مقياس سطوع سطوع السماء الليلية TESS-W: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

TESS-W هو مقياس ضوئي مصمم لقياس سطوع سماء الليل والمراقبة المستمرة لدراسات التلوث الخفيفة. تم إنشاؤه خلال STARS4ALL H2020 European Project بتصميم مفتوح (أجهزة وبرامج). تم تصميم مقياس الضوء TESS-W لإرسال البيانات عبر WIFI. يتم عرض البيانات في الوقت الفعلي ومشاركتها (البيانات المفتوحة). تصفح https://tess.stars4all.eu/ لمزيد من المعلومات.

يحتوي هذا المستند على بعض التفاصيل الفنية لمقياس سطوع سطوع السماء الليلية TESS-W ويصف كيفية بنائه. وهي تشمل المخططات الإلكترونية والبصرية لجهاز الاستشعار وكذلك العلبة المقاومة للطقس.

تم تقديم مزيد من المعلومات حول مقياس الضوء TESS في Zamorano et al. "STARS4ALL مقياس سطوع سطوع السماء الليلية" في الاجتماع الليلي للضوء الاصطناعي (ALAN2016) كلوج ، نابوكا ، رومانيا ، سبتمبر 2016.

تم تطوير TESS-W بواسطة فريق ويستند التصميم إلى عمل Cristóbal García.

هذا هو أول إصدار عمل من Instructables. لا تنزعج.

الخطوة 1: وصف TESS-W

يتم وضع مقياس الضوء في صندوق مقاوم للطقس يحتوي على الإلكترونيات والأجزاء البصرية المصنوعة حسب الطلب. يحتوي TESS على لوحة دوائر مطبوعة مخصصة (PCB) مع ESP8266. ESP8266 عبارة عن شريحة WIFI منخفضة التكلفة مع مكدس TCP / IP كامل وقدرة متحكم. يُستخدم الجهاز الإلكتروني لقراءة التردد الذي يوفره مستشعر الضوء TSL237 (لبيانات سطوع سماء الليل) وأيضًا وحدة مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء MLX90614ESF-BA (لمعلومات الغطاء السحابي).

كاشف سطوع السماء هو الثنائي الضوئي TSL237 الذي يحول الضوء إلى تردد. إنه نفس المستشعر المستخدم بواسطة أجهزة قياس الضوء SQM. ومع ذلك ، يتم تمديد ممر النطاق بشكل أكبر إلى النطاق الأحمر باستخدام مرشح مزدوج اللون (المسمى UVIR على المؤامرات) فيما يتعلق بفلتر اللون BG38 في SQM.

يتم جمع الضوء من السماء باستخدام البصريات التي تتضمن مرشحًا مزدوج اللون لتحديد ممر النطاق. يغطي المرشح المجمع بالكامل (1). يوجد المستشعر (غير ظاهر في هذه الصورة) على لوحة دوائر مطبوعة جنبًا إلى جنب مع الأجهزة الإلكترونية المصنوعة حسب الطلب (2). وحدة WIFI (3) مع هوائي داخل الصندوق الذي يوسع نطاق WIFI. يستخدم مستشعر الأشعة تحت الحمراء القريبة (4) لقياس درجة حرارة السماء. أخيرًا ، يتم تشغيل السخان (5) عند الحاجة للتخلص من التكثيف على النافذة أو حتى إذابة الجليد أو الثلج (6). مجال الرؤية (FoV) هو FWHM = 17 درجة.

تتم مقارنة الاستجابة الطيفية لـ TESS-W مع نطاقات قياس الضوء الفلكية Johnson B و V و R ومع أطياف سماء مدريد الملوثة بالضوء ومرصد كالار ألتو الفلكي السماء المظلمة.

الخطوة 2: إلكترونيات مقياس الضوء TESS-W

لوحة إلكترونية

المكون الرئيسي لـ TESS هو لوحة إلكترونية مخصصة (PCB ، لوحة دوائر مطبوعة).

يمكن تنزيل الملف المطلوب لـ PCB من

تم تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور ليناسب داخل صندوق الحاوية المحدد (انظر لاحقًا).

المكونات الرئيسية

يمكن تصفح الأجزاء الإلكترونية من ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الصورة المصاحبة والملف المقدم.

الخطوة 3: بصريات مقياس الضوء TESS-W

التصميم والمكونات

يتم جمع الضوء من السماء باستخدام البصريات التي تتضمن مرشحًا مزدوج اللون لتحديد ممر النطاق. يغطي المرشح المجمع بالكامل. تحتوي حاوية مقياس الضوء على نافذة شفافة تسمح لضوء السماء بالدخول إلى مقياس الضوء. الداخل محمي بنافذة زجاجية شفافة.

تم تصوير التصميم البصري في الشكل الأول. يمر الضوء من نافذة المرشح الشفافة (1) ويدخل من خلال ثقب (3) من غطاء العلبة (2). يتم لصق النافذة الشفافة بغطاء العلبة. يوجد مرشح مزدوج اللون (4) أعلى مجمع الضوء (5). تم وضع الكاشف (6) عند مخرج المجمع.

النافذة الواضحة

المكون الأول عبارة عن نافذة شفافة تسمح للضوء بالمرور إلى بقية المكونات وتغلق مقياس الضوء. هذه نافذة مصنوعة من الزجاج (BAK7) لأنها يجب أن تقاوم الطقس. يبلغ سمك النافذة 2 مم وقطرها 50 مم. تم قياس منحنى الإرسال في منضدة العمل البصرية LICA-UCM. يكاد يكون ثابتًا ~ 90٪ في نطاق الطول الموجي 350nm -1050nm ، وهذا يعني أن النافذة الواضحة لا تُحدث تغييرًا في لون الضوء.

مرشح مزدوج اللون

المرشح ثنائي اللون هو مرشح دائري بقطر 20 مم ليغطي مجمع الضوء بالكامل. هذا يضمن عدم وجود ضوء غير مرشح يصل إلى الكاشف. هذا مهم لأن كاشف TSL237 معقول في الأشعة تحت الحمراء (IR). تم تصميم مرشح UVIR للإرسال من 400 إلى 750 نانومتر ، أي أنه يقطع الاستجابة فوق البنفسجية للكاشف تحت 400 نانومتر واستجابة الأشعة تحت الحمراء فوق 750 نانومتر. يشبه منحنى الإرسال مزيجًا من تمرير طويل ومرشح تمرير قصير مع استجابة شبه مسطحة تصل إلى ما يقرب من 100٪ كما تم قياسه في منضدة العمل البصرية LICA-UCM (انظر المخططات في الوصف)

جامع الضوء

من أجل جمع الضوء من السماء ، تستخدم TESS جامع الضوء. هذا المجمع رخيص جدًا لأنه مصنوع من البلاستيك باستخدام قولبة الحقن. تستخدم هذه العدسات لشعاع الضوء في المصابيح الكاشفة. الجزء الداخلي عاكس مكافئ شفاف. الحامل الأسود يمنع الضوء الشارد من الوصول إلى الكاشف.

نحن نستخدم مجمعات الضوء الأسود مع 60 درجة من الرغوة الاسمية. عند استخدامه في TESS ، يتم تقليل FoV بسبب موضع الكاشف خارج المجمع. تم قياس FoV النهائي المقاس (بما في ذلك التظليل المحتمل من غطاء العلبة) في منضدة العمل البصرية. الاستجابة الزاويّة مشابهة لوظيفة جاوس بعرض 17 درجة كامل بنصف حد أقصى (FWHM).

الصندوق

تتم حماية الأجهزة الإلكترونية والبصريات الخاصة بمقياس الضوء TESS بواسطة غلاف بسيط يعتمد على صندوق بلاستيكي تجاري مناسب ليكون في الهواء الطلق ولمقاومة العوامل الجوية.

الصندوق صغير (خارجي: 58 × 83 × 34 ملم ؛ من الداخل: 52 × 77 × 20 ملم). يحتوي الصندوق على غطاء لولبي للوصول إلى الداخل. يوفر البناء المختوم مستوى كافياً من الحماية ضد دخول كل من الماء والغبار. لمنع حدوث الصدأ في المسامير اللولبية ، تم تغيير البراغي الأصلية بواسطة براغي فولاذية مقاومة للصدأ.

الخطوة 4: حاوية TESS-W

الصندوق

تتم حماية الأجهزة الإلكترونية والبصريات الخاصة بمقياس الضوء TESS بواسطة غلاف بسيط يعتمد على صندوق بلاستيكي تجاري مناسب ليكون في الهواء الطلق ولمقاومة العوامل الجوية.

الصندوق صغير (خارجي: 58 × 83 × 34 ملم ؛ من الداخل: 52 × 77 × 20 ملم). يحتوي الصندوق على غطاء لولبي للوصول إلى الداخل. يوفر البناء المختوم مستوى كافياً من الحماية ضد دخول كل من الماء والغبار. لمنع حدوث الصدأ في المسامير اللولبية ، تم تغيير البراغي الأصلية بواسطة براغي فولاذية مقاومة للصدأ.

تصنيع الصندوق

من الضروري إجراء بعض الآلات البسيطة على الصندوق. يبلغ قطر النافذة التي تسمح للضوء بالوصول إلى مجمع الضوء 20 ملم. وهي مغطاة بنافذة شفافة يجب لصقها بالسيليكون المقاوم للعوامل الجوية. الفتحة الصغيرة هي منفذ ترمومتر الأشعة تحت الحمراء ويبلغ قطرها 8.5 ملم. على الجانب الآخر من الصندوق ، من الضروري وجود فتحة 12 مم لسدادة الكابل. يتم استخدام ثقبين مقاس 2.5 مم لتثبيت السخان بغطاء الصندوق.

الخطوة 5: تركيب مقياس الضوء TESS-W

1. التحضير

1. قم بطلاء الصندوق من الداخل باللون الأسود.

تصنيع الصندوق

2. الحفر:

● 1x 20 مم للنافذة ● 1x 12 مم لسدادة الكبل ● 1x 8.5 مم للثيرموبيل ● 2x 2.5 مم للسخان ● 2x 1 مم على جانب الصندوق.

3. حفر لوح ناشر الألومنيوم (سمك 1 مم) لمقاومة السخان ، 4. اربط المقاومة واللوحة بالغطاء. صمغ الفواصل 8 مم لثنائي الفينيل متعدد الكلور 6. قم بغراء النافذة الشفافة (يجب تثبيت سخان المقاومة في مكانه)

عمود الحرارة

7. قم بإزالة منظم الجهد وتوصيل كلا المحطات عن طريق لحام جسر.8. قم بتلحيم سلك أحادي الرأس ذي 4 سنون بموصل يبلغ طوله 60 مم. صمغ الثيرموبيل على الغلاف.

هوائي

10. حفر حفرة لتثبيت الهوائي في المربع 11. تقليم زوايا الهوائي 12. قم بإزالة الهوائي الخزفي لوحدة wifi وأيضًا موصل الهوائي والصمام الأحمر.

2. التركيب

يرجى اتباع هذا التسلسل المطلوب:

1. ثبت الهوائي في الصندوق باستخدام برغي. ضع غدة الكابل وسلك الطاقة.3. قم بتأمين المجمع (الأسطوانة السوداء) بلوحة الدوائر المطبوعة (برغيان).4. قم بتأمين PCB في الصندوق (برغيان).5. قم بربط كابل الطاقة بموصل اللوحة الخضراء. (السلك الأحمر إلى الموجب).6. كابل هوائي لحام لوحدة واي فاي.7. اللحام بمقاومة السخان سلك أحادي الرأس ثنائي السن إلى كابل موصل للوحة مقاس 55 مم. قم بتوصيل الحرارة والمقاومة (احرص على عدم كسر ثنائي الفينيل متعدد الكلور).

تعمل المقاومة كمسخن وتتصل بالغطاء بلوح من الألومنيوم. توضح الصور العمليات التالية: يجب ربط الهوائي بالصندوق ، واستبدال منظم المبرد الحراري بجسر ، ويجب لصق الفواصل (باللون الأسود) لثنائي الفينيل متعدد الكلور بالصندوق. الجزء الداخلي من الصندوق مطلي باللون الأسود.

يوضح أحد الأشكال وحدة WIFI الأصلية التي تحتوي على هوائي من السيراميك ومقبس لتوصيل هوائي إضافي (علوي). نستخدم هوائيًا يكون كابله ملحومًا بوحدة wifi (أسفل). لاحظ أنه تم إزالة الهوائي الخزفي والمقبس والمصباح الأحمر القريب من الكابل.

الخطوة 6: معايرة TESS-W الضوئية

يجب معايرة أجهزة قياس الضوء للتأكد من أن القياسات من الأجهزة المختلفة متسقة. تتم معايرة TESS-W بشكل متقاطع بالنسبة إلى مقياس الضوء الرئيسي في Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) من Universidad Complutense de Madrid.

الإعداد عبارة عن كرة تكاملية يمكن إضاءة الجزء الداخلي منها بمصدر ضوء وبعدة منافذ بصرية لتوصيل أجهزة قياس الضوء. مصدر الضوء المستخدم هو LED 596 نانومتر مع 14 نانومتر FWHM.

إذا كنت ترغب في معايرة مقياس الضوء TESS-W ، فيمكنك الاتصال بـ LICA-UCM.

الخطوة السابعة: برنامج TESS-W

برنامج وحدة WIFI

الاتصال والبرمجيات

يشتمل النظام الكامل على شبكة استشعار ووسيط برمجيات يتوسط بين منتجي المعلومات والمستهلكين المخصصين لأجهزة الاستشعار المعايرة. بمجرد معايرة مقياس الضوء الخاص بك (انظر الخطوة 6) ، ستزودك STARS4ALL ببيانات الاعتماد لنشرها في الوسيط.

تم تطوير عينة من المستهلكين في Python لتخزين البيانات في قاعدة بيانات SQLite. يمكن تثبيت هذا العميل في واحد أو أكثر من أجهزة الكمبيوتر أو الخوادم. الخصائص الرئيسية للبرنامج مذكورة أدناه:

● تم تطوير برنامج مخصص لـ TESS في لغة C.

● تم تطوير برنامج الناشر MQTT في مكتبات Arduino IDE و ESP8266.

● وسيط MQTT إما في نشر داخلي أو طرف ثالث متاح (مثل test mosquitto.org)

● برنامج المشترك MQTT الذي يستقبل البيانات من الناشرين ويخزنها في قاعدة بيانات علائقية (SQLite).

MQTT هو بروتوكول M2M / Internet of Things خفيف الوزن مناسب للأجهزة المقيدة التي تتطلب جهدًا أقل بكثير من الاتصالات القائمة على

يرسل كل جهاز استشعار قياسات دورية إلى خادم MQTT بعيد من خلال جهاز توجيه محلي. هذا الخادم - المسمى "الوسيط" في عالم MQTT - يتلقى البيانات من العديد من أجهزة الاستشعار ويعيد توزيعها على جميع الأطراف المشتركة ، وبالتالي يفصل الناشرين عن المستهلكين. يمكن نشر الخادم البعيد إما داخليًا في منشأة مركزية للمشروع. بدلاً من ذلك ، يمكننا استخدام وسطاء MQTT المتاحين والمجانيين مثل test.mosquitto.org.

يمكن لأي عميل برنامج الاشتراك في الوسيط واستهلاك المعلومات المنشورة بواسطة أجهزة TESS. سيتم تطوير عميل MQTT خاص لجمع كل هذه البيانات وتخزينها في قاعدة بيانات SQLite.

تكوين الجهاز

● سيتم تقليل تكوين الجهاز إلى الحد الأدنى للمساعدة في الصيانة.

● يحتاج كل جهاز إلى هذا التكوين:

o WiFi SSID وكلمة المرور.

o ثابت معايرة مقياس الضوء.

o عنوان IP الخاص بـ MQTT Broker والمنفذ.

o اسم مألوف للأداة (فريد لكل جهاز)

o اسم قناة MQTT (كما هو موضح أعلاه)

تكوين WiFi

عند توصيله بالطاقة لأول مرة ، ينشئ TESS-W نقطة وصول WiFi. يملأ المستخدم الإعدادات التي تتضمن الاسم (SSID) وكلمة المرور لموجه WiFi ، ونقطة الصفر في القياس الضوئي وعنوان الإنترنت واسم مستودع الوسيط. بعد إعادة التعيين وإيقاف الدورة وتشغيلها ، يبدأ مقياس الضوء TESS في إنتاج البيانات وإرسالها.

في التمهيد الأول ، يبدأ TESS كنقطة وصول باسم TESSconfigAP. يجب أن يتصل الهاتف المحمول بنقطة الوصول هذه.

● تصفح باستخدام مستعرض الإنترنت URL التالي:

● املأ النموذج بالمعلمات المدرجة في 2.3

● أعد تشغيل الجهاز الذي سيتصل بالموجه المحلي.

عندما يفقد الجهاز الارتباط بموجه WiFi ، قم بإعادة التشغيل وتكوين نفسه مرة أخرى كنقطة وصول ، وهو أمر مناسب لتغيير التكوين.

برمجة

يمكن العثور على وثائق البرنامج الثابت TESS-W في مستودع جيثب

github.com/cristogg/TESS-W

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

للمعالج الدقيق

الخطوة الثامنة: الملاحظات النهائية

مؤسسة STARS4ALL هي استمرار لمشروع STARS4ALL المسؤول عن تشغيل شبكة أجهزة قياس الضوء TESS-W. هذا مشروع علمي للمواطن ينتج بيانات مهمة لدراسات التلوث الضوئي.

بمجرد معايرة مقياس الضوء الخاص بك وتكوينه ، سيبدأ في إرسال القياسات إلى البنية التحتية لـ STARS4ALL. يمكن تصور هذه القياسات من منصتنا (https://tess.stars4all.eu/plots/). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تنزيل جميع البيانات التي تم إنشاؤها في الشبكة من مجتمع Zenodo الخاص بنا (https://zenodo.org/communities/stars4all)