1. Thang đo mức độ tối của bầu trời (Bortle scale) là gì?
Ô nhiễm ánh sáng chính là “kẻ thù” của nhiếp ảnh thiên văn. Sự bùng nổ dân số tại các vùng ven đô thị lớn, đi kèm với tốc độ phát triển chóng mặt của cơ sở hạ tầng khiến cho việc tìm kiếm những khu vực ít bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm ánh sáng tại Việt Nam trở nên rất khó khăn. Ngoài ra, cuộc sống ngày càng hiện đại, nhu cầu chiếu sáng công cộng cũng ngày càng được chú trọng. Sự xuất hiện tại các con đường của những loại đèn phát xạ phổ rộng, công suất cao như đèn led càng khiến cho ô nhiễm ánh sáng trở nên trầm trọng.
Các số liệu về ô nhiễm ánh sáng thường dựa vào thang đo Bortle, hay còn gọi là Bortle class. Đây là một quy ước được công nhận rộng rãi bởi giới chơi thiên văn nghiệp dư để mô tả độ sáng của bầu trời đêm tại một vị trí cụ thể. Thang đo Bortle có 9 mức, với mức 1 biểu thị cho bầu trời đêm lý tưởng và hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm ánh sáng. Còn mức 9 thường được đo ở những nơi như trung tâm các thành phố lớn với mật đồ đèn đường, đèn quảng cáo và ánh sáng sinh hoạt dày đặc. Nhìn chung, nơi nào có chỉ số Bortle càng thấp thì nơi ấy càng có ít ô nhiễm ánh sáng. Hãy quan sát hình dưới đây để thấy được khác biệt tương đối giữa các mức độ ô nhiễm ánh sáng:
2. SQM là gì?
SQM (Sky Quality Meter) là thiết bị dùng để đo lượng ánh sáng tới từ bầu trời đêm. Thiết bị này ban đầu được sản xuất bởi công ty Unihedron, Canada. Đơn vị mà thiết bị này trả ra là, độ sáng biểu kiến trên mỗi giây cung vuông (mag/arcsec2), viết tắt là mpsas. SQM càng cao thì bầu trời càng tối. Chẳng hạn, bầu trời chỗ tôi có SQM = 20 mpsas. Bầu trời chỗ bạn có SQM = 19 mpsas. Như vậy, bầu trời chỗ tôi sẽ tối hơn chỗ bạn 1 mpsas. Chênh lệch 1 mpsas ở đây tương đương với khoảng 2.5 lần tổng lượng sáng thu thập được từ bầu trời. Nếu SQM đo ở chỗ tôi cao hơn chỗ bạn 5 mpsas, tức là bầu trời chỗ tôi tối hơn chỗ bạn gần 100 lần!
Với ưu điểm kích thước nhỏ gọn, giá thành vừa phải và độ đồng đều cao do được hiệu chỉnh sẵn từ nhà máy nên thiết bị này được giới nghiệp dư khá ưa chuộng. Unihedron hiện đang bán hai mẫu máy đo, SQM và SQM-L. Cả hai mẫu đều sử dụng cảm biến TSL237s kết hợp với kính lọc Hoya CM-500. SQM-L được trang bị thêm một thấu kính ở phía trước cảm biến, giúp thu thập ánh sáng từ góc hẹp hơn so với phiên bản SQM thường, từ đó loại bỏ sai số gây ra bởi đèn đường, cây cối và các tòa nhà xung quanh. Thang SQM có độ chia nhỏ, được đo đạc và hiệu chỉnh tốt từ các thiết bị chuyên dụng với sai số thấp (dưới 10%) nên nhìn chung có độ tin cậy và ý nghĩa khoa học cao hơn so với thang Bortle. Sau đây là bảng tham chiếu tương đối Bortle-SQM theo dữ liệu từ Wikipedia. Lưu ý rằng, một vài nguồn dữ liệu khác nhau sẽ cho tham chiếu Bortle-SQM khác nhau đôi chút.
SQM cần được đo trong điều kiện trời trong nhất có thể, đêm không trăng với cảm biến hướng thẳng lên thiên đỉnh và che chắn thiết bị đo khỏi các nguồn ánh sáng xiên xung quanh. Một chút mây mỏng, sương mù hay ánh sáng tới từ bức tường nhà hàng xóm cũng có thể làm giảm chỉ số SQM đi nghiêm trọng. Thậm chí, trong một vài điều kiện nhất định, ánh sáng tới từ dải Ngân Hà vào mùa hè (Southern Milky Way) khi trôi qua đỉnh đầu có thể khiến SQM giảm tới 0.85 mpsas! Nhìn chung, ngoài ô nhiễm ánh sáng, chỉ số SQM còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác. Do đó, hãy coi SQM như một công cụ tương đối để phán đoán mức độ ảnh hưởng của ô nhiễm ánh sáng tới chất lượng bầu trời đêm.
3. Hướng dẫn tự chế máy đo SQM
Unihedron SQM và SQM-L có giá lần lượt là 138$ và 155$. Đây không phải là số tiền quá lớn, nhưng cũng không phải là nhỏ so với thu nhập trung bình của anh em Việt Nam! Ngoài ra, những thiết bị SQM tới từ Unihedron sẽ gặp nhiều giới hạn nếu anh em muốn tùy biến cho các dự án sau này, chẳng hạn như chế hệ thống camera và cảm biến quan trắc bầu trời (all sky project). Do đó, nhiều anh em đã liên hệ và nhờ mình làm cho một thiết bị clone lại chức năng của Unihedron SQM để sử dụng cho nhu cầu du lịch, chụp ảnh đêm hay đơn thuần chỉ muốn bấm quanh nhà cho vui!
Anh em cần mua linh kiện điện tử theo danh sách sau:
Một cửa hàng nước ngoài trên Shopee có đầy đủ các món vừa liệt kê (trừ pin lithium). Nếu không sử dụng pin lithium, có thể cấp nguồn trực tiếp qua cổng USB type-C của bo ESP32. Ngoài ra, anh em cần thêm một hộp nhựa trong suốt được đục lỗ để các cảm biến tiếp xúc với môi trường. Nếu anh em có điều kiện thì nên in 3D cho thẩm mỹ, nhưng nhớ tính toán lại đường kính lỗ đặt cảm biến TSL2591!
Một lưu ý nhỏ nhưng rất quan trọng, anh em bắt buộc phải che chắn cẩn thận phần đế cảm biến, tránh ánh sáng xiên leak vào qua đường này, sẽ làm ảnh hưởng tới kết quả đo. Tốt nhất, nên dùng keo silicon (trắng hoặc xám) trét kĩ phần xung quanh đế. Ngoài ra, anh em cần sơn đen miệng lỗ chứa cảm biến. Mục đích của việc này là để tránh ánh sáng xiên phản xạ quanh miệng lỗ.
Vỏ hộp chống nước thông dụng có độ dày khoảng 3.5mm. Cộng thêm khoảng cách từ cảm biến TSL2591 tới bề mặt hộp phía trong khoảng 0.5mm. Do đó, khoảng cách từ cảm biến TSL2591 tới mặt hộp phía ngoài là khoảng 4mm. Góc đo đạc lý tưởng của cảm biến là cỡ 80-84 độ (1.532 steradian). Như vậy, chúng ta cần khoan một lỗ có đường kính khoảng 7mm và đặt cảm biến TSL2591 vào chính giữa lỗ.
Sơ đồ mạch điện
- Bo ESP32 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến, xử lý số liệu, tương tác với bộ nhớ và xuất ra màn hình OLED.
- Chuẩn giao tiếp giữa ESP32 với ba linh kiện (màn hình OLED, cảm biến AHT20 và TSL2591) đều là I2C. Do đó, tất cả chân SDA của các linh kiện này phải được đấu với nhau và đi vào chân GPIO16. Tương tự, tất cả chân SCL sẽ được đấu với nhau và đi vào chân GPIO17 của bo ESP32.
- Lưu ý rằng, cặp chân GPIO16 và GPIO17 được khai báo trong code để thực hiện giao tiếp I2C. Anh em có thể đổi thành cặp chân khác để tiện cho việc hàn. Ngoài ra, anh em cần cấp nguồn cho các linh kiện này thông qua chân GND và 3V trên bo ESP32.
Source code để nạp cho ESP32, anh em có thể tải tại đây. Anh em tự tìm hiểu việc nạp code Arduino qua Google, mình không hướng dẫn lại. Lưu ý rằng, bộ source code này sử dụng hai file thư viện SQM_TSL2591.h và SQM_TSL2591.cpp của tác giả Gabe Shaughnessy. Tuy nhiên, mình đã chỉnh sửa lại thư viện này khá nhiều nhằm fix bug và xử lý tương tác với cảm biến TSL2591 tốt hơn.
- Tính năng chính: Đo và hiển thị giá trị SQM-Bortle, nhiệt độ, độ ẩm ngay sau khi nhấn nút nguồn. Giá trị tức thời này sẽ hiển thị trong vòng 8 giây. Sau đó, màn hình sẽ chuyển qua hiển thị dữ liệu của 3 lần đo SQM-Bortle gần nhất (tương ứng với Slot 1, 2 và 3), mỗi slot hiển thị trong vòng 2 giây. Hiệu ứng chuyển trang mất thêm 350ms.
- Ưu điểm: Giá thành rẻ, toàn bộ dự án có kinh phí dưới 300k. Màn hình OLED hiển thị đẹp, nhiều thông tin trực quan hơn so với thiết bị tới từ Unihedron. Khả năng tùy biến cao, anh em có thể chỉnh sửa thêm để hiển thị thông tin theo ý thích, hoặc mở rộng thêm chức năng cho các dự án sau này. Chẳng hạn, có thể tận dụng khả năng phát wifi/bluetooth trang bị sẵn trên ESP32 để gửi thông tin về PC/điện thoại, thực hiện mô hình hóa dưới dạng đồ thị hay gửi cảnh báo khi trời bỗng nhiên có mây (trời nhiều mây sẽ khiến SQM giảm nhanh).
- Nhược điểm: Do không có thiết bị làm chuẩn nên sai số khá… tùy hứng. Bản thân cảm biến TSL2594 cũng có sai số riêng, mình từng chế tạo 4-5 thiết bị đo SQM kiểu này với quy trình tương đối giống nhau và sai số giữa các thiết bị này rơi vào khoảng 0.2 - 0.3 mpsas nếu được đo trong cùng điều kiện. Mức sai số này nhìn chung là chấp nhận được. Ngoài các yếu tố khách quan do cảm biến hay môi trường, kết quả đo cũng phụ thuộc vào tính khéo léo của anh em như độ chính xác khi khoan lỗ, cách đặt cảm biến TSL2591, khả năng chống leak sáng… Do đó, dữ liệu anh em đo được chỉ mang tính chất tham khảo chứ không nên tin tưởng hoàn toàn.
Đây là kết quả của mình sau một ngày chế cháo, còn của anh em thì sao? Chúc anh em thành công!
