TESS-W Night Sky Brightness Photometer - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

TESS-W is een fotometer die is ontworpen om de helderheid van de nachtelijke hemel te meten en continu te bewaken voor onderzoek naar lichte vervuiling. Het is gemaakt tijdens het STARS4ALL H2020 European Project met een open ontwerp (hardware en software). De TESS-W fotometer is ontworpen om gegevens via WIFI te verzenden. De data wordt realtime gevisualiseerd en gedeeld (open data). Blader door https://tess.stars4all.eu/ voor meer informatie.

Dit document bevat enkele technische details van de TESS-W night sky-helderheidsfotometer en beschrijft hoe deze te bouwen. Het bevat de elektronische en optische schema's van de sensor en ook de weerbestendige behuizing.

Meer informatie over de TESS-fotometer werd gepresenteerd in Zamorano et al. "STARS4ALL night sky helderheid fotometer" bij Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Roemenië, september 2016.

TESS-W is ontwikkeld door een team en het ontwerp is gebaseerd op het werk van Cristóbal García.

Dit is de eerste werkende versie van de Instructables. Blijf op de hoogte.

Stap 1: Beschrijving van TESS-W

De fotometer is ingesloten in een weerbestendige doos die de op maat gemaakte elektronica en optische onderdelen bevat. TESS heeft een custom made Printed Circuit Board (PCB) met een ESP8266. De ESP8266 is een goedkope WIFI-chip met volledige TCP/IP-stack en microcontroller-mogelijkheden. De elektronica wordt gebruikt om de frequentie te lezen die wordt geleverd door de TSL237-lichtsensor (voor gegevens over de helderheid van de nachthemel) en ook door de MLX90614ESF-BA infraroodthermometermodule (voor informatie over bewolking).

De luchthelderheidsdetector is een TSL237-fotodiode die licht omzet in frequentie. Het is dezelfde sensor die door de SQM-fotometers wordt gebruikt. De bandpass is echter meer uitgebreid tot het rode bereik met het gebruik van een dichroïsch filter (gelabeld UVIR op de plots) met betrekking tot het BG38-kleurenfilter van de SQM.

Het licht uit de lucht wordt opgevangen met de optica die een dichroïsch filter bevat om de bandpass te selecteren. Het filter dekt de collector (1) volledig af. De sensor (niet te zien op deze foto) zit samen met de op maat gemaakte elektronica op een printplaat (2). De WIFI-module (3) met een antenne in de doos die het WIFI-bereik vergroot. Een nabij-infraroodsensor (4) wordt gebruikt om de luchttemperatuur te meten. Ten slotte wordt de verwarming (5) ingeschakeld wanneer dat nodig is om condensatie op het raam te verwijderen of zelfs om het ijs of de sneeuw te smelten (6). Het gezichtsveld (FoV) is FWHM=17 graden.

De spectrale respons van de TESS-W wordt vergeleken met de astronomische Johnson B, V en R fotometrische banden en met de spectra van de lichtvervuilde hemel van Madrid en de donkere hemel van het astronomisch observatorium Calar Alto.

Stap 2: TESS-W-fotometerelektronica

Elektronisch bord

Het hoofdbestanddeel van TESS is een op maat gemaakt elektronisch bord (PCB, printplaat).

Het bestand dat nodig is voor de PCB kan worden gedownload van

De printplaat is ontworpen om in de geselecteerde behuizingsdoos te passen (zie later).

Hoofd onderdelen

De elektronische onderdelen van de PCB's kunnen worden bekeken op de bijgevoegde afbeelding en in het meegeleverde bestand.

Stap 3: TESS-W-fotometeroptiek

Ontwerp en componenten

Het licht uit de lucht wordt opgevangen met de optica die een dichroïsch filter bevat om de bandpass te selecteren. Het filter dekt de collector volledig af. De behuizing van de fotometer heeft een doorzichtig venster waardoor het daklicht de fotometer kan binnendringen. De binnenkant is beschermd met een glashelder venster.

Het optische ontwerp is afgebeeld in de eerste figuur. Het licht gaat door het doorzichtige filtervenster (1) en komt binnen via een gat (3) van het deksel van de behuizing (2). Het doorzichtige venster is op het deksel van de behuizing gelijmd. Het dichroïsche filter (4) bevindt zich bovenop de lichtcollector (5). De detector (6) is bij de collectoruitgang geplaatst.

Het heldere venster

Het eerste onderdeel is een transparant venster dat het licht doorlaat naar de rest van de onderdelen en de fotometer afdicht. Dit is een raam gemaakt van glas (BAK7) omdat het bestand moet zijn tegen het weer. Het raam heeft een dikte van 2 mm en een diameter van 50 mm. De transmissiecurve is gemeten op de LICA-UCM optische werkbank. Het is bijna constant ~ 90% in het golflengtebereik 350 nm -1050 nm, wat betekent dat het heldere venster geen verandering in de kleur van het licht introduceert.

Het dichroïsche filter

Het dichroïsche filter is een afgerond filter met een diameter van 20 mm om de lichtcollector volledig af te dekken. Dit zorgt ervoor dat er geen ongefilterd licht de detector bereikt. Dit is belangrijk omdat de TSL237-detector gevoelig is in het infrarood (IR). Het UVIR-filter is ontworpen om van 400 tot 750 nm door te laten, d.w.z. het snijdt de ultravioletrespons van de detector onder 400 nm en de IR-respons boven 750 nm. De transmissiecurve is vergelijkbaar met een combinatie van een langdoorlaat- en een kortdoorlaatfilter met een bijna vlakke respons die bijna 100% bereikt, zoals gemeten in de LICA-UCM optische werkbank (zie de grafieken bij de beschrijving)

De lichtverzamelaar

Om het licht uit de lucht te verzamelen maakt TESS gebruik van een lichtcollector. Deze verzamelaar is erg goedkoop omdat hij door middel van spuitgieten van kunststof is gemaakt. Deze lenzen worden gebruikt om het licht in zaklampen te stralen. Het binnenste deel is een transparante paraboloïde reflector. De zwarte houder voorkomt dat het strooilicht de detector bereikt.

We gebruiken blacklight-collectoren met een nominale FoV van 60 graden. Bij gebruik in TESS wordt de FoV verminderd vanwege de positie van de detector buiten de collector. De uiteindelijk gemeten FoV (inclusief de eventuele lichtafval van het deksel van de behuizing) is gemeten in de optische werkbank. De hoekrespons is vergelijkbaar met een Gauss-functie van 17 graden volledige breedte op half maximum (FWHM).

De doos

De elektronica en optica van de TESS-fotometer worden beschermd door een eenvoudige behuizing op basis van een in de handel verkrijgbare plastic doos die geschikt is om buiten te worden gebruikt en bestand is tegen weersinvloeden.

De doos is klein (buiten: 58 x 83 x 34 mm; binnen: 52 x 77 x 20 mm). De doos heeft een schroefdeksel om toegang te krijgen tot de binnenkant. De afgedichte constructie biedt voldoende bescherming tegen het binnendringen van zowel water als stof. Om te voorkomen dat de schroeven gaan roesten zijn de originele schroeven vervangen door RVS schroeven.

Stap 4: TESS-W-behuizing

De doos

De elektronica en optica van de TESS-fotometer worden beschermd door een eenvoudige behuizing op basis van een in de handel verkrijgbare plastic doos die geschikt is om buiten te worden gebruikt en bestand is tegen weersinvloeden.

De doos is klein (buiten: 58 x 83 x 34 mm; binnen: 52 x 77 x 20 mm). De doos heeft een schroefdeksel om toegang te krijgen tot de binnenkant. De afgedichte constructie biedt voldoende bescherming tegen het binnendringen van zowel water als stof. Om te voorkomen dat de schroeven gaan roesten zijn de originele schroeven vervangen door RVS schroeven.

Doosbewerking

Het is noodzakelijk om enkele eenvoudige bewerkingen op de doos uit te voeren. Het raam waardoor het licht de lichtcollector kan bereiken heeft een breedte van 20 mm in diameter. Het is bedekt met een doorzichtig venster dat moet worden gelijmd met weerbestendige siliconen. Het kleine gaatje is de IR-thermometerpoort en heeft een diameter van 8,5 mm. Aan de andere kant van de kast is een gat van 12 mm nodig voor de kabelwartel. De twee perforaties van 2,5 mm worden gebruikt om de kachel aan het deksel van de doos te bevestigen.

Stap 5: De TESS-W-fotometer monteren

1. Voorbereiding

1. Verf de doos aan de binnenkant in het zwart.

Doosbewerking

2. Boren:

● 1x 20 mm voor het raam.● 1x 12 mm voor de kabelwartel.● 1x 8,5 mm voor de thermozuil.● 2x 2,5 mm voor de kachel.● 2x 1 mm aan de zijkant van de kast.

3. Boor de aluminium diffusorplaat (1 mm dikte) voor de weerstand van de verwarming, 4. Schroef de weerstand en plaat op het deksel.5. Lijm de 8 mm afstandhouders voor de PCB.6. Lijm het doorzichtige venster (de weerstandsverwarmer moet op zijn plaats worden geschroefd)

Thermozuil

7. Verwijder de spanningsregelaar en verbind beide klemmen door een brug te solderen.8. Soldeer een single-head 4-pins draad aan de board connector van 60 mm lengte.9. Lijm de thermozuil op de hoes.

Antenne

10. Boor een gat om de antenne aan de doos te bevestigen.11. Knip de hoeken van de antenne af.12. Verwijder de keramische antenne van de wifi-module en ook de antenneconnector en de rode LED.

2. Montage

Volg deze geordende volgorde:

1. Bevestig de antenne aan de doos met een schroef.2. Plaats de kabelwartel en het netsnoer.3. Zet de collector (zwarte cilinder) vast op de print (twee schroeven).4. Bevestig de PCB aan de doos (twee schroeven).5. Schroef de voedingskabel op de groene kaartconnector. (Rode draad naar positief).6. Soldeer antennekabel naar wifi module.7. Soldeer aan weerstandsverwarmer een enkelkops 2-pins draad-naar-board connectorkabel van 55 mm.8. Sluit de thermozuil en de weerstand aan (pas op dat u de printplaat niet breekt).

De weerstand werkt als verwarming en is met een aluminium plaat verbonden met het deksel. De foto's leggen de volgende processen uit: De antenne moet op de doos worden geschroefd, de regelaar van de thermozuil is vervangen door een brug en de twee afstandhouders (in het zwart) voor de PCB moeten op de doos worden gelijmd. De binnenkant van de doos is zwart geverfd.

Een van de figuren toont de originele WIFI module met een keramische antenne en een aansluiting om een extra antenne aan te sluiten (boven). We gebruiken een antenne waarvan de kabel is gesoldeerd aan de wifi-module (onder). Merk op dat de keramische antenne, het stopcontact en de rode LED bij de kabel zijn verwijderd.

Stap 6: TESS-W fotometrische kalibratie

De fotometers moeten worden gekalibreerd om ervoor te zorgen dat de metingen van verschillende apparaten consistent zijn. De TESS-W zijn kruisgekalibreerd ten opzichte van een hoofdfotometer bij Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) van de Universidad Complutense de Madrid.

De opstelling is een integrerende bol waarvan het interieur kan worden verlicht door een lichtbron en met verschillende optische poorten om de fotometers aan te sluiten. De gebruikte lichtbron is een LED van 596 nm met 14 nm FWHM.

Als u uw TESS-W-fotometer wilt kalibreren, kunt u contact opnemen met LICA-UCM.

Stap 7: TESS-W-software

WIFI-modulesoftware

Communicatie en software

Het complete systeem omvat een sensornetwerk en een softwarebroker die bemiddelt tussen informatieproducenten en consumenten die voorbehouden is aan gekalibreerde sensoren. Zodra u uw fotometer heeft gekalibreerd (zie stap 6), zal STARS4ALL u de inloggegevens verstrekken om deze in de broker te publiceren.

Er is een voorbeeldconsument in Python ontwikkeld om gegevens in een SQLite-database op te slaan. Deze verbruiker kan in één of meerdere pc's of servers worden geïnstalleerd. De belangrijkste kenmerken van de software worden hieronder vermeld:

● Maatwerksoftware voor TESS ontwikkeld in C.

● MQTT-uitgeverssoftware ontwikkeld in de Arduino IDE- en ESP8266-bibliotheken.

● MQTT Broker ofwel in een interne implementatie of een beschikbare derde partij (dwz test mosquitto.org)

● MQTT-abonneesoftware die gegevens ontvangt van uitgevers en deze opslaat in een relationele database (SQLite).

MQTT is een lichtgewicht M2M / Internet of Things-protocol dat geschikt is voor beperkte apparaten die veel minder overhead vereisen dan op HTTP gebaseerde communicatie.

Elke sensor stuurt periodiek metingen naar een externe MQTT-server via een lokale router. Deze server - in de MQTT-wereld "broker" genoemd - ontvangt gegevens van veel sensoren en verspreidt deze opnieuw naar alle aangesloten partijen, waardoor uitgevers worden losgekoppeld van consumenten. De externe server kan ofwel in-house in een centrale faciliteit voor het project worden ingezet. Als alternatief kunnen we beschikbare, gratis MQTT-makelaars gebruiken, zoals test.mosquitto.org.

Elke softwareclient kan zich abonneren op de broker en de informatie gebruiken die door de TESS-apparaten wordt gepubliceerd. Er wordt een speciale MQTT-client ontwikkeld om al deze gegevens te verzamelen en op te slaan in een SQLite-database.

Apparaat configuratie

● Instrumentconfiguratie wordt tot een minimum beperkt om onderhoud te vergemakkelijken.

● Elk apparaat heeft deze configuratie nodig:

o WiFi SSID en wachtwoord.

o Kalibratieconstante fotometer.

o MQTT Broker IP-adres en poort.

o Instrumentvriendelijke naam (uniek per apparaat)

o MQTT-kanaalnaam (zoals hierboven beschreven)

WiFi-configuratie

Wanneer de TESS-W voor het eerst op de stroom wordt aangesloten, creëert hij een WiFi-toegangspunt. De gebruiker vult de instellingen in, waaronder de naam (SSID) en het wachtwoord van de wifi-router, het nulpunt van de fotometrie en het internetadres en de naam van de broker-repository. Na een reset- en uit- en inschakelcyclus begint de TESS-fotometer met het produceren en verzenden van gegevens.

Bij de eerste keer opstarten begint TESS als een toegangspunt met de naam TESSconfigAP. Een mobiele telefoon moet verbinding maken met dit toegangspunt.

● Blader met een internetbrowser naar de volgende URL:

● Vul het formulier in met de parameters vermeld in 2.3

● Start het apparaat opnieuw op, dat verbinding maakt met de lokale router.

Wanneer het apparaat de verbinding met de wifi-router verliest, start het opnieuw op en configureert zichzelf opnieuw als een toegangspunt, wat handig is om de configuratie te wijzigen.

Software

De TESS-W Firmware en documentatie zijn te vinden in de github-repository

github.com/cristogg/TESS-W

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

Voor de microprocessorhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Stap 8: Laatste opmerkingen

De STARS4ALL Foundation is de voortzetting van het STARS4ALL-project dat instaat voor de exploitatie van het TESS-W fotometernetwerk. Dit is een burgerwetenschappelijk project dat gegevens oplevert die van belang zijn voor onderzoek naar lichtvervuiling.

Zodra uw fotometer is gekalibreerd en geconfigureerd, begint het met het verzenden van de metingen naar de STARS4ALL-infrastructuur. Deze metingen kunnen worden gevisualiseerd vanaf ons platform (https://tess.stars4all.eu/plots/). Bovendien kunnen alle gegevens die in het netwerk worden gegenereerd, worden gedownload van onze Zenodo-community (https://zenodo.org/communities/stars4all)