Nádoba autonomního filtrování Arduino: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

V tomto Instructable vám ukážu, jak jsem navrhl a vyrobil navrhované řešení aktuálního problému s červenými řasami ve vodách pobřeží Mexického zálivu. Pro tento projekt jsem chtěl navrhnout plně autonomní plavidlo poháněné solární energií, které by dokázalo navigovat po vodních cestách a pomocí palubního přirozeného filtračního systému dokázalo odfiltrovat přebytečné živiny a toxiny z řas Dinoflagellates a Karena Brevis. Tento design byl vytvořen, aby ukázal, jak lze technologii použít k vyřešení některých našich současných problémů s životním prostředím. Bohužel nezískal žádná ocenění ani místo na mém místním velkoměstském vědeckém veletrhu, ale i tak jsem si to učení užil a doufejme, že se někdo jiný může naučit něco z mého projektu.

Krok 1: Výzkum

Samozřejmě, kdykoli budete řešit problém, musíte provést nějaký výzkum. Slyšel jsem o tomto problému prostřednictvím zpravodajského článku online a to mě přimělo zaujmout návrhem řešení tohoto environmentálního problému. Začal jsem zkoumáním, co přesně je problém a co je příčinou. Zde je část mého výzkumného příspěvku, která ukazuje, co jsem během svého výzkumu našel.

„Red Tide je každoročně narůstajícím problémem vod Floridy. Red Tide je běžný termín používaný pro velkou koncentrovanou skupinu řas, která sporadicky roste kvůli nárůstu dostupných živin. V současné době Florida čelí rychlému nárůstu ve velikosti Red Tide, což způsobuje rostoucí obavy o bezpečnost vodní divoké zvěře v této oblasti, jakož i všech jedinců, kteří by s ní mohli přijít do styku. Red Tide je nejčastěji tvořen druhem řasy známé jako Dinoflagellate. Dinoflagelláty jsou jednobuněčné protisty, které produkují toxiny, jako jsou brevetoxiny a ichtyotoxiny, které jsou vysoce toxické pro mořský a pozemský život, který s nimi přichází do styku. Dinoflagelláty se nepohlavně reprodukují mitózou, štěpením buňky, která vytváří přesnou kopii. Dinoflageláty se živí jinými protisty ve vodě, jako je Chysophyta, nejběžnější forma netoxických řas. Dinoflagelláty se také množí nepohlavně, což způsobuje rychlý růst jejich počtu, když n zavádějí se nové živiny.

Hlavní příčinou jejich rychlého nárůstu potravy je zavádění velkého množství živin, které se během dešťů vyplavují z farem a přenášejí na břehy oceánů z blízkých řek a potoků. Vzhledem k vysoké závislosti na umělých hnojivech pro zemědělství je množství dostupných živin v okolních zemědělských půdách vyšší než kdykoli předtím. Kdykoli se ve většině částí východní země vyskytne bouřka, déšť vyplaví spoustu těchto hnojiv z horní půdy a do okolních potoků a potoků. Tyto proudy se nakonec shromažďují do řek, které spojují všechny jejich nashromážděné živiny do jedné velké skupiny, která je vyhozena do Mexického zálivu. Tato velká sbírka živin není pro přítomné mořské životy přirozeným jevem, a proto má za následek nekontrolovatelný růst řas. Jako hlavní zdroj potravy Dinoflagellates představuje rychlý nárůst řas velký zdroj potravy pro rychle rostoucí formu života.

Tyto velké skupiny Dinoflagelátů produkují toxické chemikálie, o nichž je známo, že zabíjejí většinu vodních živočichů, kteří s nimi přicházejí do styku. Podle WUSF, místní floridské zpravodajské stanice, v květu roku 2018 bylo 177 potvrzených úmrtí kapustňáků z Red Tide a dalších 122 úmrtí, u nichž bylo podezření, že souvisejí. Ze 6 500 očekávaných kapustňáků ve vodách Floridy a Portorika je to obrovský dopad na přežití tohoto druhu, a to je jen dopad na jeden druh. Red Tide je také známo, že způsobuje respirační problémy těm, kteří byli v těsné blízkosti některého z květů. Vzhledem k tomu, že Red Tide roste v kanálech v některých plážových městech, je to zjevné bezpečnostní riziko pro každého, kdo žije v těchto komunitách. O toxinu Dinophysis, produkovaném Red Tides, je také známo, že běžně infikuje místní populace měkkýšů, což vede k průjmové otravě měkkýšů nebo DSP u těch, kteří jedli infikované měkkýše. Naštěstí není známo, že by to bylo smrtelné, ale může to mít za následek zažívací problémy pro oběť. Jiný toxin produkovaný některými Red Tides, Gonyaulax nebo Alexandrium, však může ve vodách kontaminovaných přílivem a odlivem infikovat také měkkýše. Konzumace měkkýšů kontaminovaných těmito toxiny způsobuje paralytickou otravu měkkýšů nebo PSP, která má v nejhorších případech za následek selhání dýchání a smrt do 12 hodin po požití. “

Krok 2: Moje navrhované řešení

Citát z mého výzkumného příspěvku

"Moje navrhované řešení je postavit plně autonomní námořní plavidlo poháněné solární energií, které má na palubě mikročásticový přirozený filtrační systém. Celý systém bude poháněn palubními solárními panely a poháněn dvěma bezkartáčovými, potrubní motory v nastavení vektorování tahu." filtrační systém bude použit k filtrování přebytečných živin a dinoflagelátů při autonomní plavbě po vodních cestách. Plavidlo bude také používáno jako systém kyvadlové dopravy pro místní komunitu. Začal jsem nejprve zkoumáním problému a toho, jak tento problém začal. Dozvěděl jsem se, že návaly Red Tide byly způsobeny velkým množstvím živin, jako je dusík, v místních vodách. Jakmile jsem zjistil, co je příčinou problému, mohl jsem začít brainstormingovat řešení, které by mohlo pomoci zmenšit velikost každoročních Red Tides.

Moje představa byla loď velikosti a tvaru podobná pontonové lodi. Tato nádoba by měla skimmer mezi dvěma pontony, který by vedl protékající vodu přes síťový filtr k odstranění velkých částic, a pak přes propustný membránový filtr, který by odstranil přítomné mikročástice dusíku. Filtrovaná voda by pak protékala zadní částí lodi opačným skimmerem. Také jsem chtěl, aby tato loď byla plně elektrická, takže by byla tichá a bezpečnější, s menší šancí unikat toxické kapaliny do okolních vod. Na nádobě by bylo několik solárních panelů a také regulátor nabíjení s lithium -iontovým akumulátorem pro uložení přebytečné energie pro pozdější použití. Mým posledním cílem bylo navrhnout plavidlo tak, aby jej bylo možné použít pro veřejnou dopravu pro místní komunitu. S ohledem na všechny tyto možnosti designu jsem začal skicovat několik myšlenek na papír, abych se pokusil vyřešit případné problémy. “

Krok 3: Desing

Jakmile jsem měl svůj výzkum z cesty, měl jsem mnohem lepší představu o problému a o tom, co ho způsobuje. Poté jsem přešel k brainstormingu a navrhování. Strávil jsem několik dní přemýšlením o mnoha různých způsobech řešení tohoto problému. Jakmile jsem měl nějaké slušné nápady, přesunul jsem se k jejich načrtnutí na papír, abych se pokusil vypracovat některé nedostatky v návrhu, než se přesunu do CAD. Po dalších pár dnech skicování jsem vytvořil seznam dílů, které jsem chtěl použít pro návrh. Použil jsem všechny své výdělky z minulých let na veletrhu vědy a ještě něco navíc na nákup dílů a vláken, které jsem potřeboval k vytvoření prototypu. Nakonec jsem použil Node MCU pro mikrořadič, dva 18V solární panely pro navrhované zdroje energie, dva ultrazvukové senzory pro autonomní funkce, 5 fotorezistorů pro určení okolního osvětlení, některé 12V bílé LED pásky pro vnitřní osvětlení, 2 RGB LED proužky pro směrové osvětlení, 3 relé pro ovládání LED a bezkartáčového motoru, 12 V střídavý motor a ESC, 12 V napájecí zdroj pro napájení prototypu a několik dalších malých částí.

Jakmile dorazila většina dílů, začal jsem pracovat na 3D modelu. K návrhu všech dílů této lodi jsem použil Fusion 360. Začal jsem tím, že jsem navrhl trup lodi, a pak jsem postupoval nahoru a navrhoval každou část. Jakmile jsem nechal navrhnout většinu dílů, dal jsem je všechny do sestavy, abych se ujistil, že se k sobě budou hodit, jakmile budou vyrobeny. Po několika dnech navrhování a vylepšení byl konečně čas začít tisknout. Vytiskl jsem trup na 3 různé kusy na Prusa Mk3s a vytiskl solární držáky a kryty trupu na mé CR10s. Po několika dalších dnech byly všechny díly hotové a já jsem to konečně mohl začít dávat dohromady. Níže je další část mého výzkumného příspěvku, kde mluvím o konstrukci lodi.

„Jakmile jsem měl dobrou představu o konečném návrhu, přešel jsem na Computer Aided Drafting neboli CAD, což je proces, který lze dnes provést pomocí mnoha dostupných softwarů. K návrhu dílů, které bych potřeboval, jsem použil software Fusion 360 Výroba pro můj prototyp. Nejprve jsem navrhl všechny díly pro tento projekt a poté je sestavil ve virtuálním prostředí, abych zkusil vyřešit jakékoli problémy, než jsem začal vytisknout součásti. Jakmile jsem měl dokončenou 3D sestavu, přesunul jsem se na navrhování elektrických systémů potřebných pro tento prototyp. Chtěl jsem, aby byl můj prototyp ovladatelný pomocí aplikace navržené na míru v mém smartphonu. Pro svou první část jsem zvolil mikrokontrolér Node MCU. Node MCU je mikrokontrolér postavený kolem populárního ESP8266 Wifi čip. Tato deska mi dává možnost připojit k němu externí vstupní a výstupní zařízení, která lze dálkově ovládat prostřednictvím rozhraní Wifi. Po nalezení hlavního ovladače pro můj návrh jsem přešel k výběru jaké další pro elektrický systém by byly potřeba rts. K napájení plavidla jsem vybral dva osmnáctivoltové solární panely, které by později byly zapojeny paralelně, aby poskytovaly výkon osmnácti voltů spolu s dvojnásobným proudem jednotlivých solárních článků kvůli jejich paralelnímu zapojení. Výstup ze solárních panelů jde do regulátoru nabíjení. Toto zařízení odebírá kolísavé výstupní napětí ze solárních panelů a vyhlazuje jej na konstantnější dvanáctivoltový výstup. Poté přejde do systému správy baterií nebo BMS k nabíjení 6 18650 lipo článků zapojených dvěma sadami tří článků zapojených paralelně, poté do série. Tato konfigurace kombinuje 4,2 voltovou kapacitu 18650 do 12,6 voltové kapacity se třemi články. Zapojením dalších tří článků souběžně s předchozím balíčkem se celková kapacita zdvojnásobí, což nám poskytne 12,6voltovou baterii s kapacitou 6 500 mAh.

Tato baterie může vydávat dvanáct voltů pro osvětlení a střídavé motory. Použil jsem měnič typu down down k vytvoření výstupu pěti voltů pro nižší výkonovou sadu elektroniky. Poté jsem použil tři relé, jedno pro zapnutí a vypnutí vnitřních světel, jedno pro změnu barvy vnějších světel a druhé pro zapnutí a vypnutí bezkartáčového motoru. Pro měření vzdálenosti jsem použil dva ultrazvukové senzory, jeden pro přední a jeden pro zadní. Každý senzor vysílá ultrazvukový impuls a může číst, jak dlouho trvá, než se tento puls vrátí. Z toho můžeme vypočítat zpoždění ve zpětném signálu, jak daleko je předmět před plavidlem. Na vrcholu nádoby jsem měl pět fotorezistorů, které určovaly množství světla přítomného na obloze. Tyto senzory mění svůj odpor podle toho, kolik světla je přítomno. Z těchto údajů můžeme použít jednoduchý kód k průměrování všech hodnot, a když senzory načtou průměrnou hodnotu slabého světla, rozsvítí se vnitřní osvětlení. Poté, co jsem zjistil, jakou elektroniku budu používat, jsem začal s 3D tiskem dílů, které jsem předtím navrhl. Vytiskl jsem trup lodi na tři kusy, aby se vešel na moji hlavní tiskárnu. Zatímco se tiskly, přešel jsem k tisku solárních držáků a plošiny na jiné tiskárně. Tisk každé části trval přibližně jeden den, takže celkem bylo k dispozici asi 10 dní přímého 3D tisku, abych získal všechny díly, které jsem potřeboval. Poté, co byli všichni hotovi, tiskl jsem je dohromady na menší části. Poté jsem nainstaloval elektroniku, jako jsou solární panely a LED diody. Jakmile byla elektronika nainstalována, zapojil jsem je a dokončil montáž tištěných dílů. Dále jsem přešel k návrhu stojanu pro prototyp. Tento stojan byl také navržen v CAD a později vyřezán z MDF dřeva na mém CNC stroji. Pomocí CNC se mi podařilo vyříznout požadované štěrbiny na předním panelu pro uchycení záclonové elektroniky. Poté jsem namontoval prototyp na základnu a fyzická montáž byla dokončena. Nyní, když byl prototyp plně sestaven, jsem začal pracovat na kódu pro NodeMCU. Tento kód slouží k informování NodeMCU, které části jsou připojeny ke kterým vstupním a výstupním pinům. Rovněž sděluje desce, na jaký server se má obrátit a ke které síti Wifi se má připojit. S tímto kódem jsem pak mohl ovládat některé části prototypu z telefonu pomocí aplikace. Je to podobné tomu, jak by konečný návrh mohl kontaktovat hlavní dokovací stanici, aby obdržel souřadnice pro její další zastávku a také další informace, například kde jsou ostatní plavidla a očekávané počasí na ten den. “

Krok 4: Sestavení (konečně !!)

Dobře, tak teď jsme u mé oblíbené části, sestavy. Miluji stavění věcí, takže konečně možnost dát všechny části dohromady a vidět konečné výsledky mě docela nadchlo. Začal jsem spojením všech tištěných částí a super slepením. Poté jsem nainstaloval elektroniku jako světla a solární panely. V tomto okamžiku jsem si uvědomil, že neexistuje způsob, jak bych do této věci mohl vejít celou svou elektroniku. Tehdy jsem dostal nápad zhotovit CNC stojan pro loď, aby to vypadalo o něco lépe, a také mi dát místo pro skrytí veškeré elektroniky. Stojan jsem navrhl v CADu a poté jej vyřízl na mém Bobs CNC E3 ve 13mm MDF. Pak jsem to sešrouboval a dal mu vrstvu černé barvy ve spreji. Nyní, když jsem měl místo, kde jsem mohl nacpat veškerou svou elektroniku, jsem pokračoval v zapojení. Zapojil jsem vše a nainstaloval Node MCU (téměř Arduino Nano s vestavěným WiFi) a ujistil se, že je vše zapnuté. Poté jsem sestavu zabalil a dokonce jsem pomocí své školní laserové řezačky vyřízl bezpečnostní zábradlí několika skvělými rytinami, ještě jednou díky, pane Z! Nyní, když jsme měli hotový fyzický prototyp, bylo načase přidat trochu kouzla s kódováním.

Krok 5: The Coding (AKA the Hard Part)

Pro kódování jsem použil Arduino IDE k napsání docela jednoduchého kódu. Jako předkrm jsem použil základní skicu Blynk, abych později mohl ovládat některé části z aplikace Blynk. Sledoval jsem mnoho videí na YouTube a četl spoustu fór, aby to fungovalo. Nakonec jsem nebyl schopen přijít na to, jak ovládat střídavý motor, ale všechno ostatní fungovalo. Z aplikace můžete přepínat směr plavidla, které by přepínalo barvy červené/zelené LED diody, zapínalo/vypínalo vnitřní osvětlení a získávalo živý přenos dat z jednoho z ultrazvukových senzorů na přední straně displeje. V této části jsem rozhodně zpomalil a v kódu jsem toho neudělal tolik, kolik jsem chtěl, ale stále to byla úhledná funkce.

Krok 6: Konečný produkt

Hotovo! Všechno jsem shromáždil a pracoval těsně před datem veletrhu vědy. (Stereotypický prokrastinátor) Na konečný produkt jsem byl docela hrdý a nemohl jsem se dočkat, až se o něj podělím s porotci. Tady nemám moc co říct, takže to nechám vysvětlit lépe. Zde je závěrečná část mého výzkumného příspěvku.

„Jakmile budou plavidla a dokovací stanice vytvořeny, řešení je v plném proudu. Každé ráno plavidla zahájí plavbu po vodních cestách. Někteří mohou projít kanály ve městech, zatímco jiní cestují po bažinách nebo oceánských liniích. Zatímco plavidlo Prochází svou cestou, filtrační skimmer bude dole, což umožní filtrům začít pracovat. Skimmer nasměruje plovoucí řasy a nečistoty do filtračního kanálu. Jakmile je uvnitř, voda nejprve protéká síťovým filtrem, aby se odstranily větší Částice a úlomky z vody. Odstraněný materiál tam bude držen, dokud se komora nenaplní. Poté, co voda prošla prvním filtrem, pak projde propustným membránovým filtrem. Tento filtr využívá malé propustné otvory, které umožňují pouze propustná voda, která za sebou zanechává nepropustné materiály. Tento filtr se používá k extrakci nepropustného hnojivového materiálu a přebytečných živin z růstu řas. Filtrovaná voda r poté vytéká zadní částí lodi zpět do vodní cesty, kde plavidlo filtruje.

Když plavidlo dosáhne určené dokovací stanice, vtáhne se do kotviště. Po úplném ukotvení se k boku lodi přichytí dvě paže, aby držely pevně na místě. Dále se zpod lodi automaticky zvedne potrubí a připojí se ke každému portu pro likvidaci odpadu. Jakmile je zajištěn, port se otevře a zapne se čerpadlo, které nasává nasbíraný materiál z lodi do dokovací stanice. Zatímco se to všechno děje, cestujícím bude umožněno nastoupit na plavidlo a najít svá místa. Jakmile budou všichni na palubě a nádoby na odpad budou vyprázdněny, bude plavidlo vypuštěno ze stanice a začne na jiné trase. Poté, co bude odpad přečerpán do dokovací stanice, bude znovu proset, aby se odstranily velké nečistoty jako klacky nebo odpadky. Odstraněné nečistoty budou uloženy v kontejnerech pro pozdější recyklaci. Zbývající prosáté řasy budou odvezeny ke zpracování do centrální dokovací stanice. Když každá menší dokovací stanice zaplní svůj sklad řas, přijde pracovník, který řasy dopraví na hlavní nádraží, kde budou rafinovány na bionaftu. Tato bionafta je obnovitelným zdrojem paliva a také výnosným způsobem recyklace shromážděných živin.

Jak budou lodě nadále filtrovat vodu, obsah živin se sníží. Toto snížení nadměrného množství živin povede k menšímu rozkvětu každý rok. Jak hladiny živin nadále klesají, bude kvalita vody rozsáhle monitorována, aby se zajistilo, že živiny zůstanou na konstantní a zdravé úrovni potřebné pro prosperující prostředí. V zimních obdobích, kdy odtok hnojiva není tak silný jako na jaře a v létě, budou lodě schopny kontrolovat množství filtrované vody, aby bylo zajištěno vždy zdravé množství dostupných živin. Jak lodě proplouvají trasami, bude shromažďováno stále více údajů, aby bylo možné účinněji určit zdroje odtoku hnojiva a časy, kdy se připravit na vyšší hladiny živin. Pomocí těchto dat lze vytvořit účinný rozvrh, který se připraví na výkyvy způsobené zemědělskými sezónami. “