Hakkaa Hollow's Wolverine Grow Cube ISS: 5 askelta

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

Olemme West Hollowin yläkoulu Long Islandista, NY. Olemme tavoittelevia insinöörejä, jotka kokoontuvat kerran viikossa klubissa nimeltä Hack the Hollow, jossa suunnittelemme, koodaamme ja rakennamme useita valmistajaprojekteja. Voit tutustua kaikkiin projekteihimme, joita teemme TÄSTÄ. Pääpaino on ollut tutkia ruoka- ja ympäristörobotiikan tulevaisuutta. Olemme koonneet ja ylläpitäneet automatisoitua pystysuoraa vesiviljelytilaa tiedelaboratorion takana opettajamme Regini kanssa. Olemme myös osallistuneet GBE -ohjelmaan kahden viime vuoden ajan. Tiedämme, että tämä haaste vaati lukion oppilaita, mutta olimme liian innoissamme odottamaan vielä kaksi vuotta esitelläksemme teille ahman, joka on nimetty koulumme maskotin mukaan. Tällaista me teemme!

Tässä projektissa löydät paljon asioita, joita rakastamme käyttää, mukaan lukien Arduino, Raspberry Pi ja kaikki niihin liittyvät elektroniset herkut. Nautimme myös Fusion 360: n käyttämisestä askeleena TinkerCadista kuution suunnittelussa. Tämä projekti oli täydellinen tilaisuus leikata hampaamme joillekin uusille valmistaja -alustoille. Meidät jaettiin suunnittelutiimeihin, joiden jokaisen piti keskittyä yhteen Grow Cuben osaan. Rikkoimme sen runkoon, kanteen ja pohjalevyyn, valaistukseen, kasvatimme seiniä, vettä, tuulettimia ja ympäristöantureita. Olemme lisänneet tarvikeluetteloomme linkkejä kaikkiin käyttämiimme materiaaleihin, jos tarvitset apua seuraavien vaiheiden yhteydessä käsiteltyjen osien visualisoinnissa. Toivottavasti nautit!

Tarvikkeet

Runko:

• 1 "80/20 alumiiniekstruusiot
• Tee pähkinöitä
• Tuki kiinnikkeet
• Saranat
• T-kanavan kanssa yhteensopivat liukuliitokset
• T-kanavan kanssa yhteensopivat putki- ja johdinohjaimet
• Magneetit pitävät ovet kiinni
• 3 x magneettinen reed -kytkin

Kasvata seinät:

• Farm Techin matalan profiilin NFT -kanavat
• NFT -kanavan kannet
• Aallotetut muovilevyt
• Magneetit pitävät irrotettavat kanavat paikoillaan

Kansi:

• Aaltopahvi muovilevy
• 3D -tulostettu LED -kasvavalaisin (Fusion 360)
• Muoviset suojat ja elektroniikkalaitteet

Valaistus:

• Osoitettavat neopikseliliuskat Adafruitista (60LED/m)
• Neopixel -liittimet
• Neopixel leikkeet
• 330uF, 35V irrotuskondensaattori
• 1K ohmin vastus
• Hopeoitu LVI -alumiinifolioteippi
• Buck -muunnin

Vesi: (suosikkiominaisuutemme):

• 2 x Nema 17 askelmoottoria
• Adafruit -askelkilpi Arduinolle
• 3D -painettu lineaarinen toimilaitteen ruiskupumppu (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml ruiskua
• Letkut Luer -lukkoliitoksilla ja tee-/kyynärliitoksilla
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 -ruuvit ja mutterit
• 2 x lentokytkin
• 2 x tyynylaakeri
• 4 x 300 mm x 8 mm lineaariset liiketangon akselin ohjaimet
• 4 x 8 mm lineaariset LM8UU -laakerit
• 4 x DF -robotin kapasitiivinen vastuskosteusanturi lian valvontaan ja ruiskupumppujen ohjaamiseen

Ilmankierto:

• 2 x 5 "12V tuulettimet
• 5 "tuuletinsuodattimen kannet
• 2 x TIP120 Darlington -transistoria ja jäähdytyselementtiä
• 12V virtalähde
• Paneeliasennussylinterin liittimen sovitin
• 2 x 1 K ohmin vastukset
• 2 x palautusdiodi
• 2 x 330uF, 35V elektrolyyttistä irrotuskondensaattoria
• DHT22 lämpötila- ja kosteusanturi 4,7 K ohmin vastuksella

Elektroniikka:

• Raspberry Pi 3B+ moottorihattu
• 8 Gt SD -kortti
• Arduino Mega
• Adafruit-perma-proto-leipälauta
• 2 x 20x4 i2C nestekidenäyttöä
• 22AWG -kierreliitäntäjohdot
• Dupont -liitäntäsarja
• Adafruit SGP30 ilmanlaatuanturi w/ eCO2

Työkalut:

• Juotin
• Juotosarja
• Auttavat kädet
• Johtimien puristus- ja irrotustyökalut
• Ruuvimeisselit
• Kahvi (herra Reginille)

Vaihe 1: Vaihe 1: Kehyksen rakentaminen

Runko rakennetaan kevyillä 1 80/20 t kanava -alumiinipuristuksilla. Sitä pidetään yhdessä alumiinisten kyynärliitosten ja t -muttereiden kanssa. Painon pitämisen lisäksi kanavat toimivat ohjaavina vesistöinä johdot ja johdot.

Kuutio lepää kiskosarjalla, joka on varustettu liukuliitoksilla, joiden avulla kuutio voidaan irrottaa seinästä paljastaakseen sen etupuolen lisäksi myös sen molemmat sivut. Inspiraatio tähän tuli siitä, että yksi opiskelijoistamme ajatteli maustehyllyä kotona keittiökaapissaan.

Yksinkertaisten saranoiden avulla edessä ja sivuilla on ovet, jotka voivat kääntyä auki, kun kuutio vedetään ulos kiskoiltaan. Ne pidetään kiinni magneeteilla suljettuna. Tämän kuution kaikki 6 paneelia ovat irrotettavia, koska myös kaikki pinnat pysyvät paikallaan magneeteilla. Tämän suunnitteluvaihtoehdon tarkoituksena oli mahdollistaa helppo pääsy kaikille pinnoille kylvöä, laitoksen huoltoa, tietojen keräämistä, sadonkorjuuta ja puhdistusta/korjausta varten.

Näet paneelien suunnittelumme seuraavassa vaiheessa.

Vaihe 2: Vaihe 2: Kasvaseinien rakentaminen

Ensimmäinen elementti, jota ajattelimme, oli itse seinien materiaalit. Tiesimme, että niiden oli oltava kevyitä, mutta riittävän vahvoja tukemaan kasveja. Valkoinen aallotettu muovi valittiin kirkkaan akryylin sijaan, vaikka rakastimme V. E. G. G. I. E: n kuvia, joissa näimme kasvit sisällä. Syy tähän päätökseen oli, että laitoksen kanavat estäisivät suurimman osan näkymästä, ja halusimme heijastaa mahdollisimman paljon LED -valojemme valoa. Tämä logiikka tuli tarkastamalla yksikkö, joka meille lähetettiin osana GBE -osallistumistamme. Kuten edellisessä vaiheessa todettiin, nämä levyt on kiinnitetty alumiinirunkoon magneeteilla, jotta ne voidaan helposti irrottaa.

Näihin levyihin on kiinnitetty kolme kanavaa matalan profiilin NFT -kasvatuskiskoja, joita käytämme hydroponiikkalaboratoriossa. Pidämme tästä valinnasta, koska ne on valmistettu ohuesta PVC: stä, jonka kannet liukuvat helposti pois kasvavien tyynyjen istuttamiseksi. Kaikki kasvualustat sisältyvät erityisesti suunniteltuihin tyynyihin, joita näimme jo käytettävän ISS: llä, kun luemme TÄMÄN ARTIKLAN. Kaikki kiskojen väliset paneelit päällystetään hopeoidulla LVI -eristysteipillä kasvavalojen heijastavuuden lisäämiseksi.

Aukot ovat 1 3/4 ja sijaitsevat 6 tuuman etäisyydellä toisistaan keskeltä. Tämä mahdollistaa 9 istutuspaikkaa jokaiselle kuution neljälle paneelille, jolloin saadaan yhteensä 36 kasvia. Yritimme pitää tämän etäisyyden yhdenmukaisena punaisen kanssa Kanavat on jauhettu rakoilla, jotta ne hyväksyvät kosteusanturit, jotka seuraavat maaperän kosteutta ja vaativat vettä ruiskupumppuista. Nesteytys jaetaan jokaiselle yksittäiselle kasvityynylle näihin pumppuihin kiinnitetyn lääketieteellisen letkun kasteluputken kautta. Tätä ruiskupohjaista kastelumenetelmää olemme tutkineet parhaaksi käytännöksi sekä tarkalle kastelulle että nollan/mikro-painovoiman ympäristön haasteiden voittamiselle. Letku tulee kasvien tyynyn pohjaan edistääkseen juurien kasvua kohti Luotamme kapillaarisuuteen auttaaksemme vettä leviämään kasvualustalle.

Lopuksi halusimme löytää tavan hyödyntää pohjalevyä. Loimme pienen huulen pohjapintaan, joka hyväksyisi kasvumaton mikroviheriöiden kasvattamiseen. Mikrovihanneksilla tiedetään olevan lähes 40 kertaa enemmän elintärkeitä ravintoaineita kuin kypsillä vastineillaan. Nämä voivat osoittautua erittäin hyödyllisiksi astronauttien ruokavalioon. Tämä on yksi artikkeli, jonka opiskelijamme löysivät mikrovihannesten ravintoarvosta.

Vaihe 3: Vaihe 3: Kasvien kastelu

Viittasimme lineaarisiin toimilaitteen ruiskupumppuihin edellisessä vaiheessa. Tämä on ylivoimaisesti meidän suosikki osa tätä rakennetta. NEMA 17 -askelmoottorit käyttävät lineaarisia toimilaitteita, jotka painavat kahden 100cc-300cc-ruiskun mäntää kasvatuskuution kannessa. Suunnittelimme moottorikotelot, männänohjaimen ja ohjauskiskojen Fusion 360: n avulla, kun olimme tutustuneet Hackadayn upeisiin avoimen lähdekoodin projekteihin. Seuraimme tätä opetusohjelmaa Adafruitin hämmästyttävällä verkkosivustolla oppiaksemme ajaa moottoreita.

Halusimme löytää tavan vapauttaa astronautit kastelutehtävistä. Askelmat aktivoituvat, kun järjestelmän sisällä olevat kasvit vaativat omaa vettä. 4 kapasitiivista kosteusanturia on kytketty kasvityynyihin eri paikoissa koko kuutiossa. Jokaisessa järjestelmän istutuspaikassa on aukko, joka hyväksyy nämä kasvukanaviinsa jauhetut anturit. Tällöin astronautit voivat valita ja muuttaa ajoittain näiden antureiden sijoittelua. Sen lisäksi, että se maksimoi veden jakelujärjestelmän tehokkuuden, se mahdollistaa myös visualisoinnin siitä, miten kukin kasvi kuluttaa vettä. Astronautit voivat asettaa kosteusrajat, jotta kastelu voidaan automatisoida tarpeidensa mukaan. Ruiskut on kiinnitetty pääkasteloon Luer -lukkoliitännöillä, jotta ne on helppo täyttää. Kasvulevyt itse käyttävät samanlaista yhteysprotokollaa kasteluputkeen, jotta ne voidaan helposti poistaa kuutiosta.

Anturien keräämät tiedot voidaan lukea paikallisesti kannelle kiinnitetyltä 20 x 4 nestekidenäytöltä tai etänä, missä ne kerätään, näytetään ja piirretään järjestelmän integroimalla joko Cayenne- tai Adafruit IO IoT -alustoihin. Arduino lähettää tietonsa Raspberry Pi -laitteeseen USB -kaapelilla, joka sitten siirtyy Internetiin Pi: n WiFi -kortin avulla. Näille alustoille voidaan asettaa hälytyksiä, jotka ilmoittavat astronauteille, kun jokin järjestelmämuuttujistamme on poistunut esiasetetuista kynnysarvoistaan.

Vaihe 4: Vaihe 4: älykäs kansi valaistuksella ja tuulettimen ohjaimella

Kasvukuution kansi toimii koko toiminnan aivona ja tarjoaa kotelon kriittisille kasvaville elementeille. Kannen alapuolelta alaspäin ulottuu 3D -tulostettu LED -kotelo, joka valaisee jokaista kasvavaa seinälevyä ja valaisee pohjassa olevia mikrovihreitä mattoja. Tämä suunniteltiin jälleen Fusion 360: ssa ja tulostettiin MakerBot -laitteellemme. Jokaisessa valokotelossa on 3 LED -nauhaa, jotka on suojattu koveralla tuella. Tämä tuki on hopeoitu LVI -eristysteipillä maksimoidakseen sen heijastavuuden. Johdot kulkevat keskellä onttoa saraketta saadakseen virtaa ja tietoja kannen yläosasta. Tämän kotelon koko valittiin siten, että sen jalanjälki sallii sen ympärillä kasvavien kasvien saavuttaa enintään 8 tuuman korkeuden. Tämän määrän todettiin olevan keskikokoinen kypsä Outredgeous -salaatti, jota kasvatamme pystysuorassa hydroponisessa puutarhassa laboratoriossa. Ne voivat nousta jopa 12 tuumaa korkeiksi, mutta arvelimme, että astronautit laiduntavat näitä kasvaessaan, mikä tekee tästä leikattavan ja palaavan kuution.

Käyttämämme neopikselit ovat yksilöllisesti osoitettavissa, mikä tarkoittaa, että voimme hallita niiden lähettämää värispektriä. Tätä voidaan käyttää muuttamaan valon spektrejä, joita kasvit saavat kasvunsa eri vaiheissa tai lajeittain. Kilvet oli tarkoitettu mahdollistamaan eri valaistusolosuhteet kussakin seinässä tarvittaessa. Ymmärrämme, että tämä ei ole täydellinen asennus ja että käyttämämme valot eivät ole teknisesti kasvavia valoja, mutta mielestämme se oli mukava todiste konseptista.

Kannen yläosassa on kaksi 5 tuuman 12 V: n jäähdytystuuletinta, joita yleensä käytetään tietokoneen tornien lämpötilan säätämiseen. Suunnittelimme sen siten, että toinen työntää ilmaa järjestelmään, kun taas toinen toimii ilmanpoistona. Molemmat on peitetty hienolla verkkokankaalla, jotta roskat eivät pääse ulos astronautin hengitysympäristöön. Puhaltimet sammutetaan, kun jokin oviin kiinnitetyistä magneettisista reed -kytkimistä on auki tahattoman ilman saastumisen estämiseksi. Puhaltimien nopeutta ohjataan PWM: n avulla Raspberry pi: n Motor HAT -laitteella. Tuulettimia voidaan nopeuttaa tai hidastaa ehdollisesti joko lämpötilan tai kosteuden perusteella, joka on syötetty Pi: hen kuution sisältämän DHT22 -anturin avulla. Näitä lukemia voidaan taas tarkastella paikallisesti nestekidenäytöllä tai etänä samalta IoT -kojelaudalta kuin kosteusanturit.

Fotosynteesiä ajatellen halusimme myös ottaa huomioon kasvukuution CO2 -tasot ja yleisen ilmanlaadun. Tätä varten sisällytimme SGP30 -anturin eCO2: n ja kaikkien VOC -yhdisteiden valvontaan. Myös nämä lähetetään nestekidenäyttöihin ja IoT -kojelautaan visualisointia varten.

Näet myös, että ruiskupumppuparimme on asennettu kannen sivulle. Niiden letku on suunnattu alumiinipuristustukikehyksen pystysuoria kanavia pitkin.

Vaihe 5: Ajatuksien ja tulevien iteraatioiden sulkeminen

Suunnittelimme Wolverinen käyttämällä tietoa, jonka olemme saaneet aikamme kasvattaa ruokaa yhdessä. Olemme automatisoineet puutarhaamme useita vuosia, ja tämä oli niin jännittävä tilaisuus soveltaa tätä ainutlaatuiseen suunnittelutehtävään. Ymmärrämme, että suunnittelullamme on vaatimattomia alkuja, mutta odotamme kasvua sen mukana.

Yksi rakennuksen osa, jota emme voineet suorittaa ennen määräaikaa, oli kuvan ottaminen. Yksi opiskelijoistamme on kokeillut Raspberry Pi -kameraa ja OpenCV: tä nähdäkseen, voisimmeko automatisoida kasvien terveyden havaitsemisen koneoppimisen avulla. Halusimme ainakin saada mahdollisuuden nähdä kasvit ilman, että tarvitsisimme avata ovia. Ajatuksena oli sisällyttää pan-kallistusmekanismi, joka voisi pyöriä yläpaneelin alapinnan ympärillä kaapatakseen kuvia jokaisesta kasvavasta seinästä ja tulostaakseen ne sitten Adafruit IO -koontinäyttöön visualisointia varten. Tämä voi tehdä myös todella viileitä aikaviiveitä kasvaville viljelykasveille. Oletamme, että se on vain osa suunnittelusuunnittelua. Aina on tehtävää ja parannettavaa. Kiitos paljon mahdollisuudesta osallistua!