TESS-W Night Sky Brightness Photometer: 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

TESS-W er et fotometer designet til at måle og kontinuerlig overvåge nattehimmelens lysstyrke til undersøgelser af lysforurening. Det blev oprettet under STARS4ALL H2020 European Project med et åbent design (hardware og software). TESS-W fotometeret er designet til at sende data via WIFI. Dataene visualiseres i realtid og deles (åbne data). Gennemse https://tess.stars4all.eu/ for at få flere oplysninger.

Dette dokument indeholder nogle tekniske detaljer om TESS-W nattehimmelens lysstyrke fotometer og beskriver, hvordan man bygger det. Det inkluderer sensorens elektroniske og optiske skemaer og også det vejrbestandige kabinet.

Flere oplysninger om TESS -fotometeret blev præsenteret i Zamorano et al. “STARS4ALL nattehimmelens lysstyrke fotometer” på Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumænien, september 2016.

TESS-W er udviklet af et team, og designet er baseret på arbejdet i Cristóbal García.

Dette er den første arbejdsversion af Instructables. Hold øje.

Trin 1: Beskrivelse af TESS-W

Fotometeret er lukket i en vejrbestandig æske, der indeholder specialfremstillet elektronik og optiske dele. TESS har et specialfremstillet printkort (PCB) med en ESP8266. ESP8266 er en billig WIFI-chip med fuld TCP/IP-stak og mikrokontroller. Elektronikken bruges til at aflæse frekvensen fra TSL237-lyssensoren (til nattehimmelens lysstyrke) og også MLX90614ESF-BA Infrarødt termometer-modul (til oplysninger om skydække).

Himlens lysstyrke detektor er en TSL237 fotodiode, der konverterer lys til frekvens. Det er den samme sensor, der bruges af SQM -fotometre. Båndpassagen er imidlertid mere udvidet til det røde område ved brug af et dikroisk filter (mærket UVIR på plottene) i forhold til BG38 -farvefilteret i SQM.

Lyset fra himlen opsamles med optikken, der inkluderer et dikroisk filter til valg af båndpass. Filteret dækker solfangeren (1) helt. Sensoren (ses ikke på dette billede) er placeret på et printkort sammen med den specialfremstillede elektronik (2). WIFI -modulet (3) med en antenne inde i kassen, der udvider WIFI -området. En nær-infrarød sensor (4) bruges til at måle himmelens temperatur. Endelig tændes varmelegemet (5), når det er nødvendigt for at slippe af med kondens på vinduet eller endda for at smelte isen eller sneen (6). Synsfeltet (FoV) er FWHM = 17 grader.

TESS-Ws spektralrespons sammenlignes med de astronomiske Johnson B, V og R fotometriske bånd og med spektre af en lysforurenet himmel i Madrid og Calar Alto astronomiske observatorium mørk himmel.

Trin 2: TESS-W fotometerelektronik

Elektronisk bord

Hovedkomponenten i TESS er et specialfremstillet elektronisk kort (printkort, printkort).

Filen, der er nødvendig til printkortet, kan downloades fra

Printkortet er designet til at passe ind i den valgte kabinet (se senere).

Hovedkomponenter

PCB'ernes elektroniske dele kan gennemses på billedet ledsaget og i den medfølgende fil.

Trin 3: TESS-W fotometeroptik

Design og komponenter

Lyset fra himlen opsamles med optikken, der inkluderer et dikroisk filter til valg af båndpass. Filteret dækker solfangeren fuldstændigt. Fotometerets kabinet har et klart vindue, der tillader himlens lys at komme ind i fotometeret. Indersiden er beskyttet med et glas klart vindue.

Det optiske design er afbildet i den første figur. Lyset passerer det klare filtervindue (1) og kommer ind gennem et hul (3) på kabinetdækslet (2). Det klare vindue limes til kabinetdækslet. Det dikroiske filter (4) er placeret oven på lyskollektoren (5). Detektoren (6) er placeret ved opsamlerudgangen.

Det klare vindue

Den første komponent er et gennemsigtigt vindue, der lader lyset passere til resten af komponenterne og forsegler fotometeret. Dette er et vindue fremstillet i glas (BAK7), fordi det skal modstå vejret. Vinduet har en tykkelse på 2 mm og en diameter på 50 mm. Transmissionskurven er blevet målt på LICA-UCM optisk arbejdsbord. Det er næsten konstant ~ 90% i bølgelængdeområdet 350nm -1050nm, det betyder, at det klare vindue ikke indfører ændringer i lysets farve.

Det dikroiske filter

Det dikroiske filter er et afrundet filter med en diameter på 20 mm til fuldstændigt at dække lysopsamleren. Dette sikrer, at der ikke er noget ufiltreret lys, der når detektoren. Dette er vigtigt, da TSL237 -detektoren er fornuftig i infrarød (IR). UVIR -filteret er designet til at transmittere fra 400 til 750 nm, det vil sige det skærer detektorens ultraviolette respons under 400 nm og IR -responset over 750 nm. Transmissionskurven ligner en kombination af et long pass og et short pass filter med næsten fladt svar, der når næsten 100% målt i LICA-UCM optisk arbejdsbord (se plots i beskrivelsen)

Lysopsamleren

For at samle lyset fra himlen bruger TESS en lyssamler. Denne opsamler er meget billig, fordi den er fremstillet i plast ved hjælp af sprøjtestøbning. Disse linser bruges til at stråle lyset i lommelygter. Den indvendige del er en gennemsigtig paraboloid reflektor. Den sorte holder forhindrer, at det omstrejfende lys når detektoren.

Vi bruger sorte lysopsamlere med nominel 60 grader FoV. Ved brug i TESS reduceres FoV på grund af detektorens position uden for opsamleren. Den sidste målte FoV (inklusive den mulige vignettering fra kabinetdækslet) er målt i det optiske arbejdsbord. Vinkelresponsen ligner en gaussisk funktion på 17 grader i fuld bredde ved halv maksimum (FWHM).

Kassen

TESS -fotometerets elektronik og optik er beskyttet af et enkelt kabinet baseret på en kommerciel plastkasse, der er velegnet til at være udendørs og modstå vejrlig.

Boksen er lille (udvendig: 58 x 83 x 34 mm; indvendig: 52 x 77 x 20 mm). Kassen har et skruelåg for at få adgang til indersiden. Den forseglede konstruktion giver tilstrækkelig beskyttelse mod indtrængen af både vand og støv. For at forhindre, at skruerne lider af rust, er de originale skruer ændret med skruer i rustfrit stål.

Trin 4: TESS-W-kabinet

Kassen

TESS -fotometerets elektronik og optik er beskyttet af et enkelt kabinet baseret på en kommerciel plastkasse, der er velegnet til at være udendørs og modstå vejrlig.

Æsken er lille (udvendig: 58 x 83 x 34 mm; indvendig: 52 x 77 x 20 mm). Kassen har et skruelåg for at få adgang til indersiden. Den forseglede konstruktion giver tilstrækkelig beskyttelse mod indtrængen af både vand og støv. For at forhindre, at skruerne lider af rust, er de originale skruer ændret med skruer i rustfrit stål.

Kassebearbejdning

Det er nødvendigt at udføre en enkel bearbejdning på kassen. Vinduet, der tillader lys at nå lysopsamleren, har en bredde på 20 mm i diameter. Det er dækket af et klart vindue, der skal limes med vejrbestandig silikone. Det lille hul er IR -termometerporten og har 8,5 mm i diameter. På den anden side af kassen er det nødvendigt med et 12 mm hul til kabelforskruningen. De to perforeringer på 2,5 mm bruges til at fastgøre varmelegemet til kassedækslet.

Trin 5: Montering af TESS-W fotometer

1. Forberedelse

1. Mal kassen indvendigt med sort.

Kassebearbejdning

2. Boring:

● 1x 20 mm til vinduet ● 1x 12 mm til kabelforskruningen. ● 1x 8,5 mm til termopilen ● 2x 2,5 mm til varmeapparatet. ● 2x 1 mm på boksens side.

3. Bor aluminiums diffusorplade (1 mm tykkelse) for varmelegemets modstand, 4. Skru modstanden og pladen fast på dækslet.5. Lim de 8 mm afstandsstykker til printet. Lim det klare vindue (modstandsvarmeren skal skrues på plads)

Termopil

7. Fjern spændingsregulatoren, og tilslut begge terminaler ved at lodde en bro. Lod et 4-polet wire til bord-stik med et enkelt hoved med en længde på 60 mm. Lim termopilen til dækslet.

Antenne

10. Bor et hul for at fastgøre antennen til boksen. Trim hjørnerne af antennen. Fjern den keramiske antenne på wifi -modulet og også antennekonnektoren og den røde LED.

2. Montering

Følg venligst denne ordnede rækkefølge:

1. Fastgør antennen til æsken med en skrue. Placer kabelforskruningen og netledningen. Fastgør solfangeren (sort cylinder) til printkortet (to skruer).4. Fastgør printkortet til æsken (to skruer).5. Skru strømkablet til det grønne kortstik. (Rød ledning til positiv).6. Loddet antenne kabel til wifi modul. Loddemodstand til modstandsvarmer et enkelt-hoved 2-benet kabel til bord-stik på 55 mm.8. Tilslut termopilen og modstanden (pas på ikke at bryde printet).

Modstanden fungerer som en varmelegeme og er forbundet til dækslet med en aluminiumsplade. Billederne forklarer de næste processer: Antennen skal skrues fast i kassen, termopilens regulator er blevet erstattet af en bro, og de to afstandsstykker (i sort) til printkortet skal limes til kassen. Kassens inderside er malet i sort.

En af figurerne viser det originale WIFI -modul, der har en keramisk antenne og et stik til tilslutning af en ekstra antenne (øverst). Vi bruger en antenne, hvis kabel er loddet til wifi -modulet (nederst). Bemærk, at den keramiske antenne, stikkontakten og den røde LED nær kablet er fjernet.

Trin 6: TESS-W fotometrisk kalibrering

Fotometre skal kalibreres for at sikre, at målingerne fra forskellige enheder er konsistente. TESS-W er krydskalibreret i forhold til et masterfotometer på Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) fra Universidad Complutense de Madrid.

Opsætningen er en integrerende sfære, hvis indre kunne belyses af en lyskilde og med flere optiske porte til at forbinde fotometre. Den anvendte lyskilde er en LED på 596 nm med 14 nm FWHM.

Hvis du ønsker at kalibrere dit TESS-W fotometer, kan du kontakte LICA-UCM.

Trin 7: TESS-W Software

WIFI -modul software

Kommunikation og software

Det komplette system omfatter et sensornetværk og en softwaremægler, der formidler mellem informationsproducenter og forbrugere, der er forbeholdt kalibrerede sensorer. Når du har kalibreret dit fotometer (se trin 6), vil STARS4ALL give dig legitimationsoplysninger til at offentliggøre i mægleren.

Der er udviklet en prøveforbruger i Python til at gemme data i en SQLite -database. Denne forbruger kan installeres på en eller flere pc'er eller servere. Softwarens hovedkarakteristika er anført nedenfor:

● Tilpasset software til TESS udviklet i C.

● MQTT -udgiversoftware udviklet i Arduino IDE- og ESP8266 -bibliotekerne.

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

● MQTT -abonnentsoftware, der modtager data fra udgivere og lagrer dem i en relationsdatabase (SQLite).

MQTT er en letvægtsprotokol M2M / Internet of Things, der er velegnet til begrænsede enheder, der kræver langt mindre overhead end HTTP -baseret kommunikation.

Hver sensor sender periodisk målinger til en fjern MQTT -server via en lokal router. Denne server - kaldet "mægler" i MQTT -verdenen - modtager data fra mange sensorer og videredistribuerer til alle abonnerede parter og afkobler dermed udgivere fra forbrugere. Fjernserveren kan enten indsættes internt i en central facilitet til projektet. Alternativt kan vi bruge tilgængelige, gratis MQTT -mæglere såsom test.mosquitto.org.

Enhver softwareklient kan abonnere på mægleren og forbruge de oplysninger, der er offentliggjort af TESS -enhederne. En særlig MQTT -klient vil blive udviklet til at indsamle alle disse data og gemme dem i en SQLite -database.

Enhedskonfiguration

● Instrumentkonfiguration reduceres til et minimum for at hjælpe med vedligeholdelse.

● Hver enhed har brug for denne konfiguration:

o WiFi SSID og adgangskode.

o Fotometer kalibreringskonstant.

o MQTT Broker IP -adresse og port.

o Instrumentvenligt navn (unikt pr. enhed)

o MQTT -kanalnavn (som beskrevet ovenfor)

WiFi -konfiguration

Ved første tilslutning til strømmen opretter TESS-W et WiFi-adgangspunkt. Brugeren udfylder de indstillinger, der indeholder navnet (SSID) og adgangskoden til WiFi -routeren, fotometriens nulpunkt og internetadressen og navnet på mæglerlageret. Efter en nulstilling, sluk og tænd cyklus, begynder TESS -fotometeret at producere og sende data.

Ved første opstart starter TESS som et adgangspunkt med navnet TESSconfigAP. En mobiltelefon skal oprette forbindelse til dette adgangspunkt.

● Gennemse følgende webadresse med en internetbrowser:

● Udfyld formularen med parametrene i 2.3

● Genstart enheden, som opretter forbindelse til den lokale router.

Når enheden mister forbindelsen til WiFi -routeren, skal du genstarte og konfigurere sig selv igen som et adgangspunkt, hvilket er praktisk at ændre konfigurationen.

Software

TESS-W-firmwaren og en dokumentation kan findes på github-depotet

github.com/cristogg/TESS-W

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

Til mikroprocessorenhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Trin 8: Afsluttende bemærkninger

STARS4ALL Foundation er en fortsættelse af STARS4ALL-projektet, der står for driften af TESS-W fotometernettet. Dette er et borgervidenskabeligt projekt, der producerer data af interesse for undersøgelser af lysforurening.

Når dit fotometer er kalibreret og konfigureret, begynder målingerne at sende til STARS4ALL -infrastrukturen. Disse målinger kan visualiseres fra vores platform (https://tess.stars4all.eu/plots/). Desuden kan alle data, der genereres i netværket, downloades fra vores Zenodo -fællesskab (https://zenodo.org/communities/stars4all)