Arduino autonomno posuda za filtriranje: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

U ovom Instructableu pokazat ću vam kako sam osmislio i napravio svoje predloženo rješenje za trenutni problem crvenih algi u vodama obale Zaljeva. Za ovaj projekt želio sam dizajnirati potpuno autonomnu letjelicu sa solarnim pogonom koja bi mogla ploviti vodenim putovima, a pomoću ugrađenog prirodnog sustava za filtriranje mogao bi filtrirati višak hranjivih tvari i toksina iz algi dinoflagelata i Karene Brevis. Ovaj je dizajn stvoren kako bi pokazao kako se tehnologija može koristiti za rješavanje nekih od naših trenutnih ekoloških problema. Nažalost, nije osvojio nagrade niti mjesto na mojem lokalnom sajmu znanosti u malom gradu, ali ipak sam uživao u iskustvu učenja i nadam se da će netko drugi naučiti nešto iz mog projekta.

Korak 1: Istraživanje

Naravno, svaki put kad ćete riješiti problem, morate napraviti malo istraživanja. Čuo sam za ovaj problem putem novinskog članka na internetu i to me zainteresiralo za osmišljavanje rješenja za taj ekološki problem. Počeo sam s istraživanjem u čemu je točno problem i što ga uzrokuje. Ovdje je dio mog istraživačkog rada koji prikazuje ono što sam otkrio tijekom svog istraživanja.

Crvena plima je rastući godišnji problem za vode Floride. Crvena plima je uobičajen izraz koji se koristi za veliku, koncentriranu skupinu algi koja sporadično raste zbog povećanja dostupnih hranjivih tvari. Trenutno se Florida suočava s brzim porastom u veličini Crvene plime, što izaziva sve veću zabrinutost za sigurnost vodenih životinja u tom području, kao i svih pojedinaca koji bi mogli doći u dodir s njom. Crvenu plimu najčešće čine vrste alge poznate kao dinoflagelati. Dinoflagelati su jednostanični protisti koji proizvode toksine poput brevetoksina i ihtiotoksina, koji su vrlo otrovni za morski i kopneni život koji dolaze u dodir s njima. Dinoflagelati se razmnožavaju aseksualno mitozom, cijepanjem stanice stvarajući točnu kopiju. Dinoflagelati se hrane drugim protistima u vodi, poput Chysophyta, najčešćeg oblika netoksičnih algi. Dinoflagelati se također razmnožavaju aseksualno uzrokujući da njihov broj brzo raste kad n unose se nove hranjive tvari.

Glavni uzrok njihovog brzog povećanja hrane posljedica je unošenja velikih količina hranjivih tvari koje se ispiru s farmi tijekom kišnih oluja i prenose na obale oceana iz obližnjih rijeka i potoka. Zbog velike ovisnosti o umjetnim gnojivima za poljoprivredu, količina dostupnih hranjivih tvari u okolnim poljoprivrednim zemljištima veća je nego što je ikada bila. Kad god ima kiše u većini dijelova istočne zemlje, ta kiša ispire puno tih gnojiva s gornjeg tla u okolne potoke i potoke. Ti se potoci na kraju skupljaju u rijeke kombinirajući sve svoje prikupljene hranjive tvari u jednu veliku skupinu koja se baca u Meksički zaljev. Ova velika zbirka hranjivih tvari nije prirodna pojava za prisutne morske živote, zbog čega rezultira nekontroliranim rastom algi. Kao glavni izvor hrane dinoflagelata, brzo povećanje algi pruža veliki izvor hrane za brzo rastući oblik života.

Ove velike skupine dinoflagelata proizvode otrovne kemikalije za koje je poznato da ubijaju većinu vodenih vrsta koje dođu u kontakt s njima. Prema WUSF -u, lokalnoj informativnoj postaji na Floridi, u procvatu 2018. bilo je 177 potvrđenih smrti morskih krava iz Crvene plime, kao i još 122 smrti za koje se sumnjalo da su povezane. Od 6 500 očekivanih morskih krava u vodama Floride i Portorika, ovo ima veliki utjecaj na opstanak ove vrste, a to je samo utjecaj na jednu vrstu. Također je poznato da Red Tide uzrokuje respiratorne probleme onima koji su bili u neposrednoj blizini bilo kojeg cvjetanja. Budući da Red Tide raste u kanalima u nekim mjestima na plaži, ovo je očigledan sigurnosni rizik za svakoga tko živi u tim zajednicama. Toksin Dinophysis, koji proizvodi Red Tides, također je poznat po tome što obično inficira lokalnu populaciju školjaka što dovodi do trovanja dijaretičnim školjkama ili DSP -a kod onih koji su jeli zaražene školjke. Srećom, nije poznato da je smrtonosna, ali može rezultirati probavnim problemima za žrtvu. Međutim, drugi toksin koji proizvode neke crvene plime, Gonyaulax ili Alexandrium, također može zaraziti školjke u vodama zagađenim plimom i osekom. Konzumiranje školjki kontaminiranih ovim otrovima uzrokuje paralitičko trovanje školjkama ili PSP, što je u najgorim slučajevima dovelo do zatajenja disanja i smrti u roku od 12 sati od gutanja."

Korak 2: Moje predloženo rješenje

Citat iz mog istraživačkog rada

Moje predloženo rješenje je izgradnja potpuno autonomnog pomorskog plovila na solarni pogon koji ima ugrađen sustav za prirodnu filtraciju mikro čestica. Cijeli sustav će se napajati ugrađenim solarnim panelima, a pokretat će ga dva motora bez četkica, sa kanalima u postavci vektora potiska. sustav filtracije koristit će se za filtriranje viška hranjivih tvari i dinoflagelata dok samostalno plovi plovnim putovima. Plovilo će se koristiti i kao shuttle sustav za lokalnu zajednicu. Počeo sam tako što sam prvo istražio problem i kako je taj problem počeo. Naučio sam da naleti Red Tidea bili su uzrokovani velikim količinama hranjivih tvari, poput dušika, u lokalnim vodama. Nakon što sam otkrio što uzrokuje problem, mogao sam započeti brainstorming rješenje koje bi moglo pomoći u smanjenju veličine godišnje Crvene plime i oseke.

Moja ideja bila je plovilo slične veličine i oblika kao pontonski čamac. Ova posuda bi imala skimmer između dva pontona koji bi vodio nadolazeću vodu kroz mrežasti filter za uklanjanje velikih čestica, a zatim kroz propusni membranski filter koji bi uklanjao prisutne mikro čestice dušika. Filtrirana voda tada bi istjecala sa stražnje strane čamca kroz suprotni skimmer. Također sam želio da ovo plovilo bude potpuno električno, kako bi bilo tiho i sigurnije, s manjom šansom istjecanja otrovnih tekućina u okolne vode. Na posudi bi bilo nekoliko solarnih panela, kao i regulator punjenja s litij -ionskim pakiranjem za spremanje viška energije za kasniju upotrebu. Posljednji cilj mi je bio dizajnirati plovilo na način da se može koristiti za javni prijevoz za lokalnu zajednicu. Imajući na umu sve ove dizajnerske odluke, počeo sam skicirati nekoliko ideja na papiru kako bih pokušao riješiti sve potencijalne probleme."

Korak 3: Projektiranje

Nakon što sam istražio način, imao sam mnogo bolju predodžbu o problemu i o tome što ga uzrokuje. Zatim sam prešao na brainstorming i projektiranje. Nekoliko sam dana razmišljao o mnogo različitih načina za rješavanje ovog problema. Kad sam imao neke pristojne ideje, preselio sam ih skicirati ih na papir kako bih pokušao otkloniti neke nedostatke u dizajnu prije nego što sam prešao u CAD. Nakon još nekoliko dana skiciranja stvorio sam popis dijelova koje sam želio koristiti za dizajn. Iskoristio sam svu svoju nagradu od prošlogodišnjeg sajma znanosti, plus nešto više za kupnju dijelova i filamenta koji su mi bili potrebni za izradu prototipa. Za kraj sam upotrijebio Node MCU za mikro upravljač, dva solarna panela od 18 V za predložene izvore napajanja, dva ultrazvučna senzora za autonomne značajke, 5 foto otpornika za određivanje ambijentalne rasvjete, neke bijele LED trake od 12 V za unutarnje osvjetljenje, 2 RGB LED trake za usmjereno osvjetljenje, 3 releja za kontrolu LEDS i motora bez četkica, 12V motor bez četkica i ESC, 12V PSU za napajanje prototipa i nekoliko drugih malih dijelova.

Kad je većina dijelova stigla, počeo sam raditi na 3d modelu. Koristio sam Fusion 360 za dizajn svih dijelova ovog broda. Počeo sam s projektiranjem trupa broda, a zatim sam krenuo prema gore dizajnirajući svaki dio. Nakon što sam dizajnirao većinu dijelova, sve sam ih stavio u sklop kako bih bio siguran da će se uklopiti nakon što su proizvedeni. Nakon nekoliko dana dizajniranja i dotjerivanja konačno je došlo vrijeme za početak tiskanja. Ispisao sam trup u 3 različita komada na svom Prusa Mk3 -u i ispisao solarne nosače i poklopce trupa na svojim CR10 -ima. Nakon još nekoliko dana svi su dijelovi završili s tiskanjem i konačno sam ih mogao početi sastavljati. Ispod je još jedan dio mog istraživačkog rada u kojem govorim o projektiranju broda.

Nakon što sam imao dobru ideju o konačnom dizajnu, prešao sam na izradu računalno potpomognutog nacrta ili CAD -a, što je proces koji se danas može izvesti pomoću mnogih dostupnih softvera. Koristio sam softver Fusion 360 za projektiranje dijelova koje bih trebao prvo sam dizajnirao sve dijelove za ovaj projekt, a zatim ih sastavio u virtualnom okruženju kako bih pokušao riješiti sve probleme prije nego što sam počeo ispisivati dijelove. Nakon što sam imao finaliziranu 3D montažu, preselio sam na projektiranju električnih sustava potrebnih za ovaj prototip. Želio sam da se mojim prototipom može upravljati putem prilagođene aplikacije na mojem pametnom telefonu. Za prvi dio odabrao sam mikrokontroler Node MCU. Node MCU je mikrokontroler izgrađen oko popularnog ESP8266 Wifi čip. Ova ploča mi daje mogućnost povezivanja vanjskih ulaznih i izlaznih uređaja koji se mogu daljinski kontrolirati putem Wifi sučelja. Nakon što sam pronašao glavni kontroler za svoj dizajn, prešao sam na odabir drugog pa rts bi bili potrebni za električni sustav. Za napajanje plovila odabrao sam dva solarna panela od osamnaest volti koji će kasnije biti paralelno ožičeni kako bi osigurali izlaz od osamnaest volti zajedno s dvostrukom strujom pojedine solarne ćelije zbog njihovog paralelnog ožičenja. Izlaz iz solarnih panela ide u regulator punjenja. Ovaj uređaj uzima fluktuirajući izlazni napon iz solarnih panela i uglađuje ga na konstantniji izlaz od dvanaest volti. To zatim ide u sustav za upravljanje baterijama, ili BMS, za punjenje 6, 18650 lipo ćelija ožičenih s dva skupa od tri ćelije paralelno povezane, zatim serije. Ova konfiguracija kombinira 4,2 voltni kapacitet 18650 u 12,6 -voltni paket s tri ćelije. Ožičenjem još tri ćelije postavljene paralelno s prethodnim pakiranjem, ukupni kapacitet se udvostručuje dajući nam bateriju od 12,6 V s kapacitetom od 6 500 mAh.

Ova baterija može emitirati dvanaest volti za rasvjetu i motore bez četkica. Koristio sam pretvarač sa stepenicama prema dolje kako bih stvorio izlaz od pet volti za skup niže elektronike. Zatim sam koristio tri releja, jedan za uključivanje i isključivanje unutarnjih svjetala, jedan za promjenu boje vanjskih svjetala, a drugi za uključivanje i isključivanje motora bez četkica. Za mjerenje udaljenosti koristio sam dva ultrazvučna senzora, jedan za prednji i jedan za stražnji dio. Svaki senzor šalje ultrazvučni impuls i može pročitati koliko mu je potrebno da se vrati. Iz ovoga možemo zaključiti koliko je objekt udaljen ispred plovila izračunavanjem kašnjenja u povratnom signalu. Na vrhu posude imao sam pet fotootpornika za određivanje količine svjetlosti prisutne na nebu. Ovi senzori mijenjaju svoj otpor na temelju količine svjetla. Iz ovih podataka možemo koristiti jednostavan kôd za prosjek svih vrijednosti, a kad senzori očitaju prosječnu vrijednost slabog osvjetljenja, uključit će se unutarnja svjetla. Nakon što sam shvatio koju ću elektroniku koristiti, počeo sam 3D ispisivati dijelove koje sam prethodno dizajnirao. Ispisao sam trup broda u tri komada kako bi mogao stati na moj glavni pisač. Dok su oni tiskali, prešao sam na ispis solarnih nosača i palube na drugom pisaču. Za ispis svakog dijela bio je potreban otprilike jedan dan, pa je ukupno bilo potrebno oko 10 dana ravno 3D ispisa da bih nabavio sve potrebne dijelove. Nakon što su završili s tiskanjem, sastavio sam ih zajedno u manje dijelove. Zatim sam instalirao elektroniku poput solarnih panela i LED dioda. Nakon što je elektronika instalirana, sve sam ih ožičio i završio s sastavljanjem ispisanih dijelova. Zatim sam prešao na projektiranje postolja za prototip. Ovo postolje također je dizajnirano u CAD -u, a kasnije je izrezano od MDF -a na mom CNC stroju. Pomoću CNC -a uspio sam izrezati potrebne utore na prednjoj ploči za pričvršćivanje elektronike zavjesa. Zatim sam prototip montirao na bazu i fizički sklop je bio dovršen. Sada kada je prototip potpuno sastavljen, počeo sam raditi na kodu za NodeMCU. Ovaj kôd se koristi za reći NodeMCU -u koji su dijelovi spojeni na koje ulazne i izlazne pinove. Također govori ploči koji poslužitelj treba kontaktirati i na koju se WiFi mrežu povezati. S ovim kodom sam tada mogao kontrolirati određene dijelove prototipa sa svog telefona pomoću aplikacije. To je na neki način slično načinu na koji bi konačni dizajn mogao kontaktirati glavnu priključnu stanicu radi dobivanja koordinata za sljedeće stajalište, kao i druge informacije, poput mjesta gdje se nalaze druga plovila i očekivanog vremena za taj dan."

Korak 4: Montaža (konačno !!)

Ok pa smo sad na mom najdražem dijelu, na skupštini. Volim graditi stvari pa me napokon uspjelo spojiti sve dijelove i vidjeti konačne rezultate koji su me prilično uzbudili. Počeo sam sastavljanjem svih ispisanih dijelova i super lijepljenjem ih zajedno. Zatim sam instalirao elektroniku poput svjetala i solarnih panela. U ovom sam trenutku shvatio da ne postoji način da svu svoju elektroniku uklopim u ovu stvar. Tada sam došao na ideju da CNC stalak za brod učinim da izgleda bolje i da mi da mjesto za sakriti svu elektroniku. Postolje sam dizajnirao u CAD -u, a zatim ga izrezao na bobs CNC E3 u 13 mm MDF -u. Zatim sam ga zašrafio i dao mu sloj crne boje u spreju. Sad kad sam imao gdje ubaciti svu svoju elektroniku, nastavio sam s ožičenjem. Sve sam povezao i instalirao Node MCU (prilično Arduino Nano s ugrađenim WiFi -jem) i pobrinuo se da se sve uključi. Nakon toga sam završio sa montažom i čak sam morao upotrijebiti školski laserski rezač za izrezivanje sigurnosnih ograda s nekim super gravirama, hvala još jednom Mr. Z! Sada kada smo imali gotov fizički prototip, došlo je vrijeme da dodamo malo magije s kodiranjem.

Korak 5: Kodiranje (poznato i kao tvrdi dio)

Za kodiranje sam koristio Arduino IDE za pisanje prilično jednostavnog koda. Koristio sam osnovnu Blynk skicu kao početnik kako bih kasnije mogao kontrolirati neke dijelove iz aplikacije Blynk. Gledao sam mnoge videozapise na YouTubeu i čitao mnogo foruma kako bih pokrenuo ovu stvar. Na kraju nisam uspio shvatiti kako kontrolirati motor bez četkica, ali sve ostalo je radilo. Iz aplikacije možete promijeniti smjer plovila, koje bi promijenilo boje crvene/zelene LED diode, uključilo/isključilo unutarnje svjetlo i dobilo prijenos podataka uživo s jednog od ultrazvučnih senzora na prednjoj strani zaslona. Definitivno sam zanemario ovaj dio i nisam učinio ni približno toliko na kodu koliko sam želio, ali svejedno je završila kao uredna značajka.

Korak 6: Završni proizvod

Učinjeno je! Sve sam sastavio i radio tek prije datuma sajma znanosti. (Stereotipno odugovlačenje) Bio sam prilično ponosan na konačni proizvod i jedva sam čekao podijeliti ga sa sucima. Nemam tu što za reći pa ću dopustiti da to bolje objasnim. Evo zaključnog dijela mog istraživačkog rada.

Nakon što se stvore plovila i pristanišne stanice, rješenje je u tijeku. Svako jutro plovila bi započela svoje rute kroz vodene putove. Neki bi mogli proći kroz kanale u gradovima, dok drugi putuju močvarnim kopnom ili oceanskim linijama. Dok je plovilo prolazi kroz svoju rutu, skimmer za filtriranje bit će spušten, što će omogućiti filterima da počnu raditi. Skimmer će usmjeriti plutajuće alge i ostatke u kanal za filtriranje. Kad uđe unutra, voda se prvo propušta kroz mrežasti filter kako bi se uklonile veće čestice i nečistoće iz vode. Uklonjeni materijal zadržat će se tamo dok se komora ne napuni. Nakon što voda prođe kroz prvi filter, ona prolazi kroz propusni membranski filter. Ovaj filtar koristi male, propusne rupe kako bi omogućio samo propušta vodu, ostavljajući za sobom nepropusne materijale. Ovaj filter se koristi za izvlačenje nepropusnog materijala gnojiva, kao i viška hranjivih tvari iz izraslina algi. Filtrirana voda r zatim istječe stražnjom stranom broda natrag u plovni put gdje plovilo filtrira.

Kad plovilo dođe do svoje označene priključne stanice, uvlači se u vez. Nakon što su potpuno usidrene, dvije će se ruke pričvrstiti uz bok plovila kako bi ga čvrsto držale na mjestu. Zatim će se cijev automatski podići ispod čamca i pričvrstiti na svaki otvor za odlaganje otpada. Nakon što se učvrsti, otvor će se otvoriti i uključit će se pumpa koja usisava prikupljeni materijal iz čamca u priključnu stanicu. Dok se sve to događa, putnici će se moći ukrcati na plovilo i pronaći svoja mjesta. Nakon što su svi ukrcani i spremnici za otpad ispražnjeni, plovilo će biti pušteno sa postaje i krenut će na drugu rutu. Nakon što se otpad ispumpa u priključnu stanicu, ponovno će se prosijati kako bi se uklonili veliki ostaci poput štapića ili smeća. Uklonjeni ostaci pohranit će se u spremnike za kasniju reciklažu. Preostale prosijane alge odnijet će se na centralnu priključnu stanicu na obradu. Kad svaka manja priključna stanica napuni svoje skladište algi, radnik će doći prenijeti alge do glavne postaje, gdje će se preraditi u biodizel. Biodizel je obnovljivi izvor goriva, ali i isplativ način recikliranja prikupljenih hranjivih tvari.

Kako brodovi nastavljaju filtrirati vodu, sadržaj hranjivih tvari će se smanjiti. Ovo smanjenje prekomjerne količine hranjivih tvari dovest će do manjeg cvjetanja svake godine. Kako se razine hranjivih tvari nastavljaju smanjivati, kvaliteta vode će se opsežno pratiti kako bi se osiguralo da hranjive tvari ostanu na stalnoj i zdravoj razini potrebnoj za uspješan okoliš. Tijekom zimskih sezona kada otjecanje gnojiva nije tako snažno kao u proljeće i ljeto, čamci će moći kontrolirati količinu vode koja se filtrira kako bi se osiguralo da uvijek postoji zdrava količina dostupnih hranjivih tvari. Kako brodovi prolaze rutama, prikupljat će se sve više podataka za učinkovitije utvrđivanje izvora otjecanja gnojiva i vremena za pripremu za veću razinu hranjivih tvari. Pomoću ovih podataka može se stvoriti učinkovit raspored za pripremu na fluktuacije uzrokovane sezonama uzgoja."