Nulaužkite „Hollow's Wolverine Grow Cube“ISS: 5 žingsniai

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

Mes esame West Hollow vidurinė mokykla iš Long Ailendo, NY. Mes siekiame inžinierių, kurie susitinka kartą per savaitę klube „Hack the Hollow“, kuriame kuriame, koduojame ir kuriame daugybę kūrėjų projektų. Visus projektus, kuriuose dirbame, galite pamatyti ČIA. Pagrindinis mūsų tikslas buvo ištirti maisto ir aplinkos robotikos ateitį. Mes su savo mokytoju ponu Regini surinkome ir prižiūrėjome automatizuotą vertikalios hidroponikos ūkį mūsų mokslo laboratorijos gale. Pastaruosius dvejus metus taip pat dalyvavome GBE programoje. Žinome, kad šiam iššūkiui reikėjo gimnazistų, tačiau mes buvome per daug susijaudinę, kad laukėme dar dvejus metus, kad galėtume supažindinti jus su mūsų mokyklos talismano vardu pavadinta „Wolverine“. Štai ką mes darome!

Šiame projekte rasite daug dalykų, kuriuos mėgstame naudoti, įskaitant „Arduino“, „Raspberry Pi“ir visas su jais susijusias elektronines gėrybes. Mums taip pat patiko naudoti „Fusion 360“kaip žingsnį nuo „TinkerCad“kuriant kubą. Šis projektas buvo puiki proga nukirpti dantis kai kuriose naujose gamintojų platformose. Buvome suskirstyti į projektavimo komandas, kurių kiekvienas turėjo sutelkti dėmesį į vieną „Grow Cube“aspektą. Mes suskaidėme jį į rėmą, dangtį ir pagrindo plokštę, apšvietimą, auginome sienas, vandenį, ventiliatorius ir aplinkos jutiklius. Savo reikmenų sąraše padarėme nuorodas į visas naudojamas medžiagas, jei jums reikia pagalbos vizualizuojant dalis, kurios aptariamos atlikus tolesnius veiksmus. Tikimės, kad jums patiks!

Prekės

Rėmas:

• 1 "80/20 aliuminio ekstruzijos
• Riešutai
• Atraminiai laikikliai
• Vyriai
• Su T kanalu suderinamos sklandytuvo jungtys
• Su T kanalu suderinami vamzdžių ir laidų kreiptuvai
• Magnetai, skirti uždaryti duris
• 3 x magnetiniai nendriniai jungikliai

Auga sienos:

• „Farm Tech“žemo profilio NFT kanalai
• NFT kanalų dangčiai
• Gofruoti plastikiniai lakštai
• Magnetai nuimamiems kanalams laikyti

Dangtis:

• Gofruotas plastikinis lakštas
• 3D atspausdintas LED augimo šviestuvas („Fusion 360“)
• Plastikinės atramos ir aparatinė įranga elektronikai

Apšvietimas:

• Adresuojamos neopikselių juostelės iš „Adafruit“(60LED/m)
• Neopikselio jungtys
• Neopikselio spaustukai
• 330uF, 35V atjungimo kondensatorius
• 1K omo rezistorius
• Sidabruota HVAC aliuminio folijos juosta
• Buck konverteris

Vanduo: (mūsų mėgstamiausia funkcija):

• 2 x „Nema 17“žingsniniai varikliai
• „Adafruit Stepper Shield“, skirtas „Arduino“
• 3D spausdintas linijinis pavaros švirkšto siurblys („Fusion 360“)
• 2 x 100-300 ml švirkštai
• Vamzdžiai su „Luer“užrakto jungtimis ir „tee“/alkūnių sąnariais
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 pagrindiniai varžtai ir veržlės
• 2 x skraidanti mova
• 2 x pagalvių guolių blokai
• 4 x 300 mm x 8 mm linijinio judesio strypo veleno kreiptuvai
• 4 x 8 mm LM8UU linijiniai guoliai
• 4 x „DF Robot“talpinio atsparumo drėgmės jutikliai, skirti stebėti dirvožemį ir valdyti švirkšto siurblius

Oro cirkuliacija:

• 2 x 5 "12V ventiliatoriai
• 5 colių ventiliatoriaus filtro dangteliai
• 2 x TIP120 Darlingtono tranzistoriai ir radiatoriai
• 12V maitinimo šaltinis
• Plokštės tvirtinimo cilindro lizdo jungties adapteris
• 2 x 1K omų rezistoriai
• 2 x atgaliniai diodai
• 2 x 330uF, 35V elektrolitinio atsiejimo kondensatoriai
• DHT22 temperatūros ir drėgmės jutiklis su 4,7 K omų rezistoriumi

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ su variklio skrybėlėmis
• 8 GB SD kortelė
• Arduino Mega
• „Adafruit“perma-proto duonos lenta
• 2 x 20x4 i2C LCD
• 22AWG srieginiai sujungimo laidai
• Dupont jungčių komplektas
• Adafruit SGP30 oro kokybės jutiklis su eCO2

Įrankiai:

• Lituoklis
• Lituoklio komplektas
• Pagalbinės rankos
• Laidų užspaudimo ir nuėmimo įrankiai
• Atsuktuvai
• Kava (p. Regini)

1 žingsnis: 1 žingsnis: rėmo konstravimas

Rėmas bus pagamintas naudojant lengvą 1 80/20 t kanalo aliuminio ekstruziją. Jis bus laikomas kartu su aliuminio alkūnėmis ir t veržlėmis. Be svorio mažinimo, kanalai veiks kaip mūsų vandens keliai. linijos ir laidai.

Kubas stovės ant bėgių rinkinio su slankiosiomis jungtimis, kurios leis kubą ištraukti iš sienos, kad būtų matomas ne tik jo priekinis paviršius, bet ir abi jo pusės. Tai įkvėpė vienas iš mūsų studentų, galvojantis apie prieskonių lentyną savo virtuvės spintelėse namuose.

Naudojant paprastus vyriai, priekyje ir šonuose bus durys, kurios gali atsidaryti, kai kubas ištraukiamas ant bėgių. Uždarę juos laiko magnetai. Visos 6 šio kubo plokštės yra nuimamos, nes visus veidus taip pat laiko magnetai. Šio dizaino pasirinkimo tikslas buvo suteikti lengvą prieigą prie visų paviršių sėjai, augalų priežiūrai, duomenų rinkimui, derliaus nuėmimui ir valymui/remontui.

Kitame žingsnyje galite pamatyti mūsų plokščių dizainą.

2 žingsnis: 2 žingsnis: „Grow Walls“konstrukcija

Pirmasis elementas, apie kurį galvojame, buvo medžiagos, naudojamos pačioms sienoms. Mes žinojome, kad jie turi būti lengvi, bet pakankamai stiprūs, kad palaikytų augalus. Baltas gofruotas plastikas buvo pasirinktas, o ne skaidrus akrilas, nors mums patiko V. E. G. G. I. E nuotraukos, kuriose galėjome pamatyti augalus. Šio sprendimo priežastis buvo ta, kad didžiąją dalį vaizdų trukdytų augalų kanalai, ir mes norėjome atspindėti kuo daugiau šviesos diodų šviesos. Ši logika atsirado tikrinant padalinį, kuris buvo išsiųstas kaip mūsų GBE dalyvavimo dalis. Kaip minėta ankstesniame žingsnyje, šios plokštės yra pritvirtintos prie aliuminio rėmo magnetais, kad jas būtų galima lengvai nuimti.

Prie šių plokščių yra trys žemo profilio NFT auginimo bėgių kanalai, kuriuos naudojame savo hidroponikos laboratorijoje. Mums patinka šis pasirinkimas, nes jie pagaminti iš plono PVC su dangteliais, kurie lengvai nuslysta, kad būtų galima implantuoti augančias pagalves. Visos auginimo terpės bus dedamos į specialiai sukurtas pagalves, kurios, kaip matėme, jau naudojamos TKS, kai skaitome ŠĮ STRAIPSNĮ. Visos plokštės tarp bėgių bus padengtos sidabruota HVAC izoliacine juostele, kad padidėtų augančių žibintų atspindys.

Mūsų angos yra 1 3/4 colio ir yra 6 colių atstumu viena nuo kitos. Tai leidžia kiekvienoje iš keturių kubo plokščių pasodinti 9 sodinimo vietas, iš viso gaunant 36 augalus. Stengėmės, kad šis tarpas atitiktų raudoną spalvą. apie nepaprastas salotas. Kanalai yra išpjauti plyšiais, kad galėtų priimti mūsų drėgmės jutiklius, kurie stebės dirvožemio drėgmę ir kvies vandenį iš švirkšto siurblių. Hidratacija bus paskirstyta kiekvienai augalų pagalvei per medicininį vamzdžių laistymo kolektorių, pritvirtintą prie šių siurblių. Šį švirkštu pagrįstą laistymo metodą mes ištyrėme kaip geriausią praktiką tiek tiksliam laistymui, tiek nulinės/mikrogravitacinės aplinkos iššūkiams įveikti. Vamzdžiai pateks į augalų pagalvės pagrindą, kad paskatintų šaknų augimą į išorę Mes pasikliausime kapiliariškumu, kuris padės vandeniui pasklisti po visą auginimo terpę.

Galiausiai norėjome rasti būdą, kaip panaudoti pagrindinę plokštę. Mes sukūrėme mažą lūpą ant apatinio veido, kad būtų galima auginti kilimėlį mikrožalumynams auginti. Yra žinoma, kad mikrožalumynai turi beveik 40 kartų daugiau gyvybiškai svarbių maistinių medžiagų nei jų subrendę analogai. Tai gali būti labai naudinga astronautų mitybai. Tai vienas straipsnis, kurį mūsų studentai rado apie mikrožalumynų maistinę vertę.

3 žingsnis: 3 žingsnis: laistykite augalus

Ankstesniame žingsnyje mes nurodėme mūsų linijinius pavaros švirkšto siurblius. Tai iki šiol mūsų mėgstamiausia šios konstrukcijos dalis. „NEMA 17“žingsniniai varikliai ketina varyti linijines pavaras, kurios nuspaus dviejų 100–300 cm3 švirkštų stūmoklį ant augimo kubo dangčio. Variklio korpusus, stūmoklio tvarkyklę ir kreipiamąjį bėgelį suprojektavome naudodami „Fusion 360“, patikrinę puikius atviro kodo projektus „Hackaday“. Mes sekėme šią pamoką nuostabioje „Adafruit“svetainėje, kad išmoktume valdyti variklius.

Norėjome rasti būdą, kaip išlaisvinti astronautus nuo laistymo. Žingsniai suaktyvinami, kai sistemos augalai reikalauja savo vandens. 4 talpiniai drėgmės jutikliai yra įkišti į augalų pagalves įvairiose auginimo kubo vietose. Kiekvienoje sistemos sodinimo vietoje yra anga, skirta priimti šiuos jutiklius, sumaltus į jų augimo kanalus. Tai leidžia šių jutiklių vietą pasirinkti ir periodiškai keisti astronautai. Tai ne tik padidina vandens paskirstymo sistemoje efektyvumą, bet ir leis vizualizuoti, kaip kiekvienas augalas sunaudoja savo vandenį. Drėgmės slenksčius gali nustatyti astronautai, kad laistymas būtų automatizuotas pagal jų poreikius. Švirkštai yra pritvirtinti prie pagrindinio laistymo kolektoriaus su „Luer“užrakto jungtimis, kad būtų galima lengvai užpildyti. Pačios auginimo plokštės naudoja panašų laistymo kolektoriaus prijungimo protokolą, kad jas būtų galima lengvai pašalinti iš kubo.

Jutiklių surinkti duomenys gali būti skaitomi vietoje 20x4 LCD ekrane, pritvirtintame prie dangčio, arba nuotoliniu būdu, kur jie yra renkami, rodomi ir pavaizduoti sistemos integravimu su „Cayenne“arba „Adafruit IO IoT“platformomis. „Arduino“siunčia savo duomenis į „Raspberry Pi“bortą naudodamas USB kabelį, kuris vėliau patenka į internetą naudodamas „Pi“„WiFi“kortelę. Šiose platformose galima nustatyti įspėjimus, kad jie praneštų astronautams, kai bet kuris iš mūsų sistemos kintamųjų išėjo iš iš anksto nustatytų ribinių verčių.

4 žingsnis: 4 žingsnis: išmanusis dangtelis su apšvietimu ir ventiliatoriaus valdymu

Mūsų auginimo kubo dangtis veikia kaip visos operacijos smegenys, taip pat suteikia korpusą svarbiausiems auginimo elementams. Žemiau nuo dangčio apačios yra 3D atspausdintas LED korpusas, kuris apšviečia kiekvieną augančią sieninę plokštę, taip pat viršuje apšviečia mikrožalią kilimėlį apačioje. Tai vėl buvo sukurta „Fusion 360“ir atspausdinta ant mūsų „MakerBot“. Kiekvienoje šviesos zonoje yra 3 šviesos diodų juostos, uždengtos įgaubta atrama. Ši atrama padengta HVAC izoliacine juostele, kad maksimaliai atspindėtų. Laidai keliauja aukštyn vidury tuščiavidurio stulpelio, kad pasiektų maitinimą ir duomenis dangčio viršuje. Šio būsto dydis buvo pasirinktas taip, kad būtų toks pėdsakas, kuris leistų aplink jį augantiems augalams pasiekti maksimalų 8 colių aukštį. Nustatyta, kad šis skaičius yra vidutinis subrendusių „Outredgeous“salotų, kurias auginame vertikaliuose hidroponiniuose soduose, aukštis mūsų laboratorijoje. Jie gali siekti net 12 colių aukščio, tačiau mes supratome, kad astronautai, juos augindami, ganysis, todėl tai bus kubas, kuris vėl ir vėl augs.

Mūsų naudojami neopikseliai yra individualiai adresuojami, o tai reiškia, kad galime kontroliuoti jų skleidžiamą spalvų spektrą. Tai gali būti naudojama modifikuojant šviesos spektrus, kuriuos augalai gauna įvairiais augimo etapais arba iš vienos rūšies į kitą. Skydai buvo skirti tam, kad prireikus kiekvienoje sienoje būtų skirtingos apšvietimo sąlygos. Mes suprantame, kad tai nėra tobula sąranka ir kad mūsų naudojami žibintai nėra techniškai augantys žibintai, tačiau manėme, kad tai buvo puikus koncepcijos įrodymas.

Dangčio viršuje yra du 5 colių 12 V aušinimo ventiliatoriai, paprastai naudojami kompiuterių bokštų temperatūrai valdyti. Mes jį sukūrėme taip, kad vienas stumtų orą į sistemą, o kitas veiktų kaip oro ištraukimas. Jie abu yra uždengti tinkleliu, kad būtų išvengta šiukšlių patekimo į astronauto kvėpavimo aplinką. Ventiliatoriai yra išjungiami, kai atidaromas bet kuris prie durų pritvirtintas magnetinis nendrinis jungiklis, kad būtų išvengta netyčinio oro užteršimo. Ventiliatorių greitis valdomas naudojant PWM, naudojant „Motor HAT“ant „Raspberry pi“. Ventiliatoriai gali būti sąlyginai pagreitinti arba sulėtinti, atsižvelgiant į temperatūros ar drėgmės vertes, kurias į Pi tiekia kubo įterptas DHT22 jutiklis. Šiuos rodmenis vėl galima peržiūrėti vietoje LCD ekrane arba nuotoliniu būdu tame pačiame daiktų interneto prietaisų skydelyje, kuriame yra drėgmės jutikliai.

Galvodami apie fotosintezę, mes taip pat norėjome atsižvelgti į CO2 lygį ir bendrą oro kokybę augančiame kube. Šiuo tikslu mes įtraukėme SGP30 jutiklį, skirtą stebėti eCO2 ir visus LOJ. Jie taip pat siunčiami į LCD ir „IoT“prietaisų skydelį vizualizavimui.

Taip pat pamatysite, kad mūsų pora švirkšto siurblių yra sumontuoti palei dangčio šoną. Jų vamzdeliai nukreipti žemyn vertikaliais aliuminio ekstruzijos atraminio rėmo kanalais.

5 žingsnis: uždarykite mintis ir būsimus pasikartojimus

Mes sukūrėme „Wolverine“naudodamiesi žiniomis, kurias įgijome kartu augindami maistą. Mes kelerius metus automatizavome savo sodus ir tai buvo tokia įdomi galimybė pritaikyti tai unikaliai inžinerinei užduočiai. Mes suprantame, kad mūsų dizainas turi kuklią pradžią, tačiau tikimės, kad kartu su juo augsime.

Vienas kūrimo aspektas, kurio negalėjome užbaigti iki nustatyto termino, buvo vaizdo fiksavimas. Vienas iš mūsų studentų eksperimentavo su „Raspberry Pi“fotoaparatu ir „OpenCV“, norėdamas išsiaiškinti, ar galime automatizuoti augalų sveikatos aptikimą mašininio mokymosi būdu. Bent jau norėjome turėti galimybę pamatyti augalus neatidarę durų. Buvo sumanyta įtraukti pakreipimo mechanizmą, kuris galėtų suktis apatinėje viršutinio skydo pusėje, kad būtų galima užfiksuoti kiekvienos augančios sienos vaizdus ir tada atspausdinti juos „Adafruit IO“prietaisų skydelyje, kad būtų galima vizualizuoti. Tai taip pat gali sukelti tikrai šaunų augančių pasėlių laiką. Manome, kad tai tik dalis inžinerinio projektavimo proceso. Visada bus ką nuveikti ir ką patobulinti. Labai ačiū už galimybę dalyvauti!