Arduino Sky Quality Meter (SQM)

[ioannisb]

Καλησπέρα σε όλους,

 

Μιας και με απασχολούσε εδώ πολύ καιρό η αγορά ενός SQM (Sky Quality Meter) για μετρήσεις από το παρατηρητήριο μου και από τις περιοχές που πάω για παρατήρηση, αποφάσισα να να προβώ σε ένα πιο δύσκολο εγχείρημα, την κατασκευή του.

 

Για την κατασκευή χρειάστηκαν τα παρακάτω υλικά:

 

1. Ένας μικροεπεξεργαστής Arduino MEGA

2. Ένα εξάρτημα (αισθητήρας) μετατροπής του φωτός σε συχνότητα TLS237S

3. Ένας εξάρτημα αισθητήρας θερμοκρασίας DS18S20

4. Μια αντίσταση 4,7Κ για τον αισθητήρα θερμοκρασίας.

5. Ένας πυκνωτής 0,1uF για τον αισθητήρα φωτός.

6. Ένα Display LCD + 10k trimmer

7. Δύο διακόπτες ON-OFF

8. πλακέτα για την κατασκευή + πλαστικό κουτί.

 

 

Επίσης, Βασικός στόχος μου ήταν να μπορώ να πάρω τις μετρήσεις που κάνει το SQM και να τις μεταφέρω στον server του παρατηρητηρίου μου για την δημιουργία γραφημάτων σε πραγματικό χρόνο, και την καταγραφή ιστορικού σε βάση δεδομένων. Για τον λόγο αυτό λοιπόν τοποθέτησα μέσα στο SQM έναν πομπό στα 443MHz και έναν δέκτη αντίστοιχα στο παρατηρητήριο μου.

 

9. RF transmitter and receiver 433Mhz MX-05V & MX-FS-03V

10. Φακός fisheye lens

11. IR-Cut filter

 

 

Θα ήθελα να σας αναφέρω ότι δεν πρόκειται για μια επιστημονική κατασκευή, αλλά για ένα μέσο που θα με βοηθήσει να καταμετρήσω την φώτο-ρύπανση, και να δω αν θα μπορέσω να διακρίνω τις καλύτερες μέρες για παρατήρηση.

 

Από τα πρώτα αποτελέσματα πού έβγαλα έχω ενθουσιαστεί από την λειτουργία του. :)

 

Χρησιμοποιεί τον αισθητήρα φωτός για να μετατρέψει το φως σε συχνότητα, και μετά την συχνότητα σε Mag/As^2 (SQUIMS) στην συνέχεια ο πομπός στέλνει τα δεδομένα στον δέκτη ο οποίος είναι συνδεδεμένος με USB στον Linux server του παρατηρητηρίου και αυτός με την σειρά του τα καταχωρεί σε βάση δεδομένων MySQL και χρησιμοποιώντας το MRTG http://oss.oetiker.ch/mrtg/ και RRDtool http://oss.oetiker.ch/rrdtool/ διμιουργεί γραφιματα που ενημερώνονται σε πραγματικό χρόνο.

 

 

ΥΓ. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα να γίνει tunning με ένα SQM της αγοράς και να έχουν ακριβώς τις ίδιες μετρήσεις.

 

Σας παραθέτω παρακάτω τον κώδικά του Arduino και μερικές φωτογραφίες. Ακόμα δουλεύω στην τελική ανάπτυξη των προγραμμάτων για την δημιουργία των γραφημάτων μιας και βρίσκονται ακόμα σε beta version.

 

 

 

 

 

Arduino code:

 

[code:1]

#include

#include

#include

 

/*Ioannis A. Bouhras - ioannis_bouhras@zeuslinux.gr*/

 

// FREQ START

float Msqm;

const float A = 30.0;

int TSL237S_Pin = 7; //TSL237S output

int TSL237S_samples = 6; //higher = slower but more stable and accurate

// FREQ SEND

 

 

LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2);

 

char charnum[10];

 

int DS18S20_Pin = 8; //DS18S20 Signal pin on digital 2

 

//Temperature chip i/o

OneWire ds(DS18S20_Pin); // on digital pin 2

 

void setup(void) {

 

Serial.begin(9600);

delay(1000);

lcd.begin(16,2);

lcd.print("Arduino SQM 1.0");

delay(3000);

lcd.clear();

float lightLevel = readTSL237S(TSL237S_samples);

lcd.print(lightLevel);

lcd.print(" Mag/As2");

 

/*SETUP TRANSMITER*/

vw_set_ptt_inverted(true); // Required by the RF module

vw_setup(2000); // bps connection speed

vw_set_tx_pin(9); // Arduino pin to connect the receiver data pin

}

 

void loop() {

 

lcd.print("OK");

 

float Celcius = getTemp();

 

Serial.print(Celcius);

 

float Fahrenheit = Celcius * 1.8 + 32;

 

Serial.print(" ");

 

Serial.print(Fahrenheit);

 

Serial.print(" ");

 

float lightLevel = readTSL237S(TSL237S_samples);

Serial.print(lightLevel);

 

Serial.print(" ");

 

Serial.print(lightLevel - 19.00);

 

Serial.println(" ");

 

delay(300); //just here to slow down the output so it is easier to read

 

char buff[30];

 

/*Transmit our data*/

 

int tempC1 = (int)Celcius;

int tempC2 = (int)Fahrenheit;

int tempC3 = (int)lightLevel;

int magLim = (int)lightLevel - 19;

 

char msg[24];

 

sprintf(msg, "%i %i %i %i", tempC1,tempC2,tempC3,magLim);

 

vw_send((uint8_t *)msg, strlen(msg));

vw_wait_tx(); // We wait to finish sending the message

delay(200); // We wait to send the message again

 

 

 

 

}

 

float readTSL237S(int samples){

//sample light, return reading in frequency

//higher number means brighter

 

float start = micros();

int readings = 0;

 

while(readings < samples){

pulseIn(TSL237S_Pin, HIGH);

readings ++;

}

 

float length = micros() - start;

float freq = (1000000 / (length / samples)) * 10;

 

Msqm = A - 2.5*log10(freq);

 

 

return Msqm;

}

 

 

 

float getTemp(){

//returns the temperature from one DS18S20 in DEG Celsius

 

byte data[12];

byte addr[8];

 

if ( !ds.search(addr)) {

//no more sensors on chain, reset search

ds.reset_search();

return -1000;

}

 

if ( OneWire::crc8( addr, 7) != addr[7]) {

Serial.println("CRC is not valid!");

return -1000;

}

 

if ( addr[0] != 0x10 && addr[0] != 0x28) {

Serial.print("Device is not recognized");

return -1000;

}

 

ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0x44,1); // start conversion, with parasite power on at the end

 

byte present = ds.reset();

ds.select(addr);

ds.write(0xBE); // Read Scratchpad

 

 

for (int i = 0; i < 9; i++) { // we need 9 bytes

data = ds.read();

}

 

ds.reset_search();

 

byte MSB = data[1];

byte LSB = data[0];

 

float tempRead = ((MSB << | LSB); //using two's compliment

float TemperatureSum = tempRead / 16;

 

return TemperatureSum;

 

}

 

[/code:1]

 

 

 

SQM datafile send to server

 

 

Celcius Fahrenheit Squims(Mag/As2) NELM(Naked Eye Limiting Magnitude)

 

[code:1]

26 80 19 3

26 79 19 4

26 79 19 4

26 79 19 4

26 79 19 4

26 79 19 4

26 79 19 4

26 79 19 4

[/code:1]

 

RF transmitter and receiver 433Mhz

 

Draft Circuit diagram

 

Temperature

 

SQM MRTG graph sample

 

LCD

 

SQM

[kookoo_gr]

μιας και το ψαχνω και εγω το θεμα μερικες ερωτησεις.

 

1. πως καλιμπραρεις τον αισθητηρα για το φως ωστε να εχεις τα σωστα αποτελεσματα;

2. ο αισθητηρας θερμοκρασιας παιζει καποιο ρολο (δεν διαβασα τον κωδικα αλλα φανταζομαι πως οχι)

3. τι φιλτρο IR χρησιμοποιησες;

[ioannisb]

Καλησπέρα Κώστα,

 

Για το καλιμπράρισμα δες την μεταβλητή Α στον κώδικα. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας δεν παίζει κανένα ρόλο για να πάρεις τα squims. Θα βάλω κάποια στιγμή και άλλες δύο μετρήσεις για υγρασία και ατμοσφαιρική πίεση. Το φίλτρο ΙR-cut το πήρα από e-bay, μπορείς να βάλεις οποιοδήποτε.

 

 

μιας και το ψαχνω και εγω το θεμα μερικες ερωτησεις.

 

1. πως καλιμπραρεις τον αισθητηρα για το φως ωστε να εχεις τα σωστα αποτελεσματα;

2. ο αισθητηρας θερμοκρασιας παιζει καποιο ρολο (δεν διαβασα τον κωδικα αλλα φανταζομαι πως οχι)

3. τι φιλτρο IR χρησιμοποιησες;

[kookoo_gr]

ευαχριστω για τις απαντησεις αλλα δεν διευκρινησα σωστα για το 1. Ποια διαδικασια χρησιμοποιησες ωστε να καταληξεις στο νουμερο 30 που εχεις στην μεταβλητη Α. Σε παρομοιο θεμα στο stargazerslounge χρησιμοποιησαν ενα προγραμμα για iphone ωστε να συγκρινουν τις δυο τιμες.

[ioannisb]

Καλημέρα Κώστα,

 

Ακολούθησα έναν εμπειρικό κανόνα, μιας και δεν είχα κάποιο SQM φίλου να το καλιμπράρω. Ο κανόνας αυτός λέει ότι το τυπικό (Naked eye limited magnitude) μέσα από μια πόλη σαν την Αθήνα είναι 2 με 3 mag δηλαδή, δια γυμνού οφθαλμού μέσα στην πόλη βλέπουμε το πολύ 10-15 άστρα στον ουρανό, που αυτό με την σειρά του αντιστοιχεί σε 15 με 16 squims. Ενώ σε ένα σκοτεινό ουρανό χωρίς φώτο-ρύπανση το Naked eye Limited Magnitude είναι 6-7 mag ανάλογα με την ηλικία με SQM μέτρηση 21 - 22.

 

Κάποια στιγμή αν βρεθώ με κανένα φίλο που έχει SQM του εμπορίου θα το καλιμπράρω και σωστά για να έχει όσο το δυνατόν τις ίδιες ενδείξεις, αλλά προς στιγμής νομίζω ότι και έτσι μπορώ να κάνω αυτό που θέλω με αποτελέσματα πολύ κοντά στα κανονικά.

[Μανούσος]

Πολύ ωραία κατασκευή. Μπράβο Γιάννη! Για το καλιμπράρισμα ίσως σε βοηθήσει η παρακάτω φόρμουλα:

 

http://www.unihedron.com/projects/darksky/NELM2BCalc.html

[ioannisb]

Ευχαριστώ Δημήτρη,

 

Απ`ότι βλέπω έχω πέσει αρκετά κοντά στις πραγματικές τιμές.

 

Κάποια στιγμή θα το καλιμπράρω με ένα SQM δίπλα, δίπλα...

 

 

 

Πολύ ωραία κατασκευή. Μπράβο Γιάννη! Για το καλιμπράρισμα ίσως σε βοηθήσει η παρακάτω φόρμουλα:

 

http://www.unihedron.com/projects/darksky/NELM2BCalc.html

[silverhawk]

ωραιος!!! να σε ρωτησω πως προσαρμοσες το φιλτρο στο φακο? και ο φακος τι ανοιγμα μοιρων εχει?

[ioannisb]

Καλημέρα,

 

Ο φακός που έβαλα είναι ο παρακάτω και προορίζετε για κινητά:

 

 

χρησιμοποιήσα τον fisheye 180 deg

 

http://www.ebay.com/itm/181246105120?var=480286177411&ssPageName=STRK:MEWNX:IT&_trksid=p3984.m1439.l2649

 

Το φίλτρο ήταν μόνο ένας φακός χωρίς μεταλλικό περίβλημα ή κάτι άλλο και τον κόλλησα με super glue από τις άκρες πίσω από τον φακό μετά ακολούθησε ο σενσορας από πάνω έβαλα ένα καπάκι αναψυκτικού και το κάλυψα με μαύρη σιλικόνη για να μην επηρεάζετε από τα Led του Arduino και ειδικά από TX το οποίο αναβοσβήνει κάθε φορά που εκπέμπει ο πομπός.

 

Αν και από τις δοκιμές που έκανα με φίλτρο και χωρίς δεν είδα καμία διαφορά. Ελπίζω η κινεζιά να ήταν πραγματικά IR-cut. Έπρεπε να το δοκιμάσω με καμιά web cam πρώτα, και κανένα τηλεκοντρόλ.

 

Δες και το επισυναπτόμενο πρόχειρο σκίτσο.

 

 

ωραιος!!! να σε ρωτησω πως προσαρμοσες το φιλτρο στο φακο? και ο φακος τι ανοιγμα μοιρων εχει?

 

draft

 

Fisheye 180 deg

[silverhawk]

μαλιστα.

Απο οτι ειχα διαβασει στο παρελθον χρειαζεται ενας φακος +-20 μοιρες ετσι ωστε να αποφευγονται μετρησεις που ισως να ειναι λανθασμενες και επηρεασμενες απο φωτορυπανση και επιγειο φωτισμο. εχω μαζεψει εδω και αρκετο καιρο τα εξαρτηματα για την κατασκευη αλλα λογω ελαχιστου χρονου δεν το εχω ξεκινησει..χαιρομαι ιδιαιτερα οπου και αλλα μελη εχουν περασει στην υλοποιηση του συγκεκριμενου προτζεκτ..

[Stardweller]

Πολύ ενδιαφέρον project όπως τα περισσότερα στο Arduino. Εχεις δοκιμάσει κάποιο project με Raspberry pi? Νομίζω πως στο μέλλον θα δούμε απίστευτα πράγματα με αυτές τις πλατφόρμες.

 

Μπράβο και καλή συνέχεια!

[silverhawk]

μαλιστα.

Απο οτι ειχα διαβασει στο παρελθον χρειαζεται ενας φακος +-20 μοιρες ετσι ωστε να αποφευγονται μετρησεις που ισως να ειναι λανθασμενες και επηρεασμενες απο φωτορυπανση και επιγειο φωτισμο. εχω μαζεψει εδω και αρκετο καιρο τα εξαρτηματα για την κατασκευη αλλα λογω ελαχιστου χρονου δεν το εχω ξεκινησει..χαιρομαι ιδιαιτερα οπου και αλλα μελη εχουν περασει στην υλοποιηση του συγκεκριμενου προτζεκτ..

 

 

επισης απομονωσα τον κωδικα ετσι ωστε να δουλεψει αποκλειστικα ως SQM

 

 

 

#include

 

/*Ioannis A. Bouhras - ioannis_bouhras@zeuslinux.gr*/

 

// FREQ START

float Msqm;

const float A = 30.0;

int TSL237S_Pin = 7; //TSL237S output

int TSL237S_samples = 6; //higher = slower but more stable and accurate

// FREQ SEND

 

 

LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2);

 

char charnum[10];

 

 

 

void setup(void) {

 

Serial.begin(9600);

delay(1000);

lcd.begin(16,2);

lcd.print("Arduino SQM 1.0");

delay(3000);

lcd.clear();

float lightLevel = readTSL237S(TSL237S_samples);

lcd.print(lightLevel);

lcd.print(" Mag/As2");

 

 

}

 

void loop() {

 

lcd.print("OK");

 

 

 

float lightLevel = readTSL237S(TSL237S_samples);

Serial.print(lightLevel);

 

Serial.print(" ");

 

Serial.print(lightLevel - 19.00);

 

Serial.println(" ");

 

delay(300); //just here to slow down the output so it is easier to read

 

char buff[30];

 

 

 

 

 

}

 

float readTSL237S(int samples){

//sample light, return reading in frequency

//higher number means brighter

 

float start = micros();

int readings = 0;

 

while(readings < samples){

pulseIn(TSL237S_Pin, HIGH);

readings ++;

}

 

float length = micros() - start;

float freq = (1000000 / (length / samples)) * 10;

 

Msqm = A - 2.5*log10(freq);

 

 

return Msqm;

}

[ioannisb]

Πληροφοριακά, όποιος ασχοληθεί με την μετάδοση δεδομένων με την βιβλιοθήκη VirtualWire η οποία είναι END OF LIFE έχω βρει ένα σημαντικό Bug. Να μου στείλει PM.

[evansg]

Δύο σημαντικές παρατηρήσεις

 

α) Ο αισθητήρας θερμοκρασίας παίζει σημαντικό ρόλο. Μπορεί να μην παίζει τώρα που κάνει κρύο.. αλλά το καλοκαίρι που έχει 30 βαθμούς έξω θα μετράς μπαρμπoύτσαλα... Ο TLS237L από 15 βαθμούς και πάνω βάζει θερμικό θόρυβο (dark current) που πρέπει να υπολογιστεί μέσω ενός πολυωνύμου με την θερμοκρασίας του περιβάλοντος.

 

β) Με την 9v μπαταρία δεν θα αντέξει όυτε 2 μέρες χωρίς να έχεις κώδικα για powerdown/ sleep mode.

[ioannisb]

Έχεις πολύ μεγάλο δίκιο σε αυτά που λες!

 

Έχει προβλεφθεί ειδικό firmware για την εξοικονόμηση ενέργειας. https://github.com/jcw/jeelib Θα σας το ανεβάσω μόλις δοκιμαστεί.

 

Για του λόγου το αληθές έκανα μια δοκιμή με την 9volt μπαταρία το LCD αναμμένο και τον πομπό να εκπέμπει κάθε δυο δευτερόλεπτα, μια σχετικά παγωμένη νύχτα. Το αποτέλεσμα ήταν μετά από 4 ώρες η μπαταρία να εξαντληθεί.

 

Όμως σκοπός μου δεν είναι να λειτουργεί μέρες με την μπαταρία, αλλά μόνο όταν πάω για εξόρμηση. Στο παρατηρητήριο εννοείται με τροφοδοτικό.

 

Επίσης σκέφτομαι να δώσω και ξεχωριστή τροφοδοσία στον πομπό, γιατί με τα 5v του Arduino δεν εκμεταλλεύομαι στο έπακρο την εμβέλεια του.

 

 

Δύο σημαντικές παρατηρήσεις

 

α) Ο αισθητήρας θερμοκρασίας παίζει σημαντικό ρόλο. Μπορεί να μην παίζει τώρα που κάνει κρύο.. αλλά το καλοκαίρι που έχει 30 βαθμούς έξω θα μετράς μπαρμπoύτσαλα... Ο TLS237L από 15 βαθμούς και πάνω βάζει θερμικό θόρυβο (dark current) που πρέπει να υπολογιστεί μέσω ενός πολυωνύμου με την θερμοκρασίας του περιβάλοντος.

 

β) Με την 9v μπαταρία δεν θα αντέξει όυτε 2 μέρες χωρίς να έχεις κώδικα για powerdown/ sleep mode.

[silverhawk]

Δύο σημαντικές παρατηρήσεις

 

α) Ο αισθητήρας θερμοκρασίας παίζει σημαντικό ρόλο. Μπορεί να μην παίζει τώρα που κάνει κρύο.. αλλά το καλοκαίρι που έχει 30 βαθμούς έξω θα μετράς μπαρμπoύτσαλα... Ο TLS237L από 15 βαθμούς και πάνω βάζει θερμικό θόρυβο (dark current) που πρέπει να υπολογιστεί μέσω ενός πολυωνύμου με την θερμοκρασίας του περιβάλοντος.

 

β) Με την 9v μπαταρία δεν θα αντέξει όυτε 2 μέρες χωρίς να έχεις κώδικα για powerdown/ sleep mode.

 

βαγγελη αναφερεσαι σε αυτο?

http://nsbm.darksky.org/tech.php

[evansg]

Ακριβώς

[silverhawk]

Γιαννη στο σχεδιαγραμα που ανεβασες με το ΤSL πρεπει να εχεις ενα λαθακι ο πυκνωτης πρεπει να μπει παραλληλα στο +- και οχι σε σειρα στο +

[ioannisb]

Λάθος draft!! θα τα φτιάξω στο Eagle και θα τα ανεβάσω ολοκληρωμένα για να είναι χρήσιμα και από άλλους.

 

 

Thanks

 

Γιαννη στο σχεδιαγραμα που ανεβασες με το ΤSL πρεπει να εχεις ενα λαθακι ο πυκνωτης πρεπει να μπει παραλληλα στο +- και οχι σε σειρα στο +

[silverhawk]

ενα δειγμα της κατασκευης..συντομα θα εχω στα χερια μου ενα SQM της unihedron για το καλιμπραρισμα....

 

[ioannisb]

Πολύ καλό case!!!

 

ενα δειγμα της κατασκευης..συντομα θα εχω στα χερια μου ενα SQM της unihedron για το καλιμπραρισμα....

 

[silverhawk]

Γιαννη καλησπερα! εβγαλες καμια ακρη ετσι ωστε να βελτιωσεις τον κωδικα στο να υπολογιζει και την παραμετρο την εξωτερικης θερμοκρασιας? Δυστυχως δεν μπορεσα να βρω κατι και οι γνωσεις μου ειναι περιορισμενες στην αναπτυξη αλγοριθμου για τον υπολογισμο του συγκεκριμενου παραγοντα....

[ioannisb]

Δεν έχω φτάσει σε αυτό το σημείο ακόμα. Έχω μπλέξει με ένα usb connection.... σε ένα ESXi server του παρατηρητηρίου και παιδεύομαι... θα σε κρατάω ενήμερο...

[ioannisb]

Μια γεύση των γραφημάτων. Δεν το έχω καλιμπράρει ακόμη με κάποιο SQM. Σήμερα το έχω τοποθετήσει στην ταράτσα μου για δοκιμή της ασύρματης επικοινωνίας και του server για την δημιουργία των γραφημάτων. Κανονικά δεν πρέπει να ανέβει πάνω από 17-18 squims Αν και το seeing σήμερα φαίνεται πολύ καλό. Τα γραφήματα ανανεώνονται κάθε πέντε λεπτά αν κάνετε refresh.

 

Η ιστοσελίδα είναι ακόμη υπό κατασκευή! Το FQDM είναι dynamic DNS στό σπίτι μου.

 

https://protesilaos.no-ip.org:8837/index.php/sqm

 

 

ΥΓ. Αν έχει κάποιος SQM από Αθήνα και μπορεί ας κάνει μια μέτρηση και να ανεβάσει εδώ την τιμή και την ώρα μέτρησης.

 

 

Ευχαριστώ εκ των προτέρων.

[silverhawk]

Γιαννη καλησπερα...το καλιμπραρισα με SQM φιλου και η ακριβεια του σε σχεση με της unihedron ειναι σχεδον αριστη....Δουλευει αψογα με σταθερα Α=23.36