Fotómetro de brillo de cielo nocturno TESS-W: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

TESS-W es un fotómetro diseñado para medir y monitorear continuamente el brillo del cielo nocturno para estudios de contaminación lumínica. Fue creado durante el Proyecto Europeo STARS4ALL H2020 con un diseño abierto (hardware y software). El fotómetro TESS-W ha sido diseñado para enviar datos a través de WIFI. Los datos se visualizan en tiempo real y se comparten (datos abiertos). Explore https://tess.stars4all.eu/ para obtener más información.

Este documento contiene algunos detalles técnicos del fotómetro de brillo de cielo nocturno TESS-W y describe cómo construirlo. Incluye los esquemas electrónicos y ópticos del sensor y también la carcasa resistente a la intemperie.

Se presentó más información sobre el fotómetro TESS en Zamorano et al. “Fotómetro de brillo de cielo nocturno STARS4ALL” en la reunión de luz artificial en la noche (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumania, septiembre de 2016.

TESS-W ha sido desarrollado por un equipo y el diseño está basado en el trabajo de Cristóbal García.

Esta es la primera versión funcional de Instructables. Mantente atento.

Paso 1: Descripción de TESS-W

El fotómetro está encerrado en una caja resistente a la intemperie que contiene los componentes electrónicos y ópticos hechos a medida. TESS tiene una placa de circuito impreso (PCB) hecha a medida con un ESP8266. El ESP8266 es un chip WIFI de bajo costo con pila TCP / IP completa y capacidad de microcontrolador. La electrónica se utiliza para leer la frecuencia proporcionada por el sensor de luz TSL237 (para datos de brillo del cielo nocturno) y también el módulo de termómetro infrarrojo MLX90614ESF-BA (para información de nubosidad).

El detector de brillo del cielo es un fotodiodo TSL237 que convierte la luz en frecuencia. Es el mismo sensor que utilizan los fotómetros SQM. Sin embargo, el paso de banda se extiende más al rango rojo con el uso de un filtro dicroico (etiquetado como UVIR en los gráficos) con respecto al filtro de color BG38 del SQM.

La luz del cielo se recoge con la óptica que incluye un filtro dicroico para seleccionar el paso de banda. El filtro cubre completamente el colector (1). El sensor (que no se ve en esta imagen) está ubicado en una placa de circuito impreso junto con la electrónica hecha a medida (2). El módulo WIFI (3) con una antena dentro de la caja que amplía el alcance WIFI. Se utiliza un sensor de infrarrojo cercano (4) para medir la temperatura del cielo. Finalmente, el calentador (5) se enciende cuando es necesario para eliminar la condensación en la ventana o incluso para derretir el hielo o la nieve (6). El campo de visión (FoV) es FWHM = 17 grados.

La respuesta espectral del TESS-W se compara con las bandas fotométricas astronómicas de Johnson B, V y R y con los espectros del cielo de Madrid contaminado por la luz y el cielo oscuro del observatorio astronómico de Calar Alto.

Paso 2: Electrónica del fotómetro TESS-W

Pizarra electronica

El componente principal de TESS es una placa electrónica hecha a medida (PCB, placa de circuito impreso).

El archivo necesario para la PCB se puede descargar desde

La PCB ha sido diseñada para caber dentro de la caja de envolvente seleccionada (ver más adelante).

Componentes principales

Los componentes electrónicos de las placas de circuito impreso se pueden consultar en la imagen adjunta y en el archivo proporcionado.

Paso 3: Óptica del fotómetro TESS-W

Diseño y componentes

La luz del cielo se recoge con la óptica que incluye un filtro dicroico para seleccionar el paso de banda. El filtro cubre completamente el colector. El recinto del fotómetro tiene una ventana transparente que permite que la luz del cielo entre en el fotómetro. El interior está protegido con una ventana transparente de vidrio.

El diseño óptico se muestra en la primera figura. La luz pasa por la ventana transparente del filtro (1) y entra por un orificio (3) de la tapa del gabinete (2). La ventana transparente está pegada a la cubierta del gabinete. El filtro dicroico (4) se encuentra en la parte superior del colector de luz (5). El detector (6) se ha colocado a la salida del colector.

La ventana clara

El primer componente es una ventana transparente que deja pasar la luz al resto de componentes y sella el fotómetro. Se trata de una ventana realizada en vidrio (BAK7) porque debe resistir la intemperie. La ventana tiene un espesor de 2 mm y un diámetro de 50 mm. La curva de transmisión se ha medido en el banco de trabajo óptico LICA-UCM. Es casi constante ~ 90% en el rango de longitud de onda 350nm -1050nm, eso significa que la ventana transparente no introduce cambios en el color de la luz.

El filtro dicroico

El filtro dicroico es un filtro redondeado de 20 mm de diámetro para cubrir completamente el colector de luz. Esto asegura que no llegue luz sin filtrar al detector. Esto es importante ya que el detector TSL237 es sensible en infrarrojos (IR). El filtro UVIR fue diseñado para transmitir de 400 a 750 nm, es decir, corta la respuesta ultravioleta del detector por debajo de 400 nm y la respuesta de infrarrojos por encima de 750 nm. La curva de transmisión es similar a una combinación de un filtro de paso largo y de paso corto con una respuesta casi plana que alcanza casi el 100% según lo medido en el banco de trabajo óptico LICA-UCM (consulte los gráficos en la descripción).

El coleccionista de luz

Para recoger la luz del cielo, TESS utiliza un colector de luz. Este colector es muy económico porque está fabricado en plástico mediante moldeo por inyección. Estos lentes se utilizan para transmitir la luz en linternas. La parte interior es un reflector paraboloide transparente. El soporte negro evita que la luz parásita llegue al detector.

Estamos utilizando colectores de luz negra con un campo de visión nominal de 60 grados. Cuando se usa en TESS, el FoV se reduce debido a la posición del detector fuera del colector. El campo de visión final medido (incluido el posible viñeteado de la cubierta del gabinete) se ha medido en el banco de trabajo óptico. La respuesta angular es similar a una función gaussiana de 17 grados de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM).

La caja

La electrónica y la óptica del fotómetro TESS están protegidas por una carcasa simple basada en una caja de plástico comercial que es adecuada para exteriores y para resistir la intemperie.

La caja es pequeña (exterior: 58 x 83 x 34 mm; interior: 52 x 77 x 20 mm). La caja tiene una tapa roscada para acceder al interior. La construcción sellada proporciona suficiente nivel de protección contra la entrada de agua y polvo. Para evitar que los tornillos sufran oxidación, los tornillos originales se han cambiado por tornillos de acero inoxidable.

Paso 4: Caja TESS-W

La caja

La electrónica y la óptica del fotómetro TESS están protegidas por una carcasa simple basada en una caja de plástico comercial que es adecuada para exteriores y para resistir la intemperie.

La caja es pequeña (exterior: 58 x 83 x 34 mm; interior: 52 x 77 x 20 mm). La caja tiene una tapa roscada para acceder al interior. La construcción sellada proporciona suficiente nivel de protección contra la entrada de agua y polvo. Para evitar que los tornillos sufran oxidación, los tornillos originales se han cambiado por tornillos de acero inoxidable.

Mecanizado de cajas

Es necesario realizar un mecanizado sencillo en la caja. La ventana que permite que la luz llegue al colector de luz tiene un ancho de 20 mm de diámetro. Está cubierto por una ventana transparente que debe pegarse con silicona resistente a la intemperie. El pequeño orificio es el puerto del termómetro IR y tiene 8,5 mm de diámetro. En el otro lado de la caja es necesario un orificio de 12 mm para el prensaestopas. Las dos perforaciones de 2,5 mm se utilizan para fijar el calentador a la tapa de la caja.

Paso 5: Montaje del fotómetro TESS-W

1. Preparación

1. Pinte el interior de la caja en negro.

Mecanizado de cajas

2. Perforación:

● 1x 20 mm para la ventana. ● 1x 12 mm para el prensaestopas. ● 1x 8,5 mm para la termopila. ● 2x 2,5 mm para el calentador. ● 2x 1 mm en el lateral de la caja.

3. Perfore la placa difusora de aluminio (1 mm de espesor) para la resistencia del calentador, 4. Atornille la resistencia y la placa a la tapa.5. Pegue los espaciadores de 8 mm para la PCB.6. Pegue la ventana transparente (el calentador de resistencia debe atornillarse en su lugar)

Termopila

7. Retire el regulador de voltaje y conecte ambos terminales soldando un puente. Suelde un cable de 4 pines de un solo cabezal al conector de placa de 60 mm de longitud. Pega la termopila a la tapa.

Antena

10. Taladre un agujero para asegurar la antena a la caja. 11. Recorta las esquinas de la antena 12. Retira la antena cerámica del módulo wifi y también el conector de antena y el LED rojo.

2. Montaje

Siga esta secuencia ordenada:

1. Asegure la antena a la caja con un tornillo.2. Coloque el prensaestopas y el cable de alimentación 3. Asegure el colector (cilindro negro) a la PCB (dos tornillos) 4. Asegure la PCB a la caja (dos tornillos) 5. Atornille el cable de alimentación al conector de la placa verde. (Cable rojo a positivo) 6. Suelde el cable de la antena al módulo wifi 7. Suelde al calentador de resistencia un cable de conector de 2 pines de un solo cabezal a placa de 55 mm. 8. Conecte la termopila y la resistencia (tenga cuidado de no romper la PCB).

La resistencia actúa como un calentador y está conectada a la tapa con una placa de aluminio. Las imágenes explican los siguientes procesos: La antena debe estar atornillada a la caja, el regulador de la termopila se ha reemplazado por un puente, y los dos espaciadores (en negro) para la PCB deben estar pegados a la caja. El interior de la caja está pintado de negro.

Una de las figuras muestra el módulo WIFI original que tiene una antena de cerámica y un enchufe para conectar una antena extra (arriba). Usamos una antena cuyo cable está soldado al módulo wifi (abajo). Tenga en cuenta que se han eliminado la antena de cerámica, el enchufe y el LED rojo cerca del cable.

Paso 6: Calibración fotométrica TESS-W

Los fotómetros deben calibrarse para asegurar que las mediciones de diferentes dispositivos sean consistentes. Los TESS-W están calibrados en cruz con respecto a un fotómetro maestro en el Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) de la Universidad Complutense de Madrid.

El montaje es una esfera integradora cuyo interior podría estar iluminado por una fuente de luz y con varios puertos ópticos para conectar los fotómetros. La fuente de luz empleada es un LED de 596 nm con FWHM de 14 nm.

Si desea calibrar su fotómetro TESS-W, puede contactar con LICA-UCM.

Paso 7: software TESS-W

Software de módulo WIFI

Comunicación y software

El sistema completo incluye una red de sensores y un intermediario de software que media entre los productores de información y los consumidores que se reserva a los sensores calibrados. Una vez que haya calibrado su fotómetro (consulte el Paso 6), STARS4ALL le proporcionará las credenciales para publicar en el corredor.

Se ha desarrollado un consumidor de muestra en Python para almacenar datos en una base de datos SQLite. Este consumidor puede instalarse en una o varias PC o servidores. Las principales características del software se enumeran a continuación:

● Software personalizado para TESS desarrollado en C.

● Software de publicación MQTT desarrollado en las bibliotecas Arduino IDE y ESP8266.

● MQTT Broker ya sea en una implementación interna o en un tercero disponible (es decir, prueba mosquitto.org)

● Software de suscriptor de MQTT que recibe datos de los editores y los almacena en una base de datos relacional (SQLite).

MQTT es un protocolo ligero M2M / Internet de las cosas adecuado para dispositivos restringidos que requieren mucha menos sobrecarga que las comunicaciones basadas en

Cada sensor envía periódicamente mediciones a un servidor MQTT remoto a través de un enrutador local. Este servidor, denominado "intermediario" en el mundo MQTT, recibe datos de muchos sensores y los redistribuye a todas las partes suscritas, lo que disocia a los editores de los consumidores. El servidor remoto se puede implementar internamente en una instalación central para el proyecto. Alternativamente, podemos utilizar corredores MQTT gratuitos disponibles, como test.mosquitto.org.

Cualquier cliente de software puede suscribirse al broker y consumir la información publicada por los dispositivos TESS. Se desarrollará un cliente MQTT especial para recopilar todos estos datos y almacenarlos en una base de datos SQLite.

Configuración del dispositivo

● La configuración del instrumento se reducirá al mínimo para facilitar el mantenimiento.

● Cada dispositivo necesita esta configuración:

o SSID WiFi y contraseña.

o Constante de calibración del fotómetro.

o Dirección IP y puerto de MQTT Broker.

o Nombre descriptivo del instrumento (único por dispositivo)

o Nombre del canal MQTT (como se describe arriba)

Configuración WiFi

Cuando se conecta por primera vez a la alimentación, TESS-W crea un punto de acceso WiFi. El usuario completa la configuración que incluye el nombre (SSID) y la contraseña del enrutador WiFi, el punto cero de la fotometría y la dirección de Internet y el nombre del repositorio del corredor. Después de un ciclo de reinicio y apagado y encendido, el fotómetro TESS comienza a producir y enviar datos.

En el primer arranque, TESS comienza como un punto de acceso con el nombre TESSconfigAP. Un teléfono móvil debe conectarse a este punto de acceso.

● Busque con un navegador de Internet la siguiente URL:

● Complete el formulario con los parámetros enumerados en 2.3.

● Reinicie el dispositivo, que se conectará al enrutador local.

Cuando el dispositivo pierde el enlace con el enrutador WiFi, se reinicia y se vuelve a configurar como punto de acceso, lo cual es conveniente para cambiar la configuración.

Software

El firmware TESS-W y la documentación se pueden encontrar en el repositorio de github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Para el microprocesador

Paso 8: Comentarios finales

La Fundación STARS4ALL es la continuación del proyecto STARS4ALL que se encarga del funcionamiento de la red de fotómetros TESS-W. Se trata de un proyecto de ciencia ciudadana que produce datos de interés para estudios de contaminación lumínica.

Una vez que su fotómetro esté calibrado y configurado, comenzará a enviar las medidas a la infraestructura STARS4ALL. Estas medidas se pueden visualizar desde nuestra plataforma (https://tess.stars4all.eu/plots/). Además, todos los datos generados en la red se pueden descargar desde nuestra comunidad Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)