מד צילום בהירות שמי הלילה TESS-W: 8 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

TESS-W הוא פוטומטר המיועד למדידה וניטור רציף של בהירות שמי הלילה למחקרי זיהום קירות. הוא נוצר במהלך הפרויקט האירופי STARS4ALL H2020 בעיצוב פתוח (חומרה ותוכנה). מד הצילום TESS-W תוכנן לשליחת נתונים באמצעות WIFI. הנתונים מדומיינים בזמן אמת ומשותפים (נתונים פתוחים). עיין ב https://tess.stars4all.eu/ למידע נוסף.

מסמך זה מכיל כמה פרטים טכניים של פוטומטר בהירות שמי הלילה TESS-W ומתאר כיצד לבנות אותו. הוא כולל את הסכימות האלקטרוניות והאופטיות של החיישן וגם את מארז ההגנה מפני מזג האוויר.

מידע נוסף אודות מד הצילום של TESS הוצג ב- Zamorano et al. "פוטומטר בהירות שמי הלילה STARS4ALL" בפגישת אור מלאכותי בלילה (ALAN2016) קלוז ', נפוקה, רומניה, ספטמבר 2016.

TESS-W פותחה על ידי צוות והעיצוב מבוסס בעבודתו של כריסטובל גרסיה.

זוהי גרסת העבודה הראשונה של Instructables. המשך להתעדכן.

שלב 1: תיאור של TESS-W

הפוטומטר סגור בתוך קופסה חסינת מזג אוויר המכילה את האלקטרוניקה והחלקים האופטיים בהתאמה אישית. ל- TESS לוח מעגלים מודפסים בהתאמה אישית (PCB) עם ESP8266. ה- ESP8266 הוא שבב WIFI בעלות נמוכה עם ערימת TCP/IP מלאה ויכולת מיקרו-בקר. האלקטרוניקה משמשת לקריאת התדר שמספק חיישן האור TSL237 (לנתוני בהירות שמי הלילה) וגם מודול מדחום אינפרא אדום MLX90614ESF-BA (למידע על כיסוי ענן).

גלאי בהירות השמים הוא פוטודיודה TSL237 הממירה אור לתדר. זהו אותו חיישן המשמש את פוטומטרים SQM. עם זאת, פס ההרחבה מורחב יותר לטווח האדום עם שימוש במסנן דיכרואי (שכותרתו UVIR בחלקות) ביחס למסנן הצבעים BG38 של ה- SQM.

האור מהשמיים נאסף עם האופטיקה הכוללת מסנן דיכרואי לבחירת פס הפס. המסנן מכסה את האספן (1) במלואו. החיישן (לא נראה בתמונה זו) ממוקם על לוח מודפס יחד עם האלקטרוניקה בהתאמה אישית (2). מודול ה- WIFI (3) עם אנטנה בתוך הקופסה המרחיבה את טווח ה- WIFI. חיישן כמעט אינפרא אדום (4) משמש למדידת טמפרטורת השמים. לבסוף, החימום (5) מופעל בעת הצורך כדי להיפטר מעיבוי בחלון או אפילו להמיס את הקרח או השלג (6). שדה הראייה (FoV) הוא FWHM = 17 מעלות.

התגובה הספקטראלית של ה- TESS-W מושווה עם הרצועות הפוטומטריות האסטרונומיות של ג'ונסון B, V ו- R ועם הספקטרום של השמים המזוהמים באור של מדריד ושמי הכוכבים האסטרונומיים הקלים של אלטו אלטו.

שלב 2: TESS-W פוטומטר אלקטרוניקה

לוח אלקטרוני

המרכיב העיקרי של TESS הוא לוח אלקטרוני בהתאמה אישית (PCB, מעגל מודפס).

ניתן להוריד את הקובץ הדרוש ל- PCB מ

ה- PCB תוכנן כך שיתאים בתוך קופסת המארז שנבחרה (ראה בהמשך).

רכיבים עיקריים

ניתן לעיין בחלקים האלקטרוניים של ה- PCB על התמונה המצורפת ובקובץ המסופק.

שלב 3: אופטיקה של מד צילום TESS-W

עיצוב ורכיבים

האור מהשמיים נאסף עם האופטיקה הכוללת מסנן דיכרואי לבחירת פס הפס. המסנן מכסה את האספן במלואו. למארז הפוטומטרים חלון ברור המאפשר לאור השמיים להיכנס אל הפוטומטר. החלק הפנימי מוגן בחלון שקוף מזכוכית.

העיצוב האופטי מתואר באיור הראשון. האור עובר את חלון המסנן השקוף (1) ונכנס דרך חור (3) של מכסה המתחם (2). החלון השקוף מודבק על מכסה המתחם. המסנן הדיכרואי (4) ממוקם על גבי אספן האור (5). הגלאי (6) הונח ביציאת האספן.

החלון הצלול

הרכיב הראשון הוא חלון שקוף המאפשר מעבר האור לשאר הרכיבים ואוטם את הפוטומטר. זהו חלון עשוי זכוכית (BAK7) מכיוון שהוא אמור לעמוד בפני מזג האוויר. עובי החלון 2 מ"מ וקוטר 50 מ"מ. עקומת השידור נמדדה על שולחן העבודה האופטי LICA-UCM. הוא כמעט קבוע ~ 90% בטווח אורך הגל 350nm -1050nm, כלומר החלון הצלול אינו מציג שינוי בצבע האור.

המסנן הדיכרואי

המסנן הדיכרואי הוא מסנן מעוגל בקוטר 20 מ מ לכיסוי מלא של אספן האור. זה מבטיח כי אין אור מסונן שמגיע לגלאי. זה חשוב מכיוון שגלאי TSL237 הוא הגיוני באינפרא אדום (IR). מסנן UVIR נועד להעביר בין 400 ל 750 ננומטר, כלומר הוא חותך את התגובה האולטרה סגולה של הגלאי מתחת ל 400 ננומטר ואת תגובת ה IR מעל 750 ננומטר. עקומת השידור דומה לשילוב של מעבר ארוך ומסנן מעבר קצר עם תגובה כמעט שטוחה המגיעה כמעט ל -100% כפי שנמדד בספסל עבודה אופטי LICA-UCM (ראו החלקות בתיאור)

אספן האור

על מנת לאסוף את האור מהשמיים TESS משתמש באספן אור. אספן זה זול מאוד מכיוון שהוא עשוי מפלסטיק באמצעות הזרקה. עדשות אלו משמשות להקרנת האור בפנסים. החלק הפנימי הוא מחזיר אור פרבולואיד שקוף. המחזיק השחור מונע מהאור המשוטט להגיע לגלאי.

אנו משתמשים באספני אור שחור עם FoV נומינלי של 60 מעלות. בשימוש ב- TESS ה- FoV מצטמצם בשל מיקומו של הגלאי מחוץ לאספן. ה- FoV הנמדד הסופי (כולל הכוונון האפשרי מכריכת המתחם) נמדד על שולחן העבודה האופטי. התגובה הזוויתית דומה לתפקוד גאוסי של 17 מעלות רוחב מלא בחצי מקסימום (FWHM).

התיבה

האלקטרוניקה והאופטיקה של פוטומטר TESS מוגנים על ידי מארז פשוט המבוסס על קופסת פלסטיק מסחרית המתאימה להיות בחוץ ולהתנגד לבלייה.

הקופסה קטנה (בחוץ: 58 x 83 x 34 מ"מ; בפנים: 52 x 77 x 20 מ"מ). לקופסה מכסה בורג לגישה פנימית. המבנה האטום מספק מספיק רמת הגנה מפני כניסת מים ואבק כאחד. כדי למנוע שהברגים סובלים מחלידה, הברגים המקוריים שונו על ידי ברגי נירוסטה.

שלב 4: מארז TESS-W

התיבה

האלקטרוניקה והאופטיקה של פוטומטר TESS מוגנים על ידי מארז פשוט המבוסס על קופסת פלסטיק מסחרית המתאימה להיות בחוץ ולהתנגד לבלייה.

הקופסה קטנה (בחוץ: 58 x 83 x 34 מ"מ; בפנים: 52 x 77 x 20 מ"מ). לקופסה מכסה בורג לגישה פנימית. המבנה האטום מספק מספיק רמת הגנה מפני כניסת מים ואבק כאחד. כדי למנוע שהברגים סובלים מחלידה, הברגים המקוריים שונו על ידי ברגי נירוסטה.

עיבוד קופסא

יש צורך לבצע עיבוד פשוט על הקופסה. החלון המאפשר לאור להגיע לאספן האור הוא ברוחב של 20 מ"מ בקוטר. הוא מכוסה בחלון שקוף שצריך להדביק אותו בסיליקון עמיד בפני מזג אוויר. החור הקטן הוא יציאת מדחום IR ובקוטרו 8.5 מ"מ. בצד השני של התיבה יש צורך בחור של 12 מ"מ לבלוטת הכבלים. שני הנקבים בגודל 2.5 מ"מ משמשים לאבטחת התנור למכסה התיבה.

שלב 5: הרכבת מד הצילום TESS-W

1. הכנה

1. צובעים את הקופסה בפנים בשחור.

עיבוד קופסא

2. קידוח:

● 1 x 20 מ"מ לחלון. 1 x 12 מ"מ לבלוטת הכבלים. 1 x 8.5 מ"מ לחמם התרמי. 2 x 2.5 מ"מ לחימום.

3. קדוח את לוחית מפזר האלומיניום (עובי 1 מ"מ) לעמידות התנור, 4. הברג את ההתנגדות והצלחת לכריכה.5. הדבק את מרווחי 8 מ"מ עבור ה- PCB. הדבק את החלון השקוף (יש לדפוק את מחמם ההתנגדות במקומו)

תרמופיל

7. הסר את ווסת המתח וחבר את שני המסופים על ידי הלחמת גשר.8. הלחמה של חוט בעל 4 פינים עם ראש אחד באורך 60 מ מ. הדביקו את התרמיל על המכסה.

אַנטֶנָה

10. קדוח חור לאבטחת האנטנה לקופסה.11. חתוך את פינות האנטנה.12. הסר את האנטנה הקרמית של מודול ה- wifi וגם את מחבר האנטנה ואת הנורית האדומה.

2. הרכבה

אנא עקוב אחר הרצף המסודר הזה:

1. אבטח את האנטנה לקופסה בעזרת בורג.2. הנח את בלוטת הכבלים ואת כבל החשמל. אבטח את הקולט (הצילינדר השחור) ללוח הלוח (שני ברגים).4. אבטח את הלוח הקדמי לקופסה (שני ברגים).5. הברג את כבל החשמל למחבר הלוח הירוק. (חוט אדום לחיובי).6. כבל אנטנה הלחמה למודול wifi.7. מחמם לחימום התנגדות כבל מחבר דו-פיני חד-ראש ללוח מחבר של 55 מ מ. חבר את התרמיל וההתנגדות (היזהר שלא לשבור את הלוח המודרני).

ההתנגדות פועלת כתנור חימום ומחוברת לכריכה בעזרת לוחית אלומיניום. התמונות מסבירות את התהליכים הבאים: יש להבריג את האנטנה לקופסה, להחליף את הרגולטור של התרמיל בגשר, ולהדביק את שתי המרווחים (בשחור) למחשב הלוח על הקופסה. החלק הפנימי של הקופסה צבוע בשחור.

אחת הדמויות מציגה את מודול ה- WIFI המקורי הכולל אנטנה מקרמיקה ושקע לחיבור אנטנה נוספת (למעלה). אנו משתמשים באנטנה שהכבל שלה מולחם למודול ה- wifi (למטה). שים לב כי האנטנה הקרמית, השקע והנורית האדומה ליד הכבל הוסרו.

שלב 6: כיול פוטומטרי של TESS-W

יש לכייל את הפוטומטרים כדי להבטיח שהמידות ממכשירים שונים תואמים. ה- TESS-W מכוילים בצול ביחס לפוטומטר ראשי ב- Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) של אוניברסיטת Complutense de Madrid.

ההתקנה היא תחום אינטגרציה שאפשר להאיר את פניםו על ידי מקור אור ועם מספר יציאות אופטיות לחיבור הפוטומטרים. מקור האור המועסק הוא LED של 596 ננומטר עם 14 ננומטר FWHM.

אם ברצונך לכייל את מד הצילום TESS-W שלך, תוכל ליצור קשר עם LICA-UCM.

שלב 7: תוכנת TESS-W

תוכנת מודול WIFI

תקשורת ותוכנה

המערכת השלמה כוללת רשת חיישנים ומתווכת תוכנה המתווכת בין יצרני מידע לצרכנים השמורה לחיישנים מכוילים. לאחר שתכייל את הפוטומטר שלך (ראה שלב 6), STARS4ALL יספק לך את האישורים לפרסום בברוקר.

פותח צרכן לדוגמה ב- Python לאחסון נתונים במסד נתונים של SQLite. צרכן זה יכול להיות מותקן במחשב אחד או בשרתים רבים. המאפיינים העיקריים של התוכנה מפורטים להלן:

● תוכנה מותאמת אישית עבור TESS שפותחה ב- C.

● תוכנת מוציאים לאור MQTT שפותחה בספריות Arduino IDE ו- ESP8266.

● מתווך MQTT בפריסה פנימית או בצד שלישי זמין (כלומר test mosquitto.org)

● תוכנת מנוי MQTT המקבלת נתונים מאתרים ושומרת אותם במסד נתונים יחסי (SQLite).

MQTT הוא פרוטוקול קל של M2M / Internet of Things המתאים למכשירים מוגבלים הדורש הרבה פחות תקורות מאשר תקשורת מבוססת

כל חיישן שולח מדי פעם מדידות לשרת MQTT מרוחק דרך נתב מקומי. שרת זה - שנקרא "מתווך" בעולם ה- MQTT - מקבל נתונים מחיישנים רבים ומפיץ מחדש לכל הצדדים הרשומים, ובכך מנתק את האתרים מהצרכנים. ניתן לפרוס את השרת המרוחק בתוך הבית במתקן מרכזי לפרויקט. לחלופין, אנו יכולים להשתמש בברוקרים זמינים בחינם של MQTT כגון test.mosquitto.org.

כל לקוח תוכנה יכול להירשם למתווך ולצרוך את המידע שמפרסמים מכשירי TESS. לקוח MQTT מיוחד יפותח כדי לאסוף את כל הנתונים האלה ולאחסן אותם במאגר נתונים של SQLite.

תצורת המכשיר

● תצורת המכשיר תצטמצם למינימום כדי לסייע בתחזוקה.

● כל מכשיר זקוק לתצורה זו:

o WiFi SSID וסיסמה.

o קבוע כיול פוטומטר.

o כתובת ה- IP ויציאת ה- MQTT Broker.

o שם ידידותי למכשירים (ייחודי לכל מכשיר)

o שם ערוץ MQTT (כמתואר לעיל)

תצורת WiFi

כאשר הוא מתחבר לראשונה לחשמל, TESS-W יוצר נקודת גישה ל- WiFi. המשתמש ממלא את ההגדרות הכוללות את השם (SSID) והסיסמה של נתב ה- WiFi, נקודת האפס של הפוטומטריה וכתובת האינטרנט ושם מאגר הברוקרים. לאחר איפוס וכיבוי והפעלת מחזור, פוטומטר TESS מתחיל לייצר ולשלוח נתונים.

בעת האתחול הראשון, TESS מתחילה כנקודת גישה עם השם TESSconfigAP. טלפון נייד חייב להתחבר לנקודת גישה זו.

● גלוש באמצעות דפדפן אינטרנט בכתובת האתר הבאה:

● מלא את הטופס עם הפרמטרים המפורטים ב 2.3

● הפעל מחדש את המכשיר, שיתחבר לנתב המקומי.

כאשר המכשיר מאבד את הקישור עם נתב ה- WiFi, אתחל מחדש ומגדיר את עצמו שוב כנקודת גישה, וזה נוח לשנות את התצורה.

תוֹכנָה

קושחת TESS-W ניתן למצוא תיעוד במאגר github

github.com/cristogg/TESS-W

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

למעבד המיקרו

שלב 8: הערות אחרונות

קרן STARS4ALL היא המשכו של פרויקט STARS4ALL שאחראי על תפעול רשת פוטומטרים TESS-W. זהו פרויקט מדעי אזרחים המייצר נתונים מעניינים למחקרי זיהום אור.

לאחר שהפוטומטר שלך מכויל ויוגדר יתחיל לשלוח את המדידות לתשתית STARS4ALL. ניתן לדמיין מדידות אלה מהפלטפורמה שלנו (https://tess.stars4all.eu/plots/). בנוסף, ניתן להוריד את כל הנתונים שנוצרו ברשת מקהילת הזנודו שלנו (https://zenodo.org/communities/stars4all)