Hack Hollow's Wolverine Grow Cube pentru ISS: 5 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Suntem liceul West Hollow din Long Island, NY. Suntem aspiranți la inginerie care ne întâlnim o dată pe săptămână într-un club numit Hack the Hollow în care proiectăm, codificăm și construim o serie de proiecte de producători. Puteți consulta toate proiectele la care lucrăm AICI. Obiectivul nostru principal a fost studierea viitorului roboticii alimentare și a mediului. Am asamblat și întreținut o fermă de hidroponie verticală automată în spatele laboratorului nostru de științe, împreună cu profesorul nostru, domnul Regini. De asemenea, am participat la programul GBE în ultimii doi ani. Știm că această provocare a fost necesară pentru elevii de liceu, dar am fost prea încântați să mai așteptăm încă doi ani pentru a vă prezenta Wolverine, numit după mascota școlii noastre. Cam asta facem!

În acest proiect, veți găsi o mulțime de lucruri pe care ne place să le folosim, inclusiv Arduino, Raspberry Pi și toate bunătățile electronice care le sunt asociate. De asemenea, ne-a plăcut să folosim Fusion 360 ca un pas de la TinkerCad pentru a proiecta cubul. Acest proiect a fost o oportunitate perfectă de a ne tăia dinții pe unele platforme noi de producători. Am fost împărțiți în echipe de proiectare care fiecare trebuia să se concentreze asupra unui aspect al Grow Cube. L-am descompus în cadru, capac și placă de bază, iluminând, crescând pereți, apă, ventilatoare și senzori de mediu. În lista noastră de consumabile am făcut legături cu toate materialele pe care le folosim dacă aveți nevoie de ajutor pentru a vizualiza părțile care sunt discutate în pașii care urmează. Sperăm să vă bucurați!

Provizii

Cadru:

• Extrudări de aluminiu 1 "80/20
• Tee nuci
• Suporturi de susținere
• Balamale
• Îmbinări planor compatibile cu canal T
• Ghidaje pentru tuburi și fire compatibile cu canalul T
• Magneți pentru a ține ușile închise
• 3 x comutatoare magnetice

Crește zidurile:

• Canalele NFT cu profil redus Farm Tech
• Acoperiri canal NFT
• Foi de plastic ondulate
• Magneți pentru a menține canalele detașabile în poziție

Capac:

• Foaie de plastic ondulată
• Corp de iluminat cu LED tipărit 3D (Fusion 360)
• Distanțieri din plastic și hardware pentru electronică

Iluminat:

• Benzi de neopixeli adresabile de la Adafruit (60LED / m)
• Conectori Neopixel
• Cleme Neopixel
• Condensator de decuplare 330uF, 35V
• Rezistor 1K ohm
• Banda din folie de aluminiu HVAC argintată
• Convertor Buck

Apă: (caracteristica noastră preferată):

• 2 x motoare pas cu pas Nema 17
• Adafruit Stepper Shield pentru Arduino
• Pompă seringă cu actuator liniar tipărit 3D (Fusion 360)
• 2 seringi de 100-300 ml
• Tuburi cu conexiuni de blocare Luer și articulații tee / cot
• 2 șuruburi și piulițe cu plumb T8 de 300 mm x 8 mm
• 2 x cuplaj zburat
• 2 x blocuri de rulment de perne
• 4 x 300mm x 8mm ghidaje liniare ale tijei de mișcare
• Rulmenți liniari 4 x 8mm LM8UU
• 4 x senzori de umiditate pentru rezistența capacitivă a robotului DF pentru a monitoriza solul și a controla pompele seringii

Circulația aerului:

• 2 x 5 "12V ventilatoare
• Capacele filtrului ventilatorului de 5"
• 2 x tranzistori Darlington și dissipatoare de căldură TIP120
• Alimentare 12V
• Adaptor de conectare jack cu butoi montat pe panou
• 2 rezistențe 1 x ohm
• 2 x diode flyback
• 2 x 330uF, condensatori de decuplare electrolitică de 35V
• Senzor de temperatură și umiditate DHT22 cu rezistor de 4.7K ohm

Electronică:

• Raspberry Pi 3B + cu motor HAT
• Card SD de 8 GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 x 20x4 i2C LCD-uri
• 22AWG fire de conectare torsadate
• Set conector Dupont
• Senzor de calitate a aerului Adafruit SGP30 cu eCO2

Instrumente:

• Ciocan de lipit
• Set de lipit
• Mâinile ajutătoare
• Unelte de sertizare și decupare pentru fire
• Șurubelnițe
• Cafea (pentru domnul Regini)

Pasul 1: Pasul 1: Construirea cadrului

Cadrul va fi construit folosind extrudări ușoare de aluminiu cu canal de 1 80/20 t. Acesta va fi ținut împreună cu articulațiile cotului din aluminiu și piulițele t. Pe lângă menținerea greutății în jos, canalele vor acționa ca trasee de ghidare pentru apa noastră linii și cabluri.

Cubul se va așeza pe un set de șine echipate cu articulații glisante care vor permite cubului să fie extras dintr-un perete pentru a expune nu numai fața sa frontală, ci și ambele părți ale sale. Inspirația pentru acest lucru a venit de la unul dintre studenții noștri care se gândea la raftul pentru condimente din dulapurile de bucătărie de acasă.

Folosind balamale simple, fața și părțile laterale vor avea uși care se pot deschide atunci când cubul este scos pe șinele sale. Ele sunt ținute pe loc de magneți când sunt închise. Toate cele 6 panouri ale acestui cub sunt detașabile, deoarece toate fețele sunt ținute în loc de magneți. Scopul acestei alegeri de design a fost de a oferi acces ușor la toate suprafețele pentru însămânțare, întreținerea plantelor, colectarea datelor, recoltare și curățare / reparații.

Puteți vedea designul nostru pentru panouri în pasul următor.

Pasul 2: Pasul 2: Construirea zidurilor de creștere

Primul element la care ne-am gândit a fost materialele de utilizat pentru pereții înșiși. Știam că trebuie să fie ușoare, dar suficient de puternice pentru a susține plantele. Plasticul ondulat alb a fost ales în comparație cu acrilul transparent, chiar dacă ne-au plăcut pozele din V. E. G. G. I. E unde am putut vedea plantele din interior. Motivul acestei decizii s-a datorat faptului că cea mai mare parte a vederii ar fi obstrucționată de canalele plantei și am vrut să reflectăm cât mai multă lumină din LED-urile noastre. Această logică a venit din inspectarea unității pe care am fost trimise ca parte a participării noastre GBE. După cum sa menționat în pasul anterior, aceste plăci sunt ținute de rama de aluminiu cu magneți, astfel încât să poată fi îndepărtate cu ușurință.

La aceste plăci sunt atașate trei canale de șine de creștere NFT de profil redus pe care le folosim în laboratorul nostru de hidroponie. Ne place această alegere deoarece sunt construite din PVC subțire, cu huse care se alunecă cu ușurință pentru implantarea pernelor în creștere. Toate mediile de creștere vor fi conținute în perne special concepute, pe care le-am văzut că sunt deja utilizate pe ISS atunci când citim ACEST ARTICOL. Toate panourile dintre șine vor fi acoperite cu bandă izolatoare HVAC argintată pentru a promova reflectivitatea luminilor de creștere.

Deschiderile noastre sunt de 1 3/4 și distanțate de 6 inci pe centru. Acest lucru permite 9 locuri de plantare pe fiecare dintre cele patru panouri ale cubului, producând un total de 36 de plante. Am încercat să menținem această distanță la fel de consistentă cu ceea ce aveam roșu Despre salate salbatice. Canalele sunt frezate cu fante pentru a accepta senzorii noștri de umiditate care vor monitoriza umiditatea solului și vor solicita apă din pompele de seringă. Această metodă de udare pe bază de seringă este un lucru pe care l-am cercetat ca fiind cea mai bună practică atât pentru udarea de precizie, cât și pentru a depăși provocările unui mediu zero / micro-gravitațional. Tubulatura va intra în baza pernei plantelor pentru a promova creșterea rădăcinilor spre exteriorul ne vom baza pe capilaritate pentru a ajuta apa să difuzeze pe întregul mediu de creștere.

În cele din urmă, am vrut să găsim o modalitate de a folosi placa de bază. Am creat o mică buză pe fața inferioară pentru a accepta un covor de creștere pentru a crește micro verzi. Se știe că micro-verdele are de aproape 40 de ori mai mulți nutrienți vitali decât omologii lor maturi. Acestea s-ar putea dovedi foarte benefice dietei astronauților. Acesta este un articol pe care l-au găsit studenții noștri despre valoarea nutrițională a micro-verdeturilor.

Pasul 3: Pasul 3: Udarea plantelor

Am făcut referire la pompele de seringă ale actuatorului nostru liniar în pasul anterior. Aceasta este de departe partea noastră preferată a acestei construcții. Motoarele pas cu pas NEMA 17 vor acționa actuatoare liniare care vor apăsa pistonul a două seringi de 100cc-300cc pe capacul cubului de creștere. Am proiectat carcasele motorului, șoferul pistonului și platforma de ghidare folosind Fusion 360 după ce am verificat câteva proiecte open source grozave pe Hackaday. Am urmat acest tutorial pe site-ul uimitor al Adafruit pentru a afla cum să conducă motoarele.

Am vrut să găsim o modalitate de a elibera astronauții de sarcina udării. Stepper-urile sunt activate atunci când plantele din sistem solicită propria apă. 4 senzori de umiditate capacitivi sunt conectați la pernele plantei în diferite locații din cubul de creștere. Fiecare loc de plantare din sistem are un slot pentru a accepta acești senzori frezați în canalele lor de creștere. Acest lucru permite plasarea acestor senzori să fie aleasă și schimbată periodic de către astronauți. În plus față de maximizarea eficienței prin care apa este distribuită în sistem, aceasta va permite vizualizarea modului în care fiecare plantă își consumă apa. Pragurile de umiditate pot fi stabilite de astronauți, astfel încât udarea să poată fi automatizată în funcție de nevoile lor. Seringile sunt atașate la colectorul principal de udare cu conexiuni de blocare Luer pentru reumplere ușoară. Panourile de creștere folosesc în sine un protocol de conexiune similar cu colectorul de udare, astfel încât să poată fi îndepărtate cu ușurință din cub.

Datele colectate de senzori pot fi citite local pe un ecran LCD de 20x4 atașat la capac sau de la distanță unde sunt colectate, afișate și reprezentate grafic prin integrarea sistemului fie cu platformele IoT Ioenne, fie cu Cayenne sau Adafruit. Arduino își trimite datele către Raspberry Pi la bord folosind un cablu USB care apoi se îndreaptă spre internet folosind cardul WiFi al lui Pi. Alertele pot fi setate pe aceste platforme pentru a anunța astronauții atunci când oricare dintre variabilele de sistem au ieșit din valorile lor prag prestabilite.

Pasul 4: Pasul 4: capacul inteligent cu iluminare și control al ventilatorului

Capacul cubului nostru de creștere acționează ca creierul întregii operațiuni, precum și asigură carcase pentru elemente critice de creștere. Extinzându-se în jos de la partea inferioară a capacului se află o carcasă cu LED-uri imprimate 3D, care oferă lumină pentru fiecare dintre plăcile de perete de creștere, precum și iluminarea superioară a covorașului de micro verzi din partea de jos. Aceasta a fost din nou proiectată în Fusion 360 și tipărită pe MakerBot. Fiecare locaș de lumină conține 3 benzi LED care sunt protejate de un suport concav. Acest suport este argintat cu bandă izolatoare HVAC pentru a maximiza reflectivitatea acestuia. Cablajul parcurge o coloană centrală goală pentru a accesa puterea și datele din partea superioară a capacului. Dimensiunea acestei carcase a fost aleasă pentru a avea o amprentă care să permită plantelor care cresc în jurul ei să atingă o înălțime maximă de 8 inci. S-a constatat că acest număr este o înălțime medie a salatelor Outredgeous mature pe care le cultivăm în grădinile noastre hidroponice verticale din laboratorul nostru. Pot ajunge la o înălțime de până la 12 inci, dar ne-am gândit că astronauții ar pășește pe aceștia pe măsură ce cresc, făcând din acesta un cub tăiat și venit din nou.

Neopixelii pe care îi folosim sunt adresabili individual, ceea ce înseamnă că putem controla spectrul de culori pe care îl emit. Aceasta poate fi utilizată pentru a modifica spectrele de lumină pe care le primesc plantele în diferite stadii ale creșterii lor sau de la specie la specie. Scuturile au fost menite să permită condiții de iluminare diferite pe fiecare dintre pereți, dacă este necesar. Înțelegem că aceasta nu este o configurație perfectă și că luminile pe care le folosim nu sunt lumini de creștere tehnică, dar am considerat că este o dovadă frumoasă a conceptului.

Partea superioară a capacului găzduiește două ventilatoare de răcire de 12 inch de 5 inci utilizate de obicei pentru a controla temperatura turnurilor computerului. L-am proiectat astfel încât unul să împingă aerul în sistem, în timp ce celălalt acționează ca extragere a aerului. Ambele sunt acoperite cu un ecran de plasă fină pentru a se asigura că nu se extrag resturi în mediul de respirație al astronautului. Ventilatoarele sunt oprite când oricare dintre comutatoarele magnetice atașate la ușă sunt deschise pentru a preveni contaminarea neintenționată a aerului. Viteza ventilatoarelor este controlată prin PWM folosind Motor HAT de pe Raspberry pi. Ventilatoarele pot fi accelerate sau încetinite condiționat pe baza valorilor de temperatură sau umiditate alimentate către Pi de către senzorul DHT22 încorporat din cub. Aceste citiri pot fi vizualizate din nou local pe un LCD sau de la distanță pe același tablou de bord IoT ca senzorii de umiditate.

Gândindu-ne la fotosinteză, am dorit să luăm în considerare și nivelurile de CO2 și calitatea generală a aerului în cubul de creștere. În acest scop, am inclus un senzor SGP30 pentru monitorizarea eCO2, precum și a COV-urilor totale. Și acestea sunt trimise pe ecranele LCD și tabloul de bord IoT pentru vizualizare.

De asemenea, veți vedea că perechea noastră de pompe cu seringă este montată de-a lungul părții laterale a capacului. Tuburile lor sunt direcționate în jos pe canalele verticale ale cadrului de susținere a extruziunii din aluminiu.

Pasul 5: Gânduri de închidere și iterații viitoare

Am proiectat Wolverine folosind cunoștințele pe care le-am dobândit din timpul nostru cultivând împreună mâncarea. Automatizăm grădinile noastre de câțiva ani și aceasta a fost o oportunitate atât de interesantă de a aplica acest lucru unei sarcini inginerești unice. Înțelegem că designul nostru are începuturi umile, dar așteptăm cu nerăbdare să creștem împreună cu acesta.

Un aspect al construcției pe care nu l-am putut finaliza înainte de termenul limită a fost capturarea imaginilor. Unul dintre studenții noștri a experimentat cu camera Raspberry Pi și OpenCV pentru a vedea dacă putem automatiza detectarea sănătății plantelor prin învățarea automată. Ne-am dorit cel puțin să putem avea o modalitate de a vedea plantele fără a fi nevoie să deschidem ușile. Gândul a fost să includă un mecanism de înclinare panoramică care să se poată roti în jurul părții inferioare a panoului superior pentru a capta imagini ale fiecărui perete de creștere și apoi să le imprime pe tabloul de bord Adafruit IO pentru vizualizare. Acest lucru ar putea face și câteva perioade de timp foarte reci ale culturilor în creștere. Presupunem că aceasta este doar o parte a procesului de proiectare inginerească. Vor fi întotdeauna de lucru și de îmbunătățit. Vă mulțumesc foarte mult pentru oportunitatea de a participa!