Máy đo độ sáng bầu trời đêm TESS-W: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

TESS-W là một quang kế được thiết kế để đo và theo dõi liên tục độ sáng bầu trời đêm cho các nghiên cứu ô nhiễm ligth. Nó được tạo ra trong Dự án Châu Âu STARS4ALL H2020 với thiết kế mở (phần cứng và phần mềm). Máy đo quang TESS-W đã được thiết kế để gửi dữ liệu qua WIFI. Dữ liệu được hiển thị trực quan trong thời gian thực và được chia sẻ (dữ liệu mở). Duyệt qua https://tess.stars4all.eu/ để biết thêm thông tin.

Tài liệu này bao gồm một số chi tiết kỹ thuật của máy đo độ sáng bầu trời đêm TESS-W và mô tả cách chế tạo nó. Nó bao gồm các sơ đồ điện tử và quang học của cảm biến cũng như vỏ bọc chống thời tiết.

Thông tin thêm về quang kế TESS đã được trình bày trong Zamorano et al. “Máy đo độ sáng bầu trời đêm STARS4ALL” tại Cuộc họp ánh sáng nhân tạo vào ban đêm (ALAN2016) Cluj, Napoca, Romania, tháng 9 năm 2016.

TESS-W đã được phát triển bởi một nhóm và thiết kế dựa trên công trình của Cristóbal García.

Đây là phiên bản làm việc đầu tiên của Bảng hướng dẫn. Giữ theo dõi.

Bước 1: Mô tả TESS-W

Máy đo quang được bao bọc trong một hộp chống thời tiết có chứa các bộ phận quang học và điện tử được chế tạo riêng. TESS có Bảng mạch in (PCB) tùy chỉnh với ESP8266. ESP8266 là chip WIFI giá rẻ với đầy đủ ngăn xếp TCP / IP và khả năng vi điều khiển. Điện tử được sử dụng để đọc tần số được cung cấp bởi cảm biến ánh sáng TSL237 (đối với dữ liệu độ sáng bầu trời đêm) và cũng là mô-đun nhiệt kế hồng ngoại MLX90614ESF-BA (đối với thông tin về đám mây).

Máy dò độ sáng bầu trời là một diode quang TSL237 có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành tần số. Nó là cùng một cảm biến được sử dụng bởi các quang kế SQM. Tuy nhiên, dải thông được mở rộng hơn đến phạm vi màu đỏ với việc sử dụng bộ lọc lưỡng sắc (có nhãn UVIR trên các ô) đối với bộ lọc màu BG38 của SQM.

Ánh sáng từ bầu trời được thu thập bằng quang học bao gồm bộ lọc lưỡng sắc để chọn dải thông. Bộ lọc bao phủ hoàn toàn bộ thu (1). Cảm biến (không nhìn thấy trong hình này) nằm trên bảng mạch in cùng với thiết bị điện tử tùy chỉnh (2). Mô-đun WIFI (3) với ăng-ten bên trong hộp giúp mở rộng phạm vi WIFI. Một cảm biến hồng ngoại gần (4) được sử dụng để đo nhiệt độ bầu trời. Cuối cùng, lò sưởi (5) được bật khi cần thiết để thoát hơi nước đọng trên cửa sổ hoặc thậm chí để làm tan băng hoặc tuyết (6). Trường nhìn (FoV) là FWHM = 17 độ.

Phản ứng quang phổ của TESS-W được so sánh với các dải quang trắc thiên văn Johnson B, V và R và với quang phổ của bầu trời bị ô nhiễm ánh sáng ở Madrid và bầu trời tối của đài quan sát thiên văn Calar Alto.

Bước 2: Điện tử quang kế TESS-W

Bảng điện tử

Thành phần chính của TESS là một bảng điện tử tùy chỉnh (PCB, bảng mạch in).

Tệp cần thiết cho PCB có thể được tải xuống từ

PCB đã được thiết kế để phù hợp với bên trong hộp bao vây đã chọn (xem phần sau).

Các thành phần chính

Các bộ phận điện tử PCB có thể được duyệt trên hình ảnh kèm theo và trong tệp được cung cấp.

Bước 3: Quang học quang kế TESS-W

Thiết kế và các thành phần

Ánh sáng từ bầu trời được thu thập bằng quang học bao gồm bộ lọc lưỡng sắc để chọn dải thông. Bộ lọc bao phủ hoàn toàn bộ thu. Vỏ máy đo quang có một cửa sổ thông thoáng cho phép ánh sáng bầu trời chiếu vào máy đo quang. Bên trong được bảo vệ bằng cửa sổ kính trong suốt.

Thiết kế quang học được mô tả trong hình đầu tiên. Ánh sáng đi qua cửa sổ bộ lọc trong (1) và đi vào qua một lỗ (3) của vỏ hộp (2). Cửa sổ trong suốt được dán vào vỏ bao vây. Bộ lọc lưỡng sắc (4) nằm trên đỉnh bộ thu ánh sáng (5). Máy dò (6) đã được đặt ở lối ra của bộ thu.

Cửa sổ rõ ràng

Thành phần đầu tiên là một cửa sổ trong suốt cho phép ánh sáng truyền đến các thành phần còn lại và niêm phong quang kế. Đây là cửa sổ được làm bằng kính (BAK7) vì nó nên chống lại thời tiết. Cửa sổ có độ dày 2 mm và đường kính 50 mm. Đường cong truyền dẫn đã được đo tại bàn làm việc quang học LICA-UCM. Nó gần như không đổi ~ 90% trong dải bước sóng 350nm -1050nm, có nghĩa là cửa sổ rõ ràng không gây ra sự thay đổi màu sắc của ánh sáng.

Bộ lọc lưỡng sắc

Bộ lọc lưỡng sắc là một bộ lọc tròn có đường kính 20 mm để che hoàn toàn bộ thu ánh sáng. Điều này đảm bảo rằng không có ánh sáng chưa được lọc tới máy dò. Điều này rất quan trọng vì máy dò TSL237 có thể cảm nhận được trong tia hồng ngoại (IR). Bộ lọc UVIR được thiết kế để truyền từ 400 đến 750 nm, tức là nó cắt phản ứng tia cực tím của máy dò dưới 400 nm và phản hồi IR trên 750 nm. Đường cong truyền dẫn tương tự như sự kết hợp của bộ lọc qua dài và bộ lọc ngắn với phản ứng gần như phẳng đạt gần như 100% như được đo trong bàn làm việc quang học LICA-UCM (xem các biểu đồ ở phần mô tả)

Bộ thu ánh sáng

Để thu thập ánh sáng từ bầu trời, TESS sử dụng một bộ thu sáng. Bộ sưu tập này rất rẻ vì nó được làm bằng nhựa bằng cách sử dụng khuôn ép. Thấu kính này được sử dụng để chiếu ánh sáng trong đèn pin. Phần bên trong là một gương phản xạ hình parabol trong suốt. Giá đỡ màu đen ngăn ánh sáng đi lạc đến máy dò.

Chúng tôi đang sử dụng bộ thu ánh sáng đen với 60 độ FoV danh định. Khi được sử dụng trong TESS, FoV bị giảm do vị trí của máy dò bên ngoài bộ thu. FoV đo được cuối cùng (bao gồm cả họa tiết có thể có từ vỏ bao vây) đã được đo trong bàn làm việc quang học. Phản ứng góc tương tự như một hàm Gaussian có chiều rộng toàn phần là 17 độ ở một nửa cực đại (FWHM).

Cái hộp

Các thiết bị điện tử và quang học của máy đo quang TESS được bảo vệ bởi một vỏ bọc đơn giản dựa trên một hộp nhựa thương mại phù hợp để ở ngoài trời và chống lại thời tiết.

Hộp có kích thước nhỏ (bên ngoài: 58 x 83 x 34 mm; bên trong: 52 x 77 x 20 mm). Hộp có một nắp vặn để tiếp cận bên trong. Cấu trúc kín cung cấp đủ mức độ bảo vệ chống lại sự xâm nhập của cả nước và bụi. Để tránh việc các vít bị gỉ, các vít ban đầu đã được thay đổi bằng các vít thép không gỉ.

Bước 4: Bao vây TESS-W

Cái hộp

Các thiết bị điện tử và quang học của máy đo quang TESS được bảo vệ bởi một vỏ bọc đơn giản dựa trên một hộp nhựa thương mại phù hợp để ở ngoài trời và chống lại thời tiết.

Hộp có kích thước nhỏ (bên ngoài: 58 x 83 x 34 mm; bên trong: 52 x 77 x 20 mm). Hộp có một nắp vặn để tiếp cận bên trong. Cấu trúc kín cung cấp đủ mức độ bảo vệ chống lại sự xâm nhập của cả nước và bụi. Để tránh việc các vít bị gỉ, các vít ban đầu đã được thay đổi bằng các vít thép không gỉ.

Gia công hộp

Cần thực hiện một số gia công đơn giản trên hộp. Cửa sổ cho phép ánh sáng lọt vào tấm thu sáng có chiều rộng đường kính 20 mm. Nó được bao phủ bởi một cửa sổ trong suốt nên được dán bằng silicone chịu được thời tiết. Lỗ nhỏ là cổng nhiệt kế IR và có đường kính 8,5 mm. Ở phía bên kia của hộp, cần có lỗ 12 mm cho tuyến cáp. Hai lỗ 2,5 mm được sử dụng để cố định máy sưởi vào nắp hộp.

Bước 5: Lắp máy đo quang TESS-W

1. Chuẩn bị

1. Sơn hộp bên trong bằng màu đen.

Gia công hộp

2. Khoan:

● 1x 20 mm đối với cửa sổ. ● 1x 12 mm đối với tuyến cáp. ● 1x 8.5 mm đối với nhiệt điện. ● 2x 2.5 mm đối với lò sưởi. ● 2x 1 mm ở mặt bên của hộp.

3. Khoan tấm nhôm khuếch tán (độ dày 1 mm) để làm điện trở của lò sưởi, 4. Vặn tấm cản và tấm vào nắp. Dán các miếng đệm 8mm cho PCB. 6. Dán keo cửa sổ trong (bộ gia nhiệt điện trở nên được vặn vào vị trí)

Nhiệt điện

7. Tháo bộ điều chỉnh điện áp và kết nối cả hai thiết bị đầu cuối bằng cách hàn một cầu. Hàn đầu nối dây 4 chân một đầu với bo mạch có chiều dài 60 mm. 9. Dán keo nhiệt rắn vào bìa.

Ăng-ten

10. Khoan một lỗ để cố định ăng-ten vào hộp. Cắt các góc của ăng-ten. 12. Tháo ăng-ten gốm của mô-đun wifi và cả đầu cắm ăng-ten và đèn LED màu đỏ.

2. Gắn kết

Vui lòng làm theo trình tự sắp xếp sau:

1. Giữ chặt ăng-ten vào hộp bằng vít. 2. Đặt tuyến cáp và dây nguồn. 3. Giữ chặt bộ thu (tấm đệm đen) vào PCB (hai vít).4. Giữ chặt PCB vào hộp (hai vít).5. Vặn cáp nguồn vào đầu nối bảng màu xanh lá cây. (Dây đỏ sang cực dương).6. Hàn cáp ăng-ten đến mô-đun wifi. 7. Hàn với điện trở làm nóng cáp một đầu dây 2 chân với đầu nối bo mạch 55 mm.8. Kết nối nhiệt điện và điện trở (cẩn thận để không làm vỡ PCB).

Điện trở hoạt động như một lò sưởi và được nối với vỏ bằng một tấm nhôm. Các hình ảnh giải thích các quy trình tiếp theo: Ăng-ten phải được vặn vào hộp, bộ điều chỉnh nhiệt nhiệt đã được thay thế bằng một cầu nối, và hai miếng đệm (màu đen) cho PCB phải được dán vào hộp. Bên trong hộp được sơn màu đen.

Một trong những hình cho thấy mô-đun WIFI ban đầu có một ăng-ten gốm và một ổ cắm để kết nối một ăng-ten phụ (trên cùng). Chúng tôi sử dụng một ăng-ten có cáp được hàn vào mô-đun wifi (dưới cùng). Lưu ý rằng ăng-ten gốm, ổ cắm và đèn LED màu đỏ gần cáp đã bị loại bỏ.

Bước 6: Hiệu chuẩn quang học TESS-W

Các quang kế phải được hiệu chuẩn để đảm bảo rằng các phép đo từ các thiết bị khác nhau là nhất quán. TESS-W được hiệu chuẩn chéo so với máy đo quang chính tại Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) của Đại học Complutense de Madrid.

Thiết lập là một quả cầu tích hợp mà bên trong có thể được chiếu sáng bằng nguồn sáng và có một số cổng quang học để kết nối các quang kế. Nguồn sáng được sử dụng là đèn LED 596 nm với FWHM 14 nm.

Nếu bạn muốn hiệu chỉnh máy đo quang TESS-W của mình, bạn có thể liên hệ với LICA-UCM.

Bước 7: Phần mềm TESS-W

Phần mềm mô-đun WIFI

Truyền thông và phần mềm

Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm một mạng lưới cảm biến và một nhà môi giới phần mềm làm trung gian giữa nhà sản xuất thông tin và người tiêu dùng được dành riêng cho các cảm biến đã được hiệu chuẩn. Sau khi bạn đã hiệu chỉnh máy đo quang của mình (xem Bước 6), STARS4ALL sẽ cung cấp cho bạn thông tin đăng nhập để xuất bản trong nhà môi giới.

Một người tiêu dùng mẫu bằng Python để lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu SQLite đã được phát triển. Người tiêu dùng này có thể được cài đặt trong một hoặc nhiều PC hoặc máy chủ. Các đặc điểm chính của phần mềm được liệt kê dưới đây:

● Phần mềm tùy chỉnh cho TESS được phát triển bằng C.

● Phần mềm nhà xuất bản MQTT được phát triển trong thư viện Arduino IDE và ESP8266.

● Nhà môi giới MQTT trong một triển khai nội bộ hoặc một bên thứ ba có sẵn (ví dụ: thử nghiệm mosquitto.org)

● Phần mềm thuê bao MQTT nhận dữ liệu từ nhà xuất bản và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu quan hệ (SQLite).

MQTT là một giao thức nhẹ M2M / Internet of Things phù hợp với các thiết bị hạn chế yêu cầu chi phí thấp hơn nhiều so với giao tiếp dựa trên

Mỗi cảm biến sẽ gửi các phép đo định kỳ đến máy chủ MQTT từ xa thông qua bộ định tuyến cục bộ. Máy chủ này - được đặt tên là “nhà môi giới” trong thế giới MQTT - nhận dữ liệu từ nhiều cảm biến và phân phối lại cho tất cả các bên đã đăng ký, do đó tách nhà xuất bản khỏi người tiêu dùng. Máy chủ từ xa có thể được triển khai nội bộ tại cơ sở trung tâm cho dự án. Ngoài ra, chúng tôi có thể sử dụng các nhà môi giới MQTT miễn phí, có sẵn như test.mosquitto.org.

Bất kỳ ứng dụng phần mềm nào cũng có thể đăng ký với nhà môi giới và sử dụng thông tin được công bố bởi các thiết bị TESS. Một ứng dụng khách MQTT đặc biệt sẽ được phát triển để thu thập tất cả những dữ liệu này và lưu trữ chúng trong cơ sở dữ liệu SQLite.

Cấu hình thiết bị

● Cấu hình thiết bị sẽ được giảm xuống mức tối thiểu để giúp bảo trì.

● Mỗi thiết bị cần có cấu hình này:

o WiFi SSID và mật khẩu.

o Hằng số hiệu chuẩn của máy đo quang.

o Địa chỉ IP và cổng của Nhà môi giới MQTT.

o Tên thân thiện với thiết bị (duy nhất cho mỗi thiết bị)

o Tên kênh MQTT (như mô tả ở trên)

Cấu hình WiFi

Khi được kết nối với nguồn lần đầu tiên, TESS-W sẽ tạo một điểm truy cập WiFi. Người dùng điền vào các cài đặt bao gồm tên (SSID) và mật khẩu của bộ định tuyến WiFi, điểm 0 của phép đo quang và địa chỉ Internet và tên của kho lưu trữ môi giới. Sau khi đặt lại và tắt và bật chu kỳ, máy đo quang TESS bắt đầu sản xuất và gửi dữ liệu.

Ở lần khởi động đầu tiên, TESS bắt đầu như một điểm truy cập với tên TESSconfigAP. Điện thoại di động phải kết nối với điểm truy cập này.

● Duyệt bằng trình duyệt Internet URL sau:

● Điền vào biểu mẫu với các thông số được liệt kê trong 2.3

● Khởi động lại thiết bị, thao tác này sẽ kết nối với bộ định tuyến cục bộ.

Khi thiết bị mất liên kết với bộ định tuyến WiFi, hãy khởi động lại và tự định cấu hình lại thành điểm truy cập, điều này rất thuận tiện để thay đổi cấu hình.

Phần mềm

TESS-W Firmware, một tài liệu có thể được tìm thấy tại kho lưu trữ github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Đối với bộ vi xử lýhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Bước 8: Nhận xét cuối cùng

Tổ chức STARS4ALL là sự tiếp nối của dự án STARS4ALL phụ trách hoạt động của mạng quang kế TESS-W. Đây là một dự án khoa học công dân sản xuất dữ liệu quan tâm cho các nghiên cứu ô nhiễm ánh sáng.

Khi máy đo quang của bạn được hiệu chỉnh và định cấu hình sẽ bắt đầu gửi các phép đo đến cơ sở hạ tầng STARS4ALL. Các phép đo này có thể được trực quan hóa từ nền tảng của chúng tôi (https://tess.stars4all.eu/plots/). Ngoài ra, tất cả dữ liệu được tạo trong mạng có thể được tải xuống từ cộng đồng Zenodo của chúng tôi (https://zenodo.org/communities/stars4all)