлена в Zamorano et al. «Фотометр яркости ночного неба STARS4ALL» на мероприятии «Искусственный свет в ночное время» (ALAN2016), Клуж, Напока, Румыния, сентябрь 2016 г.

TESS-W был разработан командой, а дизайн основан на работе Кристобаля Гарсиа.

Это первая рабочая версия Instructables. Следите за обновлениями.

Шаг 1: Описание TESS-W

Фотометр заключен в водонепроницаемый бокс, в котором находятся электроника и оптика, изготовленные на заказ. TESS имеет изготовленную на заказ печатную плату (PCB) с ESP8266. ESP8266 - это недорогой WIFI-чип с полным стеком TCP / IP и возможностями микроконтроллера. Электроника используется для считывания частоты, предоставляемой датчиком освещенности TSL237 (для данных яркости ночного неба), а также модулем инфракрасного термометра MLX90614ESF-BA (для информации об облачном покрове).

Детектор яркости неба представляет собой фотодиод TSL237, преобразующий свет в частоту. Это тот же датчик, который используется в фотометрах SQM. Однако полоса пропускания более расширена до красного диапазона с использованием дихроичного фильтра (обозначенного UVIR на графиках) по сравнению с цветным фильтром BG38 SQM.

Свет с неба собирается с помощью оптики, которая включает дихроичный фильтр для выбора полосы пропускания. Фильтр полностью закрывает коллектор (1). Датчик (не показан на этом рисунке) расположен на печатной плате вместе с заказной электроникой (2). Модуль WIFI (3) с антенной внутри коробки, которая расширяет диапазон WIFI. Датчик ближнего инфракрасного диапазона (4) используется для измерения температуры неба. Наконец, обогреватель (5) включается, когда необходимо избавиться от конденсата на окне или даже растопить лед или снег (6). Поле зрения (FoV) составляет FWHM = 17 градусов.

Спектральный отклик TESS-W сравнивается с астрономическими фотометрическими полосами B, V и R Джонсона, а также со спектрами загрязненного светом неба Мадрида и темного неба астрономической обсерватории Калар-Альто.

Шаг 2: Электроника фотометра TESS-W

Электронная доска

Основным компонентом TESS является электронная плата, изготовленная на заказ (PCB, печатная плата).

Файл, необходимый для печатной платы, можно загрузить с

Печатная плата рассчитана на то, чтобы поместиться в выбранную коробку корпуса (см. Ниже).

Основные компоненты

Электронные части печатных плат можно просмотреть на прилагаемом изображении и в предоставленном файле.

Шаг 3: Оптика фотометра TESS-W

Дизайн и комплектующие

Свет с неба собирается с помощью оптики, которая включает дихроичный фильтр для выбора полосы пропускания. Фильтр полностью закрывает коллектор. Корпус фотометра имеет прозрачное окно, через которое свет неба проникает в фотометр. Внутренняя часть защищена прозрачным стеклянным окном.

Оптическая схема изображена на первом рисунке. Свет проходит через прозрачное окно фильтра (1) и проникает через отверстие (3) в крышке корпуса (2). Прозрачное окно приклеено к крышке корпуса. Дихроичный фильтр (4) расположен наверху светоприемника (5). Детектор (6) размещен на выходе из коллектора.

Чистое окно

Первый компонент - это прозрачное окно, через которое свет проходит к остальным компонентам и закрывает фотометр. Это окно из стекла (BAK7), потому что оно должно противостоять погодным условиям. Окно имеет толщину 2 мм и диаметр 50 мм. Кривая пропускания измерялась на оптическом стенде LICA-UCM. Он почти постоянен ~ 90% в диапазоне длин волн 350-1050 нм, это означает, что прозрачное окно не вносит изменения в цвет света.

Дихроичный фильтр

Дихроичный фильтр представляет собой закругленный фильтр диаметром 20 мм, полностью закрывающий светоприемник. Это гарантирует, что в детектор не попадет нефильтрованный свет. Это важно, поскольку детектор TSL237 чувствителен в инфракрасном (ИК) диапазоне. Фильтр UVIR был разработан для пропускания от 400 до 750 нм, то есть он сокращает ультрафиолетовый отклик детектора ниже 400 нм и ИК-отклик более 750 нм. Кривая пропускания похожа на комбинацию длинного прохода и короткопроходного фильтра с почти ровным откликом, достигающим почти 100%, как измерено в оптической программе LICA-UCM (см. Графики в описании).

Коллектор света

Чтобы собрать свет с неба, TESS использует светоприемник. Этот коллектор очень дешевый, потому что он сделан из пластика методом литья под давлением. Эти линзы используются для луча света в фонариках. Внутренняя часть представляет собой прозрачный параболоидный отражатель. Черный держатель предотвращает попадание постороннего света на детектор.

Мы используем коллекторы черного света с номинальным полем обзора 60 градусов. При использовании в TESS поле зрения уменьшается из-за расположения детектора вне коллектора. Окончательное измеренное поле зрения (включая возможное виньетирование от крышки корпуса) было измерено на оптическом стенде. Угловой отклик аналогичен функции Гаусса для 17 градусов полной ширины на полувысоте (FWHM).

Коробка

Электроника и оптика фотометра TESS защищены простым корпусом, основанным на коммерческой пластиковой коробке, которая подходит для работы на открытом воздухе и противостоит атмосферным воздействиям.

Коробка небольшая (снаружи: 58 x 83 x 34 мм; внутри: 52 x 77 x 20 мм). Коробка имеет резьбовую крышку для доступа внутрь. Герметичная конструкция обеспечивает достаточный уровень защиты от проникновения воды и пыли. Чтобы винты не ржавели, оригинальные винты были заменены винтами из нержавеющей стали.

Шаг 4: корпус TESS-W

Коробка

Электроника и оптика фотометра TESS защищены простым корпусом, основанным на коммерческой пластиковой коробке, которая подходит для работы на открытом воздухе и противостоит атмосферным воздействиям.

Коробка небольшая (снаружи: 58 x 83 x 34 мм; внутри: 52 x 77 x 20 мм). Коробка имеет резьбовую крышку для доступа внутрь. Герметичная конструкция обеспечивает достаточный уровень защиты от проникновения воды и пыли. Чтобы винты не ржавели, оригинальные винты были заменены винтами из нержавеющей стали.

Обработка коробок

Необходимо произвести простую механическую обработку коробки. Окно, через которое свет попадает в светоприемник, имеет ширину 20 мм в диаметре. Он закрыт прозрачным окном, которое следует заклеить атмосферостойким силиконом. Небольшое отверстие - это порт для ИК-термометра и имеет диаметр 8,5 мм. На другой стороне коробки необходимо отверстие 12 мм для кабельного ввода. Две перфорации по 2,5 мм используются для крепления нагревателя к крышке коробки.

Шаг 5: Установка фотометра TESS-W

1. Подготовка

1. Покрасьте коробку внутри в черный цвет.

Обработка коробок

2. Бурение:

● 1x 20 мм для окна ● 1x 12 мм для кабельного ввода ● 1x 8,5 мм для термобатареи ● 2x 2,5 мм для нагревателя ● 2x 1 мм на стороне коробки.

3. Просверлите алюминиевую пластину диффузора (толщиной 1 мм) для сопротивления нагревателя, 4. Привинтите сопротивление и пластину к крышке. Приклейте 8-миллиметровые прокладки к печатной плате. 6. Приклейте прозрачное окно (резистивный нагреватель должен быть прикручен)

Термобатарея

7. Снимите регулятор напряжения и соедините обе клеммы, припаяв перемычку. 8. Припаяйте 4-контактный провод с одной головкой к разъему платы длиной 60 мм. 9. Приклейте термобатарею к крышке.

Антенна

10. Просверлите отверстие, чтобы прикрепить антенну к коробке. 11. Обрежьте углы антенны 12. Снимите керамическую антенну модуля Wi-Fi, а также антенный разъем и красный светодиод.

2. Монтаж

Пожалуйста, следуйте этой упорядоченной последовательности:

1. Прикрепите антенну к коробке с помощью винта 2. Установите кабельный ввод и шнур питания 3. Закрепите коллектор (черный цилиндр) на плате (два винта) 4. Закрепите плату в коробке (два винта) 5. Прикрутите кабель питания к зеленому разъему на плате. (Красный провод к плюсу) 6. Припаять антенный кабель к модулю Wi-Fi 7. Припаяйте к резистивному нагревателю одинарный 2-контактный провод к соединительному кабелю длиной 55 мм. 8. Подключите термобатарею и сопротивление (будьте осторожны, чтобы не сломать печатную плату).

Сопротивление действует как нагреватель и соединяется с крышкой с помощью алюминиевой пластины. На рисунках поясняются следующие процессы: антенна должна быть прикручена к коробке, регулятор термобатареи был заменен мостом, и две прокладки (черные) для печатной платы должны быть приклеены к коробке. Внутренняя часть коробки окрашена в черный цвет.

На одном из рисунков показан оригинальный модуль WIFI с керамической антенной и разъемом для подключения дополнительной антенны (вверху). Используем антенну, кабель которой припаян к модулю wifi (внизу). Обратите внимание, что керамическая антенна, гнездо и красный светодиод возле кабеля были удалены.

Шаг 6: Фотометрическая калибровка TESS-W

Фотометры следует откалибровать, чтобы обеспечить согласованность измерений с разных устройств. TESS-W проходит перекрестную калибровку по отношению к эталонному фотометру в Лаборатории исследований сентифики Аванзада (LICA) Мадридского Университета Комплутенсе.

Установка представляет собой интегрирующую сферу, внутренняя часть которой может освещаться источником света и с несколькими оптическими портами для подключения фотометров. Используемый источник света представляет собой светодиод 596 нм с FWHM 14 нм.

Если вы хотите откалибровать фотометр TESS-W, вы можете связаться с LICA-UCM.

Шаг 7: Программное обеспечение TESS-W

Программное обеспечение модуля WIFI

Связь и программное обеспечение

Полная система включает в себя сенсорную сеть и программного брокера, который является посредником между производителями и потребителями информации, зарезервированной для откалиброванных сенсоров. После калибровки фотометра (см. Шаг 6) STARS4ALL предоставит вам учетные данные для публикации в брокере.

Был разработан образец потребителя на Python для хранения данных в базе данных SQLite. Этот потребитель может быть установлен на одном или нескольких ПК или серверах. Основные характеристики программного обеспечения перечислены ниже:

● Специальное программное обеспечение для TESS, разработанное на C.

● Программное обеспечение издателя MQTT, разработанное в библиотеках Arduino IDE и ESP8266.

● Брокер MQTT либо внутри компании, либо у доступной третьей стороны (например, тестовый mosquitto.org)

● Программное обеспечение подписчика MQTT, получающее данные от издателей и сохраняющее их в реляционной базе данных (SQLite).

MQTT - это облегченный протокол M2M / Интернета вещей, подходящий для ограниченных устройств, требующий гораздо меньше накладных расходов, чем связь на основе

Каждый датчик периодически отправляет измерения на удаленный сервер MQTT через локальный маршрутизатор. Этот сервер, называемый в мире MQTT «брокером», получает данные от многих датчиков и перераспределяет их между всеми подписанными сторонами, тем самым отделяя издателей от потребителей. Удаленный сервер может быть развернут внутри компании на центральном объекте проекта. В качестве альтернативы мы можем использовать доступные бесплатные брокеры MQTT, такие как test.mosquitto.org.

Любой программный клиент может подписаться на брокера и использовать информацию, публикуемую устройствами TESS. Для сбора всех этих данных и хранения их в базе данных SQLite будет разработан специальный клиент MQTT.

Конфигурация устройства

● Конфигурация прибора будет сведена к минимуму, чтобы облегчить обслуживание.

● Каждому устройству нужна такая конфигурация:

o WiFi SSID и пароль.

o Калибровочная постоянная фотометра.

o IP-адрес и порт MQTT Broker.

o Понятное имя прибора (уникальное для каждого устройства)

o Название канала MQTT (как описано выше)

Конфигурация Wi-Fi

При первом подключении к источнику питания TESS-W создает точку доступа Wi-Fi. Пользователь вводит настройки, которые включают имя (SSID) и пароль WiFi-роутера, нулевую точку фотометрии, интернет-адрес и имя репозитория брокера. После сброса и цикла выключения и включения фотометр TESS начинает производить и отправлять данные.

При первой загрузке TESS запускается как точка доступа с именем TESSconfigAP. К этой точке доступа должен быть подключен мобильный телефон.

● Просмотрите в Интернет-браузере следующий URL:

● Заполните форму с параметрами, указанными в п. 2.3.

● Перезагрузите устройство, которое будет подключаться к локальному маршрутизатору.

Когда устройство теряет связь с WiFi-роутером, перезагружается и снова настраивается как точка доступа, что удобно для изменения конфигурации.

Программное обеспечение

Документацию по прошивке TESS-W можно найти в репозитории github.

github.com/cristogg/TESS-W

Для ESP8266

Для микропроцессора

Шаг 8: Заключительные замечания

Фонд STARS4ALL является продолжением проекта STARS4ALL, который отвечает за работу сети фотометров TESS-W. Это гражданский научный проект, который предоставляет данные, представляющие интерес для исследований светового загрязнения.

Как только ваш фотометр откалиброван и настроен, он начнет отправлять измерения в инфраструктуру STARS4ALL. Эти измерения можно визуализировать с нашей платформы (https://tess.stars4all.eu/plots/). Кроме того, все данные, генерируемые в сети, можно загрузить из нашего сообщества Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)