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2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-13 06:56
TESS-W ist ein Photometer, das entwickelt wurde, um die Helligkeit des Nachthimmels für Studien zur Lichtverschmutzung zu messen und kontinuierlich zu überwachen. Es wurde während des europäischen Projekts STARS4ALL H2020 mit einem offenen Design (Hardware und Software) erstellt. Das TESS-W Photometer wurde entwickelt, um Daten über WIFI zu senden. Die Daten werden in Echtzeit visualisiert und geteilt (Open Data). Durchsuchen Sie https://tess.stars4all.eu/ nach weiteren Informationen.
Dieses Dokument enthält einige technische Details des Nachthimmel-Helligkeitsphotometers TESS-W und beschreibt seinen Aufbau. Es enthält die elektronischen und optischen Schaltpläne des Sensors sowie das wetterfeste Gehäuse.
Weitere Informationen zum TESS-Photometer wurden in Zamorano et al. „STARS4ALL night sky Brightness Photometer“beim Artificial Light At Night Meeting (ALAN2016) Cluj, Napoca, Rumänien, September 2016.
TESS-W wurde von einem Team entwickelt und das Design basiert auf der Arbeit von Cristóbal García.
Dies ist die erste funktionierende Version der Instructables. Bleibt bereit.
Schritt 1: Beschreibung von TESS-W
Das Photometer ist in einer wetterfesten Box enthalten, die die maßgeschneiderte Elektronik und die optischen Teile enthält. TESS hat eine maßgeschneiderte Leiterplatte (PCB) mit einem ESP8266. Der ESP8266 ist ein kostengünstiger WIFI-Chip mit vollem TCP/IP-Stack und Mikrocontroller-Fähigkeit. Die Elektronik wird verwendet, um die Frequenz des Lichtsensors TSL237 (für die Helligkeitsdaten des Nachthimmels) und des Infrarot-Thermometermoduls MLX90614ESF-BA (für Informationen zur Wolkenbedeckung) zu lesen.
Der Himmelshelligkeitsdetektor ist eine TSL237-Photodiode, die Licht in Frequenz umwandelt. Es ist derselbe Sensor, der von den SQM-Photometern verwendet wird. Der Bandpass wird jedoch bei Verwendung eines dichroitischen Filters (auf den Diagrammen als UVIR bezeichnet) im Vergleich zum BG38-Farbfilter des SQM stärker auf den roten Bereich ausgedehnt.
Das Licht vom Himmel wird mit der Optik gesammelt, die einen dichroitischen Filter enthält, um den Bandpass auszuwählen. Der Filter deckt den Kollektor (1) vollständig ab. Der Sensor (in diesem Bild nicht zu sehen) befindet sich zusammen mit der maßgeschneiderten Elektronik (2) auf einer Leiterplatte. Das WIFI-Modul (3) mit einer Antenne im Inneren der Box, die die WIFI-Reichweite erweitert. Ein Nahinfrarotsensor (4) wird verwendet, um die Himmelstemperatur zu messen. Schließlich wird die Heizung (5) bei Bedarf eingeschaltet, um Kondenswasser auf der Scheibe zu beseitigen oder sogar das Eis oder den Schnee (6) zu schmelzen. Das Sichtfeld (FoV) beträgt FWHM = 17 Grad.
Die spektrale Empfindlichkeit des TESS-W wird mit den astronomischen Johnson B, V und R photometrischen Bändern und mit den Spektren eines lichtverschmutzten Himmels von Madrid und des dunklen Himmels des astronomischen Observatoriums Calar Alto verglichen.
Schritt 2: TESS-W Photometer-Elektronik
Elektronikplatine
Der Hauptbestandteil von TESS ist eine maßgeschneiderte elektronische Platine (PCB, Leiterplatte).
Die für die Leiterplatte benötigte Datei kann heruntergeladen werden von
Die Platine wurde so konzipiert, dass sie in den ausgewählten Gehäusekasten passt (siehe später).
Hauptbestandteile
Die elektronischen Teile der Leiterplatten können auf dem beigefügten Bild und in der bereitgestellten Datei durchsucht werden.
Schritt 3: TESS-W Photometeroptik
Aufbau und Komponenten
Das Licht vom Himmel wird mit der Optik gesammelt, die einen dichroitischen Filter enthält, um den Bandpass auszuwählen. Der Filter deckt den Kollektor vollständig ab. Das Photometergehäuse hat ein durchsichtiges Fenster, durch das das Himmelslicht in das Photometer eindringen kann. Das Innere ist durch ein glasklares Fenster geschützt.
Das optische Design ist in der ersten Abbildung dargestellt. Das Licht passiert das klare Filterfenster (1) und tritt durch ein Loch (3) des Gehäusedeckels (2) ein. Das Klarsichtfenster ist mit dem Gehäusedeckel verklebt. Der dichroitische Filter (4) befindet sich oben auf dem Lichtkollektor (5). Der Detektor (6) wurde am Kollektorausgang platziert.
Das klare Fenster
Die erste Komponente ist ein transparentes Fenster, das das Licht zu den restlichen Komponenten durchlässt und das Photometer abdichtet. Dies ist ein Fenster aus Glas (BAK7), weil es der Witterung standhalten soll. Das Fenster hat eine Dicke von 2 mm und einen Durchmesser von 50 mm. Die Transmissionskurve wurde an der optischen Werkbank LICA-UCM gemessen. Sie ist im Wellenlängenbereich 350nm -1050nm fast konstant ~90%, d.h. das klare Fenster führt zu keiner Farbänderung des Lichts.
Der dichroitische Filter
Der dichroitische Filter ist ein abgerundeter Filter mit 20 mm Durchmesser, um den Lichtkollektor vollständig abzudecken. Dadurch wird sichergestellt, dass kein ungefiltertes Licht den Detektor erreicht. Dies ist wichtig, da der Detektor TSL237 im Infrarot (IR) empfindlich ist. Der UVIR-Filter wurde entwickelt, um von 400 bis 750 nm durchzulassen, d. h. er schneidet die Ultraviolett-Antwort des Detektors unter 400 nm und die IR-Antwort über 750 nm ab. Die Transmissionskurve ähnelt einer Kombination aus einem Langpass- und einem Kurzpassfilter mit einer fast flachen Reaktion, die fast 100 % erreicht, gemessen in der LICA-UCM-Optik-Workbench (siehe die Diagramme in der Beschreibung).
Der Lichtkollektor
Um das Licht vom Himmel zu sammeln, verwendet TESS einen Lichtkollektor. Dieser Kollektor ist sehr günstig, da er im Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellt wird. Diese Linsen werden verwendet, um das Licht in Taschenlampen zu strahlen. Das Innenteil ist ein transparenter Paraboloid-Reflektor. Der schwarze Halter verhindert, dass das Streulicht den Detektor erreicht.
Wir verwenden Schwarzlichtkollektoren mit nominell 60 Grad FoV. Bei Verwendung in TESS wird das FoV aufgrund der Position des Detektors außerhalb des Kollektors reduziert. Das endgültig gemessene FoV (einschließlich der möglichen Vignettierung vom Gehäusedeckel) wurde in der optischen Werkbank gemessen. Die Winkelantwort ähnelt einer Gaußschen Funktion von 17 Grad Halbwertsbreite (FWHM).
Die Kiste
Die Elektronik und Optik des TESS Photometers sind durch ein einfaches Gehäuse auf Basis einer handelsüblichen Kunststoffbox geschützt, die für den Außenbereich geeignet und witterungsbeständig ist.
Die Box ist klein (außen: 58 x 83 x 34 mm; innen: 52 x 77 x 20 mm). Die Box hat einen Schraubdeckel, um ins Innere zu gelangen. Die abgedichtete Konstruktion bietet ausreichend Schutz gegen das Eindringen von Wasser und Staub. Damit die Schrauben nicht rosten, wurden die Originalschrauben durch Edelstahlschrauben ersetzt.
Schritt 4: TESS-W-Gehäuse
Die Kiste
Die Elektronik und Optik des TESS Photometers sind durch ein einfaches Gehäuse auf Basis einer handelsüblichen Kunststoffbox geschützt, die für den Außenbereich geeignet und witterungsbeständig ist.
Die Box ist klein (außen: 58 x 83 x 34 mm; innen: 52 x 77 x 20 mm). Die Box hat einen Schraubdeckel, um ins Innere zu gelangen. Die abgedichtete Konstruktion bietet ausreichend Schutz gegen das Eindringen von Wasser und Staub. Damit die Schrauben nicht rosten, wurden die Originalschrauben durch Edelstahlschrauben ersetzt.
Kastenbearbeitung
Es ist notwendig, einige einfache Bearbeitungen an der Box durchzuführen. Das Fenster, durch das Licht zum Lichtkollektor gelangt, hat eine Breite von 20 mm im Durchmesser. Es ist von einem durchsichtigen Fenster bedeckt, das mit wetterbeständigem Silikon verklebt werden sollte. Das kleine Loch ist der IR-Thermometeranschluss und hat einen Durchmesser von 8,5 mm. Auf der anderen Seite der Box ist ein 12 mm Loch für die Kabelverschraubung erforderlich. Die beiden 2,5 mm Lochungen dienen zur Befestigung des Heizgerätes am Kastendeckel.
Schritt 5: Montage des TESS-W Photometers
1. Vorbereitung
1. Malen Sie die Box innen schwarz.
Kastenbearbeitung
2. Bohren:
● 1x 20 mm für das Fenster.● 1x 12 mm für die Kabelverschraubung.● 1x 8,5 mm für die Thermosäule.● 2x 2,5 mm für die Heizung.● 2x 1 mm seitlich am Kasten.
3. Bohren Sie die Aluminium-Diffusorplatte (1 mm Dicke) für den Heizwiderstand, 4. Schrauben Sie den Widerstand und die Platte an die Abdeckung.5. Kleben Sie die 8mm Abstandshalter für die PCB.6. Kleben Sie das klare Fenster (die Widerstandsheizung sollte angeschraubt werden)
Thermosäule
7. Entfernen Sie den Spannungsregler und verbinden Sie beide Anschlüsse durch Löten einer Brücke.8. Löten Sie einen 4-poligen Single-Head-Draht-zu-Platinen-Steckverbinder mit einer Länge von 60 mm.9. Kleben Sie die Thermosäule auf die Abdeckung.
Antenne
10. Bohren Sie ein Loch, um die Antenne an der Box zu befestigen.11. Schneiden Sie die Ecken der Antenne ab.12. Entfernen Sie die Keramikantenne des WLAN-Moduls sowie den Antennenanschluss und die rote LED.
2. Montage
Bitte folgen Sie dieser Reihenfolge:
1. Befestigen Sie die Antenne mit einer Schraube an der Box.2. Platzieren Sie die Kabelverschraubung und das Netzkabel.3. Befestigen Sie den Kollektor (schwarzer Zylinder) an der Platine (zwei Schrauben).4. Befestigen Sie die Platine an der Box (zwei Schrauben).5. Schrauben Sie das Stromkabel an den grünen Platinenanschluss. (Roter Draht an Plus).6. Antennenkabel an Wifi-Modul anlöten.7. Löten Sie an die Widerstandsheizung ein einpoliges 2-poliges Draht-zu-Platine-Anschlusskabel von 55 mm.8. Verbinden Sie die Thermosäule und den Widerstand (achten Sie darauf, dass die Platine nicht beschädigt wird).
Der Widerstand wirkt als Heizung und ist mit einer Aluminiumplatte mit dem Deckel verbunden. Die Bilder erklären die nächsten Schritte: Die Antenne soll mit der Box verschraubt werden, der Regler der Thermosäule wurde durch eine Brücke ersetzt und die beiden Spacer (in schwarz) für die Platine sollen auf die Box geklebt werden. Das Innere der Box ist schwarz lackiert.
Eine der Abbildungen zeigt das originale WIFI-Modul mit einer Keramikantenne und einer Buchse zum Anschluss einer zusätzlichen Antenne (oben). Wir verwenden eine Antenne, deren Kabel mit dem Wifi-Modul (unten) verlötet ist. Beachten Sie, dass die Keramikantenne, die Buchse und die rote LED in der Nähe des Kabels entfernt wurden.
Schritt 6: TESS-W photometrische Kalibrierung
Die Photometer sollten kalibriert werden, um sicherzustellen, dass die Messungen von verschiedenen Geräten konsistent sind. Die TESS-W sind relativ zu einem Master-Photometer im Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) der Universidad Complutense de Madrid kreuzkalibriert.
Der Aufbau ist eine Ulbricht-Kugel, deren Inneres durch eine Lichtquelle beleuchtet werden könnte und mit mehreren optischen Ports zum Anschluss der Photometer. Als Lichtquelle wird eine LED von 596 nm mit 14 nm FWHM verwendet.
Wenn Sie Ihr TESS-W-Photometer kalibrieren möchten, können Sie sich an LICA-UCM wenden.
Schritt 7: TESS-W-Software
WIFI-Modul-Software
Kommunikation und Software
Das Gesamtsystem umfasst ein Sensornetzwerk und einen Softwarebroker, der zwischen Informationsproduzenten und -konsumenten vermittelt, die kalibrierten Sensoren vorbehalten sind. Nachdem Sie Ihr Photometer kalibriert haben (siehe Schritt 6), stellt Ihnen STARS4ALL die Zugangsdaten zur Veröffentlichung im Broker zur Verfügung.
Ein Beispiel-Consumer in Python zum Speichern von Daten in einer SQLite-Datenbank wurde entwickelt. Dieser Consumer kann in einem oder mehreren PCs oder Servern installiert sein. Die Hauptmerkmale der Software sind nachfolgend aufgeführt:
● Kundenspezifische Software für TESS entwickelt in C.
● MQTT-Publisher-Software, die in den Bibliotheken Arduino IDE und ESP8266 entwickelt wurde.
● MQTT-Broker entweder in einer internen Bereitstellung oder einem verfügbaren Drittanbieter (z. B. test mosquitto.org)
● MQTT-Abonnentensoftware, die Daten von Herausgebern empfängt und in einer relationalen Datenbank (SQLite) speichert.
MQTT ist ein leichtes M2M / Internet of Things-Protokoll, das für eingeschränkte Geräte geeignet ist und weitaus weniger Overhead erfordert als HTTP-basierte Kommunikation.
Jeder Sensor sendet über einen lokalen Router regelmäßig Messwerte an einen entfernten MQTT-Server. Dieser Server – in der MQTT-Welt „Broker“genannt – empfängt Daten von vielen Sensoren und verteilt sie an alle Abonnenten und entkoppelt so Publisher von Konsumenten. Der Remote-Server kann entweder intern in einer zentralen Einrichtung für das Projekt bereitgestellt werden. Alternativ können wir verfügbare, kostenlose MQTT-Broker wie test.mosquitto.org verwenden.
Jeder Software-Client kann den Broker abonnieren und die von den TESS-Geräten veröffentlichten Informationen nutzen. Um all diese Daten zu sammeln und in einer SQLite-Datenbank zu speichern, wird ein spezieller MQTT-Client entwickelt.
Gerätekonfiguration
● Die Gerätekonfiguration wird auf ein Minimum reduziert, um die Wartung zu erleichtern.
● Jedes Gerät benötigt diese Konfiguration:
o WLAN-SSID und -Passwort.
o Photometer-Kalibrierungskonstante.
o MQTT-Broker-IP-Adresse und -Port.
o Anzeigename des Instruments (eindeutig pro Gerät)
o MQTT-Kanalname (wie oben beschrieben)
WLAN-Konfiguration
Beim ersten Anschließen an das Stromnetz erstellt TESS-W einen WLAN-Zugangspunkt. Der Benutzer trägt die Einstellungen ein, die den Namen (SSID) und das Passwort des WLAN-Routers, den Nullpunkt der Fotometrie und die Internetadresse und den Namen des Broker-Repositorys umfassen. Nach einem Reset und einem Aus- und Einschaltzyklus beginnt das TESS Photometer mit der Produktion und dem Senden von Daten.
Beim ersten Booten startet TESS als Zugangspunkt mit dem Namen TESSconfigAP. Ein Mobiltelefon muss sich mit diesem Zugangspunkt verbinden.
● Durchsuchen Sie mit einem Internetbrowser die folgende URL:
● Füllen Sie das Formular mit den unter 2.3 aufgeführten Parametern aus
● Starten Sie das Gerät neu, das sich mit dem lokalen Router verbindet.
Wenn das Gerät die Verbindung mit dem WLAN-Router verliert, startet es neu und konfiguriert sich selbst wieder als Zugangspunkt, was praktisch ist, um die Konfiguration zu ändern.
Software
Die TESS-W Firmware und Dokumentation finden Sie im Github-Repository
github.com/cristogg/TESS-W
Für den ESP8266https://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-w-v2_0/tess-w-v2_0.ino.generic.bin
Für den Mikroprozessor
Schritt 8: Abschließende Bemerkungen
Die STARS4ALL Foundation ist die Fortsetzung des STARS4ALL-Projekts, das für den Betrieb des TESS-W-Photometernetzwerks verantwortlich ist. Dies ist ein Citizen-Science-Projekt, das interessante Daten für Studien zur Lichtverschmutzung liefert.
Sobald Ihr Photometer kalibriert und konfiguriert ist, werden die Messungen an die STARS4ALL-Infrastruktur gesendet. Diese Messungen können von unserer Plattform (https://tess.stars4all.eu/plots/) visualisiert werden. Außerdem können alle im Netzwerk generierten Daten von unserer Zenodo-Community heruntergeladen werden (https://zenodo.org/communities/stars4all)