„Arduino“autonominis filtravimo indas: 6 žingsniai

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Šioje instrukcijoje aš jums parodysiu, kaip suprojektavau ir pasiūliau dabartinės Raudonųjų dumblių problemos Persijos įlankos pakrantės vandenyse sprendimą. Šiam projektui norėjau sukurti visiškai autonomišką ir saulės energija varomą laivą, galintį plaukioti vandens keliais ir naudojant laive esančią natūralią filtravimo sistemą, išfiltruoti maistinių medžiagų ir toksinų perteklių iš Dinoflagellates ir Karena Brevis dumblių. Šis dizainas buvo sukurtas siekiant parodyti, kaip technologijos gali būti naudojamos sprendžiant kai kurias dabartines aplinkos problemas. Deja, ji negavo jokių apdovanojimų ar vietos mano vietos miestelio mokslo mugėje, bet man vis tiek patiko mokymosi patirtis ir tikiuosi, kad kažkas kitas gali ko nors išmokti iš mano projekto.

1 žingsnis: tyrimas

Žinoma, bet kuriuo metu, kai ketinate išspręsti problemą, turite atlikti tam tikrus tyrimus. Aš girdėjau apie šią problemą per naujienų straipsnį internete ir tai mane sudomino kuriant šios aplinkos problemos sprendimą. Pradėjau tyrinėti, kas tiksliai buvo problema ir kas ją sukėlė. Čia yra mano mokslinio darbo skyrius, kuriame parodyta, ką radau tyrimo metu.

Raudonasis potvynis yra didėjanti kasmetinė Floridos vandenų problema. Raudonasis potvynis yra dažnas terminas, vartojamas didelei, koncentruotai dumblių grupei, kuri atsitiktinai auga dėl padidėjusių turimų maistinių medžiagų. Šiuo metu Floridoje sparčiai auga Raudonojo potvynio dydžio, o tai kelia vis didesnį susirūpinimą dėl toje vietovėje gyvenančių laukinių vandens gyvūnų ir visų asmenų, galinčių su juo susisiekti. dumbliai, žinomi kaip Dinoflagellate. Dinoflagellates yra vienaląsčiai protistai, gaminantys toksinus, tokius kaip brevetoksinai ir ichtiotoksinas, kurie yra labai toksiški jūrų ir sausumos gyvūnams, kurie liečiasi su jais. Dinoflagellates dauginasi aseksualiai per mitozę, ląstelės suskaidymą, sukuriant tikslią kopiją. Dinoflagellates maitinasi kitais vandens protistais, tokiais kaip Chysophyta, labiausiai paplitusi netoksiškų dumblių forma. Dinoflagellates taip pat dauginasi aseksualiai, todėl jų skaičius sparčiai auga įvedamos naujos maistinės medžiagos.

Pagrindinė jų greito maisto gausėjimo priežastis yra didelis maisto medžiagų kiekis, kuris per liūtis išplaunamas iš ūkių ir iš netoliese esančių upių bei upelių patenka į vandenyno pakrantes. Dėl to, kad žemės ūkis labai priklauso nuo žmogaus sukurtų trąšų, aplinkinėse žemės ūkio paskirties žemėse esančių maistinių medžiagų kiekis yra didesnis nei bet kada anksčiau. Kai daugelyje rytinės šalies dalių yra audra, tas lietus nuplauna daug tų trąšų iš viršutinio dirvožemio ir į aplinkinius upelius. Tie upeliai galiausiai susirenka į upes, sujungdami visas surinktas maistines medžiagas į vieną didelę grupę, kuri išmetama į Meksikos įlanką. Ši didelė maistinių medžiagų kolekcija nėra natūralus reiškinys dabartiniams jūros gyvūnams, todėl jis sukelia nekontroliuojamą dumblių augimą. Kaip pagrindinis „Dinoflagellates“maisto šaltinis, spartus dumblių daugėjimas yra didelis maisto šaltinis greitai augančiai gyvybės formai.

Šios didelės „Dinoflagellates“grupės gamina toksiškas chemines medžiagas, kurios, kaip žinoma, žudo daugumą su jomis besiliečiančių vandens gyvūnų. Vietos Floridos naujienų stoties WUSF duomenimis, 2018 m. Žydėjimo metu buvo patvirtinta 177 raudonojo potvynio mirusi lamantinas, taip pat dar 122 mirtys, kurios, kaip įtariama, buvo susijusios. Iš 6 500 laukiamų lamantinų Floridos ir Puerto Riko vandenyse tai daro didžiulį poveikį šios rūšies išlikimui, ir tai yra tik vienos rūšies poveikis. Taip pat žinoma, kad „Red Tide“sukelia kvėpavimo problemų tiems, kurie buvo arti bet kurio žydėjimo. Kadangi „Red Tide“auga kanaluose visuose paplūdimio miestuose, tai yra akivaizdus pavojus visiems, gyvenantiems tose bendruomenėse. Taip pat buvo žinoma, kad raudonųjų potvynių gaminamas toksinas Dinophysis dažniausiai užkrečia vietines vėžiagyvių populiacijas, dėl kurių viduriavimas sukelia vėžiagyvių apsinuodijimą arba DSP tiems, kurie valgo užkrėstus vėžiagyvius. Laimei, nėra žinoma, kad tai mirtina, tačiau nukentėjusysis gali sukelti virškinimo problemų. Tačiau kitas toksinas, kurį gamina kai kurie raudonieji potvyniai, Gonyaulax ar Alexandrium, taip pat gali užkrėsti vėžiagyvius potvyniais užterštuose vandenyse. Valgant vėžiagyvius, užterštus šiais toksinais, atsiranda paralyžinis apsinuodijimas vėžiagyviais arba PSP, o blogiausiu atveju - per 12 valandų nuo nurijimo.

2 žingsnis: mano siūlomas sprendimas

Citata iš mano mokslinio darbo

Mano siūlomas sprendimas yra sukurti visiškai autonominį saulės energija varomą jūrinį laivą, kuriame būtų natūralios mikro dalelių filtravimo sistema. Visa sistema bus maitinama saulės baterijomis ir varoma dviem šepetėliais varomais varikliais, sukamaisiais traukos vektoriais. filtravimo sistema bus naudojama filtruoti maistinių medžiagų ir dinoflagelių perteklių, nes ji savarankiškai plaukioja vandens keliais. Laivas taip pat bus naudojamas kaip vietinės bendruomenės pervežimo sistema. Pradėjau pirmiausia tyrinėdamas problemą ir tai, kaip ši problema prasidėjo. Sužinojau, kad Raudonojo potvynio šuolį sukėlė didelis maistinių medžiagų, pvz., azoto, kiekis vietiniuose vandenyse. Kai sužinojau, kas sukelia problemą, galėjau pradėti ieškoti sprendimo, kuris padėtų sumažinti kasmetinių „Raudonųjų potvynių“dydį.

Mano idėja buvo laivas, savo dydžiu ir forma panašus į pontoninę valtį. Šis indas tarp dviejų pontonų turėtų skimerį, kuris atvestų vandenį pro tinklinį filtrą, kad pašalintų dideles daleles, o paskui per pralaidų membraninį filtrą, kuris pašalintų esamas azoto mikro daleles. Tada filtruotas vanduo per priešingą skimerį tekėtų iš valties galo. Aš taip pat norėjau, kad šis indas būtų visiškai elektrinis, todėl jis būtų tylus ir saugesnis, be to, būtų mažesnė tikimybė, kad į aplinkinius vandenis nutekės toksiški skysčiai. Laive būtų keletas saulės kolektorių, taip pat įkrovos valdiklis su ličio jonų paketu, kad būtų galima kaupti perteklinę galią vėlesniam naudojimui. Paskutinis mano tikslas buvo suprojektuoti laivą taip, kad jį būtų galima naudoti vietos bendruomenės viešajam transportui. Turėdamas omenyje visus šiuos dizaino pasirinkimus, pradėjau piešti ant popieriaus keletą idėjų, kad galėčiau išspręsti visas galimas problemas “.

3 žingsnis: projektavimas

Kai baigiau savo tyrimus, turėjau daug geresnį supratimą apie problemą ir jos priežastis. Tada perėjau prie protų šturmo ir projektavimo. Kelias dienas galvojau apie įvairius šios problemos sprendimo būdus. Kai turėjau gerų idėjų, pradėjau jas eskizuoti popieriuje ir pabandyti išsiaiškinti kai kuriuos dizaino trūkumus prieš pereinant prie CAD. Po poros dienų eskizo sukūriau dalių, kurias norėjau naudoti dizainui, sąrašą. Visas ankstesnių metų mokslo mugės premijų pajamas ir šiek tiek daugiau panaudojau dalims ir siūlams, kurių man reikėjo prototipui sukurti, įsigyti. Aš baigiau naudoti „Node MCU“mikrovaldikliui, du 18 V saulės kolektorius siūlomiems energijos šaltiniams, du ultragarsinius jutiklius autonominėms funkcijoms, 5 foto rezistorius aplinkos apšvietimui nustatyti, kai kurias 12 V baltas LED juosteles vidaus apšvietimui, 2 RGB LED juostos kryptiniam apšvietimui, 3 relės šviesos diodams ir bešepetiui varikliui valdyti, 12 V variklis be šepetėlių ir ESC, 12 V maitinimo blokas, skirtas prototipui maitinti, ir keletas kitų smulkių dalių.

Kai atvyko dauguma dalių, aš pradėjau dirbti su 3D modeliu. Aš naudoju „Fusion 360“kurdamas visas šios valties dalis. Aš pradėjau kurti laivo korpusą, o tada eidamas į viršų suprojektavau kiekvieną dalį. Kai suprojektavau daugumą dalių, jas visas sudėjau į surinkimą, kad įsitikinčiau, ar jos bus suderintos, kai tik bus pagamintos. Po kelių dienų projektavimo ir koregavimo pagaliau atėjo laikas pradėti spausdinti. Ant „Prusa Mk3s“korpuso atspausdinau 3 skirtingus gabalus, o ant CR10 - saulės laikiklius ir korpuso dangčius. Dar po kelių dienų visos dalys buvo baigtos spausdinti ir galiausiai galėjau pradėti ją derinti. Žemiau yra dar vienas mano mokslinio darbo skyrius, kuriame kalbu apie valties dizainą.

„Kai jau turėjau gerą supratimą apie galutinį dizainą, perėjau prie kompiuterinio braižymo arba CAD, tai procesas, kurį galima atlikti naudojant daugelį šiandien prieinamų programinės įrangos. Aš naudoju programinę įrangą„ Fusion 360 “, norėdamas suprojektuoti reikiamas dalis. gaminu savo prototipą. Pirmiausia suprojektavau visas šio projekto dalis, o po to surinkau jas virtualioje aplinkoje, kad galėčiau išspręsti visas problemas prieš pradėdamas spausdinti dalis. Kai baigiau 3D surinkimą, persikėliau prie šio prototipo reikalingų elektros sistemų projektavimo. Norėjau, kad mano prototipą būtų galima valdyti naudojant specialiai sukurtą programą išmaniajame telefone. Pirmajai daliai pasirinkau „Node MCU“mikrovaldiklį. „Node MCU“yra mikrovaldiklis, sukurtas aplink populiarųjį ESP8266 „Wifi“mikroschema. Ši plokštė suteikia man galimybę prie jos prijungti išorinius įvesties ir išvesties įrenginius, kuriuos galima valdyti nuotoliniu būdu per „Wifi“sąsają. Suradęs pagrindinį savo dizaino valdiklį, aš nusprendžiau pasirinkti kitą rts būtų reikalingi elektros sistemai. Norėdami maitinti laivą, aš pasirinkau dvi aštuoniolikos voltų saulės kolektorius, kurie vėliau bus prijungti lygiagrečiai, kad būtų užtikrinta aštuoniolikos voltų galia ir dviguba atskiros saulės elemento srovė dėl to, kad jie buvo prijungti lygiagrečiai. Saulės baterijų išėjimas patenka į įkrovimo valdiklį. Šis prietaisas ima kintančią išėjimo įtampą iš saulės kolektorių ir išlygina ją iki pastovesnio dvylikos voltų išėjimo. Tada jis patenka į akumuliatoriaus valdymo sistemą arba BMS, kad įkrautų 6, 18650 lipo elementus, sujungtus su dviem trijų lygiagrečiai sujungtų elementų rinkiniais, tada serijiniu būdu. Ši konfigūracija sujungia 18650 4,2 volto pajėgumą į 12,6 voltų paketą su trimis elementais. Prijungus dar tris elementus, esančius lygiagrečiai su ankstesne pakuote, bendra talpa padvigubėja ir gaunama 12,6 voltų baterija, kurios talpa yra 6 500 mAh.

Šis akumuliatorius gali išvesti dvylika voltų apšvietimui ir bešepetėliams varikliams. Aš naudoju žingsnio keitiklį, kad sukurtų penkių voltų išėjimą mažesnės galios elektronikos rinkiniui. Tada aš naudoju tris reles, vieną - įjungti ir išjungti vidinius žibintus, vieną - pakeisti išorinių žibintų spalvą, o kitą - įjungti ir išjungti variklį be šepetėlių. Matuojant atstumą, aš naudoju du ultragarso jutiklius, vieną priekyje ir kitą gale. Kiekvienas jutiklis siunčia ultragarsinį impulsą ir gali nuskaityti, kiek laiko tas impulsas grįžta. Iš to mes galime išsiaiškinti, kiek toli objektas yra priešais laivą, apskaičiuodami grąžinimo signalo vėlavimą. Laivo viršuje turėjau penkis fotorezistorius, kad nustatyčiau danguje esančios šviesos kiekį. Šie jutikliai keičia savo atsparumą pagal tai, kiek šviesos yra. Remiantis šiais duomenimis, mes galime naudoti paprastą kodą visoms reikšmėms apskaičiuoti, o kai jutikliai nuskaito vidutinę prasto apšvietimo vertę, įsijungia vidiniai žibintai. Išsiaiškinęs, kokią elektroniką naudosiu, pradėjau 3D spausdinti anksčiau suprojektuotas dalis. Aš išspausdinau valties korpusą į tris dalis, kad jis tilptų ant mano pagrindinio spausdintuvo. Kol jie buvo spausdinami, aš pradėjau spausdinti saulės laikiklius ir denį kitu spausdintuvu. Kiekvienos dalies spausdinimas užtruko apie vieną dieną, taigi iš viso buvo apie 10 dienų tiesioginio 3D spausdinimo, kad gaučiau visas reikalingas dalis. Kai jie visi buvo baigti spausdinti, aš juos surinkau į mažesnes dalis. Tada įdiegiau elektroniką, tokią kaip saulės baterijos ir šviesos diodai. Sumontavę elektroniką, aš juos visus prijungiau ir baigiau surinkti spausdintas dalis. Toliau aš pradėjau kurti prototipo stovą. Šis stovas taip pat buvo suprojektuotas CAD ir vėliau iškirptas iš MDF medienos mano CNC mašinoje. Naudodamas CNC, galėjau iškirpti reikiamus lizdus priekiniame skydelyje užuolaidų elektronikai pritvirtinti. Tada aš pritvirtinau prototipą prie pagrindo ir fizinis surinkimas buvo baigtas. Dabar, kai prototipas buvo visiškai surinktas, pradėjau dirbti su „NodeMCU“kodu. Šis kodas naudojamas „NodeMCU“nurodyti, kurios dalys yra prijungtos prie kokių įvesties ir išvesties kaiščių. Taip pat lentai nurodo, su kuriuo serveriu susisiekti ir prie kokio „Wifi“tinklo prisijungti. Naudodamas šį kodą, aš galėjau valdyti tam tikras prototipo dalis iš savo telefono naudodami programą. Tai panašu į tai, kaip galutinis projektas galėtų susisiekti su pagrindine prijungimo stotimi, kad gautų kitos stotelės koordinates, taip pat kitą informaciją, pvz., Kur yra kiti laivai ir numatomi tos dienos orai “.

4 žingsnis: Surinkimas (pagaliau !!)

Gerai, kad dabar mes esame mano mėgstamiausioje dalyje - surinkime. Man patinka kurti daiktus, todėl galiausiai galėjau sujungti visas dalis ir pamatyti galutinius rezultatus. Aš pradėjau sudėti visas atspausdintas dalis ir super priklijuoti. Tada sumontavau elektroniką, tokią kaip žibintai ir saulės kolektoriai. Šiuo metu supratau, kad niekaip negalėsiu sutalpinti visos savo elektronikos į šį daiktą. Būtent tada man kilo mintis CNC pastatyti valties stovą, kad jis atrodytų šiek tiek geriau, taip pat suteiks man galimybę paslėpti visą elektroniką. Aš suprojektavau stovą CAD, tada iškirpiau jį ant savo „Bobs CNC E3“13 mm MDF. Tada aš jį susukau ir padėjau juodų purškiamų dažų sluoksnį. Dabar, kai turėjau vietą sukrauti visą savo elektroniką, tęsiau laidus. Aš viską prijungiau ir įdiegiau „Node MCU“(beveik „Arduino Nano“su įmontuotu „WiFi“) ir įsitikinau, kad viskas įjungta. Po to aš baigiau surinkimą ir netgi turėjau panaudoti savo mokyklos lazerinį pjaustytuvą, kad iškirptų apsauginius turėklus su gražiomis graviūromis, dar kartą ačiū Mr. Z! Dabar, kai turėjome gatavą fizinį prototipą, atėjo laikas pridėti šiek tiek magijos su kodavimu.

5 žingsnis: kodavimas (dar vadinamas kieta dalimi)

Kodavimui naudojau „Arduino IDE“, kad parašyčiau gana paprastą kodą. Pradžiai naudoju pagrindinį „Blynk“eskizą, kad vėliau galėčiau valdyti kai kurias dalis iš „Blynk“programos. Žiūrėjau daug „YouTube“vaizdo įrašų ir skaičiau daugybę forumų, kad tai veiktų. Galų gale aš negalėjau suprasti, kaip valdyti variklį be šepetėlių, bet visa kita veikiau. Iš programos galite pakeisti plaukiojančios priemonės kryptį, kuri pakeistų raudonų/žalių šviesos diodų spalvas, įjungtų/išjungtų vidines lemputes ir gautų tiesioginį duomenų srautą iš vieno iš ultragarso jutiklių ekrano priekyje. Aš tikrai nusileidau šiai daliai ir nepadariau beveik tiek daug kodo, kiek norėjau, bet vis tiek tai buvo tvarkinga funkcija.

6 žingsnis: galutinis produktas

Padaryta! Vos prieš mokslo mugės datas viską surinkau ir dirbau. (Stereotipinis atidėliojantis) Aš labai didžiavausi galutiniu produktu ir nekantravau pasidalinti juo su teisėjais. Aš čia neturiu ką daugiau pasakyti, todėl leisiu geriau paaiškinti. Čia yra mano mokslinio darbo išvadų skyrius.

Sukūrus laivus ir prijungimo stoteles, sprendimas yra pradėtas. Kiekvieną rytą laivai pradės savo maršrutus vandens keliais. Kai kurie gali eiti per kanalus miestuose, o kiti keliauja pelkėmis ar vandenynų linijomis. eina savo keliu, filtravimo skimeris nusileis, kad filtrai galėtų pradėti dirbti. Skimmeris nukreipia plaukiojančius dumblius ir šiukšles į filtravimo kanalą. Patekęs į vidų, vanduo pirmiausia praleidžiamas per tinklinį filtrą, kad būtų pašalinti didesni dalelės ir šiukšlės iš vandens. Pašalinta medžiaga bus laikoma ten, kol kamera bus užpildyta. Vandeniui prasiskverbus pro pirmąjį filtrą, jis praeis per pralaidų membraninį filtrą. Šiame filtre naudojamos mažos, pralaidžios skylės, pralaidus vanduo, paliekant nepralaidžias medžiagas. Šis filtras naudojamas ištraukti nelaidžią trąšų medžiagą, taip pat maistinių medžiagų perteklių iš dumblių. Filtruotas vanduo r tada išteka iš valties galo atgal į vandens kelią, kuriame laivas filtruojamas.

Kai laivas pasiekia jam skirtą prijungimo stotį, jis traukia į krantinę. Visiškai prikabinus prie valties šono pritvirtinamos dvi rankos, kad ji būtų tvirtai laikoma. Tada vamzdis automatiškai pakils iš po valties ir pritvirtės prie kiekvieno atliekų šalinimo uosto. Užfiksavus uostą, atsidarys ir įsijungs siurblys, siurbiantis surinktą medžiagą iš valties ir į doką. Kol visa tai vyksta, keleiviams bus leista įlipti į laivą ir rasti savo vietas. Kai visi bus laive, o atliekų konteineriai bus ištuštinti, laivas bus paleistas iš stoties ir prasidės kitu maršrutu. Kai atliekos bus pumpuojamos į prijungimo stotį, jos vėl bus sijojamos, kad būtų pašalintos didelės šiukšlės, pavyzdžiui, lazdos ar šiukšlės. Pašalintos šiukšlės bus laikomos konteineriuose, kad vėliau jas būtų galima perdirbti. Likę išsijoti dumbliai bus nugabenti į centrinę prijungimo stotį perdirbti. Kai kiekviena mažesnė prijungimo stotis užpildys savo dumblių saugyklą, darbuotojas atvyks vežti dumblių į pagrindinę stotį, kur jie bus perdirbti į biodyzeliną. Šis biodyzelinas yra atsinaujinantis kuro šaltinis, taip pat pelningas būdas perdirbti surinktas maistines medžiagas.

Kai valtys toliau filtruoja vandenį, maistinių medžiagų kiekis sumažės. Dėl per didelio maistinių medžiagų kiekio sumažėjimo kiekvienais metais žydėjimas bus mažesnis. Maistinių medžiagų kiekiui ir toliau mažėjant, vandens kokybė bus atidžiai stebima, siekiant užtikrinti, kad maistinės medžiagos išliktų pastovios ir sveikos, reikalingos klestinčiai aplinkai. Žiemos sezonais, kai trąšų nuotėkis nėra toks stiprus kaip pavasario ir vasaros metu, valtys galės kontroliuoti filtruojamo vandens kiekį, kad užtikrintų, jog visada yra sveikas maistinių medžiagų kiekis. Valtims plaukiojant maršrutais, bus renkama vis daugiau duomenų, kad būtų galima efektyviau nustatyti trąšų nuotėkio šaltinius ir kada pasiruošti didesniam maistinių medžiagų kiekiui. Naudojant šiuos duomenis, galima sukurti veiksmingą tvarkaraštį, skirtą pasirengti žemės ūkio sezonų sukeltiems svyravimams."