Construction d'une caméra Allsky
Pourquoi une caméra Allsky ?
Lorsqu'on exploite un équipement d'astrophotographie piloté à distance, il faut pouvoir surveiller le ciel, afin de visualiser la présence ou non de nuages. La survenance de nuages en cours de séquence peut aussi mettre un terme à la séquence photo. Dans le cas d'un équipement automatisé, on peut imager une solution permettant de replier automatiquement l'ensemble de l'équipement dès que des nuages sont détectés. Pour ce faire, on utilise une petite caméra dont le rôle est de viser l'ensemble du ciel, de manière à pouvoir apprécier la qualité apparente de la voute céleste, notamment, la présence ou non de nuages.
Afin d'avoir une bonne vue d'ensemble, l'angle de visée doit être le plus large possible. Certaines caméra couvrent un angle de 180° par rapport à l'horizontale sur 360° en périphérie. D'où le terme de caméra "Allsky". Il existe bien sûr des caméras prêtes à l'emploi sur le marché, mais lorsqu'on voit leur tarif et qu'on est un peu bricoleur, on se dit qu'il doit être possible de se lancer dans sa fabrication. Ayant une petite caméra ZWO ASI120MM en stock, je me suis dit que je pouvais lui donner une seconde vie en la transformant en caméra Allsky.
Problèmes inhérents à l'exploitation d'une caméra Allsky :
Pour pouvoir exploiter une caméra Allsky dans toutes le situations possibles, il faut bien aborder les différentes problématiques : La caméra doit pouvoir fonctionner de jour comme de nuit, en limitant les réglages en fonction de la luminosité. L'idéal est de disposer d'une correction automatique du temps de pose. La caméra ASI120MM est capable de régler automatiquement la durée des poses de quelques micro-secondes à plusieurs secondes, de quoi couvrir la différence de luminosité entre une journée ensoleillée et une nuit noire, mais étoilée. La température extérieure peut varier d'une manière importante, entre le jour et la nuit, et tout au long de l'année. Le risque en cas de chute de température est de se retrouver avec de la rosée, du givre ou de la neige, ce qui va empêcher toute visualisation du ciel. Il est par conséquent nécessaire d'intégrer un système de chauffage régulé dans le boitier contenant la caméra, de manière à pouvoir réchauffer automatiquement le globe sous lequel se trouve l'objectif de la caméra.
Si l'air se trouvant à l'intérieur du boitier contient de l'humidité, il y a une forte probabilité de condensation sur la face interne du globe ou sur la caméra en cas de chute de température extérieure. L'idéal est d'avoir un air totalement sec dans le boitier qui contient la caméra. Ce qui signifie qu'il faut un boitier étanche et le balayer avec de l'air sec ou un gaz sec en bombe (exemple : argon). Quand on a pas à disposition ce genre d'artifice, une autre solution consiste, toujours avec un boitier étanche, à placer des sachets de dessicants à l'intérieur du boitier, de manière à piéger au maximum l'humidité qui s'y trouve au moment de la fermeture du boitier.
Fabrication de la caméra Allsky :
Les pièces nécessaires :
Pour fabriquer le boitier de la Allsky, j'ai fait appel, une fois de plus, à des éléments de tuyauterie en PVC. On trouve de nombreuses pièces de différentes dimensions, qui se découpent et se collent aisément.
Pour le boitier, j'ai utilisé les éléments suivants :
1 manchon femelle diamètre 100mm.
2 tampons de visite avec bouchon vissant mâle diamètre 100mm.
2 réductions 40/32mm.
1 bout de tube diamètre 32mm.
3 résistances de 4,7 ohms de 5W de puissance admissible.
1 platine de régulation de température.
1 globe en plastique transparent de 98mm de diamètre.
Quelques sachets de dessicants.
La confection du boitier :
Afin d'avoir un démontage facile de l'ensemble, toutes les pièces sont fixées à la partie inférieure du boitier. Le manchon femelle, après découpe à la bonne longueur, est équipé d'un tampon de visite dévissable à chaque extrémité. Sur la face interne du tampon inférieur, une réduction 40/32 a été collé de manière à pouvoir maintenir un petit bout de tube vertical. Le bouchon du tampon supérieur a été découpé, de manière à accueullir le globe en plastique transparent.
La rondelle en PVC, issue de la découpe du tampon supérieur va permettre de créer l'embase de fixation pour la caméra et les résistances de conditionnement. Une réduction 40/32 a été collée sous la rondelle support, de manière à placer l'ensemble sur le tube de 32mm de diamètre. Toutes les parties externes des pièces en PVC ont été recouvertes de plusieurs couches de peinture blanche afin de limiter la montée en température sous le rayonnement solaire.
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Petite vue de la partie inférieure du boitier. En partant du bas :
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Concernant la puissance dégagée par les résistances, les 3 résistances ont une valeur unitaire de 4,7 ohms. Ces 3 résistances sont câblées en série de manière à obtenir une résistance globale de 14,1 ohms. Alimentées sous 12V, elles dissipent une puissance totale de 10W. L'intensité est de 0,85 A. La mise en service des résistances est assurée par un petit thermostat numérique ayant une plage de réglage de -50° à 110° par pas de 1/10 de degré.
En ce qui me concerne, je règle ce thermostat pour qu'il se mette en service lorsque la température interne du boitier est inférieure à 6°. Au cas où, un forçage de la mise en service des résistances est prévu à l'aide d'un relais de l'IPX800. Vu qu'il faut un câble USB et un câble pour alimenter les résistances de chauffage, j'ai choisi de recourrir à un seul câble blindé à 8 conducteurs (4 pour l'USB et 3 pour la régulation de température).
| Le globe en plastique transparent a été fixé au tampon de visite supérieur, découpé au bon diamètre. Un joint en silicone a été confectionné entre le globe et le tampon pour éviter les infiltrations d'eau. | |
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Montage de l'ensemble "partie mécanique" :
Le câblage électrique :
Avant de passer au câblage électrique de la caméra, il faut fixer le themostat électronique. Compte-tenu du montage de la caméra, cette fixation n'est pas indispensable, mais ça fait plus propre.
Une caméra Allsky toute prête !
Nos amis chinois étant très productifs dans le domaine de l'électronique, ils ont conçus des caméras de surveillance équipées de capteurs permettant une vision sous éclairage faible. En fin d'année 2016, le capteur le plus sensible utilisé pour ce type de caméra est construit par SONY, il s'agit de l'IMX225. Ce capteur à une résolution de 1,3Mpixels soit 1280 (H) × 960 (V). Chaque pixel a une taille de 3.75 µm (H) par 3.75 µm (V). Le boitier à un diamètre de 100mm. Il suffit de l'installer sur un toit plat ou sur un mât avec une platine. Il est également possible de fixer la caméra sur un plan incliné (toit ou autre) car la caméra est inclinable. Il suffit de déposer les 3 vis de fixation du globe et d'incliner la caméra pour récupérer la verticale. Son prix est très attractif puisqu'aux alentours de 80 euros. Il arrive même que pendant certaines phases de promotions, le prix chute vers 50 euros. Cette caméra est constituée d'un boitier étanche et d'un globe en plastique transparent. Un chauffage permanent permet d'éviter la formation de buée ou de givre. Un sachet de silicagel est placé à l'intérieur du boitier, de manière à réduire l'hygrométrie et éviter le dépôt de buée à l'intérieur du globe. L'inconvénient de ce type de caméra est qu'il n'est pas possible de faire des poses longues de plusieurs secondes. Cela limite la possibilité pour voir de nombreuses étoiles, y compris la voie lactée, alors qu'avec une Allsky à base d'une caméra type ASI120 ou QHY5, il est possible de faire des poses longues de manière à obtenir une voute céleste plus étoilée.
Un logiciel est livré avec la caméra afin de pouvoir l'exploiter. Il est également possible d'utiliser (par exemple) le logiciel iSpy, qui permet de réaliser des Time Lapse et d'envoyer les images périodiquement sur un serveur ftp. Néanmoins, le paramétrage de la caméra ne peut s'effectuer qu'avec le logiciel livré avec la caméra. A l'inverse, le paramétrage de la caméra ASI120MM que j'utilise également en Allsky est possible directement via Ispy. J'ai acheté cette caméra via le site internet Aliexpress. C'est une caméra IP qui est à raccorder sur un réseau ethernet. Elle nécessite une alimentation séparée 12V. Vu qu'elle est également "POE", Il est possible de l'alimenter directement par le câble ethernet. Cette solution nécessite néanmoins de disposer d'un hub ethernet POE. ATTENTION : Il existe une variante avec une résolution supérieure, utilisant un capteur IMX291, dont la résolution est de 1920 x 1080 et des pixels dont la taille est de 2.9 µm (H) par 2.9 µm (V). Néanmoins, l'IMX291 est moins sensible que l'IMX225. A titre d'exemple, avec la caméra à base d'un IMX291, on aperçoit la nébuleuse d'Orion (M42) sur les images. Ces caméras sont en vente sur le site AliExpress : https://fr.aliexpress.com/item/1-3MP-1-0MP-POE-Dome-IP-Camera-960P-720P-Waterproof-Super-Low-0-0001Lux-Day/32550636905.html?spm=2114.13010608.0.0.L9ftBC
Toutes ces caméras étant conçues sur la base de capteurs CMOS Sony, il est possible de trouver leurs caractéristiques sur le site Sony : http://www.sony-semicon.co.jp/products_en/IS/sensor0/products/cmos.html
Comparaison des images
Voici 2 photos, prises à l'aide de la caméra à base d'IMX291 et celle équipé de l'ASI120MM. Les 2 photos ont été prises à quelques minutes d'intervalle afin de pouvoir disposer des mêmes conditions.
Caméra avec capteur IMX291
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Allsky avec caméra ASI120MM
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Bon, comme qui dirait, y'a pas photo. En terme de qualité d'image, nette avantage à la Allsky équipée d'une caméra longue pose. Avec le capteur IMX291, l'image est très bruitée. En mode vidéeo, le bruit étant évolutif en permanence sur l'ensemble de l'image, on distingue mieux certaines étoiles. On peut voir des étoiles de magnitude 4. Vu qu'il n'est pas possible de descendre en dessous de 6 images par seconde, cela réduit considérablement la collecte des photons ! La photo réalisée avec l'ASI120MM à l'aide de iSpy se cale automatiquement à une durée de 6 à 30s. Les objets de faible luminosité sont bien mis en évidence. On voit toutes les étoiles formant les constellations. Certains objets bien connus sont bien visibles, les Hyades, les Pléiades, la Nébuleuse d'Orion (qui joue à cache-cache derrière les arbres). On devine même la voie lactée passant par Cassiopée Persée et le Cocher (Capella est au centre de l'image).
On voit également une légère déformation des étoiles dans la zone située sous le centre de l'image. C'est le dôme actuel en acrylique dont le moulage n'est pas homogène et qui crée cette déformation. J'ai un autre dôme, beaucoup plus mince et de meilleure qualité que je dois installer. La pollution lumineuse à droite de la photo ainsi que l'éclairage extérieur d'un voisin (quasi permanent la nuit) qui se reflète sur le mur de la maison limitent malheureusement la durée d'exposition. En conclusion, je dirais que la Allsky embarquant la ASI120MM produit des images de bien meilleure qualité que celle équipée d'un IMX291. Néanmoins, coté coût, et mise en oeuvre, ce n'est pas la même chose. La caméra à base d'IMX est peu chère (une soixantaine d'euros) et exploitable directement. Pour une Allsky à base d'ASI120MM (ou une QHY5), il est nécessaire de bricoler un boitier ad'hoc et le tarif est plus important (environ 300 euros pour l'ensemble). Il est également possible de trouver ce type de caméra en occasion avec un tarif de fait, plus motivant.
Avec le temps, j'ai peaufiné quelques paramètres de la capture image sur l'AS120MM via iSpy. Au final, on voit encore plus d'étoiles.
Sur cet exemple d'image en date du 27/05/2017, on distingue clairement la Voie Lactée qui passe par la constellation du Cygne.
On constate également l'apparition de pixels morts ou chauds. La caméra étant exposée directement au soleil, le capteur doit souffrir ! La mise en place d'un obturateur mécanique motorisé est à réfléchir.
Une photo du mât avec les 2 allsky (IMX291 et ASI120MM) et le CloudWatcher
Novembre 2018 - Changement de logiciel pour la gestion de la allsky à base d'une ASI120MM :
Le logiciel iSpy que j'utilisais jusqu'à présent pour les 2 allsky a décidé de m'en faire baver. Ayant reconditionné un ordinateur, iSpy n'arrête pas de planter avec l'ASI120mm.
J'ai donc décidé de gérer cette ASI120MM avec un Raspberry Pi et le logiciel "Allsky" de Thomas Jacquin : https://github.com/thomasjacquin/allsky
Ce logiciel dispose de tout un tas de fonctionnalités intéressantes pour la allsky.
Vu que je pilote à distance le Raspberry Pi, ce dernier s'installe aisément dans l'abri astro. Aucun clavier, souris et moniteur n'est installé. Seuls la caméra et le câble réseau y sont raccordés.
Il me reste à raccorder l'alimentation 5V du Raspberry Pi via un relais de l'IPX800 afin de pouvoir réaliser un "reboot hard" si nécessaire.
La caméra Datyson T7 (mono ou couleurs) étant un clone de l'ASI120, il est tout à fait possible d'utiliser cette caméra pour une allsky, d'autant qu'elle présente 2 avantages par rapport à l'ASI120 : un diamètre plus faible (1" 1/4) avec une prise USB à l'arrière (sur le coté pour l'ASI120) et un tarif inférieur.
Solutions pour éviter le dépôt de buée à l'intérieur du boitier :
Utilisation de dessiccant :
Malgré la présence de résistances chauffantes dans le boitier de la allsky, la meilleure solution pour éviter la condensation ou le givre à l'intérieur du boitier est de réduire le taux d'humidité. Pour ce faire, une première solution consiste à disposer quelques sachets de dessiccant à l'intérieur.
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Afin de pouvoir effectuer un suivi de la température et de l'humidité à l'intérieur du boitier, j'ai installé un capteur DHT22 piloté par le Raspberry Pi. Déjà que le RPI est utilisé pour gérer la caméra de la allsky, autant en profiter pour lui donner d'autres actions à réaliser.
J'en ai profité pour m'initier au développement en python sur le RPI afin de développer plusieurs petites applications, dont une pour gérer le conditionnement de la allsky. Voir le menu "Développement informatique" pour plus de détails. |
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J'ai adjoint également une carte relais directement connectée sur le port GPIO du Raspberry Pi, ce qui permet de mettre en service directement les résistances chauffantes en cas de besoin.
Pour cet essai, j'ai lancé le logiciel de gestion du conditionnement de la allsky à 10h00 et j'ai attendu 1 heure afin d'avoir une valeur stable. La allsky étant dans la maison pour les essais initiaux, la température affichée est de 21,5° et le taux d'humidité à 42%. Le point de rosée résultant est d'environ 8°.
PS : Les valeurs situées sous l'intitulé "Extérieur" correspondent au 2ème capteur DHT22 qui (pour les essais) est placé sur le processeur du RPI, histoire d'avoir des courbes qui ne se superposent pas. En situation réelle, il sera bel et bien placé à l'extérieur de l'abri astro.
Vers 11h15, j'ouvre le boitier et je glisse rapidement quelques sachets de dessiccant préalablement régénéré.
PS : La régénération du dessiccant s'effectue en maintenant les sachets dans un four à une température comprise entre 120°C à 150° pendant une durée d'une heure. Après cette étape, laisser refroidir le four avec les sachets de dessiccant pour éviter de se brûler. Après sortie du four, les sachets doivent être immédiatement placés dans le boitier de la allsky afin d'éviter l'absorption d'humidité ambiante.
L'absorption de l'humidité est très rapide et son taux se stabilise à 6,6%, ce qui donne un point de rosée à -16,5°.
Si le taux d'humidité reste stable dans le temps (ce qui reste à démontrer), je ne suis pas prêt de voir de la condensation à l'intérieur du boitier. Les résistances ne devraient finalement servir qu'à pallier la présence d'humidité (rosée, pluie, givre, ..) sur la partie extérieur du dôme transparent.
Il est clair que l'étanchéité du boitier est une condition primordiale pour conserver ce faible taux d'humidité. J'ai remplacé les traversées de cables par des connecteurs étanches type SP16. Des joints toriques permettent d'assurer l'étanchéité.
Soufflage à l'air sec :
Un autre moyen pour réduire le taux d'humidité à l'intérieur du boitier et de souffler l'intérieur à l'aide d'une bombe d'air sec.
Afin de pouvoir insuffler de l'air à l'intérieur du boitier, j'ai installé un bouchon en métal avec joint en caoutchouc afin d'en assurer l'étanchéité.
J'ai introduit la canule de la bombe d'air sec dans le boitier et j'ai souffler l'air sec durant quelques secondes. Le taux d'humidité a baissé immédiatement. J'ai mis le bouchon en place, mais au bout de moins d'une minute, le taux d'humidité est remonté pratiquement à la valeur initiale.
Conclusion :
De ces 2 expériences, j'en retiens que la mise en place de sachets de dessiccant préalablement régénéré est la meilleure solution pour réduire le taux d'humidité dans le boitier de la allsky.
La question qui reste en suspens est que je me demande simplement comment va réagir le boitier lorsque les variations de température au niveau du boitier seront importantes, ce qui est le cas en été avec un boitier en plein soleil. Est-ce que le boitier ne va pas avoir tendance à "respirer", c'est à dire à laisser échapper un peu d'air lorsqu'il fait chaud et à en absorber lors de la baisse en température. Ce point pourrait entrainer un remplacement progressif de l'air sec contenu dans le boitier.
Parfaire l'étanchéité du boitier :
Afin d'éviter que l'air se trouvant dans le boitier ne voit son taux d'humidité se dégrader avec le temps, il est important de maintenir l'étanchéité du boitier aussi parfaite que possible.
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Pour ce faire, j'ai mis en place des connecteurs type SP16 sur le fond de la caméra. Ces connecteurs sont équipés de joints toriques en caoutchouc afin de garantir leur étanchéité :
On aperçoit également le bouchon destiné au soufflage en air sec de l'intérieur du boitier, mais qui n'est pas une solution probante. |
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Avril 2020 - Changement du capteur de température/humidité à l'intérieur du boitier :
Le capteur de température type DHT22 raccordé sur le port GPIO d'un Raspberry Pi présentait de nombreuses remontées de valeurs erronées. J'ai décidé de changer de capteur et de mode de transmission.
Après avoir testé un capteur type BME280 qui fonctionne via le bus I2C du Raspberry Pi, je me suis rendu compte que les informations remontées par ce capteur étaient fiables en permanence.
En toute logique, ce capteur est venu remplacer l'ancien DHT22. La allsky a pu être remontée après changement de la connectique puisque le capteur BME280 en bus I2C nécessite 4 à 5 fils (le 5ème fil permet de modifier l'adresse du capteur, pratique notamment quand on a un 2ème capteur du même type) alors que le DHT22 ne nécessite que 3 fils.
Sur le graphe de suivi des différentes paramètres de suivi des températures, pression et humidité, on voit bien la réduction du taux d'humidité dès la mise en place (à 21h00) des sachets de dessicant fraichement régénéré dans le boitier. Le taux d'humidité (courbe orange) est descendu à 1,3% et le point de rosée (courbe verte) est passé à -37°C pour une température dans le boitier (courbe orange) de 12°C.
En régime nominal, le taux d'humidité reste stable :
Et après 5 années de fonctionnement !
Après 5 années où la allsky a été soumise aux variations climatiques et au rayonnement solaire, le dôme a fini par se dégrader. Le plastique est devenu jaunâtre, opaque et il présente de nombreuses petites fissurations.
Pas étonnant que le nombre d'étoiles visibles la nuit a considérablement diminué.
Un petit remplacement du dôme s'est imposé ! Et hop, c'est reparti pour un tour.
