TESS-W Night Sky Brightness Photometer: 8 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

TESS-W เป็นโฟโตมิเตอร์ที่ออกแบบมาเพื่อวัดและตรวจสอบความสว่างของท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างต่อเนื่องสำหรับการศึกษามลพิษทางแสง มันถูกสร้างขึ้นระหว่าง STARS4ALL H2020 European Project ด้วยการออกแบบแบบเปิด (ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์) โฟโตมิเตอร์ TESS-W ออกแบบมาเพื่อส่งข้อมูลผ่าน WIFI ข้อมูลจะแสดงเป็นภาพในเวลาจริงและแบ่งปัน (ข้อมูลเปิด) เรียกดู https://tess.stars4all.eu/ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม

เอกสารนี้มีรายละเอียดทางเทคนิคบางอย่างของเครื่องวัดความสว่างของท้องฟ้ายามค่ำคืน TESS-W และอธิบายวิธีการสร้าง ประกอบด้วยแผนผังอิเล็กทรอนิกส์และออปติคัลของเซ็นเซอร์และกล่องหุ้มที่ทนต่อสภาพอากาศ

ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโฟโตมิเตอร์ TESS นำเสนอใน Zamorano et al “เครื่องวัดความสว่างท้องฟ้ายามค่ำคืน STARS4ALL” ที่งาน Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) เมืองคลูจ เมืองนาโปกา ประเทศโรมาเนีย กันยายน 2559

TESS-W ได้รับการพัฒนาโดยทีมงานและการออกแบบมาจากผลงานของ Cristóbal García

นี่เป็นเวอร์ชันแรกของ Instructables คอยติดตาม

ขั้นตอนที่ 1: คำอธิบายของ TESS-W

โฟโตมิเตอร์อยู่ในกล่องป้องกันสภาพอากาศซึ่งมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และชิ้นส่วนออปติคัลสั่งทำพิเศษ TESS มีแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบกำหนดเองพร้อม ESP8266 ESP8266 เป็นชิป WIFI ราคาประหยัดพร้อมสแต็ค TCP/IP และไมโครคอนโทรลเลอร์เต็มรูปแบบ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นี้ใช้เพื่ออ่านความถี่ที่ได้จากเซ็นเซอร์วัดแสง TSL237 (สำหรับข้อมูลความสว่างของท้องฟ้ายามค่ำคืน) และโมดูลเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรด MLX90614ESF-BA (สำหรับข้อมูลเมฆปกคลุม)

เครื่องตรวจจับความสว่างของท้องฟ้าคือโฟโตไดโอด TSL237 ที่แปลงแสงเป็นความถี่ เป็นเซ็นเซอร์เดียวกับที่โฟโตมิเตอร์ SQM ใช้ อย่างไรก็ตาม แบนด์พาสขยายไปถึงช่วงสีแดงมากขึ้นด้วยการใช้ฟิลเตอร์ไดโครอิก (มีป้ายกำกับ UVIR บนแปลง) ในส่วนที่เกี่ยวกับฟิลเตอร์สี BG38 ของ SQM

แสงจากท้องฟ้าถูกรวบรวมด้วยเลนส์ที่มีตัวกรองไดโครอิกเพื่อเลือกแถบความถี่ ตัวกรองครอบคลุมตัวสะสม (1) เซ็นเซอร์ (ไม่เห็นในภาพนี้) ตั้งอยู่บนแผงวงจรพิมพ์พร้อมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตขึ้นเอง (2) โมดูล WIFI (3) พร้อมเสาอากาศภายในกล่องที่ขยายช่วง WIFI ใช้เซ็นเซอร์อินฟราเรดใกล้ (4) เพื่อวัดอุณหภูมิท้องฟ้า ในที่สุด เครื่องทำความร้อน (5) จะเปิดขึ้นเมื่อจำเป็นเพื่อกำจัดการควบแน่นบนหน้าต่างหรือแม้กระทั่งเพื่อละลายน้ำแข็งหรือหิมะ (6) มุมมองภาพ (FoV) คือ FWHM=17 องศา

การตอบสนองทางสเปกตรัมของ TESS-W นั้นถูกนำไปเปรียบเทียบกับแถบโฟโตเมตริกของ Johnson B, V และ R ทางดาราศาสตร์ และกับสเปกตรัมของท้องฟ้าที่มีมลพิษทางแสงของมาดริดและท้องฟ้ามืดที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์คาลาร์อัลโต

ขั้นตอนที่ 2: TESS-W Photometer Electronics

กระดานอิเล็กทรอนิกส์

ส่วนประกอบหลักของ TESS คือบอร์ดอิเล็กทรอนิกส์สั่งทำพิเศษ (PCB, แผงวงจรพิมพ์)

ไฟล์ที่จำเป็นสำหรับ PCB สามารถดาวน์โหลดได้จากhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/docs/TessWifi-PCB-files.zip

PCB ได้รับการออกแบบมาให้พอดีกับกล่องหุ้มที่เลือก (ดูในภายหลัง)

องค์ประกอบหลัก

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของ PCBs สามารถเรียกดูได้จากรูปภาพและในไฟล์ที่ให้มา

ขั้นตอนที่ 3: TESS-W Photometer Optics

การออกแบบและส่วนประกอบ

แสงจากท้องฟ้าถูกรวบรวมด้วยเลนส์ที่มีตัวกรองไดโครอิกเพื่อเลือกแถบความถี่ ตัวกรองครอบคลุมตัวสะสมอย่างสมบูรณ์ ตู้โฟโตมิเตอร์มีหน้าต่างใสที่ช่วยให้แสงจากท้องฟ้าเข้าสู่โฟโตมิเตอร์ได้ ด้านในป้องกันด้วยกระจกใส

การออกแบบออปติคัลแสดงในรูปแรก แสงส่องผ่านช่องกรองใส (1) และเข้าไปในรู (3) ของฝาครอบตัวเครื่อง (2) หน้าต่างใสติดกาวที่ฝาครอบตัวเครื่อง ตัวกรองไดโครอิก (4) อยู่ที่ด้านบนของตัวเก็บแสง (5) เครื่องตรวจจับ (6) ถูกวางไว้ที่ทางออกของตัวสะสม

หน้าต่างใส

ส่วนประกอบแรกคือหน้าต่างโปร่งใสที่ช่วยให้แสงผ่านไปยังส่วนประกอบที่เหลือและผนึกโฟโตมิเตอร์ได้ เป็นหน้าต่างกระจก (BAK7) เพราะทนทานต่อสภาพอากาศ หน้าต่างมีความหนา 2 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. เส้นโค้งการส่งได้รับการวัดที่โต๊ะทำงานออปติคัล LICA-UCM มันเกือบจะคงที่ ~90% ในช่วงความยาวคลื่น 350nm -1050nm ซึ่งหมายความว่าหน้าต่างใสไม่แนะนำให้เปลี่ยนสีของแสง

ตัวกรองไดโครอิก

ฟิลเตอร์ไดโครอิกเป็นฟิลเตอร์ทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. เพื่อปกปิดตัวเก็บแสงทั้งหมด สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าไม่มีแสงที่ไม่มีการกรองไปถึงเครื่องตรวจจับ นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากเครื่องตรวจจับ TSL237 นั้นตรวจจับได้ในอินฟราเรด (IR) ตัวกรอง UVIR ได้รับการออกแบบให้ส่งผ่านจาก 400 ถึง 750 นาโนเมตร นั่นคือ ตัดการตอบสนองของรังสีอัลตราไวโอเลตของเครื่องตรวจจับที่ต่ำกว่า 400 นาโนเมตร และการตอบสนองของ IR มากกว่า 750 นาโนเมตร เส้นโค้งการส่งจะคล้ายกับการรวมกันของ long pass และ short pass filter ที่มีการตอบสนองเกือบแบนเกือบ 100% ตามที่วัดใน LICA-UCM optical workbench (ดูแผนภาพที่คำอธิบาย)

นักสะสมแสง

เพื่อรวบรวมแสงจากท้องฟ้า TESS ใช้ตัวเก็บแสง ตัวสะสมนี้มีราคาถูกมากเพราะทำจากพลาสติกโดยใช้แม่พิมพ์ฉีด เลนส์นี้ใช้ฉายแสงในไฟฉาย ด้านในเป็นแผ่นสะท้อนแสงพาราโบลาแบบใส ตัวยึดสีดำป้องกันแสงเล็ดลอดไปถึงเครื่องตรวจจับ

เรากำลังใช้ตัวสะสมแสงสีดำที่มีค่า 60 องศา FoV เล็กน้อย เมื่อใช้ใน TESS FoV จะลดลงเนื่องจากตำแหน่งของเครื่องตรวจจับอยู่นอกตัวสะสม FoV ที่วัดได้ขั้นสุดท้าย (รวมถึงขอบมืดที่เป็นไปได้จากฝาครอบตัวเครื่อง) ถูกวัดในโต๊ะทำงานแบบออปติคัล การตอบสนองเชิงมุมคล้ายกับฟังก์ชันเกาส์เซียนที่มีความกว้างเต็ม 17 องศาที่ค่าสูงสุดครึ่งหนึ่ง (FWHM)

กล่อง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปติกของโฟโตมิเตอร์ TESS ได้รับการปกป้องโดยกล่องหุ้มที่เรียบง่ายโดยใช้กล่องพลาสติกเชิงพาณิชย์ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานกลางแจ้งและทนต่อสภาพอากาศ

กล่องมีขนาดเล็ก (ด้านนอก: 58 x 83 x 34 มม. ด้านใน: 52 x 77 x 20 มม.) ตัวกล่องมีฝาปิดเกลียวเข้าด้านใน โครงสร้างแบบปิดผนึกให้การป้องกันน้ำและฝุ่นในระดับที่เพียงพอ เพื่อป้องกันไม่ให้สกรูเกิดสนิม สกรูเดิมจึงเปลี่ยนด้วยสกรูสแตนเลส

ขั้นตอนที่ 4: TESS-W Enclosure

กล่อง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปติกของโฟโตมิเตอร์ TESS ได้รับการปกป้องโดยกล่องหุ้มที่เรียบง่ายโดยใช้กล่องพลาสติกเชิงพาณิชย์ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานกลางแจ้งและทนต่อสภาพอากาศ

กล่องมีขนาดเล็ก (ด้านนอก: 58 x 83 x 34 มม. ด้านใน: 52 x 77 x 20 มม.) ตัวกล่องมีฝาเกลียวเข้าด้านใน โครงสร้างแบบปิดผนึกให้การป้องกันน้ำและฝุ่นในระดับที่เพียงพอ เพื่อป้องกันไม่ให้สกรูเกิดสนิม สกรูเดิมจึงเปลี่ยนด้วยสกรูสแตนเลส

เครื่องจักรกลกล่อง

จำเป็นต้องทำการตัดเฉือนอย่างง่ายบนกล่อง หน้าต่างที่ยอมให้แสงส่องถึงตัวสะสมแสงมีเส้นผ่านศูนย์กลางกว้าง 20 มม. มันถูกปิดด้วยหน้าต่างใสที่ควรติดด้วยซิลิโคนที่ทนต่อสภาพอากาศ รูเล็ก ๆ คือพอร์ตเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดและมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.5 มม. อีกด้านหนึ่งของกล่องจำเป็นต้องมีรูขนาด 12 มม. สำหรับเคเบิลแกลนด์ รูเจาะทั้งสองขนาด 2.5 มม. ใช้สำหรับยึดตัวทำความร้อนเข้ากับฝาปิดกล่อง

ขั้นตอนที่ 5: การติดตั้งโฟโตมิเตอร์ TESS-W

1. การเตรียมการ

1. ทากล่องด้านในเป็นสีดำ

เครื่องจักรกลกล่อง

2. การขุดเจาะ:

● 1x 20 มม. สำหรับหน้าต่าง● 1x 12 มม. สำหรับสายเคเบิลต่อม● 1x 8.5 มม. สำหรับเทอร์โมไพล์● 2x 2.5 มม. สำหรับฮีตเตอร์● 2x 1 มม. ที่ด้านข้างของกล่อง

3. เจาะแผ่นกระจายแสงอะลูมิเนียม (ความหนา 1 มม.) เพื่อต้านทานตัวทำความร้อน 4. ขันความต้านทานและแผ่นเข้ากับฝาครอบ5. กาวสเปเซอร์ 8 มม. สำหรับ PCB.6 กาวหน้าต่างใส (ควรขันสกรูตัวทำความร้อนต้านทานเข้าที่)

เทอร์โมไพล์

7. ถอดตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าและเชื่อมต่อขั้วทั้งสองโดยการบัดกรีสะพาน8. บัดกรีสาย 4 พินหัวเดียวเข้ากับขั้วต่อบอร์ดความยาว 60 มม.9. กาวเทอร์โมไพล์เข้ากับฝาครอบ

เสาอากาศ

10. เจาะรูเพื่อยึดเสาอากาศเข้ากับกล่อง11. ตัดมุมของเสาอากาศ12. ถอดเสาอากาศเซรามิกของโมดูล wifi รวมทั้งคอนเน็กเตอร์เสาอากาศและไฟ LED สีแดงด้วย

2. การติดตั้ง

โปรดทำตามลำดับนี้:

1. ยึดเสาอากาศเข้ากับกล่องโดยใช้สกรู2. วางเคเบิลแกลนด์และสายไฟ3. ยึดตัวสะสม (ถ่านสีดำ) เข้ากับ PCB (สกรูสองตัว)4. ยึด PCB เข้ากับกล่อง (สกรูสองตัว)5. ขันเกลียวสายไฟเข้ากับขั้วต่อบอร์ดสีเขียว (สายสีแดงเป็นบวก).6. สายเคเบิลเสาอากาศบัดกรีกับโมดูล wifi.7. บัดกรีต่อฮีตเตอร์แบบต้านทาน สายไฟ 2 พินหัวเดียวเข้ากับบอร์ดขนาด 55 มม.8 เชื่อมต่อเทอร์โมไพล์และความต้านทาน (ระวังอย่าให้ PCB แตก)

ความต้านทานทำหน้าที่เป็นตัวทำความร้อนและเชื่อมต่อกับฝาครอบด้วยแผ่นอลูมิเนียม รูปภาพอธิบายขั้นตอนถัดไป: ควรขันสกรูเสาอากาศเข้ากับกล่อง ตัวควบคุมเทอร์โมไพล์ถูกแทนที่ด้วยบริดจ์ และควรติดสเปเซอร์สองตัว (สีดำ) สำหรับ PCB ที่กล่อง ด้านในของกล่องทาสีดำ

รูปหนึ่งแสดงโมดูล WIFI ดั้งเดิมที่มีเสาอากาศเซรามิกและซ็อกเก็ตสำหรับเชื่อมต่อเสาอากาศเสริม (ด้านบน) เราใช้เสาอากาศที่ต่อสายเคเบิลเข้ากับโมดูล wifi (ด้านล่าง) โปรดทราบว่ามีการถอดเสาอากาศเซรามิก เต้ารับ และไฟ LED สีแดงบริเวณสายเคเบิลออกแล้ว

ขั้นตอนที่ 6: TESS-W Photometric Calibration

ควรปรับเทียบโฟโตมิเตอร์เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดจากอุปกรณ์ต่างๆ มีความสอดคล้องกัน TESS-W ได้รับการปรับเทียบแบบกากบาทเมื่อเทียบกับเครื่องวัดแสงหลักที่ Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) ของ Universidad Complutense de Madrid

การตั้งค่านี้เป็นทรงกลมที่รวมเข้าด้วยกันซึ่งภายในสามารถส่องสว่างได้ด้วยแหล่งกำเนิดแสงและมีพอร์ตออปติคัลหลายพอร์ตเพื่อเชื่อมต่อโฟโตมิเตอร์ แหล่งกำเนิดแสงที่ใช้คือ LED 596 นาโนเมตรพร้อม FWHM 14 นาโนเมตร

หากคุณต้องการสอบเทียบโฟโตมิเตอร์ TESS-W ของคุณ คุณสามารถติดต่อ LICA-UCM

ขั้นตอนที่ 7: ซอฟต์แวร์ TESS-W

ซอฟต์แวร์โมดูล WIFI

การสื่อสารและซอฟต์แวร์

ระบบที่สมบูรณ์ประกอบด้วยเครือข่ายเซ็นเซอร์และนายหน้าซอฟต์แวร์ที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางระหว่างผู้ผลิตข้อมูลและผู้บริโภคที่สงวนไว้สำหรับเซ็นเซอร์ที่ปรับเทียบแล้ว เมื่อคุณปรับเทียบโฟโตมิเตอร์แล้ว (ดูขั้นตอนที่ 6) STARS4ALL จะให้ข้อมูลประจำตัวแก่คุณเพื่อเผยแพร่ในนายหน้า

ผู้บริโภคตัวอย่างใน Python เพื่อเก็บข้อมูลในฐานข้อมูล SQLite ได้รับการพัฒนา ลูกค้ารายนี้สามารถติดตั้งในพีซีหรือเซิร์ฟเวอร์หนึ่งเครื่องหรือหลายเครื่อง คุณสมบัติหลักของซอฟต์แวร์มีการระบุไว้ด้านล่าง:

● ซอฟต์แวร์ที่กำหนดเองสำหรับ TESS ที่พัฒนาขึ้นในภาษา C

● ซอฟต์แวร์ผู้เผยแพร่ MQTT ที่พัฒนาขึ้นในไลบรารี Arduino IDE และ ESP8266

● โบรกเกอร์ MQTT ทั้งในการปรับใช้ภายในองค์กรหรือบุคคลที่สามที่มีอยู่ (เช่น ทดสอบ mosquitto.org)

● ซอฟต์แวร์สมาชิก MQTT รับข้อมูลจากผู้เผยแพร่และจัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลเชิงสัมพันธ์ (SQLite)

MQTT เป็นโปรโตคอลน้ำหนักเบาของ M2M / Internet of Things ซึ่งเหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่มีข้อจำกัดซึ่งต้องการโอเวอร์เฮดน้อยกว่าการสื่อสารที่ใช้ HTTP มาก

เซ็นเซอร์แต่ละตัวจะส่งการวัดเป็นระยะไปยังเซิร์ฟเวอร์ MQTT ระยะไกลผ่านเราเตอร์ในพื้นที่ เซิร์ฟเวอร์นี้ - ชื่อ "นายหน้า" ในโลก MQTT - รับข้อมูลจากเซ็นเซอร์จำนวนมากและแจกจ่ายให้กับทุกฝ่ายที่สมัครรับข้อมูล ดังนั้นจึงแยกผู้เผยแพร่โฆษณาออกจากผู้บริโภค เซิร์ฟเวอร์ระยะไกลสามารถปรับใช้ภายในองค์กรในสถานที่ส่วนกลางสำหรับโครงการ อีกทางหนึ่ง เราสามารถใช้โบรกเกอร์ MQTT ได้ฟรี เช่น test.mosquitto.org

ลูกค้าซอฟต์แวร์ใด ๆ สามารถสมัครรับข้อมูลจากนายหน้าและใช้ข้อมูลที่เผยแพร่โดยอุปกรณ์ TESS ไคลเอ็นต์ MQTT พิเศษจะได้รับการพัฒนาเพื่อรวบรวมข้อมูลทั้งหมดเหล่านี้และจัดเก็บไว้ในฐานข้อมูล SQLite

การกำหนดค่าอุปกรณ์

● การกำหนดค่าเครื่องมือจะลดลงเหลือน้อยที่สุดเพื่อช่วยในการบำรุงรักษา

● อุปกรณ์แต่ละเครื่องต้องมีการกำหนดค่านี้:

o WiFi SSID และรหัสผ่าน

o ค่าคงที่การสอบเทียบโฟโตมิเตอร์

o ที่อยู่ IP ของโบรกเกอร์ MQTT และพอร์ต

o ชื่อที่เป็นมิตรกับอุปกรณ์ (ไม่ซ้ำกันต่ออุปกรณ์)

o ชื่อช่อง MQTT (ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น)

การกำหนดค่า WiFi

เมื่อเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟครั้งแรก TESS-W จะสร้างจุดเชื่อมต่อ WiFi ผู้ใช้กรอกการตั้งค่าที่มีชื่อ (SSID) และรหัสผ่านของเราเตอร์ WiFi จุดศูนย์ของการวัดแสงและที่อยู่อินเทอร์เน็ตและชื่อของที่เก็บนายหน้า หลังจากรีเซ็ตและปิดและเปิดวงจร โฟโตมิเตอร์ TESS จะเริ่มผลิตและส่งข้อมูล

ในการบู๊ตครั้งแรก TESS จะเริ่มทำงานเป็นจุดเชื่อมต่อที่มีชื่อ TESSconfigAP โทรศัพท์มือถือต้องเชื่อมต่อกับจุดเชื่อมต่อนี้

● เรียกดูด้วยอินเทอร์เน็ตเบราว์เซอร์ URL ต่อไปนี้:

● กรอกแบบฟอร์มด้วยพารามิเตอร์ที่แสดงใน 2.3

● รีบูตอุปกรณ์ซึ่งจะเชื่อมต่อกับเราเตอร์ในพื้นที่

เมื่ออุปกรณ์สูญเสียการเชื่อมโยงกับเราเตอร์ WiFi ให้รีบูตและกำหนดค่าตัวเองอีกครั้งเป็นจุดเข้าใช้งาน ซึ่งสะดวกต่อการเปลี่ยนการกำหนดค่า

ซอฟต์แวร์

เอกสารเฟิร์มแวร์ TESS-W สามารถพบได้ที่ที่เก็บ github

github.com/cristogg/TESS-W

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

สำหรับไมโครโปรเซสเซอร์https://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

ขั้นตอนที่ 8: ข้อสังเกตสุดท้าย

มูลนิธิ STARS4ALL เป็นโครงการต่อเนื่องของโครงการ STARS4ALL ที่รับผิดชอบการดำเนินงานของเครือข่ายโฟโตมิเตอร์ TESS-W นี่เป็นโครงการวิทยาศาสตร์พลเมืองซึ่งสร้างข้อมูลที่น่าสนใจสำหรับการศึกษามลพิษทางแสง

เมื่อโฟโตมิเตอร์ของคุณได้รับการปรับเทียบและกำหนดค่าแล้ว จะเริ่มส่งการวัดไปยังโครงสร้างพื้นฐาน STARS4ALL การวัดเหล่านี้สามารถดูได้จากแพลตฟอร์มของเรา (https://tess.stars4all.eu/plots/) นอกจากนี้ ข้อมูลทั้งหมดที่สร้างในเครือข่ายสามารถดาวน์โหลดได้จากชุมชน Zenodo ของเรา (https://zenodo.org/communities/stars4all)