Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube za ISS: 5 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:34

Mi smo srednja škola West Hollow s Long Islanda, NY. Nadahnuti smo inženjeri koji se sastaju jednom tjedno u klubu pod nazivom Hack the Hollow u kojem osmišljavamo, kodiramo i gradimo brojne maker projekte. Sve projekte na kojima radimo možete pogledati OVDJE. Naš glavni fokus bio je proučavanje budućnosti hrane i ekološke robotike. Sastavili smo i održavali automatiziranu vertikalnu farmu hidroponike iza našeg znanstvenog laboratorija s našim učiteljem gospodinom Reginijem. Također smo posljednje dvije godine sudjelovali u programu GBE. Znamo da je ovaj izazov pozvao srednjoškolce, ali bili smo previše uzbuđeni što smo čekali još dvije godine da vam predstavimo Wolverinea, nazvanog po našoj maskoti škole. Ovo je nešto što radimo!

U ovom ćete projektu pronaći mnogo stvari koje volimo koristiti, uključujući Arduino, Raspberry Pi i sve elektroničke dobrote koje idu s njima. Također smo uživali u korištenju Fusion 360 kao korak dalje od TinkerCada za dizajn kocke. Ovaj projekt bio je savršena prilika za rezanje zubi na nekim novim platformama za proizvođače. Podijeljeni smo u dizajnerske timove koji su se morali usredotočiti na jedan aspekt Grow Cube. Razbili smo ga na okvir, poklopac i osnovnu ploču, osvjetljenje, rastuće zidove, vodu, ventilatore i senzore okoliša. Na popisu potrošnog materijala napravili smo veze do svih materijala koje koristimo ako vam je potrebna pomoć u vizualizaciji dijelova o kojima se govori u sljedećim koracima. Nadamo se da ćete uživati!

Pribor

Okvir:

• 1 "ekstruzije aluminija 80/20
• Tee orasi
• Nosači nosača
• Šarke
• Spojevi jedrilice kompatibilni s T-kanalom
• Cijevni i žičani vodiči kompatibilni s T-kanalom
• Magneti za držanje vrata zatvorenim
• 3 x magnetna sklopka

Rastući zidovi:

• Farm Tech niskoprofilni NFT kanali
• Poklopci kanala NFT
• Valoviti plastični limovi
• Magneti za držanje izmjenjivih kanala na mjestu

Poklopac:

• Plastični valoviti lim
• 3D ispisano LED rasvjetno tijelo (Fusion 360)
• Plastični nosači i hardver za elektroniku

Rasvjeta:

• Adresibilne neopikselne trake tvrtke Adafruit (60 LED/m)
• Neopixel konektori
• Neopixel isječci
• 330uF, kondenzator za odvajanje 35V
• 1K ohmski otpornik
• Srebrna traka od aluminijske folije HVAC
• Pretvarač dolara

Voda: (Naša omiljena značajka):

• 2 x Nema 17 koračnih motora
• Adapruit Stepper Shield za Arduino
• Pumpa sa štrcaljkom s linearnim aktuatorom s 3D printom (Fusion 360)
• 2 štrcaljke od 100-300 ml
• Cijevi s priključcima Luer lock i t -spojnicama
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 olovni vijci i matice
• 2 x leteća spojnica
• 2 x blokovi ležaja za jastuke
• 4 x 300 mm x 8 mm vodilice vratila linearnog pokreta
• 4 x 8 mm LM8UU linearni ležajevi
• 4 x DF Robot kapacitivni otpornici osjetnika vlage za nadgledanje tla i upravljanje crpkama šprica

Cirkulacija zraka:

• 2 x 5 "12V ventilatora
• 5 "poklopci filtera ventilatora
• 2 x TIP120 Darlington tranzistora i hladnjaka
• 12V napajanje
• Adapter za spajanje priključnice na bačvu
• 2 x 1K ohmski otpornici
• 2 x povratne diode
• 2 x 330uF, 35V elektrolitski odvojeni kondenzatori
• Senzor temperature i vlažnosti DHT22 s otpornikom od 4,7K ohma

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• SD kartica od 8 GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto ploča
• 2 x 20x4 i2C LCD -i
• 22AWG spojene žice
• Dupont komplet priključaka
• Senzor kvalitete zraka Adafruit SGP30 s eCO2

Alati:

• Lemilica
• Komplet za lemljenje
• Ruke za pomoć
• Alati za prešanje i skidanje žica
• Odvijači
• Kava (za gospodina Reginija)

Korak 1: Korak 1: Konstrukcija okvira

Okvir će biti izrađen pomoću lakih aluminijskih ekstruzija kanala 1 80/20 t. Držat će se zajedno s aluminijskim zglobovima koljena i t maticama. Osim što će smanjiti težinu, kanali će djelovati kao vodiči za našu vodu linije i ožičenje.

Kocka će počivati na nizu tračnica opremljenih kliznim spojevima koji će omogućiti izvlačenje kocke iz zida kako bi se otkrilo ne samo njezino prednje lice, već i obje stranice. Nadahnuće za to došao je od jednog od naših učenika koji je razmišljao o stalku sa začinima u svojim kuhinjskim ormarićima kod kuće.

Koristeći jednostavne šarke, prednja i bočna strana će imati vrata koja se mogu otvoriti kada se kocka izvuče na tračnice. Kad se zatvore, magneti ih drže na mjestu. Svih 6 ploča ove kocke se mogu ukloniti jer su i sve strane pričvršćene magnetima. Svrha ovog odabira dizajna bila je omogućiti lak pristup svim površinama za sjetvu, održavanje biljaka, prikupljanje podataka, berbu i čišćenje/popravke.

Naš dizajn panela možete vidjeti u sljedećem koraku.

Korak 2: Korak 2: Izgradnja rastućih zidova

Prvi element o kojem smo razmišljali bili su materijali za upotrebu samih zidova. Znali smo da moraju biti male težine, ali dovoljno jaki da podupiru biljke. Bijela valovita plastika odabrana je umjesto prozirnog akrila iako smo voljeli slike V. E. G. G. I. E -a na kojima smo mogli vidjeti biljke iznutra. Razlog za ovu odluku bio je jer bi većinu pogleda blokirali kanali postrojenja, a mi smo htjeli odbiti što je moguće više svjetla iz naših LED dioda. Ta je logika proizašla iz pregleda jedinice koju smo poslali kao dio našeg sudjelovanja u GBE -u. Kao što je navedeno u prethodnom koraku, ove se ploče magnetima drže za aluminijski okvir tako da se mogu lako ukloniti.

Na ove su ploče pričvršćena tri kanala niskoprofilnih NFT uzgojnih tračnica koje koristimo u našem laboratoriju za hidroponiku. Ovaj izbor nam se sviđa jer su izrađene od tankog PVC -a s navlakama koje se lako skliznu za ugradnju jastuka za rast. Svi rastući mediji bit će sadržani u posebno dizajniranim jastucima za koje smo vidjeli da se već koriste na ISS -u kada čitamo OVAJ ČLANAK. Sve oplate između tračnica bit će presvučene posrebrenom HVAC izolacijskom trakom za promicanje refleksije rastućih svjetala.

Naši su otvori 1 3/4 i razmaknuti 6 cm u sredini. To omogućuje 9 mjesta za sadnju na svakoj od četiri ploče kocke dajući ukupno 36 biljaka. Pokušali smo zadržati ovaj razmak u skladu s onim što smo imali crveno o Outredgeous salatama. Kanali su izrezani prorezima za prihvaćanje naših senzora vlage koji će nadzirati vlagu tla i pozivati vodu iz crpki za štrcaljke. Hidratacija će se distribuirati na svaki pojedinačni jastuk za biljke kroz razvodnik za zalijevanje medicinskih cijevi pričvršćen na ove pumpe. Ova metoda zalijevanja na bazi štrcaljki nešto je što smo istražili kao najbolju praksu kako za precizno zalijevanje, tako i za prevladavanje izazova okruženja s nultom/mikro gravitacijom. Cijevi će ući u podnožje biljnog jastuka za poticanje rasta korijena prema van Oslanjat ćemo se na kapilarnost kako bismo pomogli da se voda rasprši po mediju za uzgoj.

Konačno, htjeli smo pronaći način da iskoristimo osnovnu ploču. Na donjoj smo strani stvorili malu usnu koja bi prihvatila podlogu za uzgoj mikro zelenila. Poznato je da mikro zelje ima gotovo 40 puta više vitalnih hranjivih tvari od zrelih kolega. To bi se moglo pokazati vrlo korisnim za prehranu astronauta. Ovo je jedan članak koji su naši studenti pronašli o nutritivnoj vrijednosti mikro zelenila.

Korak 3: Korak 3: Zalijevanje biljaka

U prethodnom smo koraku referencirali naše pumpe sa štrcaljkama s linearnim aktuatorom. Ovo je daleko naš omiljeni dio ove konstrukcije. Koračni motori NEMA 17 pokretat će linearne aktuatore koji će pritisnuti klip dviju štrcaljki od 100cc-300cc na poklopcu kocke za uzgoj. Koristili smo Fusion 360 nakon što smo provjerili neke sjajne otvorene projekte na Hackadayu. Pratili smo ovaj vodič na nevjerojatnoj web stranici Adafruit kako bismo naučili voziti motore.

Željeli smo pronaći način da oslobodimo astronaute zadatka zalijevanja. Steperi se aktiviraju kada biljke u sustavu zahtijevaju vlastitu vodu. 4 kapacitivna senzora vlage uključena su u biljne jastuke na različitim mjestima po cijeloj kocki za uzgoj. Svako mjesto za sadnju u sustavu ima utor za prihvaćanje ovih senzora izrezanih u njihove kanale za uzgoj. To omogućuje da astronauti odaberu i povremeno mijenjaju položaj ovih senzora. Osim što povećava učinkovitost distribucije vode unutar sustava, omogućit će vizualizaciju načina na koji svaka biljka troši svoju vodu. Pragove vlage mogu postaviti astronauti tako da se zalijevanje može automatizirati prema njihovim potrebama. Štrcaljke su pričvršćene na glavni razvodnik za zalijevanje s priključcima Luer lock radi lakšeg punjenja. Ploče za uzgoj koriste sličan protokol povezivanja razdjelnika za zalijevanje pa se lako mogu ukloniti iz kocke.

Podaci prikupljeni senzorima mogu se lokalno čitati na LCD zaslonu veličine 20x4 pričvršćenim na poklopac ili daljinski gdje se prikupljaju, prikazuju i grafički prikazuju integracijom sustava s bilo Cayenne ili Adafruit IO IoT platformama. Arduino šalje svoje podatke na ugrađeni Raspberry Pi pomoću USB kabela koji se zatim probija do interneta pomoću Pi -ove WiFi kartice. Upozorenja se mogu postaviti na ovim platformama kako bi se astronauti obavijestili kad je neka od naših sistemskih varijabli izašla iz svojih unaprijed postavljenih vrijednosti praga.

Korak 4: Korak 4: Pametni poklopac s osvjetljenjem i upravljanjem ventilatorom

Poklopac naše kocke za uzgoj djeluje kao mozak cijele operacije, a pruža i kućišta za kritične elemente uzgoja. S donje strane poklopca pruža se 3D kućište s 3D tiskanim LED svjetlom koje pruža svjetlo za svaku od rastućih zidnih ploča, kao i gornje osvjetljenje mikro zelene prostirke na dnu. Ovo je ponovno dizajnirano u Fusion 360 i tiskano na našem MakerBotu. Svaki utor za svjetlo sadrži 3 LED trake koje su zaštićene konkavnim nosačem. Ova je podloga posrebrena izolacijskom trakom HVAC kako bi se povećala njezina refleksija. Ožičenje ide uz središnji šuplji stup kako bi pristupilo napajanju i podacima na vrhu poklopca. Veličina ovog kućišta odabrana je tako da ima otisak koji bi omogućio biljkama koje rastu oko njega da postignu maksimalnu visinu od 8 inča. Utvrđeno je da je ovaj broj prosječna visina zrele salate Outredgeous koju uzgajamo u našim vertikalnim hidroponskim vrtovima u našem laboratoriju. Mogu doseći visinu i do 12 inča, ali zaključili smo da će astronauti pasti na njima dok rastu, čineći ovo kockom za rezanje i ponovno dolaženje.

Neopikseli koje koristimo individualno se mogu adresirati, što znači da možemo kontrolirati spektar boja koji emitiraju. To se može koristiti za mijenjanje spektra svjetlosti koju biljke primaju tijekom različitih faza rasta ili od vrste do vrste. Štitovi su trebali omogućiti različite uvjete osvjetljenja na svakom zidu ako je potrebno. Shvaćamo da ovo nije savršena postavka i da svjetla koja koristimo nisu tehnički rastuća svjetla, ali smatrali smo da je to lijep dokaz koncepta.

Na vrhu poklopca nalaze se dva 5 -inčna 12V ventilatora za hlađenje koji se obično koriste za kontrolu temperature računalnih tornjeva. Dizajnirali smo ga tako da jedan gura zrak u sustav, dok drugi djeluje kao odvod zraka. Oboje su prekriveni mrežicom od fine mreže kako bi se spriječilo izvlačenje krhotina u astronomsko okruženje za disanje. Ventilatori se isključuju kada se otvori bilo koji od magnetnih prekidača pričvršćenih na vrata kako bi se spriječila nenamjerna kontaminacija zraka. Brzina ventilatora kontrolira se putem PWM -a pomoću Motor HAT -a na Raspberry pi. Ventilatori se mogu uvjetno ubrzati ili usporiti na temelju vrijednosti temperature ili vlažnosti koje Pi unosi ugrađeni DHT22 osjetnik unutar kocke. Ta se očitanja ponovno mogu vidjeti lokalno na LCD -u ili daljinski na istoj IoT nadzornoj ploči kao i senzori vlage.

Razmišljajući o fotosintezi, također smo htjeli uzeti u obzir razinu CO2 i ukupnu kvalitetu zraka u kocki za uzgoj. U tu smo svrhu uključili senzor SGP30 za praćenje eCO2, kao i ukupnih hlapljivih organskih spojeva. I oni se šalju na LCD -e i IoT nadzornu ploču radi vizualizacije.

Također ćete vidjeti da su naši par pumpi za štrcaljke postavljeni uz bočnu stranu poklopca. Njihove cijevi usmjerene su niz okomite kanale nosača aluminijskog okvira za ekstruziju.

Korak 5: Zatvaranje misli i buduće interakcije

Dizajnirali smo Wolverine koristeći se znanjem koje smo stekli tijekom zajedničkog uzgoja hrane. Nekoliko godina automatiziramo naše vrtove i ovo je bila tako uzbudljiva prilika da to primijenimo na jedinstveni inženjerski zadatak. Svjesni smo da naš dizajn ima skromne početke, ali radujemo se rastu zajedno s njim.

Jedan aspekt izrade koji nismo mogli dovršiti prije isteka roka bio je snimanje slike. Jedan od naših učenika eksperimentirao je s Raspberry Pi kamerom i OpenCV -om kako bi vidio možemo li automatizirati otkrivanje zdravlja bilja strojnim učenjem. U najmanju ruku smo htjeli imati mogućnost vidjeti biljke bez otvaranja vrata. Razmišljalo se o uključivanju mehanizma za naginjanje koji se može okretati oko donje strane gornje ploče kako bi se snimile slike svakog rastućeg zida, a zatim ispisale na nadzornu ploču Adafruit IO radi vizualizacije. To bi moglo uzrokovati i neke zaista hladne vremenske odmake rastućih usjeva. Pretpostavljamo da je to samo dio procesa inženjerskog projektiranja. Uvijek će biti posla i poboljšanja. Hvala vam puno na prilici za sudjelovanje!