Arduinon itsenäinen suodatusalus: 6 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Tässä ohjeessa näytän sinulle, miten suunnittelin ja tein ehdotetun ratkaisuni Persianlahden rannikon vesillä vallitsevaan punaleväongelmaan. Tätä projektia varten halusin suunnitella täysin itsenäisen ja aurinkovoimalla toimivan veneen, joka kykenisi navigoimaan vesiväylillä, ja käyttäen sisäistä luonnollista suodatusjärjestelmää, voisi suodattaa pois ylimääräiset ravintoaineet ja toksiinit Dinoflagellates- ja Karena Brevis -levistä. Tämä malli on luotu osoittamaan, kuinka tekniikkaa voidaan käyttää ratkaisemaan joitakin nykyisiä ympäristöongelmiamme. Valitettavasti se ei voittanut palkintoja tai paikkaa paikallisella pikkukaupungin tiedemessuillani, mutta nautin silti oppimiskokemuksesta ja toivottavasti joku muu voi oppia jotain projektistani.

Vaihe 1: Tutkimus

Tietenkin aina, kun aiot ratkaista ongelman, sinun on tehtävä tutkimusta. Olin kuullut tästä ongelmasta online -uutisen kautta ja se sai minut kiinnostumaan ratkaisun suunnittelemisesta kyseiseen ympäristöongelmaan. Aloitin tutkimalla tarkalleen, mikä ongelma oli ja mistä se johtui. Tässä on osa tutkimuspaperistani, joka näyttää mitä löysin tutkimuksessani.

Punainen vuorovesi on kasvava vuosittainen ongelma Floridan vesille. Punainen vuorovesi on yleinen termi, jota käytetään suurelle, tiivistetylle leväryhmälle, joka kasvaa satunnaisesti saatavilla olevien ravinteiden lisääntymisen vuoksi. Tällä hetkellä Florida on kohonnut nopeasti Punaisen vuoroveden koko, mikä aiheuttaa kasvavaa huolta alueen vesieläinten turvallisuudesta sekä kaikista yksilöistä, jotka voivat joutua kosketuksiin sen kanssa. Punainen vuorovesi koostuu useimmiten levät, jotka tunnetaan nimellä Dinoflagellate. Dinoflagellaatit syövät muita vedessä olevia protisteja, kuten Chysophyta's, yleisin myrkyttömien levien muoto. uusia ravintoaineita.

Suurin syy niiden nopeaan ruoan lisääntymiseen johtuu suuresta määrästä ravinteita, jotka pestään tiloilta sateen aikana ja viedään valtameren rannoille läheisistä jokista ja puroista. Koska ihmisen lannoitteet ovat erittäin riippuvaisia maataloudesta, saatavilla olevien ravinteiden määrä ympäröivillä viljelysmailla on suurempi kuin koskaan. Aina kun on sademyrsky suurimmalla osalla itäistä maata, sade pesee paljon lannoitteita pois maaperästä ja ympäröiviin puroihin ja puroihin. Nämä virrat kerääntyvät lopulta jokiin yhdistäen kaikki kerätyt ravinteensa yhdeksi suureksi ryhmäksi, joka kaadetaan Meksikonlahdelle. Tämä suuri ravinteiden kokoelma ei ole luonnollinen ilmiö nykyisille merieläimille, minkä vuoksi se johtaa levien hallitsemattomaan kasvuun. Dinoflagellaattien tärkeimpänä ruokalähteenä levien nopea lisääntyminen tarjoaa suuren ravinnon lähteen nopeasti kasvavalle elämänmuodolle.

Nämä suuret Dinoflagellaattiryhmät tuottavat myrkyllisiä kemikaaleja, joiden tiedetään tappavan useimmat vesieliöt, jotka joutuvat kosketuksiin niiden kanssa. Paikallisen Floridan uutisaseman WUSF: n mukaan vuoden 2018 kukassa oli 177 vahvistettua manaatin kuolemaa Red Tide -tapahtumasta sekä 122 kuolemaa, joiden epäiltiin liittyvän toisiinsa. Floridan ja Puerto Ricon vesien 6 500 odotetusta manaatista tällä on valtava vaikutus tämän lajin selviytymiseen, ja tämä on vain vaikutus yhteen lajiin. Punaisen vuoroveden tiedetään myös aiheuttavan hengitysvaikeuksia niille, jotka ovat olleet lähellä kaikkia kukintoja. Koska Red Tide kasvaa joidenkin rantakaupunkien kanavissa, tämä on ilmeinen turvallisuusriski kaikille niissä yhteisöissä asuville. Punaisten vuoroveden tuottaman Dinophysis -toksiinin on myös tiedetty yleisesti tartuttavan paikallisia äyriäispopulaatioita, mikä johtaa ripulia aiheuttavaan äyriäismyrkytykseen eli DSP: hen niissä, jotka ovat syöneet tartunnan saaneita äyriäisiä. Onneksi sen ei tiedetä olevan hengenvaarallinen, mutta se voi johtaa uhrin ruoansulatusongelmiin. Kuitenkin toinen myrkky, jota eräät punaiset vuorovedet, Gonyaulax tai Alexandrium, voivat myös tartuttaa äyriäisiä vuorovesien saastuttamissa vesissä. Näillä myrkkyillä saastuneiden äyriäisten syöminen aiheuttaa halvaantunutta äyriäismyrkytystä tai PSP: tä, joka pahimmassa tapauksessa on johtanut hengitysvajeeseen ja kuolemaan 12 tunnin kuluessa nielemisestä."

Vaihe 2: Ehdotettu ratkaisu

Lainaus tutkimuspaperistani

Ehdotamani ratkaisu on rakentaa täysin itsenäinen aurinkovoimalla toimiva merialus, jossa on mikrohiukkasten luonnollinen suodatusjärjestelmä. Koko järjestelmä saa virtansa aurinkopaneeleista ja sitä ohjaavat kaksi harjatonta, kanavoitua moottoria työntövoiman vektoriasetuksessa. suodatusjärjestelmää käytetään ylimääräisten ravintoaineiden ja dinoflagellaattien suodattamiseen, kun se navigoi vesiväylissä itsenäisesti. Alusta käytetään myös paikallisyhteisön sukkulajärjestelmänä. Aloitin tutkimalla ensin ongelmaa ja kuinka tämä ongelma oli alkanut. Opin, että Punaisen vuoroveden nousun aiheuttivat paikallisten vesien suuret määrät ravinteita, kuten typpeä. Kun sain selville, mikä aiheutti ongelman, pystyin aloittamaan aivoriihiratkaisun, joka voisi auttaa vähentämään vuosittaisten punaisten vuoroveden kokoa.

Ajatukseni oli kooltaan ja muodoltaan samanlainen alus kuin ponttonivene. Tässä astiassa olisi kahden ponttonin välissä kuorija, joka johtaisi saapuvan veden silmäsuodattimen läpi suurten hiukkasten poistamiseksi, ja sitten läpäisevän kalvosuodattimen läpi, joka poistaisi läsnä olevat typen mikrohiukkaset. Suodatettu vesi virtaa sitten veneen takaosasta vastakkaisen kuorijan läpi. Halusin myös, että tämä astia olisi täysin sähköinen, joten se olisi hiljainen ja turvallisempi, ja vähemmän mahdollisuuksia vuotaa myrkyllisiä nesteitä ympäröiviin vesiin. Astiassa olisi useita aurinkopaneeleja sekä litiumionipakkauksella varustettu lataussäädin ylimääräisen tehon tallentamiseksi myöhempää käyttöä varten. Viimeinen tavoitteeni oli suunnitella alus siten, että sitä voitaisiin käyttää paikallisyhteisön julkiseen liikenteeseen. Kaikki nämä suunnitteluvaihtoehdot huomioon ottaen aloin piirtää paperille useita ideoita kokeillakseni mahdollisia ongelmia."

Vaihe 3: Suunnittelu

Kun sain tutkimukseni pois tieltä, minulla oli paljon parempi käsitys ongelmasta ja sen syistä. Sitten siirryin aivoriihiin ja suunnitteluun. Mietin useita päiviä ajatellen monia erilaisia tapoja ratkaista tämä ongelma. Kun minulla oli kunnollisia ideoita, halusin piirtää ne paperille kokeillakseni joitain suunnitteluvirheitä ennen siirtymistä CAD -ohjelmaan. Parin päivän luonnostelun jälkeen loin luettelon osista, joita halusin käyttää suunnittelussa. Käytin kaikki aikaisempien vuosien tiedemessujen palkintotuloni ja vähän enemmän prototyypin luomiseen tarvittavien osien ja filamenttien ostamiseen. Päädyin käyttämään Node MCU: ta mikro -ohjaimessa, kahta 18 V: n aurinkopaneelia ehdotetuille virtalähteille, kahta ultraääni -anturia itsenäisille ominaisuuksille, 5 valokuvavastusta ympäristön valaistuksen määrittämiseen, joitakin 12 V: n valkoisia LED -nauhoja sisävalaistukseen, 2 RGB -LEDiä nauhat suuntavalaistukseen, 3 relettä LEDien ja harjattoman moottorin ohjaamiseen, 12 V harjaton moottori ja ESC, 12 V PSU prototyypin virransyöttöön ja useita muita pieniä osia.

Kun suurin osa osista saapui, pääsin työskentelemään 3D -mallin parissa. Käytin Fusion 360: tä suunnitellakseni kaikki tämän veneen osat. Aloitin suunnittelemalla veneen rungon ja siirtyin sitten ylöspäin suunnittelemalla jokaisen osan kulkiessani eteenpäin. Kun olin suunnitellut suurimman osan osista, laitoin ne kaikki kokoonpanoon varmistaakseni, että ne sopivat yhteen valmistuksen jälkeen. Useiden päivien suunnittelun ja säätämisen jälkeen oli vihdoin aika aloittaa tulostus. Tulostin rungon 3 eri kappaleena Prusa Mk3 -laitteilleni ja painin aurinkokiinnikkeet ja rungon suojukset CR10 -laitteisiini. Muutaman päivän kuluttua kaikki osat olivat valmiit tulostamaan ja voisin vihdoin aloittaa sen kasaamisen. Alla on toinen osa tutkimuspaperistani, jossa puhun veneen suunnittelusta.

Kun minulla oli hyvä käsitys lopullisesta suunnittelusta, siirryin tietokoneavusteiseen luonnokseen tai CAD: ään, joka on prosessi, joka voidaan tehdä käyttämällä monia nykyisin saatavilla olevia ohjelmistoja. Suunnittelin tarvitsemani osat Fusion 360 -ohjelmistolla. Suunnittelin ensin kaikki osat tähän projektiin ja koon ne sitten virtuaaliseen ympäristöön kokeillakseni mahdollisia ongelmia ennen osien tulostamisen aloittamista. Kun minulla oli valmis 3D -kokoonpano, muutin tämän prototyypin tarvitsemien sähköjärjestelmien suunnitteluun. Halusin, että prototyyppini on hallittavissa älypuhelimeni mukautetun sovelluksen avulla. Ensimmäiseksi valitsin Node MCU -mikro -ohjaimen. Node MCU on suosittu ESP8266: n ympärille rakennettu mikrokontrolleri Wifi -siru. Tämä kortti antaa minulle mahdollisuuden liittää siihen ulkoisia tulo- ja lähtölaitteita, joita voidaan ohjata etäyhteydellä sen Wifi -liitännän kautta. Löydettyäni suunnittelun pääohjaimen, siirryin valitsemaan mitä muuta rts tarvitaan sähköjärjestelmään. Aluksen virtalähteeksi valitsin kaksi kahdeksantoista voltin aurinkopaneelia, jotka kytkettiin myöhemmin rinnakkain, jotta ne tuottavat kahdeksantoista voltin tehon ja kaksinkertaisen yksittäisen aurinkokennon virran, koska ne on kytketty rinnakkain. Aurinkopaneelien lähtö menee varaussäätimeen. Tämä laite ottaa vaihtelevan lähtöjännitteen aurinkopaneeleista ja tasoittaa sen tasaisempaan 12 voltin lähtöön. Tämä menee sitten akunhallintajärjestelmään eli BMS: ään lataamaan 6, 18650 liposolua, jotka on kytketty kahdella sarjalla, joissa on kolme rinnakkain kytkettyä kennoa. Tämä kokoonpano yhdistää 18650: n 4,2 voltin kapasiteetin 12,6 voltin kapasiteettiin, jossa on kolme kennoa. Yhdistämällä kolme muuta kennoa, jotka on asetettu rinnakkain edellisen paketin kanssa, kokonaiskapasiteetti kaksinkertaistuu, jolloin saadaan 12,6 voltin akku, jonka kapasiteetti on 6 500 mAh.

Tämä akku voi tuottaa 12 volttia valaistusta ja harjattomia moottoreita varten. Käytin askelinvertteriä luomaan viiden voltin lähtö pienemmän tehon elektroniikalle. Käytin sitten kolmea relettä, yksi sisävalojen sytyttämiseksi ja sammuttamiseksi, toinen ulkoisten valojen värin muuttamiseksi ja toinen harjattoman moottorin sytyttämiseksi ja sammuttamiseksi. Etäisyyden mittaamiseen käytin kahta ultraääni -anturia, yksi eteen ja toinen taakse. Jokainen anturi lähettää ultraäänipulssin ja voi lukea kuinka kauan pulssin palaaminen kestää. Tästä voimme selvittää, kuinka kaukana kohde on aluksen edessä laskemalla paluun signaalin viive. Aluksen päällä oli viisi valoresistoria taivaalla olevan valon määrän määrittämiseksi. Nämä anturit muuttavat vastustaan sen mukaan, kuinka paljon valoa on läsnä. Näistä tiedoista voimme keskittää kaikki arvot yksinkertaisella koodilla, ja kun anturit lukevat hämärän keskiarvon, sisävalot syttyvät. Kun olin selvittänyt, mitä elektroniikkaa käytän, aloitin 3D -tulostuksen aiemmin suunnitelluille osille. Tulostin veneen rungon kolmeen osaan, jotta se mahtuisi pääkirjoittimelleni. Niiden tulostamisen aikana siirryin aurinkokennojen ja kannen tulostamiseen toisella tulostimella. Jokaisen osan tulostaminen kesti noin yhden päivän, joten kaiken tarvitsemani osat saivat yhteensä noin 10 päivää suoraa 3D -tulostusta. Kun ne olivat kaikki tulostaneet, kokosin ne yhteen pienempiin osiin. Asensin sitten elektroniikkaa, kuten aurinkopaneeleja ja LED -valoja. Kun elektroniikka oli asennettu, johdotin ne kaikki ja lopetin tulostettujen osien kokoamisen. Seuraavaksi siirryin prototyypin jalustan suunnitteluun. Tämä jalusta on myös suunniteltu CAD -muotoon ja leikattu myöhemmin MDF -puusta CNC -koneellani. CNC: n avulla pystyin leikkaamaan tarvittavat raot etupaneelista verhoelektroniikan kiinnittämiseksi. Asensin sitten prototyypin alustalle ja fyysinen kokoonpano oli valmis. Nyt kun prototyyppi oli koottu kokonaan, aloin työskennellä NodeMCU: n koodin parissa. Tätä koodia käytetään kertomaan NodeMCU: lle, mitkä osat on kytketty mihin tulo- ja lähtöliittimiin. Se kertoo myös taululle, mihin palvelimeen ottaa yhteyttä ja mihin Wifi -verkkoon liittää. Tämän koodin avulla pystyin sitten hallitsemaan tiettyjä prototyypin osia puhelimestani sovelluksen avulla. Tämä on tavallaan samanlainen kuin se, miten lopullinen suunnittelu voisi ottaa yhteyttä päätelakointiasemaan saadakseen seuraavan pysäkin koordinaatit sekä muita tietoja, kuten muiden alusten sijainnin ja päivän odotetun sään."

Vaihe 4: Kokoonpano (vihdoin !!)

Okei, nyt olemme suosikkikohdassani, kokoonpanossa. Rakastan rakennustöitä, joten vihdoin pystyin laittamaan kaikki osat yhteen ja näkemään lopputulokset. Aloitin kokoamalla kaikki painetut osat yhteen ja liimaamalla ne yhteen. Asensin sitten elektroniikan, kuten valot ja aurinkopaneelit. Tässä vaiheessa tajusin, että en voisi millään tavalla sovittaa koko elektroniikkaani tämän asian sisälle. Tuolloin sain idean CNC -telineen venettä varten, jotta se näyttäisi hieman paremmalta ja antaisi minulle paikan piilottaa kaikki elektroniikka. Suunnittelin jalustan CAD -muotoon ja leikkasin sen ulos Bobs CNC E3 -laitteestani 13 mm: n MDF -levystä. Sitten ruuvasin sen yhteen ja annoin sille mustan ruiskumaalin. Nyt kun minulla oli paikka täyttää kaikki elektroniikkani, jatkoin johdotusta. Johdotin kaiken ja asensin Node MCU: n (melko paljon Arduino Nano sisäänrakennetulla WiFi: llä) ja varmistin, että kaikki on päällä. Sen jälkeen käärin kokoonpanon ja sain jopa kouluni laserleikkurilla leikata turvakiskot hienoilla kaiverruksilla, kiitos jälleen Mr. Z! Nyt kun meillä oli valmis fyysinen prototyyppi, nyt oli aika lisätä taikuutta koodauksella.

Vaihe 5: Koodaus (myös kova osa)

Koodaukseen käytin Arduino IDE: tä melko yksinkertaisen koodin kirjoittamiseen. Käytin Blynk -perusluonnosta aloittelijana, jotta voisin myöhemmin hallita joitain osia Blynk -sovelluksesta. Katsoin monia YouTube -videoita ja luin paljon foorumeita saadakseni tämän toimimaan. Lopulta en kyennyt selvittämään, kuinka ohjata harjatonta moottoria, mutta sain kaiken muun toimimaan. Sovelluksesta voit vaihtaa veneen suunnan, joka vaihtaa punaisen/vihreän LED -valon värit, sytyttää/sammuttaa sisävalot ja saada reaaliaikaisen datasyötteen yhdestä näytön etuosassa olevasta ultraäänianturista. Ehdottomasti löysin tämän osan, enkä saanut läheskään niin paljon aikaan koodilla kuin halusin, mutta se oli silti siisti ominaisuus.

Vaihe 6: Lopputuote

Se on tehty! Sain kaiken koottua ja toimimaan juuri ennen tiedemessujen päivämääriä. (Stereotyyppinen viivyttely) Olin melko ylpeä lopputuotteesta, enkä malta odottaa, että saan jakaa sen tuomarien kanssa. Minulla ei ole paljon muuta sanottavaa täällä, joten annan ohi selittää sen paremmin. Tässä on tutkimuspaperini päättelyosa.

Kun alukset ja telakointiasemat on luotu, ratkaisu on käynnissä. Joka aamu alukset aloittavat reittinsä vesiväylien läpi. Jotkut saattavat kulkea kaupunkien kanavien läpi, toiset matkustaa suoalueilla tai valtameren linjoilla. kulkee reittinsä läpi, suodatusluistin on alhaalla, jolloin suodattimet voivat aloittaa työnsä. Kuorija ohjaa kelluvat levät ja roskat suodatuskanavaan. Kun vesi on sisällä, vesi johdetaan ensin verkkosuodattimen läpi, jotta suuret poistetaan hiukkasia ja roskia vedestä. Poistettua materiaalia pidetään siellä, kunnes kammio on täytetty. Kun vesi on kulkenut ensimmäisen suodattimen läpi, se kulkee sitten läpäisevän kalvosuodattimen läpi. Tämä suodatin käyttää pieniä, läpäiseviä reikiä vain läpäisevän veden läpi jättäen läpäisemättömät materiaalit taakse. Tätä suodatinta käytetään poistamaan läpäisemätön lannoite ja ylimääräiset ravinteet levän kasvusta. r virtaa sitten veneen takaosasta takaisin vesistöön, jossa alus suodattaa.

Kun alus saavuttaa sille tarkoitetun telakointiaseman, se vetää laituriin. Täysin telakoituna kaksi venettä kiinnittyy veneen sivulle pitämään sitä vakaasti paikallaan. Seuraavaksi putki nousee automaattisesti veneen alta ja kiinnittyy jokaiseen jätehuoltoporttiin. Kun kiinnitys on tehty, portti avautuu ja pumppu käynnistyy imemällä kerätyn materiaalin pois veneestä telakointiasemaan. Kun kaikki tämä tapahtuu, matkustajat saavat nousta alukseen ja löytää istuimensa. Kun kaikki ovat laivalla ja jätesäiliöt on tyhjennetty, vene vapautetaan asemalta ja se lähtee toiselle reitille. Kun jäte on pumpattu telakointiasemaan, se siivilöidään uudelleen suurien roskien, kuten tikkujen tai roskien, poistamiseksi. Poistetut roskat varastoidaan säiliöihin myöhempää kierrätystä varten. Loput seulotut levät viedään keskustelakointiasemaan käsiteltäväksi. Kun jokainen pienempi telakointiasema täyttää levävarastonsa, työntekijä tulee kuljettamaan levät pääasemalle, jossa ne jalostetaan biodieseliksi. Tämä biodiesel on uusiutuva polttoaineen lähde sekä kannattava tapa kierrättää kerätyt ravintoaineet.

Kun veneet jatkavat veden suodattamista, ravinteiden pitoisuus vähenee. Tämä ravinteiden liiallisen määrän väheneminen johtaa pienempiin kukintoihin vuosittain. Ravinteiden laskun jatkuessa veden laatua seurataan perusteellisesti sen varmistamiseksi, että ravinteet pysyvät vakaalla ja terveellä tasolla, jota tarvitaan kukoistavaan ympäristöön. Talvikausina, jolloin lannoitteiden valuminen ei ole yhtä voimakasta kuin kevät- ja kesäajat, veneet voivat hallita suodatettavan veden määrää varmistaakseen, että ravinteita on aina terve määrä. Kun veneet kulkevat reittien läpi, kerätään yhä enemmän tietoja, jotta voidaan tehokkaammin määrittää lannoitteen valumisen lähteet ja milloin valmistautua korkeampaan ravinnetasoon. Näiden tietojen avulla voidaan luoda tehokas aikataulu valmistautumaan viljelykausien aiheuttamiin vaihteluihin."