TESS-W Night Sky Brightness -mittari: 8 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

TESS-W on fotometri, joka on suunniteltu mittaamaan ja jatkuvasti seuraamaan yötaivaan kirkkautta valon pilaantumistutkimuksia varten. Se luotiin STARS4ALL H2020 eurooppalaisen projektin aikana avoimella suunnittelulla (laitteisto ja ohjelmisto). TESS-W-fotometri on suunniteltu lähettämään tietoja WIFI-yhteyden kautta. Tiedot visualisoidaan reaaliajassa ja jaetaan (avoin data). Selaa https://tess.stars4all.eu/ saadaksesi lisätietoja.

Tämä asiakirja sisältää joitakin teknisiä yksityiskohtia TESS-W-yötaivaan kirkkausfotometristä ja kuvaa sen rakentamista. Se sisältää anturin elektroniset ja optiset kaaviot sekä myös säänkestävän kotelon.

Lisätietoja TESS -fotometristä esitettiin julkaisussa Zamorano et ai. "STARS4ALL yötaivaan kirkkausfotometri" Artificial Light At Night Meetingissa (ALAN2016) Clujissa, Napoca, Romania, syyskuu 2016.

TESS-W on kehittänyt tiimi ja suunnittelu perustuu Cristóbal Garcían työhön.

Tämä on Instructablen ensimmäinen toimiva versio. Pysy kuulolla.

Vaihe 1: TESS-W: n kuvaus

Fotometri on suljettu säänkestävään laatikkoon, joka sisältää mittatilaustyönä valmistettuja elektroniikka- ja optisia osia. TESS: llä on mittatilaustyönä valmistettu piirilevy (PCB), jossa on ESP8266. ESP8266 on edullinen WIFI-siru, jossa on täysi TCP/IP-pino ja mikrokontrolleri. Elektroniikkaa käytetään TSL237-valotunnistimen antaman taajuuden lukemiseen (yötaivaan kirkkaustiedot) ja myös MLX90614ESF-BA-infrapunalämpömittarimoduuliin (pilvipeitteen tietoihin).

Taivaan kirkkauden ilmaisin on TSL237 -fotodiodi, joka muuntaa valon taajuudeksi. Se on sama anturi, jota SQM -fotometrit käyttävät. Kaistanpäästö on kuitenkin laajennettu punaiselle alueelle käyttämällä dikroista suodatinta (merkitty UVIR -merkinnällä) SQM: n BG38 -värisuodattimen suhteen.

Taivaalta tuleva valo kerätään optiikalla, joka sisältää dikroisen suodattimen kaistanpäästön valitsemiseksi. Suodatin peittää keräimen (1) kokonaan. Anturi (ei näy tässä kuvassa) sijaitsee piirilevyllä yhdessä mittatilaustyönä tehdyn elektroniikan (2) kanssa. WIFI -moduuli (3), jonka kotelon sisällä on antenni, joka laajentaa WIFI -kantamaa. Lähi-infrapuna-anturia (4) käytetään taivaan lämpötilan mittaamiseen. Lopuksi lämmitin (5) kytketään päälle, kun sitä tarvitaan ikkunan kosteuden poistamiseksi tai jopa jään tai lumen sulamiseksi (6). Näkökenttä (FoV) on FWHM = 17 astetta.

TESS-W: n spektrivastetta verrataan tähtitieteellisiin Johnsonin B-, V- ja R-fotometrisiin kaistoihin sekä Madridin valon saastaman taivaan ja Calar Alton tähtitieteellisen observatorion tumman taivaan spektreihin.

Vaihe 2: TESS-W-fotometrin elektroniikka

Elektroninen levy

TESS: n pääkomponentti on mittatilaustyönä valmistettu elektroninen levy (PCB, painettu piirilevy).

Piirilevylle tarvittava tiedosto voidaan ladata osoitteestahttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/docs/TessWifi-PCB-files.zip

Piirilevy on suunniteltu sopimaan valitun kotelon sisälle (katso myöhemmin).

Pääkomponentit

Piirilevyjen elektronisia osia voi selata mukana tulevassa kuvassa ja mukana toimitetussa tiedostossa.

Vaihe 3: TESS-W-fotometrin optiikka

Suunnittelu ja komponentit

Taivaalta tuleva valo kerätään optiikalla, joka sisältää dikroisen suodattimen kaistanpäästön valitsemiseksi. Suodatin peittää keräimen kokonaan. Fotometrin kotelossa on kirkas ikkuna, jonka kautta taivaan valo pääsee fotometriin. Sisäpuoli on suojattu kirkkaalla lasilla.

Optinen rakenne on esitetty ensimmäisessä kuvassa. Valo kulkee läpinäkyvän suodatinikkunan (1) läpi ja menee kotelon kannen (2) reiän (3) läpi. Kirkas ikkuna on liimattu kotelon kanteen. Dikroosisuodatin (4) sijaitsee valonkeräimen (5) päällä. Ilmaisin (6) on sijoitettu keräimen poistoaukkoon.

Kirkas ikkuna

Ensimmäinen komponentti on läpinäkyvä ikkuna, joka päästää valon muihin komponentteihin ja tiivistää fotometrin. Tämä ikkuna on valmistettu lasista (BAK7), koska sen pitäisi kestää säätä. Ikkunan paksuus on 2 mm ja halkaisija 50 mm. Lähetyskäyrä on mitattu optisella LICA-UCM-työpöydällä. Se on lähes vakio ~ 90% aallonpituusalueella 350nm -1050nm, mikä tarkoittaa, että kirkas ikkuna ei muuta valon väriä.

Dikrooninen suodatin

Dikroosisuodatin on pyöristetty suodatin, jonka halkaisija on 20 mm ja joka peittää valonkeräimen kokonaan. Tämä varmistaa, että suodattamaton valo ei pääse ilmaisimeen. Tämä on tärkeää, koska TSL237 -ilmaisin on järkevä infrapunassa (IR). UVIR -suodatin on suunniteltu lähettämään 400 - 750 nm, eli se leikkaa ilmaisimen ultraviolettivasteen alle 400 nm: n ja IR -vasteen yli 750 nm: n. Lähetyskäyrä on samanlainen kuin pitkän ja lyhyen läpäisyn suodattimen yhdistelmä, jonka vaste on lähes tasainen ja saavuttaa lähes 100% mitattuna LICA-UCM-optisella työpöydällä (katso kuvaajat kuvauksessa)

Valonkeräin

TESS käyttää valon keräämiseen taivaalta valonkeräintä. Tämä keräin on erittäin halpa, koska se on valmistettu muovista ruiskuvalulla. Näitä linssejä käytetään valaisemaan valoa taskulampuissa. Sisäosa on läpinäkyvä paraboloidiheijastin. Musta pidike estää hajavalon pääsyn ilmaisimeen.

Käytämme mustavalonkeräimiä, joiden nimellisarvo on 60 astetta FoV. Käytettäessä TESS: ssä FoV pienenee ilmaisimen sijainnin vuoksi keräimen ulkopuolella. Lopullinen mitattu FoV (mukaan lukien mahdollinen vinjetointi kotelon kannelta) on mitattu optisella työpöydällä. Kulmavaste on samanlainen kuin Gaussin funktio, joka on 17 astetta koko leveydellä puoleen maksimista (FWHM).

Laatikko

TESS -fotometrin elektroniikka ja optiikka on suojattu yksinkertaisella kotelolla, joka perustuu kaupalliseen muovilaatikkoon, joka soveltuu ulkoiluun ja säänkestävyyteen.

Laatikko on pieni (ulkopuolella: 58 x 83 x 34 mm; sisällä: 52 x 77 x 20 mm). Laatikossa on ruuvisuojus sisälle pääsemiseksi. Tiivistetty rakenne tarjoaa riittävän suojan sekä veden että pölyn pääsyltä. Ruuvien ruostumisen estämiseksi alkuperäiset ruuvit on vaihdettu ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla ruuveilla.

Vaihe 4: TESS-W-kotelo

Laatikko

TESS -fotometrin elektroniikka ja optiikka on suojattu yksinkertaisella kotelolla, joka perustuu kaupalliseen muovilaatikkoon, joka soveltuu ulkoiluun ja säänkestävyyteen.

Laatikko on pieni (ulkopuolella: 58 x 83 x 34 mm; sisällä: 52 x 77 x 20 mm). Laatikossa on ruuvisuojus sisälle pääsemiseksi. Tiivistetty rakenne tarjoaa riittävän suojan sekä veden että pölyn pääsyltä. Ruuvien ruostumisen estämiseksi alkuperäiset ruuvit on vaihdettu ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla ruuveilla.

Laatikon työstö

Laatikkoon on tehtävä yksinkertainen työstö. Ikkunan, jonka avulla valo pääsee valonkeräimeen, on halkaisijaltaan 20 mm. Se on peitetty kirkkaalla ikkunalla, joka tulee liimata säänkestävällä silikonilla. Pieni reikä on IR -lämpömittarin portti ja sen halkaisija on 8,5 mm. Laatikon toisella puolella tarvitaan 12 mm: n reikä kaapelitiivistettä varten. Kahta 2,5 mm: n reikää käytetään lämmittimen kiinnittämiseen laatikon kanteen.

Vaihe 5: TESS-W-fotometrin asennus

1. Valmistelu

1. Maalaa laatikko sisälle mustaksi.

Laatikon työstö

2. Poraus:

● 1x 20 mm ikkunalle. ● 1x 12 mm kaapeliläpiviennille. ● 1x 8,5 mm lämpöputkelle. ● 2x 2,5 mm lämmittimelle. ● 2x 1 mm laatikon sivulle.

3. Poraa alumiininen hajotinlevy (paksuus 1 mm) lämmittimen vastusta varten, 4. Ruuvaa vastus ja levy kanteen.5. Liimaa piirilevyn 8 mm: n välikappaleet. Liimaa kirkas ikkuna (vastuslämmitin on ruuvattava paikalleen)

Thermopile

7. Irrota jännitesäädin ja liitä molemmat liittimet juottamalla silta. Juotos yksipäinen 4-napainen johto 60 mm: n pituiseen kortin liittimeen. Liimaa lämpöparisto kanteen.

Antenni

10. Poraa reikä antennin kiinnittämiseksi koteloon. Leikkaa antennin kulmat.12. Irrota wifi -moduulin keraaminen antenni sekä antenniliitin ja punainen LED.

2. Asennus

Noudata tätä järjestettyä järjestystä:

1. Kiinnitä antenni koteloon ruuvilla. Aseta kaapeliläpivienti ja virtajohto paikalleen 3. Kiinnitä keräin (musta sylinteri) piirilevyyn (kaksi ruuvia) 4. Kiinnitä piirilevy laatikkoon (kaksi ruuvia) 5. Kierrä virtajohto vihreän levyn liittimeen. (Punainen johto positiiviseksi) 6. Juotosantennikaapeli wifi -moduuliin 7. Juotos vastuslämmittimeen yksipäinen 2-napainen johto kortin liitäntäkaapeliin 55 mm. Kytke termopari ja vastus (varo rikkomasta piirilevyä).

Vastus toimii lämmittimenä ja on liitetty kanteen alumiinilevyllä. Kuvat selittävät seuraavat prosessit: Antenni on ruuvattava laatikkoon, termopiirin säädin on korvattu sillalla ja kaksi piirilevyn välikappaletta (mustalla) liimattu laatikkoon. Laatikon sisäpuoli on maalattu mustaksi.

Yksi kuvista esittää alkuperäisen WIFI -moduulin, jossa on keraaminen antenni ja pistorasia ylimääräisen antennin liittämistä varten (ylhäällä). Käytämme antennia, jonka kaapeli on juotettu wifi -moduuliin (alhaalla). Huomaa, että keraaminen antenni, pistorasia ja punainen LED -valo kaapelin lähellä on poistettu.

Vaihe 6: TESS-W-fotometrinen kalibrointi

Fotometrit on kalibroitava sen varmistamiseksi, että eri laitteiden mittaukset ovat yhdenmukaisia. TESS-W on ristikalibroitu suhteessa master-fotometriin Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) -yliopistossa Madridin Universidad Complutense de Madridissa.

Kokoonpano on integroiva pallo, jonka sisätilan voisi valaista valonlähde ja jossa on useita optisia portteja fotometrien liittämiseksi. Käytetty valonlähde on 596 nm: n LED ja 14 nm FWHM.

Jos haluat kalibroida TESS-W-fotometrin, voit ottaa yhteyttä LICA-UCM: ään.

Vaihe 7: TESS-W-ohjelmisto

WIFI -moduulin ohjelmisto

Viestintä ja ohjelmistot

Koko järjestelmä sisältää anturiverkoston ja kalibroiduille antureille varatun ohjelmistovälittäjän, joka välittää tiedon tuottajia ja kuluttajia. Kun olet kalibroinut fotometrin (katso vaihe 6), STARS4ALL antaa sinulle valtuudet, jotka voit julkaista välittäjässä.

Pythonissa on kehitetty otoskuluttaja tietojen tallentamiseen SQLite -tietokantaan. Tämä kuluttaja voidaan asentaa yhteen tai useampaan tietokoneeseen tai palvelimeen. Ohjelmiston pääominaisuudet on lueteltu alla:

● C: lle kehitetty mukautettu ohjelmisto TESS: lle.

● MQTT -julkaisijaohjelmisto, joka on kehitetty Arduino IDE- ja ESP8266 -kirjastoihin.

● MQTT Broker joko sisäisessä käyttöönotossa tai käytettävissä olevassa kolmannessa osapuolessa (esim. Testaa mosquitto.org)

● MQTT -tilaajaohjelmisto vastaanottaa tietoja julkaisijoilta ja tallentaa ne relaatiotietokantaan (SQLite).

MQTT on kevyt M2M / esineiden internet -protokolla, joka soveltuu rajoitetuille laitteille ja vaatii paljon vähemmän yleiskustannuksia kuin HTTP -pohjainen viestintä.

Jokainen anturi lähettää määräajoin mittauksia MQTT -etäpalvelimelle paikallisen reitittimen kautta. Tämä palvelin - nimeltään "välittäjä" MQTT -maailmassa - vastaanottaa dataa monilta antureilta ja jakaa sen edelleen kaikille tilatuille osapuolille, mikä irrottaa julkaisijat kuluttajista. Etäpalvelin voidaan ottaa käyttöön joko yrityksen sisällä projektin keskusyksikössä. Vaihtoehtoisesti voimme käyttää saatavilla olevia ilmaisia MQTT -välittäjiä, kuten test.mosquitto.org.

Kuka tahansa ohjelmistoasiakas voi tilata välittäjän ja käyttää TESS -laitteiden julkaisemia tietoja. Kehitetään erityinen MQTT -asiakas, joka kerää nämä tiedot ja tallentaa ne SQLite -tietokantaan.

Laitteen kokoonpano

● Laitteen kokoonpano pienennetään minimiin ylläpidon helpottamiseksi.

● Jokainen laite tarvitsee seuraavat asetukset:

o WiFi SSID ja salasana.

o Fotometrin kalibrointivakio.

o MQTT Brokerin IP -osoite ja portti.

o Laiteystävällinen nimi (yksilöllinen laitetta kohden)

o MQTT -kanavan nimi (kuten edellä on kuvattu)

WiFi -kokoonpano

Kun TESS-W kytketään verkkoon ensimmäisen kerran, se luo WiFi-tukiaseman. Käyttäjä täyttää asetukset, jotka sisältävät WiFi -reitittimen nimen (SSID) ja salasanan, fotometrian nollapisteen sekä välittäjärekisterin Internet -osoitteen ja nimen. Nollauksen ja katkaisun ja päälle kytkemisen jälkeen TESS -fotometri alkaa tuottaa ja lähettää tietoja.

Ensimmäisen käynnistyksen yhteydessä TESS käynnistyy tukiasemana nimellä TESSconfigAP. Matkapuhelimen on muodostettava yhteys tähän tukiasemaan.

● Selaa Internet -selaimella seuraavaa URL -osoitetta:

● Täytä lomake kohdassa 2.3 luetelluilla parametreilla

● Käynnistä laite, joka muodostaa yhteyden paikalliseen reitittimeen.

Kun laite menettää yhteyden WiFi -reitittimeen, käynnistä se uudelleen ja määritä itsesi uudelleen tukiasemana, mikä on kätevää muuttaa kokoonpanoa.

Ohjelmisto

TESS-W-laiteohjelmiston dokumentaatio löytyy github-arkistosta

github.com/cristogg/TESS-W

ESP8266:

Mikroprosessori

Vaihe 8: Viimeiset huomautukset

STARS4ALL-säätiö on jatkoa STARS4ALL-projektille, joka vastaa TESS-W-fotometriverkoston toiminnasta. Tämä on kansalaistieteellinen hanke, joka tuottaa kiinnostavia tietoja valosaasteiden tutkimuksia varten.

Kun fotometri on kalibroitu ja konfiguroitu, se alkaa lähettää mittauksia STARS4ALL -infrastruktuuriin. Nämä mittaukset voidaan visualisoida alustaltamme (https://tess.stars4all.eu/plots/). Lisäksi kaikki verkossa syntyvät tiedot voidaan ladata Zenodo -yhteisöltämme (https://zenodo.org/communities/stars4all)