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

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

Mi smo srednja škola West Hollow sa Long Islanda, NY. Mi smo ambiciozni inženjeri koji se sastaju jednom sedmično u klubu pod nazivom Hack the Hollow u kojem dizajniramo, kodiramo i gradimo brojne maker projekte. Sve projekte na kojima radimo možete pogledati OVDJE. Naš glavni fokus bio je proučavanje budućnosti robotike u hrani i okolišu. Sastavili smo i održavali automatizovanu vertikalnu farmu hidroponike u pozadini naše naučne laboratorije sa našim učiteljem gospodinom Reginijem. Takođe smo učestvovali u GBE programu posljednje dvije godine. Znamo da je ovaj izazov pozvao srednjoškolce, ali bili smo previše uzbuđeni što smo čekali još dvije godine da vam predstavimo Wolverinea, nazvanog po našoj maskoti škole. Ovo je nešto što mi radimo!

U ovom projektu ćete pronaći mnogo stvari koje volimo koristiti, uključujući Arduino, Raspberry Pi i sve elektroničke stvari koje idu uz njih. Također smo uživali u korištenju Fusion 360 kao korak dalje od TinkerCada za dizajn kocke. Ovaj projekt bio je savršena prilika za rezanje zuba na nekim novim platformama za proizvođače. Bili smo podijeljeni u dizajnerske timove koji su se morali fokusirati na jedan aspekt Grow Cube. Razbili smo ga na okvir, poklopac i osnovnu ploču, osvjetljenje, rastuće zidove, vodu, ventilatore i senzore okoliša. Na spisku zaliha napravili smo veze do svih materijala koje koristimo ako vam je potrebna pomoć u vizualizaciji dijelova o kojima se govori u koracima koji slijede. Nadamo se da ćete uživati!

Supplies

Okvir:

• 1 "aluminijske ekstruzije 80/20
• Tee orasi
• Nosači nosača
• Šarke
• Spojevi jedrilice kompatibilni sa T-kanalima
• Cijevni i žičani vodiči kompatibilni s T-kanalom
• Magneti za držanje vrata zatvorenim
• 3 x magnetna sklopka

Rastući zidovi:

• Farm Tech niskoprofilni NFT kanali
• Poklopci kanala NFT
• Valoviti plastični limovi
• Magneti za držanje izmjenjivih kanala na mjestu

Poklopac:

• Valoviti plastični lim
• 3D štampano LED rasvjetno tijelo (Fusion 360)
• Plastični nosači i hardver za elektroniku

Rasvjeta:

• Adresibilne neopikselne trake iz Adafruit -a (60 LED/m)
• Neopixel konektori
• Neopixel isječci
• 330uF, 35V kondenzator za odvajanje
• 1K ohm otpornik
• Srebrna traka od HVAC aluminijske folije
• Pretvarač dolara

Voda: (Naša omiljena karakteristika):

• 2 x Nema 17 koračnih motora
• Adapruit Stepper Shield za Arduino
• Pumpa sa štrcaljkom s linearnim pokretačem s 3D printom (Fusion 360)
• 2 šprica od 100-300 ml
• Cijevi s priključcima Luer lock i t -spojnicama
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 olovni vijci i matice
• 2 x leteća spojnica
• 2 x blokovi ležaja za jastuke
• 4 x 300 mm x 8 mm vodilice vratila linearnog pokreta
• 4 x 8 mm LM8UU linearni ležajevi
• 4 x DF Robot kapacitivno otporni senzori vlage za nadgledanje tla i kontrolu pumpi šprica

Cirkulacija vazduha:

• 2 x 5 "12V ventilatora
• 5 "poklopci filtera ventilatora
• 2 x TIP120 Darlington tranzistora i hladnjaka
• 12V napajanje
• Adapter za povezivanje utičnice za montažu na ploču
• 2 x 1K ohm otpornika
• 2 x povratne diode
• 2 x 330uF, 35V elektrolitski kondenzatori za razdvajanje
• Senzor temperature i vlažnosti DHT22 sa otpornikom od 4,7K ohma

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• SD kartica od 8 GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto ploča
• 2 x 20x4 i2C LCD ekrana
• 22AWG spojene žice
• Dupont komplet konektora
• Adafruit SGP30 senzor kvaliteta vazduha sa eCO2

Alati:

• Lemilica
• Komplet za lemljenje
• Ruke za pomoć
• Alati za presovanje i skidanje žica
• Odvijači
• Kafa (za gospodina Reginija)

Korak 1: Korak 1: Konstrukcija okvira

Okvir će biti izrađen pomoću lakih aluminijskih ekstruzija kanala 1 80/20 t. Držat će se zajedno s aluminijskim zglobovima koljena i t maticama. Osim što će smanjiti težinu, kanali će djelovati kao vodiči za našu vodu linije i ožičenje.

Kocka će počivati na nizu šina opremljenih kliznim spojevima koji će omogućiti izvlačenje kocke iz zida kako bi se otkrilo ne samo njezino prednje lice, već i obje njegove strane. Inspiracija za ovo došla je od jednog od naših učenika koji je razmišljao o stalku sa začinima u svojim kuhinjskim ormarićima kod kuće.

Koristeći jednostavne šarke, prednja i bočna strana će imati vrata koja se mogu otvoriti kada se kocka izvuče na šine. Kada se zatvore, magneti ih drže na mjestu. Svih 6 panela ove kocke se mogu ukloniti jer su i sve strane pričvršćene magnetima. Svrha ovog odabira dizajna bila je omogućiti lak pristup svim površinama za sjetvu, održavanje biljaka, prikupljanje podataka, žetvu i čišćenje/popravke.

Naš dizajn panela možete vidjeti u sljedećem koraku.

Korak 2: Korak 2: Izgradnja rastućih zidova

Prvi element o kojem smo razmišljali bili su materijali za upotrebu za same zidove. Znali smo da moraju biti male težine, ali dovoljno jaki da podupiru biljke. Bijela valovita plastika odabrana je umjesto prozirnog akrila, iako smo voljeli slike V. E. G. G. I. E -a na kojima smo mogli vidjeti biljke iznutra. Razlog za ovu odluku bio je zato što bi većina pogleda bila ometana biljnim kanalima, a mi smo htjeli odbiti što je moguće više svjetla iz naših LED dioda. Ova logika proizašla je iz pregleda jedinice koju smo poslali kao dio našeg učešća u GBE -u. Kao što je navedeno u prethodnom koraku, ove ploče se magnetima drže za aluminijski okvir tako da se mogu lako ukloniti.

Na ove ploče su pričvršćena tri kanala niskoprofilnih NFT uzgojnih šina koje koristimo u našoj laboratoriji za hidroponiku. Ovaj izbor nam se sviđa jer su izrađene od tankog PVC -a s navlakama koje se lako skidaju za ugradnju jastuka za rast. Svi rastući mediji bit će smješteni u posebno dizajniranim jastucima za koje smo vidjeli da se već koriste na ISS -u kada čitamo OVAJ ČLANAK. Sve oplate između tračnica bit će presvučene posrebrenom HVAC izolacijskom trakom za promicanje refleksije rastućih svjetala.

Naši otvori su 1 3/4 i razmaknuti 6 centimetra u sredini. To omogućava 9 mjesta za sadnju na svakoj od četiri ploče kocke dajući ukupno 36 biljaka. Pokušali smo zadržati ovaj razmak u skladu s onim što smo imali crveno o Outredgeous salatama. Kanali su izrezani prorezima za prihvaćanje naših senzora vlage koji će pratiti vlažnost tla i pozivati vodu iz pumpi šprica. Hidratacija će se distribuirati na svaki pojedinačni jastuk biljke kroz razvodnik za zalijevanje medicinskih cijevi koji je pričvršćen na ove pumpe. Ova metoda zalijevanja na bazi šprica nešto je što smo istražili kao najbolju praksu kako za precizno zalijevanje, tako i za prevladavanje izazova okruženja s nultom/mikro gravitacijom. Cijevi će ući u podnožje biljnog jastuka kako bi pospješile rast korijena prema van Oslanjat ćemo se na kapilarnost kako bismo pomogli vodi da se proširi kroz medij za uzgoj.

Konačno, htjeli smo pronaći način da iskoristimo osnovnu ploču. Na dnu smo stvorili malu usnu koja bi prihvatila prostirku za uzgoj mikrozelena. Poznato je da mikro zelje ima gotovo 40 puta više vitalnih hranjivih tvari od zrelih kolega. To bi se moglo pokazati vrlo korisnim za prehranu astronauta. Ovo je jedan članak koji su naši studenti pronašli o nutritivnoj vrijednosti mikro zelenila.

Korak 3: Korak 3: Zalijevanje biljaka

U prethodnom smo koraku referencirali naše pumpe sa štrcaljkama s linearnim aktuatorom. Ovo je daleko naš omiljeni dio ove konstrukcije. Koračni motori NEMA 17 pokretat će linearne aktuatore koji će pritisnuti klip dviju štrcaljki od 100cc-300cc na poklopcu kocke za uzgoj. Dizajnirali smo kućišta motora, pogon klipa i vodilicu pomoću Fusion 360 nakon što smo na Hackadayu provjerili neke sjajne projekte otvorenog koda. Pratili smo ovaj vodič na nevjerojatnoj web stranici Adafruit kako bismo naučili kako voziti motore.

Željeli smo pronaći način da oslobodimo astronaute zadatka zalijevanja. Steperi se aktiviraju kada biljke u sistemu traže vlastitu vodu. 4 kapacitivna senzora vlage uključena su u jastuke za biljke na različitim lokacijama po cijeloj kocki za uzgoj. Svako mjesto za sadnju u sistemu ima utor za prihvaćanje ovih senzora izrezanih u njihove kanale za uzgoj. Ovo omogućava da astronauti biraju i periodično mijenjaju postavljanje ovih senzora. Osim što maksimizira efikasnost distribucije vode unutar sistema, omogućit će vizualizaciju načina na koji svaka biljka troši svoju vodu. Pragove vlage mogu postaviti astronauti tako da se zalijevanje može automatizirati prema njihovim potrebama. Štrcaljke su pričvršćene na glavni razvodnik za zalijevanje s priključcima Luer lock radi lakšeg punjenja. Ploče za uzgoj koriste sličan protokol povezivanja razdjelnika za zalijevanje pa se lako mogu ukloniti iz kocke.

Podaci prikupljeni senzorima mogu se čitati lokalno na LCD ekranu veličine 20x4 koji je pričvršćen na poklopac ili daljinski gdje se prikupljaju, prikazuju i grafički prikazuju integracijom sistema sa bilo Cayenne ili Adafruit IO IoT platformama. Arduino šalje svoje podatke na ugrađeni Raspberry Pi pomoću USB kabela koji se zatim probija do interneta pomoću Pi -ove WiFi kartice. Upozorenja se mogu postaviti na ovim platformama za obavještavanje astronauta kada bilo koja od naših sistemskih varijabli izađe iz svojih unaprijed postavljenih vrijednosti praga.

Korak 4: Korak 4: Pametni poklopac sa osvjetljenjem i kontrolom ventilatora

Poklopac naše kocke za uzgoj djeluje kao mozak cijele operacije, a pruža i kućišta za kritične elemente uzgoja. Sa donje strane poklopca produžava se 3D kućište sa LED štampom koje pruža svjetlo za svaku od rastućih zidnih ploča, kao i gornje osvjetljenje mikrozelene prostirke na dnu. Ovo je ponovo dizajnirano u Fusion 360 i štampano na našem MakerBotu. Svaki dio svjetla sadrži 3 LED trake koje su zaštićene konkavnim nosačem. Ovaj nosač posrebren je izolacijskom trakom HVAC kako bi se povećala njegova refleksija. Ožičenje ide uz središnji šuplji stup kako bi pristupilo napajanju i podacima na vrhu poklopca. Veličina ovog kućišta odabrana je tako da ima otisak koji bi omogućio biljkama koje rastu oko njega da postignu maksimalnu visinu od 8 inča. Utvrđeno je da je ovaj broj prosječna visina zrele salate Outredgeous koju uzgajamo u našim vertikalnim hidroponskim vrtovima u našoj laboratoriji. Mogu doseći visinu i do 12 inča, ali pretpostavili smo da će astronauti pasti na njima dok rastu, čineći ovo kockom za rezanje i dolazak.

Neopikseli koje koristimo mogu se pojedinačno adresirati, što znači da možemo kontrolirati spektar boja koji emitiraju. Ovo se može koristiti za mijenjanje spektra svjetlosti koju biljke primaju u različitim fazama rasta ili od vrste do vrste. Štitovi su trebali omogućiti različite uvjete osvjetljenja na svakom zidu ako je potrebno. Shvaćamo da ovo nije savršeno postavljanje i da svjetla koja koristimo nisu tehnički rastuća svjetla, ali smatrali smo da je to lijep dokaz koncepta.

Na vrhu poklopca nalaze se dva ventilatora za hlađenje od 12 inča od 12 V koji se obično koriste za kontrolu temperature računarskih tornjeva. Dizajnirali smo ga tako da jedan gura zrak u sistem, dok drugi djeluje kao odvod zraka. Oboje su prekriveni mrežicom od fine mreže kako bi se osiguralo da se ostaci ne izvuku u astronomsko okruženje za disanje. Ventilatori se isključuju kada se otvori bilo koji od magnetnih prekidača pričvršćenih na vrata kako bi se spriječila nenamjerna kontaminacija zraka. Brzina ventilatora kontrolira se putem PWM -a pomoću Motor HAT -a na Raspberry pi. Ventilatori se mogu uslovno ubrzati ili usporiti na osnovu vrijednosti temperature ili vlažnosti koje Pi dovodi putem ugrađenog DHT22 senzora unutar kocke. Ta se očitanja mogu ponovno vidjeti lokalno na LCD -u ili daljinski na istoj IoT nadzornoj ploči kao i senzori vlage.

Razmišljajući o fotosintezi, također smo htjeli uzeti u obzir nivo CO2 i ukupnu kvalitetu zraka u kocki za uzgoj. U tu svrhu uključili smo SGP30 senzor za praćenje eCO2, kao i ukupnih HOS -ova. I oni se šalju na LCD -e i IoT nadzornu ploču radi vizualizacije.

Vidjet ćete i da je naš par pumpi za štrcaljke postavljen uz bočnu stranu poklopca. Njihove cijevi usmjerene su niz okomite kanale nosača aluminijskog ekstruzijskog okvira.

Korak 5: Zatvaranje misli i buduće interakcije

Dizajnirali smo Wolverine koristeći se znanjem koje smo stekli u našem zajedničkom uzgoju hrane. Automatizirali smo svoje vrtove nekoliko godina i ovo je bila tako uzbudljiva prilika da to primijenimo na jedinstveni inženjerski zadatak. Svjesni smo da naš dizajn ima skromne početke, ali radujemo se rastu zajedno s njim.

Jedan aspekt izrade koji nismo mogli završiti prije isteka roka bio je snimanje slike. Jedan od naših učenika eksperimentirao je s Raspberry Pi kamerom i OpenCV -om kako bi vidio možemo li automatizirati otkrivanje zdravlja biljaka pomoću strojnog učenja. Mi smo u najmanju ruku htjeli imati mogućnost vidjeti način na koji biljke ne moraju otvarati vrata. Mislilo se o uključivanju mehanizma za naginjanje koji se može okretati oko donje strane gornje ploče kako bi se snimile slike svakog rastućeg zida, a zatim odštampale na upravljačkoj ploči Adafruit IO radi vizualizacije. Ovo bi moglo uzrokovati neke zaista hladne vremenske odmake uzgoja usjeva. Pretpostavljamo da je to samo dio procesa inženjerskog projektiranja. Uvijek će biti posla i poboljšanja. Hvala vam puno na prilici da učestvujete!