Arduino avtonomno filtrirno plovilo: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

V tem navodilu vam bom pokazal, kako sem zasnoval in izdelal predlagano rešitev za trenutno težavo z rdečimi algami v vodah zalivske obale. Za ta projekt sem želel oblikovati popolnoma avtonomno plovilo na sončno energijo, ki bi lahko plulo po vodnih poteh, z uporabo vgrajenega sistema za naravno filtriranje pa bi lahko odstranilo odvečne hranilne snovi in toksine iz alg dinoflagelatov in karene brevis. Ta zasnova je bila ustvarjena, da pokaže, kako se lahko s tehnologijo pomaga odpraviti nekaj naših trenutnih okoljskih težav. Žal ni dobil nobene nagrade ali mesta na svojem lokalnem znanstvenem sejmu v majhnem mestu, vendar sem vseeno užival v učni izkušnji in upam, da se bo kdo drug naučil nekaj iz mojega projekta.

1. korak: Raziščite

Seveda morate vsakič, ko boste rešili problem, opraviti nekaj raziskav. Za to težavo sem slišal prek spletnega članka, ki me je navdušil za oblikovanje rešitve za to okoljsko težavo. Začel sem z raziskovanjem, v čem je točno težava in kaj jo povzroča. Tukaj je del mojega raziskovalnega prispevka, ki prikazuje, kaj sem odkril med svojim raziskovanjem.

Rdeča plima je vse večji letni problem za vode Floride. Rdeča plima je pogost izraz, ki se uporablja za veliko koncentrirano skupino alg, ki občasno raste zaradi povečanja razpoložljivih hranil. Trenutno se Florida sooča s hitrim povečanjem v velikosti Rdeče plime, ki povzroča vse večjo skrb za varnost vodnih živali na tem območju, pa tudi za vse posameznike, ki bi lahko prišli v stik z njo. Rdečo plimo najpogosteje sestavljajo vrste Dinoflagelati so enocelični protisti, ki proizvajajo toksine, kot so brevetoksini in ihtiotoksini, ki so zelo strupeni za morsko in kopensko življenje, ki pridejo v stik z njimi. Dinoflagelati se hranijo z drugimi protisti v vodi, kot je Chysophyta, najpogostejša oblika netoksičnih alg. Dinoflagelati se razmnožujejo tudi nespolno, zaradi česar se njihovo število hitro poveča, ko n vnese se nekaj hranil.

Glavni vzrok njihovega hitrega povečevanja hrane je vnos velikih količin hranil, ki jih med deževjem sperejo s kmetij in jih iz bližnjih rek in potokov prenesejo na obalo oceana. Zaradi velike odvisnosti od umetnih gnojil v kmetijstvu je količina razpoložljivih hranil na okoliških kmetijskih zemljiščih večja, kot je bila kdaj koli prej. Kadar je v večini vzhodne države deževna nevihta, ta dež izpere veliko teh gnojil iz zgornje zemlje in v okoliške potoke in potoke. Ti potoki se sčasoma zberejo v reke in združijo vsa zbrana hranila v eno veliko skupino, ki jo odvržejo v Mehiški zaliv. Ta velika zbirka hranil ni naraven pojav za prisotna morska življenja, zato ima za posledico nenadzorovano rast alg. Kot glavni vir hrane dinoflagelatov je hitro povečanje alg velik vir hrane za hitro rastočo obliko življenja.

Te velike skupine dinoflagelatov proizvajajo strupene kemikalije, za katere je znano, da uničujejo večino vodnih organizmov, ki pridejo v stik z njimi. Po podatkih WUSF -a, lokalne tiskovne postaje na Floridi, je bilo v razcvetu leta 2018 177 potrjenih smrtnih primerov morske ladje zaradi Rdeče plime, pa tudi 122 smrti, za katere se domneva, da so povezane. Od 6 500 pričakovanih morskih krav v vodah Floride in Portorika je to velik vpliv na preživetje te vrste in to je le vpliv na eno vrsto. Znano je tudi, da Red Tide povzroča težave z dihanjem pri tistih, ki so bili v neposredni bližini katerega od cvetov. Ker Red Tide raste v kanalih po nekaterih mestih na plaži, je to očitna varnostna nevarnost za vsakogar, ki živi v teh skupnostih. Znano je tudi, da toksin Dinophysis, ki ga proizvaja Rdeča plima, pogosto okuži lokalno populacijo školjk, kar povzroči zastrupitev z diaretičnimi školjkami ali DSP pri tistih, ki so jedli okužene školjke. Na srečo ni znano, da je usoden, lahko pa povzroči žrtev težave s prebavo. Vendar pa lahko drugi toksin, ki ga proizvajajo nekatere rdeče plime, Gonyaulax ali Alexandrium, okuži tudi školjke v vodah, onesnaženih s plimovanjem. Uživanje školjk, kontaminiranih s temi toksini, povzroči paralitično zastrupitev z lupinarji ali PSP, kar je v najslabših primerih povzročilo odpoved dihanja in smrt v 12 urah po zaužitju."

2. korak: Moja predlagana rešitev

Citat iz mojega raziskovalnega prispevka

Moja predlagana rešitev je zgraditi popolnoma avtonomno morsko plovilo na sončno energijo, ki ima na krovu sistem za naravno filtriranje mikro delcev. Celoten sistem bodo poganjali vgrajeni sončni kolektorji, poganjala pa ju bosta dva brezkrtačna motorja v kanalih v nastavitvi vektorja potiska. sistem filtracije bo uporabljen za filtriranje odvečnih hranil in dinoflagelatov, ko avtonomno krmari po vodnih poteh. Plovilo bo uporabljeno tudi kot shuttle sistem za lokalno skupnost. Začel sem tako, da sem najprej raziskal problem in kako se je ta problem začel. Naučil sem se, da navale Red Tide so povzročile velike količine hranil, kot je dušik, v lokalnih vodah. Ko sem odkril, kaj povzroča težavo, sem lahko začel razmišljati o rešitvi, ki bi lahko pomagala zmanjšati velikost letnih Rdečih plimovanj.

Moja ideja je bila plovilo, ki je po velikosti in obliki podobno pontonskemu čolnu. To plovilo bi imelo skimmer med dvema pontonoma, ki bi vodilo prihajajočo vodo skozi mrežasti filter za odstranjevanje velikih delcev, nato pa skozi prepustni membranski filter, ki bi odstranil prisotne dušikove mikro delce. Filtrirana voda bi nato tekla skozi zadnjo stran čolna skozi nasprotni skimmer. Želel sem tudi, da bi bilo to plovilo popolnoma električno, zato bi bilo tiho in tudi varnejše, z manjšo možnostjo iztekanja kakršnih koli strupenih tekočin v okoliške vode. Na posodi bi bilo več sončnih kolektorjev in regulator polnjenja z litij -ionskim paketom za shranjevanje odvečne energije za kasnejšo uporabo. Moj zadnji cilj je bil oblikovati plovilo tako, da bi ga lahko uporabljali za javni prevoz za lokalno skupnost. Ob upoštevanju vseh teh oblikovalskih odločitev sem začel skicirati več idej na papirju, da bi poskušal odpraviti morebitne težave."

3. korak: oblikovanje

Ko sem opravil raziskavo, sem imel veliko boljšo predstavo o težavi in o njenem vzroku. Nato sem se preselil k razmišljanju in oblikovanju. Več dni sem razmišljal o različnih načinih za rešitev tega problema. Ko sem imel nekaj spodobnih idej, sem jih narisal na papir, da bi poskusil odpraviti nekaj pomanjkljivosti oblikovanja, preden sem se preselil v CAD. Po nekaj dneh skiciranja sem ustvaril seznam delov, ki sem jih želel uporabiti za oblikovanje. Vse zaslužke na znanstvenem sejmu prejšnjih let in nekaj več sem porabil za nakup delov in žarilne nitke, ki sem jih potreboval za izdelavo prototipa. Na koncu sem uporabil Node MCU za mikro krmilnik, dva 18V solarna panela za predlagane vire energije, dva ultrazvočna senzorja za avtonomne funkcije, 5 foto -uporov za določanje zunanje osvetlitve, nekaj 12V belih LED trakov za notranjo razsvetljavo, 2 RGB LED trakovi za usmerjeno razsvetljavo, 3 releji za krmiljenje LED in brezkrtačnega motorja, 12V brezkrtačni motor in ESC, 12V napajalnik za napajanje prototipa in več drugih majhnih delov.

Ko je večina delov prispela, sem se lotil dela 3D modela. Za oblikovanje vseh delov tega čolna sem uporabil Fusion 360. Začel sem z oblikovanjem trupa čolna, nato pa sem šel navzgor in oblikoval vsak del. Ko sem oblikoval večino delov, sem jih vse sestavil v sklop in se prepričal, da se bodo po izdelavi prilegali skupaj. Po nekaj dneh oblikovanja in prilagajanja je bil končno čas za tiskanje. Trup sem natisnil v treh različnih delih na Prusa Mk3s in natisnil sončne nosilce in pokrove trupa na CR10. Po več dneh smo vse dele končali s tiskanjem in končno sem jih lahko začel sestavljati. Spodaj je še en del mojega raziskovalnega prispevka, kjer govorim o oblikovanju čolna.

Ko sem imel dobro predstavo o končni zasnovi, sem prešel na računalniško podprto oblikovanje ali CAD, kar je postopek, ki ga je danes mogoče izvesti s številnimi razpoložljivimi programi. S programsko opremo Fusion 360 sem oblikoval dele, ki bi jih potreboval izdelavo za svoj prototip. Vse dele za ta projekt sem najprej oblikoval, nato pa jih sestavil v navideznem okolju, da bi poskušal odpraviti morebitne težave, preden sem začel tiskati dele. Ko sem dokončno sestavil 3D, sem se preselil pri načrtovanju električnih sistemov, ki so potrebni za ta prototip. Želel sem, da je moj prototip mogoče upravljati s pomočjo aplikacije, izdelane po meri na mojem pametnem telefonu. Za prvi del sem izbral mikrokrmilnik Node MCU. Node MCU je mikrokrmilnik, zgrajen okoli priljubljenega ESP8266 Wifi čip. Ta plošča mi omogoča priključitev zunanjih vhodnih in izhodnih naprav, ki jih je mogoče upravljati na daljavo prek vmesnika Wifi. Ko sem našel glavni krmilnik za mojo zasnovo, sem se odločil, kaj drugega Za električni sistem bi bili potrebni rts. Za napajanje posode sem izbral dve osemnajst -voltni solarni plošči, ki bi bili pozneje povezani vzporedno, da bi zagotovili izhod osemnajst voltov skupaj z dvojnim tokom posamezne sončne celice zaradi vzporednega ožičenja. Izhod iz sončnih kolektorjev gre v krmilnik polnjenja. Ta naprava vzame nihajočo izhodno napetost iz sončnih kolektorjev in jo zgladi na bolj stalen izhod dvanajst voltov. Ta nato gre v sistem za upravljanje baterij ali BMS za polnjenje 6, 18650 lipo celic, povezanih z dvema nizoma treh celic, vzporedno ožičenih, nato serijsko. Ta konfiguracija združuje 4,2 -voltno zmogljivost 18650 v 12,6 -voltni paket s tremi celicami. Z ožičenjem treh treh celic, vzporednih s prejšnjim paketom, se skupna zmogljivost podvoji in dobimo 12,6 -voltno baterijo s kapaciteto 6 500 mAh.

Ta akumulatorska baterija lahko oddaja dvanajst voltov za razsvetljavo in brezkrtačne motorje. Uporabil sem stopalko navzdol, da ustvarim izhod pet voltov za nizkoenergetski niz elektronike. Nato sem uporabil tri releje, enega za vklop in izklop notranjih luči, enega za spreminjanje barve zunanjih luči, drugega pa za vklop in izklop brezkrtačnega motorja. Za merjenje razdalje sem uporabil dva ultrazvočna senzorja, enega spredaj in enega zadaj. Vsak senzor pošlje ultrazvočni impulz in lahko prebere, kako dolgo traja, da se ta impulz vrne. Na podlagi tega lahko ugotovimo, kako daleč je predmet pred plovilom, tako da izračunamo zamudo pri povratnem signalu. Na vrhu posode sem imel pet foto -uporov, ki so določali količino svetlobe na nebu. Ti senzorji spremenijo svoj upor glede na količino svetlobe. Iz teh podatkov lahko uporabimo preprosto kodo za povprečenje vseh vrednosti, in ko senzorji odčitajo povprečno vrednost šibke svetlobe, se vklopijo notranje luči. Ko sem ugotovil, kakšno elektroniko bom uporabil, sem začel s 3D tiskanjem delov, ki sem jih prej oblikoval. Trup čolna sem natisnil v treh kosih, da se je lahko spravil na moj glavni tiskalnik. Medtem ko so tiskali, sem prešel na tiskanje sončnih nosilcev in krovov na drugem tiskalniku. Tiskanje vsakega dela je trajalo približno en dan, zato je bilo na voljo približno 10 dni naravnega 3D tiskanja, da sem dobil vse potrebne dele. Ko so vsi končali s tiskanjem, sem jih sestavil na manjše dele. Nato sem namestil elektroniko, kot so sončne celice in LED. Ko je bila elektronika nameščena, sem jih vse ožičil in dokončal sestavljanje tiskanih delov. Nato sem se lotil oblikovanja stojala za prototip. To stojalo je bilo oblikovano tudi v CAD -u, kasneje pa je bilo izrezano iz lesa MDF na mojem CNC stroju. S CNC -jem sem lahko izrezal potrebne reže na sprednji plošči za pritrditev elektronike zaves. Nato sem prototip namestil na podlago in fizična montaža je bila končana. Zdaj, ko je bil prototip v celoti sestavljen, sem začel delati na kodi za NodeMCU. Ta koda se uporablja, da pove NodeMCU, kateri deli so priključeni na katere vhodne in izhodne nožice. Prav tako deski pove, s katerim strežnikom naj se obrne in s katerim omrežjem Wifi se poveže. S to kodo sem nato lahko z aplikacijo upravljal nekatere dele prototipa iz telefona. To je na nek način podobno temu, kako bi končna zasnova lahko stopila v stik z glavno priklopno postajo, da bi prejela koordinate za naslednjo postajo, pa tudi druge informacije, na primer, kje so druga plovila in pričakovano vreme za ta dan."

4. korak: Montaža (končno !!)

V redu, zdaj smo pri mojem najljubšem delu, sestavi. Všeč mi je graditi stvari, tako da sem končno uspel sestaviti vse dele in videti končne rezultate. Začel sem tako, da sem sestavil vse natisnjene dele in jih super zlepil. Nato sem namestil elektroniko, kot so luči in sončne celice. Na tej točki sem spoznal, da v to stvar ne bom mogel vgraditi vse svoje elektronike. Takrat sem dobil idejo, da bi CNC postavil stojalo za čoln, da bi bilo videti nekoliko bolje in mi omogočilo, da skrijem vso elektroniko. Stojalo sem oblikoval v CAD -u, nato pa ga izrezal na svojem Bobs CNC E3 v 13 mm MDF. Nato sem ga privijal in mu dal plast črne razpršilne barve. Zdaj, ko sem imel prostor za vso svojo elektroniko, sem nadaljeval z ožičenjem. Vse sem povezal in namestil Node MCU (precej Arduino Nano z vgrajenim WiFi) in poskrbel, da se je vse vklopilo. Po tem sem sestavo zaključil in celo uporabil svoj šolski laserski rezalnik za izrezovanje varnostnih ograj z nekaj kul gravurami, še enkrat hvala Mr. Z! Zdaj, ko smo imeli končan fizični prototip, je bil čas, da dodamo nekaj čarovnije s kodiranjem.

5. korak: Kodiranje (AKA trdi del)

Za kodiranje sem uporabil Arduino IDE za pisanje precej preproste kode. Osnovno skico Blynk sem uporabil kot začetnik, tako da bom pozneje lahko nadzoroval nekatere dele iz aplikacije Blynk. Ogledal sem si veliko videoposnetkov v YouTubu in prebral veliko forumov, da bi ta stvar delovala. Na koncu nisem mogel ugotoviti, kako upravljati brezkrtačni motor, ampak vse ostalo je delovalo. V aplikaciji lahko preklopite smer plovila, ki bi spremenilo barve rdeče/zelene LED diode, vklopila/izklopila notranje luči in prejela podatke v živo iz enega od ultrazvočnih senzorjev na sprednji strani zaslona. Na tem delu sem vsekakor popustil in na kodi nisem naredil skoraj toliko, kot sem hotel, vendar je vseeno na koncu postala čedna funkcija.

6. korak: Končni izdelek

Je narejeno! Vse sem sestavil in delal komaj pred datumi znanstvenega sejma. (Stereotipni odlaševalec) Bil sem precej ponosen na končni izdelek in komaj sem čakal, da ga delim s sodniki. Nimam kaj drugega za povedati, zato bom pustil mimo sebe, da to bolje razložim. Tukaj je zaključni del mojega raziskovalnega prispevka.

Ko bodo plovila in priklopne postaje ustvarjeni, je rešitev v teku. Vsako jutro bi plovila začela svoje poti po vodnih poteh. Nekatera bi lahko šla skozi kanale v mestih, druga pa po močvirnih deželah ali oceanskih poteh. Medtem ko plovilo gre skozi svojo pot, filtrirni skimmer bo spuščen, kar bo omogočilo, da filtri začnejo delo. Skimmer bo usmeril plavajoče alge in naplavine v filtrirni kanal. Ko je notri, vodo najprej speljemo skozi mrežasti filter, da odstranimo večje delce in umazanijo iz vode. Odstranjeni material ostane tam, dokler se komora ne napolni. Ko voda preide skozi prvi filter, gre nato skozi prepustni membranski filter. Ta filter uporablja majhne, prepustne luknje, ki omogočajo le skozi vodo prepuščajo neprepustne materiale. Ta filter se uporablja za odstranjevanje neprepustnega materiala gnojila in odvečnih hranil iz rastlin alg. Filtrirana voda r nato priteče iz zadnjega dela čolna nazaj v vodno pot, kjer plovilo filtrira.

Ko plovilo doseže določeno priklopno postajo, potegne v privez. Ko sta popolnoma priklopljeni, se bosta na strani čolna pritrdili dve roki, ki ju bosta trdno držali. Nato se izpod čolna samodejno dvigne cev in se pritrdi na vsako pristanišče za odlaganje odpadkov. Ko je pritrjen, se odprejo vrata in vklopi se črpalka, ki sesa zbrani material iz čolna v priklopno postajo. Medtem ko se vse to dogaja, se bodo potniki lahko vkrcali na plovilo in našli svoje sedeže. Ko bodo vsi na krovu in bodo izpraznjeni zabojniki za odpadke, bodo plovilo izpustili s postaje in začeli po drugi poti. Ko so odpadki prečrpani v priklopno postajo, jih bomo ponovno presejali, da odstranimo velike naplavine, kot so palice ali smeti. Odstranjeni ostanki bodo shranjeni v posodah za kasnejšo reciklažo. Preostale presejane alge bodo odpeljane v osrednjo priklopno postajo za predelavo. Ko vsaka manjša priklopna postaja napolni svoje skladišče alg, bo prišel delavec, ki bo alge prevažal do glavne postaje, kjer bodo predelane v biodizel. Ta biodizel je obnovljiv vir goriva in tudi donosen način recikliranja zbranih hranil.

Ker čolni še naprej filtrirajo vodo, se bo vsebnost hranil zmanjšala. To zmanjšanje prevelike količine hranilnih snovi bo vsako leto povzročilo manjše cvetenje. Ker se raven hranil še naprej znižuje, se bo kakovost vode temeljito spremljala, da se zagotovi, da hranila ostanejo na stalni in zdravi ravni, ki je potrebna za uspešno okolje. V zimskih časih, ko odtok gnojila ni tako močan kot spomladi in poleti, bodo čolni lahko nadzorovali količino vode, ki se filtrira, da zagotovijo vedno zdravo količino razpoložljivih hranil. Ko čolni tečejo po poteh, bo zbranih vedno več podatkov za učinkovitejšo določitev virov odtekanja gnojil in kdaj se je treba pripraviti na višjo raven hranil. Z uporabo teh podatkov je mogoče ustvariti učinkovit urnik za pripravo na nihanja, ki jih povzročajo kmetijske sezone."