Arduino autonomno posuda za filtriranje: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

U ovom Instructableu ću vam pokazati kako sam dizajnirao i napravio svoje predloženo rješenje za trenutni problem crvenih algi u vodama obale Meksičkog zaljeva. Za ovaj projekt želio sam dizajnirati potpuno autonomnu letjelicu sa solarnim pogonom koja bi mogla ploviti plovnim putevima, a pomoću ugrađenog prirodnog sistema za filtriranje mogao bi filtrirati višak hranjivih tvari i toksina iz algi dinoflagelata i Karene Brevis. Ovaj dizajn je stvoren kako bi pokazao kako se tehnologija može koristiti za rješavanje nekih naših trenutnih ekoloških problema. Nažalost, nije osvojio nagrade niti mjesto na mojem lokalnom sajmu znanosti u malom gradu, ali ipak sam uživao u iskustvu učenja i nadam se da će netko drugi naučiti nešto iz mog projekta.

Korak 1: Istraživanje

Naravno, kad god ćete rješavati problem, morate napraviti malo istraživanja. Čuo sam za ovaj problem putem novinskog članka na internetu i to me je zainteresiralo za dizajniranje rješenja za taj ekološki problem. Počeo sam s istraživanjem u čemu je točno problem i što ga uzrokuje. Evo dijela mog istraživačkog rada koji prikazuje ono što sam otkrio tokom svog istraživanja.

Crvena plima je rastući godišnji problem za vode Floride. Crvena plima je uobičajen izraz koji se koristi za veliku, koncentriranu grupu algi koja sporadično raste zbog povećanja dostupnih hranjivih tvari. Trenutno se Florida suočava s brzim porastom u veličini Crvene plime, što izaziva sve veću zabrinutost za sigurnost vodenih životinja u tom području, kao i svih pojedinaca koji bi mogli doći u dodir s njom. Crvenu plimu najčešće čine vrste alge poznate kao dinoflagelati. Dinoflagelati su jednostanični protisti koji proizvode toksine poput brevetoksina i ihtiotoksina, koji su vrlo otrovni za morski i kopneni život koji dolaze u dodir s njima. Dinoflagelati se razmnožavaju aseksualno mitozom, cijepanjem ćelije stvarajući točnu kopiju. Dinoflagelati se hrane drugim protistima u vodi, poput Chysophyta, najčešćeg oblika netoksičnih algi. Dinoflagelati se također razmnožavaju aseksualno uzrokujući da njihov broj brzo raste kada n unose se nove hranjive tvari.

Glavni uzrok njihovog brzog povećanja hrane je unošenje velikih količina hranjivih tvari koje se ispiru s farmi za vrijeme oluja i prenose na obale oceana iz obližnjih rijeka i potoka. Zbog velikog oslanjanja na umjetna gnojiva u poljoprivredi, količina dostupnih hranjivih tvari u okolnim poljoprivrednim zemljištima veća je nego što je ikada bila. Kad god ima kiše u većini dijelova istočne zemlje, ta kiša ispire mnogo tog gnojiva iz gornjeg dijela tla u okolne potoke i potoke. Ti se potoci na kraju sakupljaju u rijeke kombinirajući sve svoje prikupljene hranjive tvari u jednu veliku skupinu koja se baca u Meksički zaljev. Ova velika zbirka hranjivih tvari nije prirodna pojava za prisutne morske živote, zbog čega rezultira nekontroliranim rastom algi. Kao glavni izvor hrane dinoflagelata, brzo povećanje algi pruža veliki izvor hrane za brzo rastući oblik života.

Ove velike grupe dinoflagelata proizvode otrovne kemikalije za koje je poznato da ubijaju većinu vodenih organizama koji dolaze u dodir s njima. Prema WUSF -u, lokalnoj informativnoj stanici na Floridi, u procvatu 2018. bilo je 177 potvrđenih smrti morskih krava iz Crvene plime, kao i još 122 smrti za koje se sumnjalo da su povezane. Od 6 500 očekivanih morskih krava u vodama Floride i Portorika, ovo ima veliki utjecaj na opstanak ove vrste, a to je samo utjecaj na jednu vrstu. Poznato je da Red Tide izaziva respiratorne probleme kod onih koji su bili u neposrednoj blizini bilo kojeg cvjetanja. Budući da Red Tide raste u kanalima u nekim mjestima na plaži, ovo je očigledan sigurnosni rizik za svakoga ko živi u tim zajednicama. Toksin Dinophysis, koji proizvodi Red Tides, također je poznat po tome što obično inficira lokalnu populaciju školjaka što dovodi do trovanja dijaretičnim školjkama ili DSP -a kod onih koji su jeli zaražene školjke. Srećom, nije poznato da je smrtonosna, ali može rezultirati probavnim problemima za žrtvu. Međutim, drugi toksin koji proizvode neke crvene plime, Gonyaulax ili Alexandrium, također može zaraziti školjke u vodama zagađenim plimom i osekom. Konzumiranje školjki kontaminiranih ovim otrovima uzrokuje paralitičko trovanje školjkama ili PSP, što je u najgorim slučajevima dovelo do zatajenja disanja i smrti u roku od 12 sati od gutanja."

Korak 2: Moje predloženo rješenje

Citat iz mog istraživačkog rada

Moje predloženo rješenje je izgradnja potpuno autonomnog pomorskog plovila na solarni pogon koji ima ugrađen sistem za prirodnu filtraciju mikro čestica. Cijeli sistem će se napajati iz ugrađenih solarnih panela, a pokretat će ga dva motora bez četkica, sa ventilatorom u postavci vektora potiska. sistem filtracije će se koristiti za filtriranje viška hranjivih tvari i dinoflagelata dok samostalno plovi plovnim putevima. Plovilo će se koristiti i kao shuttle sistem za lokalnu zajednicu. Počeo sam tako što sam prvo istražio problem i kako je ovaj problem počeo. Naučio sam da naleti Crvene plime uzrokovani su velikim količinama hranjivih tvari, poput dušika, u lokalnim vodama. Jednom kad sam otkrio što uzrokuje problem, mogao sam započeti brainstorming rješenje koje bi moglo pomoći u smanjenju veličine godišnje Crvene plime i oseke.

Moja ideja je bila plovilo slične veličine i oblika kao pontonski čamac. Ova posuda bi imala skimmer između dva pontona koji bi vodio nadolazeću vodu kroz mrežasti filter za uklanjanje velikih čestica, a zatim kroz propusni membranski filter koji bi uklanjao prisutne mikro čestice dušika. Filtrirana voda tada bi istjecala sa stražnje strane čamca kroz suprotni skimmer. Također sam želio da ovo plovilo bude potpuno električno, kako bi bilo tiho, ali i sigurnije, s manjom šansom za istjecanje otrovnih tekućina u okolne vode. Na posudi bi bilo nekoliko solarnih panela, kao i kontroler punjenja s litij -ionskim pakiranjem za spremanje viška energije za kasniju upotrebu. Moj posljednji cilj je bio dizajnirati plovilo na način da se može koristiti za javni prijevoz za lokalnu zajednicu. Imajući na umu sve ove dizajnerske odluke, počeo sam skicirati nekoliko ideja na papiru kako bih pokušao riješiti sve potencijalne probleme."

Korak 3: Projektovanje

Jednom kad sam istražio način, imao sam mnogo bolju predodžbu o problemu i o tome što ga uzrokuje. Zatim sam prešao na brainstorming i dizajniranje. Nekoliko sam dana razmišljao o mnogo različitih načina za rješavanje ovog problema. Kad sam imao neke pristojne ideje, prešao sam na skiciranje na papiru kako bih pokušao otkloniti neke nedostatke u dizajnu prije nego što sam prešao u CAD. Nakon još nekoliko dana skiciranja, napravio sam popis dijelova koje sam želio koristiti za dizajn. Iskoristio sam sve svoje nagrade od prošlogodišnjeg sajma nauke, plus nešto više za kupovinu delova i filamenta koji su mi bili potrebni za izradu prototipa. Na kraju sam koristio Node MCU za mikro kontroler, dva solarna panela od 18 V za predložene izvore napajanja, dva ultrazvučna senzora za autonomne funkcije, 5 foto otpornika za određivanje ambijentalnog osvjetljenja, neke bijele LED trake od 12 V za unutarnje osvjetljenje, 2 RGB LED trake za usmjereno osvjetljenje, 3 releja za kontrolu LEDS i motora bez četkica, 12V motor bez četkica i ESC, 12V PSU za napajanje prototipa i nekoliko drugih malih dijelova.

Kad je većina dijelova stigla, počeo sam raditi na 3d modelu. Koristio sam Fusion 360 za dizajn svih dijelova ovog broda. Počeo sam s projektiranjem trupa broda, a zatim sam krenuo prema gore dizajnirajući svaki dio. Nakon što sam dizajnirao većinu dijelova, sve sam ih stavio u sklop kako bih se uvjerio da će se uklopiti nakon što budu proizvedeni. Nakon nekoliko dana dizajniranja i dotjerivanja konačno je došlo vrijeme za početak tiskanja. Odštampao sam trup u 3 različita komada na svom Prusa Mk3 -u i štampao solarne nosače i poklopce trupa na svojim CR10 -ima. Nakon još nekoliko dana svi su dijelovi završili s štampanjem i konačno sam mogao početi sastavljati. Ispod je još jedan dio mog istraživačkog rada u kojem govorim o projektiranju broda.

Nakon što sam imao dobru ideju o konačnom dizajnu, prešao sam na računarski podržano crtanje ili CAD, što je proces koji se može izvesti pomoću mnogih dostupnih softvera danas. Koristio sam softver Fusion 360 za dizajniranje dijelova koje bih trebao Prvo sam dizajnirao sve dijelove za ovaj projekt, a zatim ih sastavio u virtualnom okruženju kako bih pokušao riješiti sve probleme prije nego što sam počeo ispisivati dijelove. Nakon što sam imao finaliziranu 3D montažu, preselio sam na projektiranju električnih sistema potrebnih za ovaj prototip. Htio sam da se mojim prototipom može upravljati putem prilagođene aplikacije na mom pametnom telefonu. Za prvi dio odabrao sam mikrokontroler Node MCU. Node MCU je mikrokontroler izgrađen oko popularnog ESP8266 Wifi čip. Ova ploča mi daje mogućnost povezivanja vanjskih ulaznih i izlaznih uređaja koji se mogu daljinski kontrolirati putem njegovog Wifi sučelja. Nakon što sam pronašao glavni kontroler za svoj dizajn, prešao sam na odabir drugog pa RTS bi bili potrebni za električni sistem. Za napajanje posude odabrao sam dva solarna panela od osamnaest volti koji će kasnije biti ožičeni paralelno kako bi osigurali izlaz od osamnaest volti zajedno s dvostrukom strujom pojedine solarne ćelije zbog njihovog paralelnog ožičenja. Izlaz iz solarnih panela ide u regulator punjenja. Ovaj uređaj uzima fluktuirajući izlazni napon iz solarnih panela i izglađuje ga na konstantniji izlaz od 12 volti. Ovo zatim ide u sistem za upravljanje baterijama, ili BMS, za punjenje 6, 18650 lipo ćelija ožičenih sa dva seta od tri ćelije paralelno povezane, zatim serije. Ova konfiguracija kombinira kapacitet od 4,2 V 18650 u paket kapaciteta 12,6 V s tri ćelije. Ožičenjem još tri ćelije postavljene paralelno s prethodnim paketom, ukupni kapacitet se udvostručuje dajući nam bateriju od 12,6 volti kapaciteta 6 500 mAh.

Ova baterija može emitirati dvanaest volti za rasvjetu i motore bez četkica. Koristio sam pretvarač sa stepenicama prema dolje kako bih stvorio izlaz od pet volti za skup elektronike niže snage. Zatim sam koristio tri releja, jedan za uključivanje i isključivanje unutrašnjih svjetala, jedan za promjenu boje vanjskih svjetala, a drugi za uključivanje i isključivanje motora bez četkica. Za mjerenje udaljenosti koristio sam dva ultrazvučna senzora, jedan za prednji i jedan za stražnji dio. Svaki senzor šalje ultrazvučni impuls i može pročitati koliko mu je potrebno da se vrati. Iz ovoga možemo zaključiti koliko je neki objekt ispred plovila izračunavanjem kašnjenja u povratnom signalu. Na vrhu posude imao sam pet fotootpornika koji su određivali količinu svjetlosti prisutne na nebu. Ovi senzori mijenjaju svoj otpor na osnovu količine svjetla. Iz ovih podataka možemo koristiti jednostavan kôd za prosjek svih vrijednosti, a kada senzori očitaju prosječnu vrijednost slabog osvjetljenja, unutrašnja svjetla će se uključiti. Nakon što sam shvatio koju bih elektroniku koristio, počeo sam 3D štampanje dijelova koje sam prethodno dizajnirao. Odštampao sam trup broda u tri komada kako bi mogao stati na moj glavni štampač. Dok su oni štampali, prešao sam na štampanje solarnih nosača i palube na drugom štampaču. Štampanje svakog dela trajalo je otprilike jedan dan, pa je ukupno bilo potrebno oko 10 dana direktnog 3D štampanja da dobijem sve potrebne delove. Nakon što su završili s tiskanjem, sastavio sam ih zajedno u manje dijelove. Zatim sam instalirao elektroniku poput solarnih panela i LED dioda. Nakon što je elektronika instalirana, sve sam ih ožičio i završio s sastavljanjem ispisanih dijelova. Zatim sam prešao na dizajniranje postolja za prototip. Ovo postolje je također dizajnirano u CAD -u, a kasnije je izrezano od MDF -a na mojoj CNC mašini. Pomoću CNC -a uspio sam izrezati potrebne utore na prednjoj ploči za pričvršćivanje elektronike zavjesa. Zatim sam prototip montirao na bazu i fizički sklop je bio dovršen. Sada kada je prototip potpuno sastavljen, počeo sam raditi na kodu za NodeMCU. Ovaj kod se koristi za reći NodeMCU -u koji su dijelovi spojeni na koje ulazne i izlazne pinove. Takođe govori ploči koji server da kontaktira i sa kojom WiFi mrežom da se poveže. S ovim kodom sam tada mogao kontrolirati određene dijelove prototipa sa svog telefona pomoću aplikacije. Ovo je na neki način slično načinu na koji bi konačni dizajn mogao kontaktirati glavnu priključnu stanicu kako bi dobio koordinate za sljedeću stanicu, kao i druge informacije, poput mjesta gdje se nalaze druga plovila i očekivanog vremena za taj dan."

Korak 4: Montaža (konačno !!)

U redu, sad smo na mom omiljenom dijelu, na skupštini. Volim graditi stvari pa me napokon spojilo sve dijelove i vidjelo konačne rezultate jako sam se uzbudio. Počeo sam tako što sam sastavio sve štampane delove i super ih zalepio. Zatim sam instalirao elektroniku poput svjetala i solarnih panela. U ovom trenutku sam shvatio da ne postoji način da svu svoju elektroniku uklopim u ovu stvar. Tada sam došao na ideju da CNC stalak za brod učinim da izgleda bolje i da mi da mjesto da sakrijem svu elektroniku. Dizajnirao sam postolje u CAD -u, a zatim ga izrezao na bobs CNC E3 od 13 mm MDF -a. Zatim sam ga zašrafio i dao mu sloj crne boje u spreju. Sad kad sam imao gdje napuniti svu svoju elektroniku, nastavio sam s ožičenjem. Sve sam povezao i instalirao Node MCU (prilično Arduino Nano sa ugrađenim WiFi -jem) i pobrinuo se da se sve uključi. Nakon toga sam završio sa montažom i čak sam morao koristiti školski laserski rezač za izrezivanje sigurnosnih ograda s nekim super gravirama, hvala još jednom Mr. Z! Sada kada smo imali gotov fizički prototip, došlo je vrijeme da dodamo malo magije s kodiranjem.

Korak 5: Kodiranje (poznato i kao tvrdi dio)

Za kodiranje sam koristio Arduino IDE za pisanje prilično jednostavnog koda. Koristio sam osnovnu Blynk skicu kao početak kako bih kasnije mogao kontrolirati neke dijelove iz aplikacije Blynk. Gledao sam mnoge video zapise na YouTubeu i čitao mnogo foruma kako bih pokrenuo ovu stvar. Na kraju nisam uspio shvatiti kako kontrolirati motor bez četkica, ali sve ostalo je radilo. Iz aplikacije možete promijeniti smjer plovila, čime bi se promijenile boje crvene/zelene LED diode, uključilo/isključilo unutrašnje svjetlo i dobilo prijenos podataka uživo s jednog od ultrazvučnih senzora na prednjoj strani zaslona. Definitivno sam zanemario ovaj dio i nisam učinio ni približno toliko na kodu koliko sam želio, ali je ipak završila kao uredna funkcija.

Korak 6: Finalni proizvod

Gotovo je! Sve sam sastavio i radio tek prije datuma sajma nauke. (Stereotipni odlagač) Bio sam prilično ponosan na konačni proizvod i jedva sam čekao da ga podijelim sa sucima. Nemam tu šta drugo reći pa ću dopustiti da to bolje objasnim. Evo zaključnog dijela mog istraživačkog rada.

Nakon što se stvore plovila i pristanišne stanice, rješenje je u tijeku. Svako jutro plovila bi započela svoje rute kroz vodene putove. Neki bi mogli proći kroz kanale u gradovima, dok drugi putuju močvarnim kopnom ili okeanskim linijama. Dok je letjelica prolazi kroz svoju rutu, skimmer za filtriranje će se spustiti, što će omogućiti filterima da počnu raditi. Skimmer će usmjeriti plutajuće alge i ostatke u kanal za filtriranje. Jednom unutra, voda se prvo propušta kroz mrežasti filter kako bi se uklonili veći čestice i nečistoće iz vode. Uklonjeni materijal će se držati tamo dok se komora ne napuni. Nakon što voda prođe kroz prvi filter, ona prolazi kroz propusni membranski filter. Ovaj filter koristi male, propusne rupe kako bi samo omogućio propušta vodu, ostavljajući za sobom nepropusne materijale. Ovaj filter se koristi za izvlačenje nepropusnog materijala gnojiva, kao i viška hranjivih tvari iz izraslina algi. Filtrirana voda r zatim istječe stražnjim dijelom broda natrag u vodeni put gdje plovilo filtrira.

Kad plovilo dođe do svoje označene priključne stanice, uvlači se u vez. Nakon što se potpuno spoje, dvije ruke će se pričvrstiti sa strane čamca kako bi ga stabilno držale na mjestu. Zatim će se cijev automatski podići ispod čamca i pričvrstiti za svaki otvor za odlaganje otpada. Kada se osigura, otvor će se otvoriti i uključit će se pumpa koja isisava prikupljeni materijal iz čamca u priključnu stanicu. Dok se sve ovo dešava, putnicima će biti dozvoljeno da se ukrcaju na plovilo i pronađu svoja mjesta. Nakon što se svi ukrcaju i spremnici za otpad budu ispražnjeni, letjelica će biti puštena sa stanice i krenuti na drugu rutu. Nakon što se otpad ispumpa u priključnu stanicu, ponovno će se prosijati kako bi se uklonili veliki ostaci poput štapova ili smeća. Uklonjeni ostaci pohranit će se u spremnike za kasniju reciklažu. Preostale prosijane alge bit će odnesene na centralnu priključnu stanicu na obradu. Kad svaka manja priključna stanica napuni skladište algi, radnik će doći prenijeti alge do glavne stanice, gdje će se preraditi u biodizel. Ovaj biodizel je obnovljivi izvor goriva, kao i isplativ način recikliranja prikupljenih hranjivih tvari.

Kako brodovi nastavljaju filtrirati vodu, sadržaj hranjivih tvari će se smanjiti. Ovo smanjenje prevelike količine hranjivih tvari dovest će do manjeg cvjetanja svake godine. Kako se razina hranjivih tvari nastavlja smanjivati, kvaliteta vode će se opsežno pratiti kako bi se osiguralo da hranjive tvari ostanu na stalnom i zdravom nivou potrebnom za uspješno okruženje. Tijekom zimskih sezona kada otjecanje gnojiva nije tako snažno kao u proljeće i ljeto, čamci će moći kontrolirati količinu vode koja se filtrira kako bi se osiguralo da uvijek postoji zdrava količina dostupnih hranjivih tvari. Kako brodovi prolaze rutama, prikupljat će se sve više podataka za učinkovitije utvrđivanje izvora otjecanja gnojiva i vremena za pripremu za viši nivo hranjivih tvari. Koristeći ove podatke, može se stvoriti efikasan raspored za pripremu za fluktuacije uzrokovane sezonama poljoprivrede."