Photomètre de luminosité du ciel nocturne TESS-W : 8 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

TESS-W est un photomètre conçu pour mesurer et surveiller en continu la luminosité du ciel nocturne pour les études de pollution lumineuse. Il a été créé lors du projet européen STARS4ALL H2020 avec une conception ouverte (hardware et software). Le photomètre TESS-W a été conçu pour envoyer des données via WIFI. Les données sont visualisées en temps réel et partagées (open data). Parcourez https://tess.stars4all.eu/ pour plus d'informations.

Ce document contient quelques détails techniques du photomètre de luminosité du ciel nocturne TESS-W et décrit comment le construire. Il comprend les schémas électroniques et optiques du capteur ainsi que le boîtier résistant aux intempéries.

De plus amples informations sur le photomètre TESS ont été présentées dans Zamorano et al. « Photomètre de luminosité du ciel nocturne STARS4ALL » à la réunion Artificial Light At Night (ALAN2016) Cluj, Napoca, Roumanie, septembre 2016.

TESS-W a été développé par une équipe et le design est basé sur le travail de Cristóbal García.

Il s'agit de la première version fonctionnelle des Instructables. Restez à l'écoute.

Étape 1: Description de TESS-W

Le photomètre est enfermé dans un boîtier résistant aux intempéries qui contient les composants électroniques et optiques fabriqués sur mesure. TESS a une carte de circuit imprimé (PCB) sur mesure avec un ESP8266. L'ESP8266 est une puce WIFI à faible coût avec une pile TCP/IP complète et une capacité de microcontrôleur. L'électronique est utilisée pour lire la fréquence fournie par le capteur de lumière TSL237 (pour les données de luminosité du ciel nocturne) et également le module de thermomètre infrarouge MLX90614ESF-BA (pour les informations sur la couverture nuageuse).

Le détecteur de luminosité du ciel est une photodiode TSL237 qui convertit la lumière en fréquence. C'est le même capteur utilisé par les photomètres SQM. Cependant, la bande passante est plus étendue à la gamme rouge avec l'utilisation d'un filtre dichroïque (marqué UVIR sur les plots) par rapport au filtre couleur BG38 du SQM.

La lumière du ciel est collectée avec l'optique qui comprend un filtre dichroïque pour sélectionner la bande passante. Le filtre recouvre entièrement le collecteur (1). Le capteur (non visible sur cette photo) est situé sur une carte de circuit imprimé avec l'électronique sur mesure (2). Le module WIFI (3) avec une antenne à l'intérieur du boitier qui étend la portée WIFI. Un capteur proche infrarouge (4) est utilisé pour mesurer la température du ciel. Enfin, le chauffage (5) s'allume en cas de besoin pour éliminer la condensation sur la vitre ou encore pour faire fondre la glace ou la neige (6). Le champ de vision (FoV) est FWHM = 17 degrés.

La réponse spectrale du TESS-W est comparée avec les bandes photométriques astronomiques Johnson B, V et R et avec les spectres du ciel pollué léger de Madrid et du ciel sombre de l'observatoire astronomique de Calar Alto.

Étape 2: Électronique du photomètre TESS-W

Carte électronique

Le composant principal de TESS est une carte électronique sur mesure (PCB, circuit imprimé).

Le fichier nécessaire pour le PCB peut être téléchargé à partir de

Le PCB a été conçu pour s'adapter à l'intérieur du boîtier sélectionné (voir plus loin).

Composants principaux

Les pièces électroniques des circuits imprimés peuvent être consultées sur l'image accompagnée et dans le fichier fourni.

Étape 3: Optique du photomètre TESS-W

Conception et composants

La lumière du ciel est collectée avec l'optique qui comprend un filtre dichroïque pour sélectionner la bande passante. Le filtre recouvre entièrement le collecteur. Le boîtier du photomètre a une fenêtre transparente qui permet à la lumière du ciel d'entrer dans le photomètre. L'intérieur est protégé par une vitre transparente.

La conception optique est représentée dans la première figure. La lumière passe par la fenêtre transparente du filtre (1) et pénètre par un trou (3) du couvercle du boîtier (2). La fenêtre transparente est collée au couvercle du boîtier. Le filtre dichroïque (4) est situé au-dessus du collecteur de lumière (5). Le détecteur (6) a été placé à la sortie du collecteur.

La fenêtre transparente

Le premier composant est une fenêtre transparente qui permet à la lumière de passer au reste des composants et scelle le photomètre. Il s'agit d'une fenêtre en verre (BAK7) car elle doit résister aux intempéries. La fenêtre a une épaisseur de 2 mm et un diamètre de 50 mm. La courbe de transmission a été mesurée à l'établi optique LICA-UCM. Il est presque constant à environ 90 % dans la plage de longueurs d'onde 350 nm -1050 nm, ce qui signifie que la fenêtre transparente n'introduit pas de changement dans la couleur de la lumière.

Le filtre dichroïque

Le filtre dichroïque est un filtre arrondi de 20 mm de diamètre pour couvrir complètement le collecteur de lumière. Cela garantit qu'aucune lumière non filtrée n'atteint le détecteur. Ceci est important car le détecteur TSL237 est sensible dans l'infrarouge (IR). Le filtre UVIR a été conçu pour transmettre de 400 à 750 nm, c'est-à-dire qu'il coupe la réponse ultraviolette du détecteur en dessous de 400 nm et la réponse IR au-dessus de 750 nm. La courbe de transmission est similaire à une combinaison d'un filtre passe-long et d'un filtre passe-bas avec une réponse presque plate atteignant presque 100% telle que mesurée dans l'établi optique LICA-UCM (voir les tracés dans la description)

Le collecteur de lumière

Afin de recueillir la lumière du ciel, TESS utilise un collecteur de lumière. Ce collecteur est très bon marché car il est fabriqué en plastique par moulage par injection. Ces lentilles sont utilisées pour diffuser la lumière dans les lampes de poche. La partie intérieure est un réflecteur paraboloïde transparent. Le support noir empêche la lumière parasite d'atteindre le détecteur.

Nous utilisons des collecteurs de lumière noire avec un FoV nominal de 60 degrés. Lorsqu'il est utilisé dans TESS, le FoV est réduit en raison de la position du détecteur à l'extérieur du collecteur. Le FoV final mesuré (y compris le vignettage possible du couvercle du boîtier) a été mesuré dans l'établi optique. La réponse angulaire est similaire à une fonction gaussienne de 17 degrés de pleine largeur à mi-hauteur (FWHM).

La boîte

L'électronique et l'optique du photomètre TESS sont protégées par un simple boîtier basé sur un boîtier en plastique commercial qui est adapté pour être en extérieur et pour résister aux intempéries.

La boîte est petite (extérieur: 58 x 83 x 34 mm; intérieur: 52 x 77 x 20 mm). La boîte a un couvercle à vis pour accéder à l'intérieur. La construction scellée offre un niveau de protection suffisant contre l'entrée d'eau et de poussière. Pour éviter que les vis ne rouillent, les vis d'origine ont été changées par des vis en acier inoxydable.

Étape 4: Boîtier TESS-W

La boîte

L'électronique et l'optique du photomètre TESS sont protégées par un simple boîtier basé sur un boîtier en plastique commercial qui est adapté pour être en extérieur et pour résister aux intempéries.

La boîte est petite (extérieur: 58 x 83 x 34 mm; intérieur: 52 x 77 x 20 mm). La boîte a un couvercle à vis pour accéder à l'intérieur. La construction scellée offre un niveau de protection suffisant contre l'entrée d'eau et de poussière. Pour éviter que les vis ne rouillent, les vis d'origine ont été changées par des vis en acier inoxydable.

Usinage de caisses

Il est nécessaire d'effectuer quelques usinages simples sur la boîte. La fenêtre qui permet à la lumière d'atteindre le collecteur de lumière a une largeur de 20 mm de diamètre. Il est recouvert d'une fenêtre transparente qui doit être collée avec du silicone résistant aux intempéries. Le petit trou est le port du thermomètre IR et a un diamètre de 8,5 mm. De l'autre côté du boîtier il faut un trou de 12 mm pour le presse-étoupe. Les deux perforations de 2,5 mm permettent de fixer le radiateur au couvercle de la boîte.

Étape 5: Montage du photomètre TESS-W

1. Préparation

1. Peignez la boîte à l'intérieur en noir.

Usinage de caisses

2. Forage:

● 1x 20 mm pour la fenêtre.● 1x 12 mm pour le presse-étoupe.● 1x 8,5 mm pour la thermopile.● 2x 2,5 mm pour le réchauffeur.● 2x 1 mm sur le côté du boîtier.

3. Percez la plaque de diffusion en aluminium (épaisseur 1 mm) pour la résistance chauffante, 4. Vissez la résistance et la plaque au couvercle.5. Collez les entretoises de 8 mm pour le PCB.6. Collez la fenêtre transparente (la résistance chauffante doit être vissée en place)

Thermopile

7. Retirez le régulateur de tension et connectez les deux bornes en soudant un pont.8. Soudez un connecteur fil à carte simple à 4 broches d'une longueur de 60 mm.9. Collez la thermopile sur le couvercle.

Antenne

10. Percez un trou pour fixer l'antenne au boîtier.11. Coupez les coins de l'antenne.12. Retirez l'antenne en céramique du module wifi ainsi que le connecteur d'antenne et la LED rouge.

2. Montage

Veuillez suivre cette séquence ordonnée:

1. Fixez l'antenne au boîtier à l'aide d'une vis.2. Placer le presse-étoupe et le cordon d'alimentation.3. Fixez le collecteur (cylindre noir) au PCB (deux vis).4. Fixez le PCB au boîtier (deux vis).5. Vissez le câble d'alimentation au connecteur vert de la carte. (Fil rouge vers positif).6. Câble d'antenne à souder au module wifi.7. Souder à la résistance chauffante un câble de connexion fil à carte à tête unique à 2 broches de 55 mm.8. Connectez la thermopile et la résistance (attention à ne pas casser le PCB).

La résistance agit comme un élément chauffant et est reliée au couvercle par une plaque en aluminium. Les photos expliquent les étapes suivantes: L'antenne doit être vissée au boîtier, le régulateur de la thermopile a été remplacé par un pont, et les deux entretoises (en noir) pour le PCB doivent être collées au boîtier. L'intérieur de la boîte est peint en noir.

L'une des figures montre le module WIFI d'origine doté d'une antenne en céramique et d'une prise pour connecter une antenne supplémentaire (en haut). Nous utilisons une antenne dont le câble est soudé au module wifi (en bas). A noter que l'antenne en céramique, la prise et la LED rouge près du câble ont été supprimées.

Étape 6: Étalonnage photométrique TESS-W

Les photomètres doivent être étalonnés pour s'assurer que les mesures des différents appareils sont cohérentes. Les TESS-W sont calibrés par rapport à un photomètre maître du Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) de l'Universidad Complutense de Madrid.

L'installation est une sphère d'intégration dont l'intérieur pourrait être éclairé par une source lumineuse et avec plusieurs ports optiques pour connecter les photomètres. La source lumineuse utilisée est une LED de 596 nm avec 14 nm FWHM.

Si vous souhaitez étalonner votre photomètre TESS-W, vous pouvez contacter LICA-UCM.

Étape 7: Logiciel TESS-W

Logiciel de module WIFI

Communication et logiciel

Le système complet comprend un réseau de capteurs et un courtier en logiciels qui assure la médiation entre les producteurs et les consommateurs d'informations réservées aux capteurs calibrés. Une fois que vous avez calibré votre photomètre (voir étape 6), STARS4ALL vous fournira les informations d'identification à publier dans le courtier.

Un exemple de consommateur en Python pour stocker des données dans une base de données SQLite a été développé. Ce consommateur peut être installé sur un ou plusieurs PC ou serveurs. Les principales caractéristiques du logiciel sont listées ci-dessous:

● Logiciel personnalisé pour TESS développé en C.

● Logiciel éditeur MQTT développé dans les bibliothèques Arduino IDE et ESP8266.

● MQTT Broker soit dans un déploiement interne, soit dans un tiers disponible (c'est-à-dire tester mosquitto.org)

● Logiciel abonné MQTT recevant les données des éditeurs et les stockant dans une base de données relationnelle (SQLite).

MQTT est un protocole léger M2M / Internet des objets adapté aux appareils contraints qui nécessitent beaucoup moins de temps système que les communications basées sur

Chaque capteur envoie périodiquement des mesures à un serveur MQTT distant via un routeur local. Ce serveur - nommé « broker » dans le monde MQTT - reçoit les données de nombreux capteurs et les redistribue à tous les abonnés, découplant ainsi les éditeurs des consommateurs. Le serveur distant peut être déployé soit en interne dans une installation centrale pour le projet. Alternativement, nous pouvons utiliser des courtiers MQTT disponibles et gratuits tels que test.mosquitto.org.

Tout client logiciel peut s'abonner au courtier et consommer les informations publiées par les appareils TESS. Un client MQTT spécial sera développé pour collecter toutes ces données et les stocker dans une base de données SQLite.

Configuration de l'appareil

● La configuration de l'instrument sera réduite au minimum pour faciliter la maintenance.

● Chaque appareil a besoin de cette configuration:

o WiFi SSID et mot de passe.

o Constante d'étalonnage du photomètre.

o Adresse IP et port du courtier MQTT.

o Nom convivial de l'instrument (unique par appareil)

o Nom du canal MQTT (comme décrit ci-dessus)

Configuration Wi-Fi

Lorsqu'il est connecté pour la première fois à l'alimentation, TESS-W crée un point d'accès WiFi. L'utilisateur remplit les paramètres qui incluent le nom (SSID) et le mot de passe du routeur WiFi, le point zéro de la photométrie et l'adresse Internet et le nom du référentiel du courtier. Après un cycle de réinitialisation et d'extinction et d'allumage, le photomètre TESS commence à produire et à envoyer des données.

Au premier démarrage, TESS démarre en tant que point d'accès avec le nom TESSconfigAP. Un téléphone mobile doit se connecter à ce point d'accès.

● Parcourez avec un navigateur Internet l'URL suivante:

● Remplissez le formulaire avec les paramètres listés en 2.3

● Redémarrez l'appareil, qui se connectera au routeur local.

Lorsque l'appareil perd la liaison avec le routeur WiFi, redémarrez et se reconfigure en point d'accès, ce qui est pratique pour modifier la configuration.

Logiciel

Le firmware TESS-W et une documentation peuvent être trouvés sur le référentiel github

github.com/cristogg/TESS-W

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

Pour le microprocesseurhttps://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-u/tess-u.hex

Étape 8: Remarques finales

La Fondation STARS4ALL est la continuation du projet STARS4ALL qui est en charge de l'exploitation du réseau de photomètres TESS-W. Il s'agit d'un projet de science citoyenne qui produit des données d'intérêt pour les études de pollution lumineuse.

Une fois votre photomètre calibré et configuré, il commencera à envoyer les mesures à l'infrastructure STARS4ALL. Ces mesures peuvent être visualisées depuis notre plateforme (https://tess.stars4all.eu/plots/). De plus, toutes les données générées sur le réseau peuvent être téléchargées depuis notre communauté Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)