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

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Smo srednja šola West Hollow iz Long Islanda, NY. Smo ambiciozni inženirji, ki se enkrat tedensko srečujemo v klubu Hack the Hollow, v katerem oblikujemo, kodiramo in gradimo številne ustvarjalne projekte. Vse projekte, na katerih delamo, si lahko ogledate TUKAJ. Naš glavni cilj je bil preučiti prihodnost živilske in okoljske robotike. Z učiteljem gospodom Reginijem smo zadaj v našem naravoslovnem laboratoriju sestavili in vzdrževali avtomatizirano vertikalno hidroponično kmetijo. Zadnji dve leti smo sodelovali tudi v programu GBE. Vemo, da je ta izziv zahteval srednješolce, vendar smo bili preveč navdušeni, da smo čakali še dve leti, da vam predstavimo Wolverine, poimenovano po naši šolski maskoti. To je tisto, kar počnemo!

V tem projektu boste našli veliko stvari, ki jih radi uporabljamo, vključno z Arduinom, Raspberry Pi in vsemi elektronskimi dobrotami, ki so priložene. Uživali smo tudi v uporabi Fusion 360 kot napredka pri TinkerCadu za oblikovanje kocke. Ta projekt je bil odlična priložnost za rezanje zob na nekaterih novih platformah proizvajalcev. Razdeljeni smo bili v oblikovalske ekipe, ki so se morale osredotočiti na en vidik rastne kocke. Razčlenili smo ga na okvir, pokrov in osnovno ploščo, osvetlitev, rastoče stene, vodo, ventilatorje in okoljske senzorje. Na seznamu zalog smo dali povezave do vseh materialov, ki jih uporabljamo, če potrebujete pomoč pri vizualizaciji delov, ki so obravnavani v naslednjih korakih. Upamo, da boste uživali!

Zaloge

Okvir:

• 1 "80/20 aluminijaste ekstruzije
• Tee matice
• Podporni nosilci
• Tečaji
• Spoji jadralnih letal, združljivi s T-kanali
• T-kanalni vodili za cevi in žice
• Magneti, ki držijo vrata zaprta
• 3 x magnetna trstična stikala

Rast stene:

• Farm Tech nizkoprofilni kanali NFT
• Pokrovi kanalov NFT
• Valovite plastične plošče
• Magneti za pritrditev odstranljivih kanalov

Pokrov:

• Valovita plastična pločevina
• LED natisnjena LED svetilka (Fusion 360)
• Plastična stojala in strojna oprema za elektroniko

Osvetlitev:

• Naslovljivi neopixel trakovi iz Adafruit (60LED/m)
• Konektorji Neopixel
• Neopixel posnetki
• 330uF, 35V ločilni kondenzator
• 1K ohmski upor
• Posrebreni trak iz aluminijaste folije HVAC
• Pretvornik dolarjev

Voda: (Naša najljubša lastnost):

• 2 x Nema 17 koračnih motorjev
• Adapruit Stepper Shield za Arduino
• 3D natisnjena črpalka z linearnim pogonom z brizgo (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml brizge
• Cevi s priključki Luer lock in tee/komolci
• 2 x 300 mm x 8 mm vodila in matice T8
• 2 x leteča spojka
• 2 x bloki za vzglavnike
• 4 x 300 mm x 8 mm vodila gredi za linearno gibanje
• 4 x 8 mm linearni ležaji LM8UU
• 4 x DF Robot kapacitivno odporni senzorji vlage za nadzor tal in krmiljenje črpalk za brizge

Kroženje zraka:

• 2 x 5 "12V ventilatorji
• 5 "pokrovi filtrov ventilatorja
• 2 x TIP120 Darlingtonovi tranzistorji in hladilniki
• 12V napajanje
• Priključni adapter za vtičnico za pritrditev na ploščo
• 2 x 1K ohmski upori
• 2 x povratne diode
• 2 x 330uF, 35V elektrolitski ločilni kondenzatorji
• Senzor temperature in vlažnosti DHT22 z uporom 4,7K ohma

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• 8 GB SD kartica
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto plošča
• 2 x 20x4 i2C LCD -ji
• Povezane žice 22AWG
• Komplet priključkov Dupont
• Senzor kakovosti zraka Adafruit SGP30 z eCO2

Orodja:

• Spajkalnik
• Komplet za spajkanje
• Roke za pomoč
• Orodja za stiskanje in odstranjevanje žic
• Izvijači
• Kava (za g. Reginija)

1. korak: 1. korak: Konstrukcija okvirja

Okvir bo izdelan z lahkimi 1 80/20 t aluminijastimi ekstruzijami v kanalih. Držal ga bo skupaj z aluminijastimi komolčnimi spoji in t maticami. Poleg tega, da bodo zmanjšali težo, bodo kanali služili kot vodilne poti za našo vodo linije in ožičenje.

Kocka bo počivala na nizu tirnic, opremljenih z drsnimi spoji, ki bodo omogočile, da se kocka izvleče iz stene, da razkrije ne le njeno sprednjo stran, ampak tudi obe strani. Navdih za to je prišel od enega od naših študentov, ki je razmišljal o stojalu za začimbe v svojih kuhinjskih omarah doma.

S preprostimi tečaji bodo spredaj in ob straneh vrata, ki se lahko odprejo, ko kocko izvlečete na tirnice. Ko so zaprti, jih držijo magneti. Vseh 6 plošč te kocke je odstranljivo, saj vse ploskve držijo tudi magneti. Namen te izbire zasnove je bil omogočiti enostaven dostop do vseh površin za sejanje, vzdrževanje rastlin, zbiranje podatkov, žetev in čiščenje/popravila.

V naslednjem koraku si lahko ogledate našo zasnovo plošč.

2. korak: 2. korak: izgradnja rastočih sten

Prvi element, na katerega smo pomislili, so bili materiali, ki so bili uporabljeni za same stene. Vedeli smo, da morajo biti lahki, vendar dovolj močni, da podpirajo rastline. Bela valovita plastika je bila izbrana pred prozornim akrilom, čeprav so nam bile všeč slike V. E. G. G. I. E, kjer smo lahko videli rastline v notranjosti. Razlog za to odločitev je bil, ker bi večino pogleda ovirali rastlinski kanali, zato smo želeli odbiti čim več svetlobe naših LED. Ta logika je prišla iz pregleda enote, ki smo jo poslali kot del našega sodelovanja GBE. Kot je navedeno v prejšnjem koraku, so te plošče pritrjene na aluminijast okvir z magneti, zato jih je mogoče enostavno odstraniti.

Na te plošče so pritrjeni trije kanali nizko profilnih NFT rastočih tirnic, ki jih uporabljamo v našem laboratoriju za hidroponiko. Ta izbira nam je všeč, ker so izdelane iz tankega PVC -ja s pokrovi, ki zlahka zdrsnejo za vsaditev rastočih blazin. Vsi gojijoči se mediji bodo vsebovali v posebej oblikovanih blazinah, za katere smo videli, da se že uporabljajo na ISS, ko beremo ta člen. Vse obloge med tirnicami bodo prevlečene s posrebrenim izolacijskim trakom HVAC za spodbujanje odbojnosti svetilk.

Naše odprtine so 1 3/4 in razmaknjene 6 centimetrov na sredini. To omogoča 9 mest za sajenje na vsaki od štirih plošč kocke, kar daje skupaj 36 rastlin. Poskušali smo ohraniti ta razmik v skladu s tistim, kar smo imeli rdeče o Outredgeous solatah. Kanali so izrezani z režami, da sprejmejo naše senzorje vlage, ki bodo spremljali vlažnost tal in zahtevali vodo iz črpalk za brizgo. Hidratacija se bo razdelila na vsako posamezno rastlinsko blazino skozi razdelilnik za zalivanje medicinskih cevi, pritrjen na te črpalke. Ta metoda zalivanja na osnovi brizg je nekaj, kar smo raziskali kot najboljšo prakso tako za natančno zalivanje kot tudi za premagovanje izzivov okolja z ničelno/mikro gravitacijo. Zanašali se bomo na kapilarnost, ki bo pomagala razpršiti vodo po rastnem mediju.

Nazadnje smo želeli najti način, kako uporabiti osnovno ploščo. Na spodnji strani smo ustvarili majhno ustnico, ki bi sprejela rastno preprogo za gojenje mikro zelenja. Znano je, da imajo mikro zelenice skoraj 40 -krat več vitalnih hranil kot njihovi zreli kolegi. To bi se lahko izkazalo za zelo koristno za prehrano astronavtov. To je en članek, ki so ga naši študenti našli o hranilni vrednosti mikro zelenjave.

3. korak: 3. korak: zalivanje rastlin

V prejšnjem koraku smo se sklicevali na naše brizgalne črpalke z linearnim aktuatorjem. To je daleč naš najljubši del te zgradbe. Koračni motorji NEMA 17 bodo poganjali linearne pogone, ki bodo pritisnili bat dveh brizg 100cc-300cc na pokrovu rastoče kocke. Po ogledu nekaterih odličnih odprtokodnih projektov na Hackadayu smo z uporabo Fusion 360 zasnovali ohišja motorjev, gonilnik bata in vodilno tirnico. Temu vodiču smo sledili na neverjetni spletni strani Adafruit, da bi se naučili voziti motorje.

Želeli smo najti način, kako osvoboditi astronavte naloge zalivanja. Steperji se aktivirajo, ko rastline v sistemu zahtevajo svojo vodo. 4 kapacitivni senzorji vlage so priključeni v rastlinske blazine na različnih lokacijah po rastni kocki. Vsako sadilno mesto v sistemu ima režo za sprejem teh senzorjev, ki so brušeni v njihove rastne kanale. To omogoča, da astronavti izberejo in občasno spreminjajo postavitev teh senzorjev. Poleg povečanja učinkovitosti porazdelitve vode v sistemu bo omogočilo vizualizacijo, kako vsaka rastlina porabi svojo vodo. Mejne vrednosti vlage lahko določijo astronavti, tako da je mogoče zalivanje avtomatizirati glede na njihove potrebe. Brizge so pritrjene na glavni zalivalni razdelilnik s priključki Luer lock za enostavno polnjenje. Rastne plošče same uporabljajo podoben protokol povezave z razdelilnikom, tako da jih je mogoče enostavno odstraniti iz kocke.

Podatke, ki jih zbirajo senzorji, lahko lokalno beremo na LCD -zaslonu velikosti 20x4, pritrjenem na pokrov, ali na daljavo, kjer jih zberemo, prikažemo in prikažemo z integracijo sistema s platformami Cayenne ali Adafruit IO IoT. Arduino svoje podatke pošlje na vgrajeno Raspberry Pi s kablom USB, ki se nato odpravi v internet s Pi -jevo kartico WiFi. Na teh platformah lahko nastavite opozorila za obveščanje astronavtov, ko katera od naših sistemskih spremenljivk zapusti prednastavljene mejne vrednosti.

Korak 4: Korak 4: Pametni pokrov z osvetlitvijo in krmiljenjem ventilatorja

Pokrov naše rastne kocke deluje kot možgani celotne operacije in zagotavlja ohišja za kritične rastne elemente. Od spodnje strani pokrova se razteza navzdol 3D ohišje LED, ki zagotavlja svetlobo za vsako od stenskih plošč, ki rastejo, in od zgoraj osvetljuje podlogo iz mikro zelenice na dnu. To je bilo spet oblikovano v Fusion 360 in natisnjeno na našem MakerBotu. Vsak odsek za svetlobo vsebuje 3 LED trakove, ki so zaščiteni z vbočenim nosilcem. Ta podpora je posrebrena z izolacijskim trakom HVAC, da se poveča njena odbojnost. Ožičenje potuje navzgor po osrednjem votlem stolpcu za dostop do energije in podatkov na vrhu pokrova. Velikost tega ohišja je bila izbrana tako, da ima odtis, ki bi rastlinam, ki rastejo okoli njega, omogočil največjo višino 8 palcev. Ugotovljeno je bilo, da je to število povprečna višina zrelih Outredgeous solat, ki jih gojimo v vertikalnih hidroponskih vrtovih v našem laboratoriju. Lahko dosežejo do 12 centimetrov v višino, vendar smo mislili, da se bodo astronavti na njih pasli, ko bodo rasli, zaradi česar bo to rezalna kocka.

Neopiksli, ki jih uporabljamo, so individualno naslovljivi, kar pomeni, da lahko nadzorujemo barvni spekter, ki ga oddajajo. To lahko uporabimo za spreminjanje spektrov svetlobe, ki jih rastline prejemajo v različnih fazah rasti ali od vrste do vrste. Ščitniki naj bi po potrebi omogočali različne svetlobne pogoje na vsaki steni. Zavedamo se, da to ni popolna nastavitev in da luči, ki jih uporabljamo, niso tehnično rastoče luči, vendar se nam je zdelo, da je to lep dokaz koncepta.

Na vrhu pokrova sta dva 5 -palčna 12V hladilna ventilatorja, ki se običajno uporabljajo za nadzor temperature računalniških stolpov. Zasnovali smo ga tako, da eden potisne zrak v sistem, drugi pa deluje kot odvod zraka. Oba sta prekrita z mrežico iz fine mreže, da se prepreči, da bi se umazanija izvlekla v dihalno okolje astronavta. Ventilatorji se izklopijo, ko je odprto katero od magnetnih stikal, pritrjenih na vrata, da se prepreči nenamerna kontaminacija zraka. Hitrost ventilatorjev se nadzoruje prek PWM z uporabo Motor HAT na Raspberry pi. Ventilatorje lahko pogojno pospešimo ali upočasnimo glede na vrednosti temperature ali vlažnosti, ki jih v Pi vnese vgrajen senzor DHT22 znotraj kocke. Te odčitke si lahko znova ogledate lokalno na LCD -ju ali na daljavo na isti nadzorni plošči IoT kot senzorji vlage.

Pri razmišljanju o fotosintezi smo želeli upoštevati tudi raven CO2 in splošno kakovost zraka v rastni kocki. V ta namen smo vključili senzor SGP30 za spremljanje eCO2 in celotnih HOS. Tudi ti so poslani na LCD -je in nadzorno ploščo IoT za vizualizacijo.

Videli boste tudi, da je naš par brizgalnih črpalk nameščen ob strani pokrova. Njihove cevi so usmerjene navzdol po navpičnih kanalih nosilnega okvirja za ekstrudiranje aluminija.

5. korak: Zapiranje misli in prihodnje interakcije

Wolverine smo oblikovali z uporabo znanja, ki smo ga pridobili v času skupne pridelave hrane. Že nekaj let avtomatiziramo naše vrtove in to je bila tako vznemirljiva priložnost, da to uporabimo za edinstveno inženirsko nalogo. Zavedamo se, da ima naš dizajn skromne začetke, vendar se veselimo rasti skupaj z njim.

Eden od vidikov gradnje, ki ga nismo mogli dokončati pred rokom, je bil zajem slike. Eden od naših študentov je eksperimentiral s kamero Raspberry Pi in OpenCV, da bi ugotovil, ali lahko avtomatiziramo odkrivanje zdravja rastlin s strojnim učenjem. Vsaj želeli smo imeti možnost videti rastline, ne da bi morali odpreti vrata. Zamisel je bila vključiti mehanizem nagiba, ki se lahko vrti okoli spodnje strani zgornje plošče, da zajame slike vsake rastoče stene in jih nato natisne na nadzorno ploščo Adafruit IO za vizualizacijo. To bi lahko povzročilo tudi nekaj zelo kul časovnih zamikov rastočih pridelkov. Predvidevamo, da je to le del procesa inženirskega oblikovanja. Vedno bo treba delati in izboljšati. Najlepša hvala za priložnost sodelovanja!