Fotometer Kecerahan Langit Malam TESS-W: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

TESS-W adalah fotometer yang dirancang untuk mengukur dan memantau kecerahan langit malam secara terus-menerus untuk studi polusi cahaya. Itu dibuat selama Proyek Eropa STARS4ALL H2020 dengan desain terbuka (perangkat keras dan perangkat lunak). Fotometer TESS-W telah dirancang untuk mengirim data melalui WIFI. Data divisualisasikan secara real time dan dibagikan (open data). Jelajahi https://tess.stars4all.eu/ untuk informasi lebih lanjut.

Dokumen ini berisi beberapa detail teknis dari fotometer kecerahan langit malam TESS-W dan menjelaskan cara membuatnya. Ini termasuk skema elektronik dan optik dari sensor dan juga penutup tahan cuaca.

Informasi lebih lanjut tentang fotometer TESS disajikan di Zamorano et al. “fotometer kecerahan langit malam STARS4ALL“pada Pertemuan Cahaya Buatan Pada Malam Hari (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumania, september 2016.

TESS-W telah dikembangkan oleh sebuah tim dan desainnya didasarkan pada karya Cristóbal García.

Ini adalah versi kerja pertama dari Instructables. Pantau terus.

Langkah 1: Deskripsi TESS-W

Fotometer dimasukkan ke dalam kotak tahan cuaca yang berisi komponen elektronik dan optik yang dibuat khusus. TESS memiliki Printed Circuit Board (PCB) yang dibuat khusus dengan ESP8266. ESP8266 adalah chip WIFI murah dengan tumpukan TCP/IP penuh dan kemampuan mikrokontroler. Elektronik digunakan untuk membaca frekuensi yang disediakan oleh sensor cahaya TSL237 (untuk data kecerahan langit malam) dan juga modul termometer inframerah MLX90614ESF-BA (untuk informasi tutupan awan).

Detektor kecerahan langit adalah fotodioda TSL237 yang mengubah cahaya menjadi frekuensi. Ini adalah sensor yang sama yang digunakan oleh fotometer SQM. Namun, bandpass lebih diperluas ke kisaran merah dengan menggunakan filter dichroic (berlabel UVIR pada plot) sehubungan dengan filter warna BG38 dari SQM.

Cahaya dari langit dikumpulkan dengan optik yang menyertakan filter dichroic untuk memilih bandpass. Filter sepenuhnya menutupi kolektor (1). Sensor (tidak terlihat dalam gambar ini) terletak pada papan sirkuit cetak bersama dengan elektronik yang dibuat khusus (2). Modul WIFI (3) dengan antena di dalam kotak yang memperluas jangkauan WIFI. Sensor inframerah dekat (4) digunakan untuk mengukur suhu langit. Terakhir, pemanas (5) dinyalakan saat diperlukan untuk menghilangkan kondensasi pada jendela atau bahkan untuk mencairkan es atau salju (6). Bidang pandang (FoV) adalah FWHM = 17 derajat.

Respon spektral TESS-W dibandingkan dengan pita fotometrik Johnson B, V dan R astronomis dan dengan spektrum langit yang tercemar cahaya di Madrid dan langit gelap observatorium astronomi Calar Alto.

Langkah 2: Elektronik Fotometer TESS-W

Papan elektronik

Komponen utama TESS adalah papan elektronik yang dibuat khusus (PCB, papan sirkuit tercetak).

File yang dibutuhkan untuk PCB dapat diunduh dari

PCB telah dirancang agar pas di dalam kotak enklosur yang dipilih (lihat nanti).

Komponen utama

Komponen elektronik PCB dapat dilihat pada gambar yang disertakan dan pada file yang disediakan.

Langkah 3: Optik Fotometer TESS-W

Desain dan komponen

Cahaya dari langit dikumpulkan dengan optik yang menyertakan filter dichroic untuk memilih bandpass. Filter sepenuhnya menutupi kolektor. Selungkup fotometer memiliki jendela bening yang memungkinkan cahaya langit masuk ke dalam fotometer. Bagian dalam dilindungi dengan jendela kaca bening.

Desain optik digambarkan pada gambar pertama. Cahaya melewati jendela filter bening (1) dan masuk melalui lubang (3) penutup enklosur (2). Jendela bening direkatkan ke penutup enklosur. Filter dichroic (4) terletak di atas kolektor cahaya (5). Detektor (6) telah ditempatkan di pintu keluar kolektor.

Jendela yang jernih

Komponen pertama adalah jendela transparan yang memungkinkan cahaya melewati komponen lainnya dan menyegel fotometer. Ini adalah jendela berbahan kaca (BAK7) karena harus tahan cuaca. Jendela memiliki ketebalan 2 mm dan diameter 50 mm. Kurva transmisi telah diukur di meja kerja optik LICA-UCM. Hampir konstan ~90% dalam rentang panjang gelombang 350nm -1050nm, itu berarti bahwa jendela bening tidak menyebabkan perubahan warna cahaya.

Filter dikroik

Filter dichroic adalah filter bulat berdiameter 20 mm untuk menutupi kolektor cahaya sepenuhnya. Ini memastikan bahwa tidak ada cahaya tanpa filter yang mencapai detektor. Ini penting karena detektor TSL237 peka dalam inframerah (IR). Filter UVIR dirancang untuk mentransmisikan dari 400 hingga 750 nm, yaitu memotong respons ultraviolet detektor di bawah 400 nm dan respons IR lebih dari 750 nm. Kurva transmisi mirip dengan kombinasi filter lintasan panjang dan lintasan pendek dengan respons hampir datar mencapai hampir 100% seperti yang diukur dalam meja kerja optik LICA-UCM (lihat plot pada deskripsi)

Kolektor cahaya

Untuk mengumpulkan cahaya dari langit, TESS menggunakan pengumpul cahaya. Kolektor ini sangat murah karena dibuat dari plastik dengan menggunakan injection moulding. Lensa ini digunakan untuk memancarkan cahaya pada senter. Bagian dalam adalah reflektor paraboloid transparan. Dudukan hitam mencegah cahaya nyasar mencapai detektor.

Kami menggunakan kolektor cahaya hitam dengan nominal 60 derajat FoV. Ketika digunakan dalam TESS, FoV berkurang karena posisi detektor di luar kolektor. FoV terukur akhir (termasuk kemungkinan vinyet dari penutup enklosur) telah diukur di meja kerja optik. Respon sudut mirip dengan fungsi Gaussian 17 derajat lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM).

Kotak

Elektronik dan optik fotometer TESS dilindungi oleh selungkup sederhana berdasarkan kotak plastik komersial yang cocok untuk berada di luar ruangan dan tahan terhadap pelapukan.

Kotaknya kecil (luar: 58 x 83 x 34 mm; di dalam: 52 x 77 x 20 mm). Kotak memiliki penutup sekrup untuk mengakses bagian dalam. Konstruksi yang disegel memberikan tingkat perlindungan yang cukup terhadap masuknya air dan debu. Untuk mencegah agar sekrup tidak berkarat, sekrup asli telah diganti dengan sekrup baja tahan karat.

Langkah 4: Lampiran TESS-W

Kotak

Elektronik dan optik fotometer TESS dilindungi oleh selungkup sederhana berdasarkan kotak plastik komersial yang cocok untuk berada di luar ruangan dan tahan terhadap pelapukan.

Kotaknya kecil (luar: 58 x 83 x 34 mm; di dalam: 52 x 77 x 20 mm). Kotak memiliki penutup sekrup untuk mengakses bagian dalam. Konstruksi yang disegel memberikan tingkat perlindungan yang cukup terhadap masuknya air dan debu. Untuk mencegah agar sekrup tidak berkarat, sekrup asli telah diganti dengan sekrup baja tahan karat.

Mesin kotak

Hal ini diperlukan untuk melakukan beberapa pemesinan sederhana pada kotak. Jendela yang memungkinkan cahaya mencapai kolektor cahaya memiliki lebar diameter 20 mm. Itu ditutupi oleh jendela bening yang harus dilem dengan silikon tahan cuaca. Lubang kecil adalah port termometer IR dan memiliki diameter 8,5 mm. Di sisi lain kotak perlu lubang 12 mm untuk kelenjar kabel. Dua lubang 2,5 mm digunakan untuk mengamankan pemanas ke penutup kotak.

Langkah 5: Memasang Fotometer TESS-W

1. Persiapan

1. Cat kotak di dalamnya dengan warna hitam.

Mesin kotak

2. Pengeboran:

● 1x 20 mm untuk jendela.● 1x 12 mm untuk kelenjar kabel.● 1x 8,5 mm untuk thermopile.● 2x 2,5 mm untuk pemanas.● 2x 1 mm di sisi kotak.

3. Bor pelat aluminium diffuser (ketebalan 1 mm) untuk tahanan pemanas, 4. Pasang tahanan dan pelat ke penutup.5. Rekatkan spacer 8mm untuk PCB.6. Rekatkan jendela bening (pemanas resistansi harus disekrup pada tempatnya)

Termopil

7. Lepas regulator tegangan dan sambungkan kedua terminal dengan menyolder jembatan.8. Solder kabel 4-pin satu kepala ke konektor papan dengan panjang 60 mm.9. Rekatkan thermopile ke penutup.

Antena

10. Bor lubang untuk mengencangkan antena ke kotak.11. Pangkas sudut antena.12. Lepaskan antena keramik modul wifi dan juga konektor antena dan LED merah.

2. Pemasangan

Silakan ikuti urutan yang dipesan ini:

1. Kencangkan antena ke kotak menggunakan sekrup.2. Tempatkan cable gland dan kabel power.3. Amankan kolektor (silinder hitam) ke PCB (dua sekrup).4. Amankan PCB ke kotak (dua sekrup).5. Pasang kabel daya ke konektor papan hijau. (Kabel merah ke positif).6. Solder kabel antena ke modul wifi.7. Solder ke pemanas resistansi kabel konektor 2-pin satu kepala ke kabel 55 mm.8. Hubungkan thermopile dan resistansi (hati-hati jangan sampai merusak PCB).

Resistansi tersebut bertindak sebagai pemanas dan dihubungkan ke penutup dengan pelat aluminium. Gambar menjelaskan proses selanjutnya: Antena harus disekrup ke kotak, pengatur thermopile telah diganti dengan jembatan, dan dua spacer (berwarna hitam) untuk PCB harus direkatkan ke kotak. Bagian dalam kotak dicat hitam.

Salah satu gambar menunjukkan modul WIFI asli yang memiliki antena keramik dan soket untuk menghubungkan antena tambahan (atas). Kami menggunakan antena yang kabelnya disolder ke modul wifi (bawah). Perhatikan bahwa antena keramik, soket, dan LED merah di dekat kabel telah dilepas.

Langkah 6: Kalibrasi Fotometri TESS-W

Fotometer harus dikalibrasi untuk memastikan bahwa pengukuran dari perangkat yang berbeda konsisten. TESS-W dikalibrasi silang relatif terhadap fotometer master di Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) dari Universidad Complutense de Madrid.

Pengaturannya adalah bola terintegrasi yang interiornya dapat diterangi oleh sumber cahaya dan dengan beberapa port optik untuk menghubungkan fotometer. Sumber cahaya yang digunakan adalah LED 596 nm dengan FWHM 14 nm.

Jika Anda ingin mengkalibrasi fotometer TESS-W Anda, Anda dapat menghubungi LICA-UCM.

Langkah 7: Perangkat Lunak TESS-W

Perangkat lunak modul WIFI

Komunikasi dan perangkat lunak

Sistem yang lengkap mencakup jaringan sensor dan perantara perangkat lunak yang menengahi antara produsen informasi dan konsumen yang disediakan untuk sensor yang dikalibrasi. Setelah Anda mengkalibrasi fotometer Anda (lihat Langkah 6), STARS4ALL akan memberi Anda kredensial untuk dipublikasikan di broker.

Contoh konsumen dengan Python untuk menyimpan data dalam database SQLite telah dikembangkan. Konsumen ini dapat diinstal di satu atau banyak PC atau server. Karakteristik utama perangkat lunak tercantum di bawah ini:

● Perangkat lunak khusus untuk TESS dikembangkan di C.

● Perangkat lunak penerbit MQTT dikembangkan di perpustakaan Arduino IDE dan ESP8266.

● MQTT Broker baik dalam penyebaran in-house atau pihak ketiga yang tersedia (yaitu test mosquitto.org)

● Perangkat lunak pelanggan MQTT menerima data dari penerbit dan menyimpannya ke dalam database relasional (SQLite).

MQTT adalah protokol ringan M2M / Internet of Things yang cocok untuk perangkat terbatas yang membutuhkan overhead jauh lebih sedikit daripada komunikasi berbasis

Setiap sensor mengirimkan pengukuran secara berkala ke server MQTT jarak jauh melalui router lokal. Server ini - bernama "broker" di dunia MQTT - menerima data dari banyak sensor dan mendistribusikan kembali ke semua pihak yang berlangganan, sehingga memisahkan penerbit dari konsumen. Server jarak jauh dapat digunakan baik secara internal di fasilitas pusat proyek. Atau, kita dapat menggunakan broker MQTT gratis yang tersedia seperti test.mosquitto.org.

Setiap klien perangkat lunak dapat berlangganan ke broker dan menggunakan informasi yang dipublikasikan oleh perangkat TESS. Klien MQTT khusus akan dikembangkan untuk mengumpulkan semua data ini dan menyimpannya dalam database SQLite.

Konfigurasi perangkat

● Konfigurasi instrumen akan dikurangi seminimal mungkin untuk membantu perawatan.

● Setiap perangkat memerlukan konfigurasi ini:

o WiFi SSID dan kata sandi.

o Konstanta kalibrasi fotometer.

o Alamat IP dan port MQTT Broker.

o Nama ramah instrumen (unik per perangkat)

o Nama saluran MQTT (seperti yang dijelaskan di atas)

Konfigurasi WiFi

Saat pertama kali terhubung ke daya, TESS-W membuat titik akses WiFi. Pengguna mengisi pengaturan yang mencakup nama (SSID) dan kata sandi router WiFi, titik nol fotometri dan alamat Internet dan nama repositori broker. Setelah reset dan matikan dan hidupkan siklus, fotometer TESS mulai memproduksi dan mengirim data.

Pada boot pertama, TESS dimulai sebagai titik akses dengan nama TESSconfigAP. Ponsel harus terhubung ke titik akses ini.

● Jelajahi dengan browser Internet URL berikut:

● Isi formulir dengan parameter yang tercantum dalam 2.3

● Nyalakan ulang perangkat, yang akan terhubung ke router lokal.

Ketika perangkat kehilangan tautan dengan router WiFi, reboot dan konfigurasikan dirinya lagi sebagai titik akses, yang nyaman untuk mengubah konfigurasi.

Perangkat lunak

Firmware TESS-W sebuah dokumentasi dapat ditemukan di repositori github

github.com/cristogg/TESS-W

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

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

Langkah 8: Catatan Akhir

Yayasan STARS4ALL merupakan kelanjutan dari proyek STARS4ALL yang bertanggung jawab atas pengoperasian jaringan fotometer TESS-W. Ini adalah proyek sains warga yang menghasilkan data yang menarik untuk studi polusi cahaya.

Setelah fotometer Anda dikalibrasi dan dikonfigurasi, pengukuran akan mulai dikirim ke infrastruktur STARS4ALL. Pengukuran ini dapat divisualisasikan dari platform kami (https://tess.stars4all.eu/plots/). Plus, semua data yang dihasilkan dalam jaringan dapat diunduh dari komunitas Zenodo kami (https://zenodo.org/communities/stars4all)