Fotometro per la luminosità del cielo notturno TESS-W: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

TESS-W è un fotometro progettato per misurare e monitorare continuamente la luminosità del cielo notturno per studi sull'inquinamento luminoso. È stato creato durante il progetto europeo STARS4ALL H2020 con un design aperto (hardware e software). Il fotometro TESS-W è stato progettato per inviare dati tramite WIFI. I dati vengono visualizzati in tempo reale e condivisi (open data). Sfoglia https://tess.stars4all.eu/ per maggiori informazioni.

Questo documento contiene alcuni dettagli tecnici del fotometro di luminosità del cielo notturno TESS-W e descrive come costruirlo. Include gli schemi elettronici e ottici del sensore e anche la custodia resistente alle intemperie.

Maggiori informazioni sul fotometro TESS sono state presentate in Zamorano et al. "Fotometro per la luminosità del cielo notturno STARS4ALL" all'Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Romania, settembre 2016.

TESS-W è stato sviluppato da un team e il design si basa sul lavoro di Cristóbal García.

Questa è la prima versione funzionante di Instructables. Resta sintonizzato.

Passaggio 1: descrizione di TESS-W

Il fotometro è racchiuso in una scatola resistente alle intemperie che contiene l'elettronica e le parti ottiche personalizzate. TESS ha un circuito stampato (PCB) su misura con un ESP8266. L'ESP8266 è un chip WIFI a basso costo con stack TCP/IP completo e funzionalità di microcontrollore. L'elettronica viene utilizzata per leggere la frequenza fornita dal sensore di luce TSL237 (per i dati di luminosità del cielo notturno) e anche dal modulo termometro a infrarossi MLX90614ESF-BA (per informazioni sulla copertura nuvolosa).

Il rilevatore di luminosità del cielo è un fotodiodo TSL237 che converte la luce in frequenza. È lo stesso sensore utilizzato dai fotometri SQM. Tuttavia, la banda passante è più estesa alla gamma rossa con l'uso di un filtro dicroico (etichettato UVIR sui grafici) rispetto al filtro colore BG38 dell'SQM.

La luce del cielo viene raccolta con l'ottica che include un filtro dicroico per selezionare la banda passante. Il filtro copre completamente il collettore (1). Il sensore (non visibile in questa immagine) si trova su un circuito stampato insieme all'elettronica su misura (2). Il modulo WIFI (3) con un'antenna all'interno della scatola che estende la portata WIFI. Un sensore nel vicino infrarosso (4) viene utilizzato per misurare la temperatura del cielo. Infine, il riscaldatore (5) viene acceso quando necessario per eliminare la condensa sulla finestra o anche per sciogliere il ghiaccio o la neve (6). Il campo visivo (FoV) è FWHM=17 gradi.

La risposta spettrale del TESS-W viene confrontata con le bande fotometriche astronomiche Johnson B, V e R e con gli spettri del cielo inquinato dalla luce di Madrid e del cielo scuro dell'osservatorio astronomico di Calar Alto.

Fase 2: Elettronica del fotometro TESS-W

Scheda elettronica

Il componente principale di TESS è una scheda elettronica su misura (PCB, circuito stampato).

Il file necessario per il PCB può essere scaricato da

Il PCB è stato progettato per essere inserito all'interno della scatola di custodia selezionata (vedere più avanti).

Componenti principali

Le parti elettroniche dei PCB possono essere sfogliate sull'immagine allegata e nel file fornito.

Fase 3: Ottica del fotometro TESS-W

Design e componenti

La luce del cielo viene raccolta con l'ottica che include un filtro dicroico per selezionare la banda passante. Il filtro copre completamente il collettore. L'involucro del fotometro ha una finestra trasparente che consente alla luce del cielo di entrare nel fotometro. L'interno è protetto da una finestra in vetro trasparente.

Il design ottico è rappresentato nella prima figura. La luce attraversa la finestra del filtro trasparente (1) ed entra attraverso un foro (3) del coperchio dell'involucro (2). La finestra trasparente è incollata al coperchio della custodia. Il filtro dicroico (4) si trova sopra il collettore di luce (5). Il rivelatore (6) è stato posizionato all'uscita del collettore.

La finestra chiara

Il primo componente è una finestra trasparente che lascia passare la luce al resto dei componenti e sigilla il fotometro. Questa è una finestra in vetro (BAK7) perché dovrebbe resistere alle intemperie. La finestra ha uno spessore di 2 mm e un diametro di 50 mm. La curva di trasmissione è stata misurata al banco ottico LICA-UCM. È quasi costante ~ 90% nella gamma di lunghezze d'onda 350 nm -1050 nm, il che significa che la finestra trasparente non introduce cambiamenti nel colore della luce.

Il filtro dicroico

Il filtro dicroico è un filtro arrotondato di 20 mm di diametro per coprire completamente il collettore di luce. Ciò assicura che nessuna luce non filtrata raggiunga il rilevatore. Questo è importante poiché il rilevatore TSL237 è sensibile all'infrarosso (IR). Il filtro UVIR è stato progettato per trasmettere da 400 a 750 nm, ovvero taglia la risposta ultravioletta del rivelatore al di sotto di 400 nm e la risposta IR oltre i 750 nm. La curva di trasmissione è simile a una combinazione di un filtro passa lungo e passa corto con una risposta quasi piatta che raggiunge quasi il 100% come misurato nel banco di lavoro ottico LICA-UCM (vedere i grafici nella descrizione)

Il collezionista di luce

Per raccogliere la luce dal cielo TESS utilizza un collettore di luce. Questo collettore è molto economico perché è realizzato in plastica mediante stampaggio ad iniezione. Queste lenti vengono utilizzate per irradiare la luce nelle torce elettriche. La parte interna è un riflettore paraboloide trasparente. Il supporto nero impedisce alla luce parassita di raggiungere il rilevatore.

Stiamo usando collettori di luce nera con 60 gradi nominali FoV. Quando utilizzato in TESS il FoV si riduce a causa della posizione del rivelatore all'esterno del collettore. Il FoV finale misurato (inclusa l'eventuale vignettatura dal coperchio della custodia) è stato misurato nel banco di lavoro ottico. La risposta angolare è simile a una funzione gaussiana di 17 gradi a tutta larghezza a metà massimo (FWHM).

La scatola

L'elettronica e l'ottica del fotometro TESS sono protette da un semplice involucro basato su una scatola di plastica commerciale adatta per essere all'aperto e per resistere agli agenti atmosferici.

La scatola è piccola (esterno: 58 x 83 x 34 mm; interno: 52 x 77 x 20 mm). La scatola ha un coperchio a vite per accedere all'interno. La costruzione sigillata offre un livello sufficiente di protezione contro l'ingresso di acqua e polvere. Per evitare che le viti si arrugginiscano, le viti originali sono state sostituite da viti in acciaio inossidabile.

Passaggio 4: custodia TESS-W

La scatola

L'elettronica e l'ottica del fotometro TESS sono protette da un semplice involucro basato su una scatola di plastica commerciale adatta per essere all'aperto e per resistere agli agenti atmosferici.

La scatola è piccola (esterno: 58 x 83 x 34 mm; interno: 52 x 77 x 20 mm). La scatola ha un coperchio a vite per accedere all'interno. La costruzione sigillata offre un livello sufficiente di protezione contro l'ingresso di acqua e polvere. Per evitare che le viti si arrugginiscano, le viti originali sono state sostituite da viti in acciaio inossidabile.

Lavorazione scatola

È necessario eseguire alcune semplici lavorazioni sulla scatola. La finestra che permette alla luce di raggiungere il collettore di luce ha una larghezza di 20 mm di diametro. È coperto da una finestra trasparente che deve essere incollata con silicone resistente agli agenti atmosferici. Il piccolo foro è la porta del termometro IR e ha un diametro di 8,5 mm. Sull'altro lato della scatola è necessario un foro da 12 mm per il pressacavo. I due fori da 2,5 mm servono per fissare il riscaldatore al coperchio della scatola.

Passaggio 5: montaggio del fotometro TESS-W

1. Preparazione

1. Dipingi la scatola all'interno in nero.

Lavorazione scatola

2. Foratura:

● 1x 20 mm per la finestra.● 1x 12 mm per il pressacavo.● 1x 8,5 mm per la termopila.● 2x 2,5 mm per il riscaldatore.● 2x 1 mm sul lato della scatola.

3. Forare la piastra diffusore in alluminio (spessore 1 mm) per la resistenza del riscaldatore, 4. Avvitare la resistenza e la piastra al coperchio.5. Incolla i distanziali da 8 mm per il PCB.6. Incollare la finestra trasparente (il riscaldatore a resistenza deve essere avvitato in posizione)

Termopila

7. Rimuovere il regolatore di tensione e collegare entrambi i terminali saldando un ponte.8. Saldare un connettore filo-scheda a 4 pin a testa singola di 60 mm di lunghezza.9. Incolla la termopila sul rivestimento.

Antenna

10. Praticare un foro per fissare l'antenna alla scatola.11. Tagliare gli angoli dell'antenna.12. Rimuovere l'antenna in ceramica del modulo wifi e anche il connettore dell'antenna e il LED rosso.

2. Montaggio

Si prega di seguire questa sequenza ordinata:

1. Fissare l'antenna alla scatola utilizzando una vite.2. Posizionare il pressacavo e il cavo di alimentazione.3. Fissare il collettore (cilindro nero) al PCB (due viti).4. Fissare il PCB alla scatola (due viti).5. Avvitare il cavo di alimentazione al connettore della scheda verde. (Filo rosso al positivo).6. Saldare il cavo dell'antenna al modulo wifi.7. Saldare al riscaldatore a resistenza un cavo connettore cavo a scheda a 2 pin a testa singola di 55 mm.8. Collegare la termopila e la resistenza (attenzione a non rompere il PCB).

La resistenza funge da riscaldatore ed è collegata al coperchio con una piastra in alluminio. Le immagini spiegano le operazioni successive: l'antenna va avvitata alla scatola, il regolatore della termopila è stato sostituito da un ponticello e i due distanziali (in nero) per il PCB devono essere incollati alla scatola. L'interno della scatola è dipinto di nero.

Una delle figure mostra il modulo WIFI originale che ha un'antenna in ceramica e una presa per collegare un'antenna aggiuntiva (in alto). Usiamo un'antenna il cui cavo è saldato al modulo wifi (in basso). Si noti che l'antenna in ceramica, la presa e il LED rosso vicino al cavo sono stati rimossi.

Passaggio 6: calibrazione fotometrica TESS-W

I fotometri dovrebbero essere calibrati per assicurare che le misurazioni da diversi dispositivi siano coerenti. I TESS-W sono calibrati in modo incrociato rispetto a un fotometro master presso il Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) dell'Universidad Complutense de Madrid.

L'allestimento è una sfera integratrice il cui interno potrebbe essere illuminato da una sorgente luminosa e con diverse porte ottiche per collegare i fotometri. La sorgente luminosa impiegata è un LED da 596 nm con FWHM da 14 nm.

Se desideri calibrare il tuo fotometro TESS-W, puoi contattare LICA-UCM.

Passaggio 7: software TESS-W

Software modulo WIFI

Comunicazione e software

Il sistema completo include una rete di sensori e un broker software che media tra produttori e consumatori di informazioni riservate ai sensori calibrati. Una volta calibrato il tuo fotometro (vedi Step 6), STARS4ALL ti fornirà le credenziali per pubblicare nel broker.

È stato sviluppato un consumer di esempio in Python per archiviare i dati in un database SQLite. Questo consumatore può essere installato in uno o più PC o server. Le principali caratteristiche del software sono elencate di seguito:

● Software personalizzato per TESS sviluppato in C.

● Software editore MQTT sviluppato nelle librerie Arduino IDE e ESP8266.

● Broker MQTT in una distribuzione interna o di una terza parte disponibile (es. test mosquitto.org)

● Software per abbonati MQTT che riceve i dati dagli editori e li archivia in un database relazionale (SQLite).

MQTT è un protocollo leggero M2M / Internet of Things adatto per dispositivi vincolati che richiede un sovraccarico molto inferiore rispetto alle comunicazioni basate su

Ciascun sensore invia periodicamente misurazioni a un server MQTT remoto tramite un router locale. Questo server - chiamato "broker" nel mondo MQTT - riceve i dati da molti sensori e li ridistribuisce a tutte le parti sottoscritte, disaccoppiando così gli editori dai consumatori. Il server remoto può essere distribuito internamente in una struttura centrale per il progetto. In alternativa, possiamo utilizzare broker MQTT gratuiti disponibili come test.mosquitto.org.

Qualsiasi client software può iscriversi al broker e consumare le informazioni pubblicate dai dispositivi TESS. Verrà sviluppato uno speciale client MQTT per raccogliere tutti questi dati e archiviarli in un database SQLite.

Configurazione del dispositivo

● La configurazione dello strumento sarà ridotta al minimo per agevolare la manutenzione.

● Ogni dispositivo necessita di questa configurazione:

o SSID WiFi e password.

o Costante di calibrazione del fotometro.

o Indirizzo IP e porta del broker MQTT.

o Nome descrittivo dello strumento (unico per dispositivo)

o Nome del canale MQTT (come descritto sopra)

Configurazione Wi-Fi

Quando si collega per la prima volta all'alimentazione, TESS-W crea un punto di accesso WiFi. L'utente inserisce le impostazioni che includono il nome (SSID) e la password del router WiFi, il punto zero della fotometria e l'indirizzo Internet e il nome del repository del broker. Dopo un reset e un ciclo di spegnimento e accensione, il fotometro TESS inizia a produrre e inviare dati.

Al primo avvio, TESS si avvia come punto di accesso con il nome TESSconfigAP. Un telefono cellulare deve connettersi a questo punto di accesso.

● Sfogliare con un browser Internet il seguente URL:

● Compila il modulo con i parametri elencati in 2.3

● Riavviare il dispositivo, che si collegherà al router locale.

Quando il dispositivo perde il collegamento con il router WiFi, riavvia e si configura nuovamente come punto di accesso, comodo per modificare la configurazione.

Software

Il firmware TESS-W una documentazione può essere trovata nel repository github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Per il microprocessorehttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Passaggio 8: osservazioni finali

La Fondazione STARS4ALL è la continuazione del progetto STARS4ALL che si occupa della gestione della rete di fotometri TESS-W. Si tratta di un progetto di citizen science che produce dati di interesse per gli studi sull'inquinamento luminoso.

Una volta che il tuo fotometro è calibrato e configurato, inizierà a inviare le misurazioni all'infrastruttura STARS4ALL. Queste misurazioni possono essere visualizzate dalla nostra piattaforma (https://tess.stars4all.eu/plots/). Inoltre, tutti i dati generati nella rete possono essere scaricati dalla nostra comunità Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)