Navă de filtrare autonomă Arduino: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

În acest Instructable vă voi arăta cum am proiectat și realizat soluția propusă pentru problema actuală a algelor roșii din apele Coastei Golfului. Pentru acest proiect am vrut să proiectez o ambarcațiune complet autonomă și alimentată cu energie solară care să poată naviga pe căile navigabile și, folosind un sistem de filtrare naturală la bord, să poată filtra excesul de nutrienți și toxinele din algele Dinoflagelate și Karena Brevis. Acest design a fost creat pentru a arăta cum poate fi utilizată tehnologia pentru a rezolva unele dintre problemele noastre actuale de mediu. Din păcate, nu a câștigat niciun premiu sau loc în târgul meu științific local, dar totuși mi-a plăcut experiența de învățare și sper că altcineva poate învăța ceva din proiectul meu.

Pasul 1: Cercetare

Desigur, de fiecare dată când veți rezolva o problemă, trebuie să faceți unele cercetări. Auzisem despre această problemă printr-un articol de știri online și asta m-a interesat să proiectez o soluție pentru acea problemă de mediu. Am început prin cercetarea exactă a problemei și a cauzelor acesteia. Iată o secțiune din lucrarea mea de cercetare care arată ce am găsit în timpul cercetării mele.

„Marea Roșie este o problemă anuală în creștere pentru apele Floridei. Marea Roșie este un termen obișnuit folosit pentru un grup mare, concentrat de alge, care crește sporadic datorită creșterii nutrienților disponibili. În prezent, Florida se confruntă cu o creștere rapidă în dimensiunea Marea Roșie, care provoacă o preocupare crescândă pentru siguranța faunei sălbatice acvatice din zonă, precum și a oricăror persoane care ar putea intra în contact cu ea. Marea Roșie este cel mai frecvent alcătuită dintr-o specie de alge cunoscute sub numele de Dinoflagelate. Dinoflagelatele sunt protiste unicelulare care produc toxine precum brevetoxinele și ihtiotoxina, care sunt extrem de toxice pentru viața marină și terestră care vin în contact cu acestea. Dinoflagelatele se reproduc asexual prin mitoză, divizarea unei celule producând o copie exactă. Dinoflagelatele se hrănesc cu alți protizi din apă, cum ar fi Chysophyta, cea mai comună formă de alge netoxice. se introduc noi substanțe nutritive.

Principala cauză a creșterii lor rapide a hranei se datorează introducerii unor cantități mari de substanțe nutritive care sunt spălate de la ferme în timpul furtunilor de ploaie și transportate în țărmurile oceanelor din râurile și pâraiele din apropiere. Datorită dependenței mari de îngrășăminte artificiale pentru agricultură, cantitatea de nutrienți disponibili în terenurile agricole din jur este mai mare decât a fost vreodată. Ori de câte ori există o furtună de ploaie în majoritatea părților din țara de est, ploaia respectivă spală o mulțime de îngrășăminte din solul de sus și în pârâurile și pârâurile din jur. Aceste cursuri se adună în cele din urmă în râuri, combinând toți nutrienții lor colectați într-un grup mare care este aruncat în Golful Mexic. Această mare colecție de nutrienți nu este o apariție naturală pentru viețile marine prezente, motiv pentru care are ca rezultat o creștere incontrolabilă a algelor. Fiind principala sursă de hrană a Dinoflagelatelor, creșterea rapidă a algelor oferă o sursă mare de hrană pentru o formă de viață în creștere rapidă.

Aceste grupuri mari de dinoflagelate produc substanțe chimice toxice despre care se știe că ucid majoritatea vieților acvatice care vin în contact cu ele. Potrivit WUSF, o stație de știri locală din Florida, înflorirea anului 2018 au existat 177 de decese confirmate de lamantin din Marea Roșie, precum și alte 122 de decese despre care se suspectează că sunt legate. Dintre cele 6 500 de lamantini așteptați în apele din Florida și Puerto Rico, acesta este un impact uriaș asupra supraviețuirii acestei specii și acesta este doar impactul asupra unei specii. De asemenea, se știe că Marea Roșie provoacă probleme respiratorii celor care s-au aflat în imediata apropiere a oricărei flori. Deoarece Marea Roșie crește în canale în unele orașe de pe plajă, acesta este un pericol evident pentru siguranță pentru oricine locuiește în acele comunități. De asemenea, se știe că toxina Dinophysis, produsă de Marea Roșie, infectează în mod obișnuit populațiile locale de crustacee, ducând la otrăvirea diareei de crustacee, sau DSP, la cei care au consumat crustacee infectate. Din fericire, nu se știe că este fatală, dar poate duce la probleme digestive pentru victimă. Cu toate acestea, o altă toxină produsă de unele Marea Roșie, Gonyaulax sau Alexandrium, poate infecta și crustaceele în apele contaminate cu mareele. Consumul de crustacee contaminate cu aceste toxine determină otrăvirea paralitică a crustaceelor sau PSP care, în cele mai grave cazuri, a dus la insuficiență respiratorie și moarte în decurs de 12 ore de la ingestie."

Pasul 2: Soluția mea propusă

Citat din lucrarea mea de cercetare

„Soluția mea propusă este de a construi o navă marină complet autonomă, alimentată cu energie solară, care să aibă la bord un sistem de filtrare naturală cu microparticule. Întregul sistem va fi alimentat de panouri solare de la bord și propulsat de două motoare fără perii, conductate, într-un sistem de vectorizare a tracțiunii. sistemul de filtrare va fi folosit pentru a filtra excesul de nutrienți și dinoflagelați pe măsură ce navighează pe căile navigabile în mod autonom. Nava va fi utilizată și ca sistem de navetă pentru comunitatea locală. Am început cercetând mai întâi problema și modul în care această problemă a început. Am învățat că valurile de Marea Roșie au fost cauzate de cantitățile mari de substanțe nutritive, cum ar fi azotul, în apele locale. Odată ce am descoperit ce cauzează problema, am putut începe o brainstorming o soluție care ar putea ajuta la diminuarea dimensiunii anuale a Marea Roșie.

Ideea mea a fost o navă asemănătoare ca mărime și formă cu o barcă cu ponton. Acest vas ar avea un skimmer între cele două pontoane care ar duce apa care intră printr-un filtru de plasă pentru a îndepărta particulele mari și apoi printr-un filtru cu membrană permeabilă care ar elimina microparticulele de azot prezente. Apa filtrată avea să curgă apoi din spatele bărcii prin spumă opusă. De asemenea, am vrut ca acest vas să fie complet electric, astfel încât să fie liniștit și să fie mai sigur, cu mai puține șanse de a scurge lichide toxice în apele din jur. Pe vas ar exista mai multe panouri solare, precum și un controler de încărcare cu un pachet de ioni de litiu pentru a stoca orice exces de energie pentru o utilizare ulterioară. Ultimul meu obiectiv a fost să proiectez nava astfel încât să poată fi folosită pentru transportul public pentru comunitatea locală. Având în vedere toate aceste alegeri de proiectare, am început să schițez mai multe idei pe hârtie pentru a încerca să rezolv eventualele probleme potențiale."

Pasul 3: Desinging

Odată ce am ieșit din cercetare, am avut o idee mult mai bună asupra problemei și a cauzelor acesteia. Am trecut apoi la brainstorming și proiectare. Am petrecut câteva zile gândindu-mă la o mulțime de moduri diferite de a rezolva această problemă. Odată ce am avut câteva idei decente, am trecut la schițarea lor pe hârtie pentru a încerca să rezolv câteva defecte de proiectare înainte de a trece la CAD. După alte câteva zile de schițe, am creat o listă de piese pe care am vrut să le folosesc pentru proiectare. Am folosit toate câștigurile mele din premiile din târgul științific din anii precedenți plus încă puțin pentru a cumpăra piesele și filamentul de care aveam nevoie pentru a crea prototipul. Am ajuns să folosesc un Node MCU pentru microcontroler, două panouri solare de 18V pentru sursele de alimentare propuse, doi senzori cu ultrasunete pentru caracteristicile autonome, 5 rezistoare foto pentru a determina iluminarea ambientală, niște benzi cu LED alb de 12V pentru iluminat interior, 2 LED-uri RGB benzi pentru iluminat direcțional, 3 relee pentru controlul LED-urilor și a motorului fără perii, un motor fără perii de 12V și ESC, un alimentator de 12V pentru alimentarea prototipului și alte câteva piese mici.

Odată ce au sosit majoritatea pieselor, am început să lucrez la modelul 3d. Am folosit Fusion 360 pentru a proiecta toate piesele pentru această barcă. Am început prin proiectarea corpului bărcii și apoi am mers în sus proiectând fiecare parte în timp ce mergeam. Odată ce am proiectat majoritatea pieselor, le-am pus pe toate într-un ansamblu pentru a mă asigura că se vor potrivi împreună odată ce au fost fabricate. După câteva zile de proiectare și modificări, a fost în cele din urmă timpul să începem să tipărim. Am imprimat carena în 3 bucăți diferite pe Prusa Mk3s și am imprimat suporturile solare și capacele carcasei pe CR10-urile mele. După mai multe zile, toate părțile au terminat imprimarea și am putut începe în cele din urmă să le pun împreună. Mai jos este o altă secțiune din lucrarea mea de cercetare în care vorbesc despre proiectarea bărcii.

„Odată ce am avut o idee bună despre designul final, am trecut la Computer Aided Drafting sau CAD, care este un proces care poate fi realizat folosind multe software-uri disponibile astăzi. Am folosit software-ul Fusion 360 pentru a proiecta piesele de care aș avea nevoie fabricarea pentru prototipul meu. Am proiectat mai întâi toate piesele pentru acest proiect și apoi le-am asamblat într-un mediu virtual pentru a încerca să rezolv orice probleme înainte de a începe să tipăresc piesele. Odată ce am avut un ansamblu 3D finalizat, m-am mutat pentru proiectarea sistemelor electrice necesare acestui prototip. Am vrut ca prototipul meu să fie controlabil printr-o aplicație personalizată de pe smartphone-ul meu. Pentru prima mea parte, am ales microcontrolerul Node MCU. Node MCU este un microcontroler construit în jurul popularului ESP8266 Cip Wifi. Această placă îmi oferă posibilitatea de a conecta dispozitive externe de intrare și ieșire care pot fi controlate de la distanță prin interfața Wifi. După ce am găsit controlerul principal pentru proiectarea mea, am trecut la alegerea a rts ar fi necesare pentru sistemul electric. Pentru a alimenta nava, am ales două panouri solare de optsprezece volți care vor fi ulterior conectate în paralel pentru a oferi o ieșire de optsprezece volți împreună cu dublul curentului unei celule solare individuale datorită cablării lor în paralel. Ieșirea din panourile solare intră într-un controler de încărcare. Acest dispozitiv preia tensiunea de ieșire fluctuantă de la panourile solare și o netezește la o ieșire mai constantă de 12 volți. Aceasta merge apoi în sistemul de gestionare a bateriei, sau BMS, pentru a încărca 6, 18650 celule lipo cablate cu două seturi de trei celule cablate în paralel, apoi în serie. Această configurație combină capacitatea de 4,2 volți a modelului 18650 într-un pachet de capacitate de 12,6 volți cu trei celule. Prin cablarea a încă trei celule setate în paralel cu pachetul anterior, capacitatea totală este dublată, oferindu-ne o baterie de 12,6 volți cu o capacitate de 6, 500 mAh.

Acest acumulator poate produce 12 volți pentru motoarele de iluminat și fără perii. Am folosit un invertor de coborâre pentru a crea o ieșire de cinci volți pentru setul electronic de putere mai mică. Am folosit apoi trei relee, unul pentru a porni și opri luminile interioare, unul pentru a schimba culoarea luminilor externe și altul pentru a porni și opri motorul fără perii. Pentru măsurarea distanței, am folosit doi senzori cu ultrasunete, unul pentru față și unul pentru spate. Fiecare senzor trimite un impuls cu ultrasunete și poate citi cât durează acel impuls pentru a reveni. Din aceasta, putem afla cât de departe este un obiect în fața navei, calculând întârzierea semnalului de întoarcere. Pe vârful vasului aveam cinci fotorezistoare pentru a determina cantitatea de lumină prezentă pe cer. Acești senzori își schimbă rezistența în funcție de câtă lumină este prezentă. Din aceste date, putem folosi un cod simplu pentru a media toate valorile, iar când senzorii citesc o valoare medie a luminii slabe, luminile interioare se vor aprinde. După ce am aflat ce electronică aș folosi, am început să tipăresc în 3D piesele pe care le proiectasem anterior. Am imprimat carcasa bărcii în trei bucăți, astfel încât să poată încapea pe imprimanta mea principală. În timp ce acestea tipăreau, am trecut la imprimarea suporturilor solare și a punții pe o altă imprimantă. Fiecare parte a durat aproximativ o zi pentru a imprima, așa că, în total, au fost aproximativ 10 zile de imprimare 3D dreaptă pentru a obține toate părțile de care aveam nevoie. După ce au terminat de imprimat, le-am asamblat în părți mai mici. Am instalat apoi electronice precum panouri solare și LED-uri. Odată ce electronica a fost instalată, le-am conectat pe toate și am terminat de asamblat piesele tipărite. Apoi, am trecut la proiectarea unui stand pentru prototip. Acest suport a fost, de asemenea, proiectat în CAD și ulterior decupat din lemn MDF pe mașina mea CNC. Folosind CNC-ul, am reușit să decupez sloturile necesare de pe panoul frontal pentru atașarea dispozitivelor electronice de perdea. Am montat apoi prototipul pe bază și ansamblul fizic a fost complet. Acum că prototipul a fost complet asamblat, am început să lucrez la codul pentru NodeMCU. Acest cod este folosit pentru a spune NodeMCU ce părți sunt conectate la ce pini de intrare și de ieșire. De asemenea, îi spune tabloului cu ce server să contacteze și la ce rețea Wifi să se conecteze. Cu acest cod, am putut apoi să controlez anumite părți ale prototipului de pe telefonul meu folosind o aplicație. Acest lucru este similar într-un fel cu modul în care proiectul final ar putea contacta stația principală de andocare pentru a primi coordonatele următoarei stații, precum și alte informații, cum ar fi unde sunt celelalte nave și vremea așteptată pentru ziua respectivă."

Pasul 4: Asamblare (În sfârșit !!)

Ok, așa că acum suntem la partea mea preferată, adunarea. Îmi place să construiesc lucruri, așa că, în cele din urmă, putând pune toate părțile la un loc și a vedea rezultatele finale m-a emoționat destul de mult. Am început prin a strânge toate părțile tipărite și le-am lipit super. Am instalat apoi componentele electronice precum lumini și panouri solare. În acest moment mi-am dat seama că nu va exista nicio modalitate prin care să pot încadra toate componentele electronice ale acestui lucru. Atunci mi-a venit ideea să CNC un suport pentru barcă pentru a face să arate puțin mai bine, precum și pentru a-mi oferi un loc pentru a ascunde toate componentele electronice. Am proiectat suportul în CAD, apoi l-am decupat pe Bobs CNC E3 în MDF de 13 mm. Apoi l-am înșurubat și i-am dat un strat de vopsea neagră spray. Acum, că aveam un loc pentru a-mi umple toate componentele electronice, am continuat cu cablajul. Am conectat totul și am instalat Node MCU (cam un Arduino Nano cu WiFi încorporat) și m-am asigurat că totul este pornit. După aceea, am încheiat ansamblul și chiar am ajuns să folosesc tăietorul laser al școlilor pentru a tăia balustradele de siguranță cu niște gravuri grozave, mulțumesc din nou Mr. Z! Acum, când aveam un prototip fizic terminat, era momentul să adăugăm magie cu codificare.

Pasul 5: Codificarea (AKA partea dură)

Pentru codare, am folosit Arduino IDE pentru a scrie un cod destul de simplu. Am folosit schița de bază Blynk ca starter, așa că mai târziu voi putea controla unele părți din aplicația Blynk. Am urmărit multe videoclipuri de pe YouTube și am citit o mulțime de forumuri pentru ca acest lucru să funcționeze. În cele din urmă nu am reușit să-mi dau seama cum să controlez motorul fără perii, dar am reușit să funcționeze orice altceva. Din aplicație puteți schimba direcția ambarcațiunii, care ar schimba culorile LED-urilor roșii / verzi, ar activa / opri luminile interioare și ar putea primi un flux de date în direct de la unul dintre senzorii cu ultrasunete de pe partea din față a ecranului. Cu siguranță am renunțat la această parte și nu am făcut aproape atât de mult pe codul pe care l-am dorit, dar totuși a ajuns să fie o caracteristică îngrijită.

Pasul 6: Produsul final

E gata! Am adunat totul și am lucrat abia înainte de întâlnirile târgului științific. (Amânat stereotip) Am fost destul de mândru de produsul final și abia aștept să îl împărtășesc judecătorilor. Nu mai am multe altceva de spus aici, așa că voi lăsa să-mi explic mai bine. Iată secțiunea de concluzii a lucrării mele de cercetare.

Odată ce vasele și stațiile de andocare sunt create, soluția este în curs de desfășurare. În fiecare dimineață, vasele își încep traseele prin căile navigabile. Unele ar putea să treacă prin canalele din orașe, în timp ce altele călătoresc pe mlaștinile sau liniile oceanice. În timp ce ambarcațiunile își parcurge traseul, skimmerul de filtrare va fi în jos, permițând filtrelor să-și înceapă activitatea. Skimmerul va direcționa algele plutitoare și resturile în canalul de filtrare. particule și resturi din apă. Materialul îndepărtat va fi ținut acolo până când camera este umplută. După ce apa a trecut prin primul filtru, acesta trece prin filtrul cu membrană permeabilă. Acest filtru folosește găuri permeabile mici pentru a permite doar apă permeabilă, lăsând în urmă materiale impermeabile. Acest filtru este utilizat pentru a extrage materialul de îngrășământ impermeabil, precum și excesul de nutrienți din creșterea algelor. r curge apoi din spatele bărcii înapoi în căile navigabile unde vasul filtrează.

Când o navă ajunge la stația sa de andocare, aceasta trage în dana. După acostarea completă, două brațe se vor atașa pe partea laterală a bărcii pentru ao ține în poziție constantă. Apoi, o țeavă se va ridica automat de sub barcă și se va atașa la fiecare port de eliminare a deșeurilor. Odată securizat, portul se va deschide și o pompă va porni, aspirând materialul colectat din barcă și în stația de andocare. În timp ce toate acestea se întâmplă, pasagerilor li se va permite să urce pe vas și să își găsească locurile. Odată ce toată lumea este la bord și containerele pentru deșeuri au fost golite, ambarcațiunea va fi eliberată din gară și va începe pe un alt traseu. După ce deșeurile au fost pompate în stația de andocare, vor fi cernute din nou pentru a îndepărta resturile mari, cum ar fi bețe sau gunoi. Resturile eliminate vor fi depozitate în containere pentru reciclare ulterioară. Celelalte alge cernute vor fi duse la stația de andocare centrală pentru a fi procesate. Când fiecare stație de andocare mai mică își umple stocarea algelor, un lucrător va veni să transporte algele la stația principală, unde va fi rafinat într-un biodiesel. Acest biodiesel este o sursă regenerabilă de combustibil, precum și o modalitate profitabilă de reciclare a nutrienților colectați.

Pe măsură ce bărcile continuă să filtreze apa, conținutul de nutrienți va fi redus. Această reducere a cantității excesive de nutrienți va duce la infloriri mai mici în fiecare an. Pe măsură ce nivelurile de nutrienți continuă să scadă, calitatea apei va fi monitorizată pe scară largă pentru a se asigura că nutrienții rămân la un nivel constant și sănătos necesar pentru un mediu înfloritor. În anotimpurile de iarnă, când scurgerea îngrășămintelor nu este la fel de puternică ca primăvara și vara, bărcile vor putea controla cantitatea de apă care este filtrată pentru a se asigura că există întotdeauna o cantitate sănătoasă de nutrienți disponibili. Pe măsură ce bărcile circulă pe trasee, vor fi colectate din ce în ce mai multe date pentru a determina mai eficient sursele de scurgere a îngrășămintelor și ce perioade de pregătire pentru niveluri mai ridicate de nutrienți. Folosind aceste date, se poate crea un program eficient pentru a se pregăti pentru fluctuația provocată de anotimpurile agricole."