Fotòmetre de brillantor del cel nocturn TESS-W: 8 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

TESS-W és un fotòmetre dissenyat per mesurar i controlar de manera contínua la brillantor del cel nocturn per a estudis de contaminació. Es va crear durant el projecte europeu STARS4ALL H2020 amb un disseny obert (maquinari i programari). El fotòmetre TESS-W ha estat dissenyat per enviar dades mitjançant WIFI. Les dades es visualitzen en temps real i es comparteixen (dades obertes). Consulteu https://tess.stars4all.eu/ per obtenir més informació.

Aquest document conté alguns detalls tècnics del fotòmetre de brillantor del cel nocturn TESS-W i descriu com construir-lo. Inclou els esquemes electrònics i òptics del sensor i també el recinte resistent a la intempèrie.

Es va presentar més informació sobre el fotòmetre TESS a Zamorano et al. “Fotòmetre de brillantor del cel nocturn STARS4ALL“a Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Romania, setembre de 2016.

TESS-W ha estat desenvolupat per un equip i el disseny es basa en l'obra de Cristóbal García.

Aquesta és la primera versió de treball dels Instructables. Estigueu atents.

Pas 1: descripció de TESS-W

El fotòmetre s'inclou en una caixa resistent a la intempèrie que conté l'electrònica i les peces òptiques a mida. TESS té una placa de circuit imprès (PCB) a mida amb un ESP8266. L'ESP8266 és un xip WIFI de baix cost amb pila TCP / IP completa i capacitat de microcontrolador. L’electrònic s’utilitza per llegir la freqüència que proporciona el sensor de llum TSL237 (per a dades de brillantor del cel nocturn) i també el mòdul de termòmetre infraroig MLX90614ESF-BA (per obtenir informació sobre la coberta de núvols).

El detector de brillantor del cel és un fotodiode TSL237 que converteix la llum en freqüència. És el mateix sensor que utilitzen els fotòmetres SQM. No obstant això, el pas de banda s’estén més al rang vermell amb l’ús d’un filtre dicroic (etiquetat UVIR a les parcel·les) respecte al filtre de color BG38 del SQM.

La llum del cel es recull amb l’òptica que inclou un filtre dicroic per seleccionar el pas de banda. El filtre cobreix completament el col·lector (1). El sensor (que no es veu en aquesta imatge) es troba en una placa de circuit imprès juntament amb l'electrònica feta a mida (2). El mòdul WIFI (3) amb una antena dins de la caixa que amplia el rang WIFI. Per mesurar la temperatura del cel s’utilitza un sensor d’infraroig proper (4). Finalment, l’escalfador (5) s’encén quan cal per eliminar la condensació de la finestra o fins i tot per fondre el gel o la neu (6). El camp de visió (FoV) és FWHM = 17 graus.

La resposta espectral del TESS-W es compara amb les bandes fotomètriques astronòmiques Johnson B, V i R i amb els espectres del cel contaminat per la llum de Madrid i el cel fosc de l’observatori astronòmic Calar Alto.

Pas 2: electrònica del fotòmetre TESS-W

Tauler electrònic

El component principal de TESS és una placa electrònica a mida (PCB, placa de circuit imprès).

El fitxer necessari per al PCB es pot descarregar des de

El PCB ha estat dissenyat per adaptar-se a la caixa del recinte seleccionada (vegeu més endavant).

Components principals

Les peces electròniques dels PCB es poden navegar a la imatge acompanyada i al fitxer proporcionat.

Pas 3: ESSptica del fotòmetre TESS-W

Disseny i components

La llum del cel es recull amb l’òptica que inclou un filtre dicroic per seleccionar el pas de banda. El filtre cobreix completament el col·lector. El recinte del fotòmetre té una finestra clara que permet que la llum del cel entri al fotòmetre. L’interior està protegit amb una finestra de vidre transparent.

El disseny òptic es representa a la primera figura. La llum passa per la finestra transparent del filtre (1) i entra per un forat (3) de la coberta del recinte (2). La finestra transparent està enganxada a la coberta del recinte. El filtre dicroic (4) es troba a la part superior del col·lector de llum (5). El detector (6) s'ha col·locat a la sortida del col·lector.

La finestra clara

El primer component és una finestra transparent que permet passar la llum a la resta de components i segella el fotòmetre. Es tracta d’una finestra feta de vidre (BAK7) perquè hauria de resistir la intempèrie. La finestra té un gruix de 2 mm i un diàmetre de 50 mm. La corba de transmissió s’ha mesurat al banc de treball òptic LICA-UCM. És gairebé constant ~ 90% en el rang de longitud d'ona 350nm -1050nm, això significa que la finestra clara no introdueix canvis en el color de la llum.

El filtre dicroic

El filtre dicroic és un filtre arrodonit de 20 mm de diàmetre per cobrir completament el col·lector de llum. Això assegura que no hi ha llum sense filtrar que arribi al detector. Això és important ja que el detector TSL237 és sensible als infrarojos (IR). El filtre UVIR es va dissenyar per transmetre de 400 a 750 nm, és a dir, talla la resposta ultraviolada del detector per sota de 400 nm i la resposta IR més de 750 nm. La corba de transmissió és similar a la combinació d'un filtre de passada llarga i un filtre de passada curta amb una resposta gairebé plana que arriba a gairebé el 100%, com es mesura al banc de treball òptic LICA-UCM (vegeu els gràfics a la descripció)

El col·lector de llum

Per recollir la llum del cel, TESS utilitza un col·lector de llum. Aquest col·lector és molt barat perquè està fabricat en plàstic mitjançant emmotllament per injecció. Aquestes lents s’utilitzen per emetre llum a les llanternes. La part interior és un reflector paraboloide transparent. El suport negre impedeix que la llum perduda arribi al detector.

Estem utilitzant col·lectors de llum negra amb un FoV nominal de 60 graus. Quan s’utilitza a TESS, el FoV es redueix a causa de la posició del detector fora del col·lector. El FoV mesurat final (inclòs el possible vinyetatge de la coberta del recinte) s’ha mesurat al banc de treball òptic. La resposta angular és similar a una funció gaussiana de 17 graus d'amplada completa a la meitat màxima (FWHM).

La Caixa

L’electrònica i l’òptica del fotòmetre TESS estan protegides per un recinte senzill basat en una caixa de plàstic comercial adequada per ser exterior i resistir a la intempèrie.

La caixa és petita (exterior: 58 x 83 x 34 mm; interior: 52 x 77 x 20 mm). La caixa té una tapa de cargol per accedir a l'interior. La construcció segellada proporciona un nivell suficient de protecció contra l’entrada d’aigua i pols. Per evitar que els cargols puguin oxidar-se, els cargols originals s'han canviat per cargols d'acer inoxidable.

Pas 4: recinte TESS-W

La Caixa

L’electrònica i l’òptica del fotòmetre TESS estan protegides per un recinte senzill basat en una caixa de plàstic comercial adequada per ser exterior i resistir a la intempèrie.

La caixa és petita (exterior: 58 x 83 x 34 mm; interior: 52 x 77 x 20 mm). La caixa té una tapa de cargol per accedir a l'interior. La construcció segellada proporciona un nivell suficient de protecció contra l’entrada d’aigua i pols. Per evitar que els cargols puguin oxidar-se, els cargols originals s'han canviat per cargols d'acer inoxidable.

Mecanitzat de caixes

És necessari realitzar un mecanitzat senzill a la caixa. La finestra que permet que la llum arribi al col·lector de llum té una amplada de 20 mm de diàmetre. Està cobert per una finestra clara que s’ha d’enganxar amb silicona resistent a la intempèrie. El forat petit és el port del termòmetre IR i té un diàmetre de 8,5 mm. A l'altre costat de la caixa és necessari un forat de 12 mm per al passacables. Les dues perforacions de 2,5 mm s’utilitzen per fixar l’escalfador a la tapa de la caixa.

Pas 5: muntatge del fotòmetre TESS-W

1. Preparació

1. Pinta la caixa de dins de negre.

Mecanitzat de caixes

2. Perforació:

● 1x 20 mm per a la finestra. ● 1x 12 mm per al passacables. ● 1x 8,5 mm per a la termopila. ● 2x 2,5 mm per a l'escalfador. ● 2x 1 mm al lateral de la caixa.

3. Traieu la placa difusora d’alumini (1 mm de gruix) per obtenir la resistència de l’escalfador, 4. Cargoleu la resistència i la placa a la coberta.5. Enganxeu els separadors de 8 mm per al PCB. Enganxeu la finestra clara (s’ha de cargolar l’escalfador de resistència al seu lloc)

Termopila

7. Traieu el regulador de tensió i connecteu els dos terminals soldant un pont. Soldeu un cable de 4 clavilles d’un sol cap a la placa del connector de 60 mm de longitud. Enganxeu la termopila a la coberta.

Antena

10. Feu un forat per fixar l’antena a la caixa.11. Retalleu les cantonades de l’antena. Traieu l’antena ceràmica del mòdul wifi i també el conector de l’antena i el LED vermell.

2. Muntatge

Seguiu aquesta seqüència ordenada:

1. Fixeu l’antena a la caixa amb un cargol. Col·loqueu el passacables i el cable d’alimentació. Assegureu el col·lector (cilindre negre) al PCB (dos cargols). Fixeu el PCB a la caixa (dos cargols). Enrosqueu el cable d'alimentació al connector de la placa verda. (Cable vermell a positiu).6. Cable d'antena de soldadura al mòdul wifi. Soldeu a l’escalfador de resistència un cable de connector de 2 pines d’un cap a un cable de 55 mm. Connecteu la termopila i la resistència (tingueu cura de no trencar el PCB).

La resistència actua com un escalfador i es connecta a la coberta amb una placa d'alumini. Les imatges expliquen els processos següents: l'antena s'ha de cargolar a la caixa, el regulador de la termopila s'ha substituït per un pont i els dos separadors (en negre) del PCB s'han d'anar enganxant a la caixa. L’interior de la caixa està pintat de negre.

Una de les figures mostra el mòdul WIFI original que té una antena de ceràmica i un endoll per connectar una antena addicional (superior). Utilitzem una antena el cable del qual està soldat al mòdul wifi (inferior). Tingueu en compte que l’antena de ceràmica, el sòcol i el LED vermell a prop del cable s’han eliminat.

Pas 6: Calibratge fotomètric TESS-W

Els fotòmetres s’han de calibrar per garantir que les mesures de diferents dispositius siguin consistents. Els TESS-W estan calibrats creuadament en relació amb un fotòmetre mestre al Laboratori d'Investigació Científica Avançada (LICA) de la Universitat Complutense de Madrid.

La configuració és una esfera integradora l’interior de la qual podria il·luminar-se mitjançant una font de llum i amb diversos ports òptics per connectar els fotòmetres. La font de llum emprada és un LED de 596 nm amb FWHM de 14 nm.

Si voleu calibrar el fotòmetre TESS-W, podeu contactar amb LICA-UCM.

Pas 7: programari TESS-W

Programari del mòdul WIFI

Comunicació i programari

El sistema complet inclou una xarxa de sensors i un intermediari de programari que serveix de mediador entre productors d’informació i consumidors que es reserva a sensors calibrats. Un cop hàgiu calibrat el fotòmetre (vegeu el pas 6), STARS4ALL us proporcionarà les credencials per publicar al corredor.

S'ha desenvolupat un consumidor de mostra a Python per emmagatzemar dades en una base de dades SQLite. Aquest consumidor es pot instal·lar en un o diversos ordinadors o servidors. A continuació es detallen les principals característiques del programari:

● Programari personalitzat per a TESS desenvolupat a C.

● Programari de l'editor MQTT desenvolupat a les biblioteques Arduino IDE i ESP8266.

● MQTT Broker, ja sigui en un desplegament intern o en un tercer disponible (és a dir, proveu mosquitto.org)

● Programari de subscriptors MQTT que rep dades dels editors i les emmagatzema en una base de dades relacional (SQLite).

MQTT és un protocol lleuger M2M / Internet of Things adequat per a dispositius amb restriccions que requereix molt menys despeses que les comunicacions basades en

Cada sensor envia periòdicament mesures a un servidor MQTT remot a través d’un enrutador local. Aquest servidor - anomenat "corredor" al món MQTT - rep dades de molts sensors i les redistribueix a totes les parts subscrites, desvinculant així els editors dels consumidors. El servidor remot es pot desplegar internament en una instal·lació central per al projecte. Com a alternativa, podem utilitzar corredors MQTT gratuïts disponibles com test.mosquitto.org.

Qualsevol client de programari pot subscriure’s al broker i consumir la informació publicada pels dispositius TESS. Es desenvoluparà un client MQTT especial per recopilar totes aquestes dades i emmagatzemar-les en una base de dades SQLite.

Configuració del dispositiu

● La configuració de l'instrument es reduirà al mínim per ajudar al manteniment.

● Cada dispositiu necessita aquesta configuració:

o SSID WiFi i contrasenya.

o Constant de calibratge del fotòmetre.

o Adreça IP i port de l’administrador MQTT.

o Nom adequat per a instruments (únic per dispositiu)

o Nom del canal MQTT (com es descriu anteriorment)

Configuració WiFi

Quan es connecta a l’alimentació per primera vegada, TESS-W crea un punt d’accés WiFi. L'usuari emplena la configuració que inclou el nom (SSID) i la contrasenya del router WiFi, el punt zero de la fotometria i l'adreça d'Internet i el nom del dipòsit del broker. Després d'un restabliment, apagar i encendre el cicle, el fotòmetre TESS comença a produir i enviar dades.

Al primer arrencada, TESS comença com a punt d'accés amb el nom TESSconfigAP. Un telèfon mòbil s’ha de connectar a aquest punt d’accés.

● Navegueu amb un navegador d’Internet l’URL següent:

● Empleneu el formulari amb els paràmetres indicats a 2.3

● Reinicieu el dispositiu, que es connectarà al router local.

Quan el dispositiu perd l'enllaç amb l'encaminador WiFi, reinicieu i es configura de nou com a punt d'accés, cosa que és convenient per canviar la configuració.

Programari

Al firmware TESS-W es pot trobar una documentació al dipòsit de github

github.com/cristogg/TESS-W

Per a l’ESP8266https://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-w-v2_0/tess-w-v2_0.ino.generic.bin

Per al microprocessador

Pas 8: Observacions finals

La Fundació STARS4ALL és la continuació del projecte STARS4ALL que s’encarrega del funcionament de la xarxa de fotòmetres TESS-W. Es tracta d’un projecte de ciència ciutadana que produeix dades d’interès per a estudis de contaminació lumínica.

Un cop calibrat i configurat el fotòmetre, començarà a enviar les mesures a la infraestructura STARS4ALL. Aquestes mesures es poden visualitzar des de la nostra plataforma (https://tess.stars4all.eu/plots/). A més, totes les dades generades a la xarxa es poden descarregar de la nostra comunitat Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)