Fotômetro de brilho do céu noturno TESS-W: 8 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

O TESS-W é um fotômetro projetado para medir e monitorar continuamente o brilho do céu noturno para estudos de poluição leve. Foi criado durante o Projeto Europeu STARS4ALL H2020 com um design aberto (hardware e software). O fotômetro TESS-W foi projetado para enviar dados via WIFI. Os dados são visualizados em tempo real e compartilhados (dados abertos). Navegue https://tess.stars4all.eu/ para mais informações.

Este documento contém alguns detalhes técnicos do fotômetro de brilho noturno TESS-W e descreve como construí-lo. Inclui os esquemas eletrônicos e ópticos do sensor e também o invólucro à prova de intempéries.

Mais informações sobre o fotômetro TESS foram apresentadas em Zamorano et al. “Fotômetro de brilho noturno STARS4ALL“no Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Romênia, setembro de 2016.

A TESS-W foi desenvolvida por uma equipa e o design tem como base a obra de Cristóbal García.

Esta é a primeira versão funcional do Instructables. Fique atento.

Etapa 1: Descrição do TESS-W

O fotômetro é colocado em uma caixa à prova de intempéries que contém os componentes eletrônicos e ópticos feitos sob medida. A TESS tem uma placa de circuito impresso (PCB) feita sob medida com um ESP8266. O ESP8266 é um chip WIFI de baixo custo com pilha TCP / IP completa e capacidade de microcontrolador. O eletrônico é usado para ler a frequência fornecida pelo sensor de luz TSL237 (para dados de brilho do céu noturno) e também o módulo termômetro infravermelho MLX90614ESF-BA (para informações de cobertura de nuvens).

O detector de brilho do céu é um fotodiodo TSL237 que converte luz em frequência. É o mesmo sensor usado pelos fotômetros SQM. No entanto, a passagem de banda é mais estendida para a faixa vermelha com o uso de um filtro dicróico (identificado como UVIR nos gráficos) em relação ao filtro de cor BG38 do SQM.

A luz do céu é coletada com a ótica que inclui um filtro dicróico para selecionar a passagem de banda. O filtro cobre totalmente o coletor (1). O sensor (não visto nesta foto) está localizado em uma placa de circuito impresso junto com os componentes eletrônicos personalizados (2). O módulo WIFI (3) com uma antena dentro da caixa que amplia o alcance do WIFI. Um sensor infravermelho próximo (4) é usado para medir a temperatura do céu. Finalmente, o aquecedor (5) é ligado quando necessário para eliminar a condensação na janela ou mesmo para derreter o gelo ou neve (6). O campo de visão (FoV) é FWHM = 17 graus.

A resposta espectral do TESS-W é comparada com as bandas fotométricas astronômicas Johnson B, V e R e com os espectros do céu poluído pela luz de Madrid e do céu escuro do observatório astronômico Calar Alto.

Etapa 2: Eletrônica do fotômetro TESS-W

Placa eletrônica

O principal componente do TESS é uma placa eletrônica feita sob medida (PCB, placa de circuito impresso).

O arquivo necessário para o PCB pode ser baixado emhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/docs/TessWifi-PCB-files.zip

O PCB foi projetado para caber dentro da caixa selecionada (veja mais adiante).

Componentes principais

As partes eletrônicas dos PCBs podem ser consultadas na imagem que acompanha e no arquivo fornecido.

Etapa 3: óptica do fotômetro TESS-W

Design e componentes

A luz do céu é coletada com a ótica que inclui um filtro dicróico para selecionar a passagem de banda. O filtro cobre totalmente o coletor. O recinto do fotômetro tem uma janela transparente que permite que a luz do céu entre no fotômetro. O interior é protegido por uma janela de vidro transparente.

O design óptico é representado na primeira figura. A luz passa pela janela do filtro transparente (1) e entra por um orifício (3) da tampa do invólucro (2). A janela transparente é colada à tampa do gabinete. O filtro dicróico (4) está localizado no topo do coletor de luz (5). O detector (6) foi colocado na saída do coletor.

A janela transparente

O primeiro componente é uma janela transparente que permite que a luz passe para os demais componentes e sela o fotômetro. Esta é uma janela de vidro (BAK7) porque deve resistir às intempéries. A janela tem uma espessura de 2 mm e um diâmetro de 50 mm. A curva de transmissão foi medida na bancada óptica LICA-UCM. É quase constante ~ 90% na faixa de comprimento de onda 350nm -1050nm, o que significa que a janela transparente não introduz mudança na cor da luz.

O filtro dicróico

O filtro dicróico é um filtro redondo de 20 mm de diâmetro para cobrir completamente o coletor de luz. Isso garante que nenhuma luz não filtrada chegue ao detector. Isso é importante porque o detector TSL237 é sensível no infravermelho (IV). O filtro UVIR foi projetado para transmitir de 400 a 750 nm, isto é, ele corta a resposta ultravioleta do detector abaixo de 400 nm e a resposta IR acima de 750 nm. A curva de transmissão é semelhante a uma combinação de um filtro de passagem longa e passagem curta com resposta quase plana atingindo quase 100% conforme medido na bancada óptica LICA-UCM (veja os gráficos na descrição)

O coletor de luz

Para captar a luz do céu, a TESS usa um coletor de luz. Este coletor é muito barato porque é feito de plástico por moldagem por injeção. Essas lentes são usadas para iluminar lanternas. A parte interna é um refletor parabolóide transparente. O suporte preto evita que a luz difusa alcance o detector.

Estamos usando coletores de luz negra com FoV nominais de 60 graus. Quando usado no TESS, o FoV é reduzido devido à posição do detector fora do coletor. O FoV final medido (incluindo a possível vinheta da tampa do gabinete) foi medido na bancada óptica. A resposta angular é semelhante a uma função gaussiana de 17 graus de largura total na metade do máximo (FWHM).

A Caixa

A eletrônica e a ótica do fotômetro TESS são protegidas por um invólucro simples baseado em uma caixa de plástico comercial que é adequada para uso externo e para resistir às intempéries.

A caixa é pequena (exterior: 58 x 83 x 34 mm; interior: 52 x 77 x 20 mm). A caixa possui uma tampa de rosca para acesso ao interior. A construção selada fornece nível suficiente de proteção contra a entrada de água e poeira. Para evitar que os parafusos enferrujem, os parafusos originais foram substituídos por parafusos de aço inoxidável.

Etapa 4: Gabinete TESS-W

A Caixa

A eletrônica e a ótica do fotômetro TESS são protegidas por um invólucro simples baseado em uma caixa de plástico comercial que é adequada para uso externo e para resistir às intempéries.

A caixa é pequena (exterior: 58 x 83 x 34 mm; interior: 52 x 77 x 20 mm). A caixa possui uma tampa de rosca para acesso ao interior. A construção selada fornece nível suficiente de proteção contra a entrada de água e poeira. Para evitar que os parafusos enferrujem, os parafusos originais foram substituídos por parafusos de aço inoxidável.

Usinagem de caixa

É necessário realizar algumas usinagens simples na caixa. A janela que permite que a luz chegue ao coletor de luz tem uma largura de 20 mm de diâmetro. É coberto por uma janela transparente que deve ser colada com silicone resistente às intempéries. O pequeno orifício é a porta do termômetro infravermelho e tem 8,5 mm de diâmetro. Do outro lado da caixa é necessário um orifício de 12 mm para o prensa-cabo. As duas perfurações de 2,5 mm são utilizadas para fixar o aquecedor à tampa da caixa.

Etapa 5: montagem do fotômetro TESS-W

1. Preparação

1. Pinte a caixa interna de preto.

Usinagem de caixa

2. Perfuração:

● 1x 20 mm para a janela. ● 1x 12 mm para o prensa-cabo. ● 1x 8,5 mm para a termopilha. ● 2x 2,5 mm para o aquecedor. ● 2x 1 mm na lateral da caixa.

3. Perfure a placa difusora de alumínio (espessura de 1 mm) para a resistência do aquecedor, 4. Aparafuse a resistência e a placa à tampa.5. Cole os espaçadores de 8 mm para o PCB.6. Cole a janela transparente (o aquecedor de resistência deve ser parafusado no lugar)

Termopilha

7. Remova o regulador de tensão e conecte os dois terminais soldando uma ponte. Solde um fio de 4 pinos de cabeça única ao conector da placa de 60 mm de comprimento.9. Cole a termopilha na capa.

Antena

10. Faça um furo para prender a antena à caixa.11. Apare os cantos da antena.12. Remova a antena de cerâmica do módulo wi-fi e também o conector da antena e o LED vermelho.

2. Montagem

Siga esta sequência ordenada:

1. Prenda a antena na caixa usando um parafuso.2. Coloque o prensa-cabo e o cabo de alimentação.3. Prenda o coletor (cilindro preto) ao PCB (dois parafusos).4. Prenda o PCB na caixa (dois parafusos).5. Aparafuse o cabo de alimentação ao conector da placa verde. (Fio vermelho para positivo).6. Soldar o cabo da antena para o módulo wi-fi.7. Soldar para aquecedor de resistência um fio de 2 pinos de cabeça única para cabo do conector da placa de 55 mm.8. Conecte a termopilha e a resistência (tome cuidado para não quebrar o PCB).

A resistência atua como um aquecedor e é conectada à tampa por uma placa de alumínio. As fotos explicam os próximos processos: A antena deve ser parafusada na caixa, o regulador da termopilha foi substituído por uma ponte e os dois espaçadores (em preto) do PCB devem ser colados na caixa. O interior da caixa é pintado de preto.

Uma das figuras mostra o módulo WIFI original que possui uma antena de cerâmica e um soquete para conectar uma antena extra (topo). Usamos uma antena cujo cabo é soldado ao módulo wi-fi (parte inferior). Observe que a antena de cerâmica, o soquete e o LED vermelho próximo ao cabo foram removidos.

Etapa 6: Calibração fotométrica TESS-W

Os fotômetros devem ser calibrados para garantir que as medições de diferentes dispositivos sejam consistentes. Os TESS-W são calibrados em relação a um fotômetro mestre do Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) da Universidad Complutense de Madrid.

O conjunto é uma esfera integradora cujo interior pode ser iluminado por uma fonte de luz e com várias portas ópticas para conectar os fotômetros. A fonte de luz utilizada é um LED de 596 nm com 14 nm FWHM.

Se você deseja calibrar seu fotômetro TESS-W, entre em contato com a LICA-UCM.

Etapa 7: Software TESS-W

Software de módulo WIFI

Comunicação e software

O sistema completo inclui uma rede de sensores e um corretor de software que faz a mediação entre produtores e consumidores de informações que são reservadas para sensores calibrados. Depois de calibrar seu fotômetro (consulte a Etapa 6), o STARS4ALL fornecerá a você as credenciais para publicar no corretor.

Um consumidor de amostra em Python para armazenar dados em um banco de dados SQLite foi desenvolvido. Este consumidor pode ser instalado em um ou mais PCs ou servidores. As principais características do software estão listadas abaixo:

● Software customizado para TESS desenvolvido em C.

● Software do editor MQTT desenvolvido nas bibliotecas Arduino IDE e ESP8266.

● MQTT Broker em uma implantação interna ou um terceiro disponível (ou seja, mosquitto.org de teste)

● Software de assinante MQTT recebendo dados de editores e armazenando-os em um banco de dados relacional (SQLite).

MQTT é um protocolo leve M2M / Internet of Things adequado para dispositivos restritos que requerem muito menos sobrecarga do que comunicações baseadas em

Cada sensor envia medições periodicamente a um servidor MQTT remoto por meio de um roteador local. Esse servidor - denominado “intermediário” no mundo MQTT - recebe dados de muitos sensores e os redistribui para todas as partes assinadas, desacoplando assim os editores dos consumidores. O servidor remoto pode ser implantado internamente em uma instalação central para o projeto. Como alternativa, podemos usar corretores MQTT disponíveis e gratuitos, como test.mosquitto.org.

Qualquer cliente de software pode se inscrever no corretor e consumir as informações publicadas pelos dispositivos TESS. Um cliente MQTT especial será desenvolvido para coletar todos esses dados e armazená-los em um banco de dados SQLite.

Configuração do dispositivo

● A configuração do instrumento será reduzida ao mínimo para ajudar na manutenção.

● Cada dispositivo precisa desta configuração:

o WiFi SSID e senha.

o Constante de calibração do fotômetro.

o Endereço IP e porta do MQTT Broker.

o Nome amigável do instrumento (único por dispositivo)

o Nome do canal MQTT (conforme descrito acima)

Configuração WiFi

Quando conectado pela primeira vez à energia, o TESS-W cria um ponto de acesso WiFi. O usuário preenche as configurações que incluem o nome (SSID) e senha do roteador WiFi, o ponto zero da fotometria e o endereço de Internet e nome do repositório do corretor. Após um reset e desligar e ligar o ciclo, o fotômetro TESS começa a produzir e enviar dados.

Na primeira inicialização, o TESS começa como um ponto de acesso com o nome TESSconfigAP. Um telefone celular deve se conectar a este ponto de acesso.

● Navegue com um navegador da Internet no seguinte URL:

● Preencha o formulário com os parâmetros listados em 2.3

● Reinicialize o dispositivo, que se conectará ao roteador local.

Quando o dispositivo perder o link com o roteador WiFi, reinicie e se configura novamente como ponto de acesso, o que é conveniente para alterar a configuração.

Programas

O Firmware TESS-W e a documentação podem ser encontrados no repositório github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Para o microprocessadorhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Etapa 8: Observações Finais

A STARS4ALL Foundation é a continuação do projeto STARS4ALL, responsável pela operação da rede de fotômetros TESS-W. Este é um projeto de ciência cidadã que produz dados de interesse para estudos de poluição luminosa.

Assim que seu fotômetro estiver calibrado e configurado, começará a enviar as medições para a infraestrutura do STARS4ALL. Essas medições podem ser visualizadas em nossa plataforma (https://tess.stars4all.eu/plots/). Além disso, todos os dados gerados na rede podem ser baixados de nossa comunidade Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)