Pěstování více salátu na menším prostoru nebo Pěstování salátu ve vesmíru, (více či méně) .: 10 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Toto je profesionální příspěvek do soutěže Growing Beyond Earth, Maker Contest, odeslané prostřednictvím Instructables.

Nemohl jsem být více nadšený, že navrhuji pro vesmírnou produkci plodin a zveřejňuji svůj první Instructable.

Abychom mohli začít, soutěž nás požádala, abychom …

„… Odešlete instruktáž podrobně popisující konstrukci a konstrukci vaší růstové komory rostlin, která (1) se vejde do objemu 50 cm x 50 cm x 50 cm, (2) obsahuje všechny funkce nezbytné pro udržení růstu rostlin, tj. Umělé světlo, zavlažovací systém, a prostředky pro cirkulaci vzduchu a (3) efektivně a vynalézavě využívá vnitřní objem, aby se vešlo a úspěšně pěstovalo co nejvíce rostlin. “

Po přečtení požadavků soutěže a nejčastějších dotazů jsem v procesu návrhu učinil následující předpoklady.

Jednou týdně plánovaná interakce s „projektem“astronautem by byla přijatelná a nezrušila by aspekt automatického řízení v kritériích soutěže.

Zdroj PSU pro „projekt“může být umístěn mimo prostor 50 cm3, protože ISS by dodával energii do jednotky, pokud by byla jednotka ve vesmíru. Chlazení LED uvnitř „projektu“může pocházet mimo 50 cm3, protože ISS může dodávat chlazení jednotce, pokud by jednotka byla ve vesmíru.

„Uživatel“může mít neomezený přístup k horním a 4 stranám objemu 50 cm3 pro plánovanou týdenní údržbu, ale nevylučuje neplánované problémy, pokud by s „projektem“nastal neplánovaný problém.

Dále jsem shromáždil parametry soutěže

Data projektu

Voda: 100 ml/rostlina/den (doporučeno)

Osvětlení: 300-400? Mol/M2/s do PAR 400-700nm (doporučeno)

Světelný cyklus: 12/12

Typ světla: LED (doporučeno)

Cirkulace vzduchu: pro 2,35 cf/0,0665m3 (růstová oblast mého návrhu)

Teplota na ISS: 65 až 80 ° F / 18,3 až 26,7 ° C (pro referenci)

Typ rostliny: „Úžasný“červený římský salát

Zralá rostlina: 15 cm vysoká a 15 cm v průměru

Systém pěstování: (volba designéra)

Zásoby

Budeme potřebovat zásoby

(Tyto části se používají k prokázání koncepce, pravděpodobně NENÍ schváleny pro cestování do vesmíru)

1 - 0,187”48” x96”bílý ABS

3 - Mikroprocesory

1 - 1602 LCD displej

1 - Štít záznamníku dat pro Nano

3 - Foto rezistory

4 - senzory AM2302

1 - snímač teploty DS18B20

1 - snímač ES, Optická hladina kapaliny 1 - 15mA 5V

1 - DS3231 pro Pi (RTC)

… A další zásoby

1 - Peristaltické dávkovací čerpadlo

1 - 12V vodní čerpadlo

1 - Piezo bzučáky

3 - 220 Ohm odpory

1 - Přepínač DPST

1-265-275nm UVC sterilizátor

24 - 1½”hygienické čepice

1 - Stupeň magnetického míchání kapalina/vzduch

1 - Kapací řídicí hlava, 8 řádků

1 - Kapací zavlažovací hadice

1 - Náhradní nádoba na vodu

1 - ½ ID potrubí z PVC

70 - Šrouby pro připevnění LED

18 AWG a 22 AWG drát

1 - Smršťovací hadice

1 - Hliník pro LED chladič

Hmatové spínače vysoké 5 - 6 mm

4 - 1 Ohm, 1 W odpor

1 - Pkg semena „Úžasný“salát

…a více

1 - 400W Boost deska

32-3W bílé LED diody, (6000-6500k)

1 - 24V / 12V / 5V / 3,3V napájecí zdroj

8 - 40 mm počítačové ventilátory

Izolovaná relé 11 - 5V Opto

10 - 1N4007 flyback dioda

24 - Zástrčky Rockwool

1 - Hydroponické živiny

1 - Zásobník živin

1 - Mylarová fólie

… A nástroje

Rozpouštědlo pro lepení

Viděl

Děrové pily

Páječka

Pájka

Vrtat

Vrtáky

Šroubováky

Počítač

USB kabel

Software Arduino IDE

Krok 1: Porovnání současného systému „VEGGIE“

Systém „VEGGIE“na ISS dokáže vypěstovat 6 hlav salátu za 28 dní (4 týdny). Pokud „VEGGIE“poběží 6 měsíců (průměrný čas, kdy je astronaut na palubě ISS), vyroste z něj 36 hlav salátu a dalších 6 hlav, které byly dva týdny staré. Pro tříčlennou posádku je to čerstvá zelenina dvakrát měsíčně.

Projekt GARTH vypěstuje 6 hlav salátu za 28 dní (4 týdny). ALE.. kdyby běžel 6 měsíců, vyrostlo by 138 hlávek salátu, s dalšími 18 hlavami v různých fázích růstu. Pro tříčlennou posádku je to čerstvá zelenina 7 a půlkrát za měsíc, nebo téměř dvakrát týdně.

Pokud vás to zaujme … pojďme se na design podívat blíže

Krok 2: Projekt GARTH

Technologie zdrojů pro automatizaci růstu pro zahradnictví

(Fotografie projektu GARTH jsou makety v plném měřítku, vyrobené z pěnové základní desky Dollar Store)

Projekt GARTH maximalizuje produktivitu díky využití 4 oddělených optimalizovaných oblastí růstu. Obsahuje také automatické řídicí systémy pro osvětlení, kvalitu vzduchu, kvalitu vody a výměnu vody.

32, bílá 6000K LED světla poskytují doporučené požadavky PAR. Pro udržení vnitřního prostředí byl začleněn systém cirkulace vzduchu se dvěma ventilátory a systém větrání se čtyřmi ventilátory a pro krmení a monitorování rostlin byl zvolen automatizovaný hydroponický systém s automatickou optimalizací živin tenkého filmu (NTF). Náhradní voda pro odpařování je držena v samostatném zásobníku v horní skladovací oblasti poblíž neustále míchaného zásobníku tekutých živin, potřebného k udržení hladiny živin v hydroponickém systému bez pomoci astronauta. Veškerá energie vstupuje, pracuje a je distribuována z horní úložné oblasti.

Krok 3: Vlastnosti návrhu

Čtyři růstové oblasti

1. fáze (klíčení), pro 0-1 týden stará semena, přibližně 750 cm3 růstového prostoru

2. fáze, pro rostliny staré 1 až 2 týdny, přibližně 3 600 cm3 prostoru pro růst

3. fáze, pro rostliny staré 2–3 týdny, přibližně 11 000 ccm růstového prostoru

4. fáze, pro 3-4 týdny staré rostliny, přibližně 45 000 ccm růstového prostoru

(Oblasti 1. a 2. etapy jsou zkombinovány na odnímatelném tácu, aby se usnadnilo sázení, údržba a čištění)

Krok 4: Osvětlovací systém

Osvětlení bylo těžké bez přístupu k měřiči PAR, naštěstí měl tuto soutěž pan Dewitt v tropické botanické zahradě Fairchild, kam jít s dotazy. Nasměroval mě na grafy, které byly velmi užitečné, a ty mě také vedly k led.linear1. Pomocí grafů a webových stránek jsem byl schopen vypočítat své potřeby osvětlení a obvodů.

Můj návrh využívá 26,4 V zdrojového napětí ke spuštění 4 polí s 8, 3 wattovými LED v sérii s 1 ohmovými, 1 wattovými odpory. Ke zvýšení konstantního proudu na 26,4V použiji napájení 24V a převodník Boost. (Na palubě ISS by můj návrh používal 27V, který je k dispozici, a převodník Buck ke snížení napětí a zajištění konstantního proudu 26,4V)

Toto je seznam dílů pro osvětlovací systém.

32, bílé 6000-6500k, 600mA, DC 3V – 3,4V, 3W LED

4, 1 ohm - 1W odpory

1, 12A 400W Boost převodník

1, 40 mm ventilátor

1, termistor

1, DS3231 pro Pi (RTC) nebo datalogger

18 AWG drát

… A takhle mám v plánu použít těch třicet dva, 3W LED.

Jedna LED ve fázi 1, čtyři ve fázi 2 a devět ve fázi 3. Posledních osmnáct diod LED rozsvítí fázi 4 a přivede nás na neuvěřitelných celkem 96 wattů světla při přibližně 2,4 ampérech.

Krok 5: Systém cirkulace vzduchu a větrání

(Pamatujte, že instalatérské a elektrické rozvody nejsou kompletní. Toto jsou fotografie makety navrhovaného systému)

Cirkulace je zajištěna dvěma 40mm ventilátory. Tlakový ventilátor, který fouká do 4. etapy z potrubí v levé horní zadní části. Vzduch bude proudit přes 4. stupeň a do přední části 3. stupně, poté skrz 3. stupeň a ven zezadu (nahoru a kolem 1. stupně přes krátké potrubí) do zadní části 2. stupně. Tažný ventilátor v potrubí nad 2. fází bude nasávat vzduch skrz 2. stupeň a ven z pravého předního horního rohu. Dokončení cesty systémem cirkulace vzduchu.

Odvětrávání 4. etapy bude přímo z horní zadní stěny. Třetí stupeň bude také odvětrávat horní zadní stěnou. 2. stupeň bude odvětráván přímo skrz vrchol a stupeň klíčení (stupeň 1) bude odvětrávat zadní stěnu, podobně jako stupně 3 a 4.

Krok 6: NFT Hydroponic System

(Sonda EC, teplotní sonda, snímač hladiny kapaliny, hadice pro výměnu odpařování ze zásobníku sladké vody a hadice spojující čerpadlo jímky s kanály, všechny budou umístěny zde v jímce, ale na této fotografii nebyly zobrazeny)

Systém obsahuje jímku 9 000+ml/cc, 7 000+ml // cc zásobník na sladkou vodu pro výměnu odpařování, vodní čerpadlo 800 V/800 l/hod., Sterilizátor UV-C k likvidaci všech řas ve vodě vstupující do 8portový nastavitelný průtokový rozdělovač, provzdušňovací věž s protilehlým průtokovým ventilátorem k provzdušnění dolů proudící vody z etapy 2 a míchací stupeň odpadní vody, snímač hladiny kapaliny, snímač EC, snímač teploty vody, peristaltické čerpadlo dávkování ze zásobníku živin, fáze míchání, která udržuje živiny v roztoku v zásobníku a pěti růstových žlabech nebo kanálech. Pět růstových kanálů, míchací stupeň, provzdušňovací věž přijímají vodu z 8 -portového nastavitelného rozdělovače. Když je třeba provést servis hydroponického systému, vypínač na dvoupólovém jednopólovém (DPST) spínači umístěný na předním panelu vypne napájení vypněte vodní pumpu, UV-C sterilizátor a dávkovač živin peristaltické pumpy. To umožní „uživateli“bezpečně pracovat na hydroponickém systému, aniž by ohrozil sebe nebo plodinu.

Krok 7: Systém automatického dodávání živin

Používám „Samooptimalizovaný automatizovaný dávkovač živin Arduino“vyvinutý Michaelem Ratcliffe pro tento projekt. Přizpůsobil jsem jeho skicu mému systému a hardwaru a jako snímač EC používám Michaelův „Three Dollar EC - PPM Meter“.

Informace nebo pokyny pro oba tyto projekty najdete na: element14, hackaday nebo michaelratcliffe

Krok 8: Elektronika automatizačních systémů

Systém osvětlení bude používat mikrořadič Arduino, jeden DS3231 pro Pi (RTC), jeden 4 reléový modul, čtyři odpory 1 ohm-1 watt, třicet dva 3W bílých LED diod, jeden 400W zesilovač Boost, tři fotorezistory, jeden 40mm počítač ventilátor a jeden termistor. Mikroprocesor použije RTC k načasování světel v cyklu 12 hodin zapnuto, 12 hodin vypnuto. Bude monitorovat úrovně světla ve 2., 3. a 4. stupni pomocí fotorezistorů a upozorní pomocí LED/piezo alarmu, pokud detekuje nízkou úroveň osvětlení v jakékoli fázi během cyklu zapnutých světel. Teplota desky ovladače LED bude monitorována termistorem připojeným k 40mm ventilátoru a automaticky začne chladit, když je detekováno dostatečné teplo.

Systém dodávání živin vyvinul Michael Ratcliffe. Systém využívá Arduino Mega, jednu z Michaelových myšlenek sondy EC, jeden štít displeje LCD klávesnice 1602, jeden snímač teploty vody DS18B20, jedno peristaltické dávkovací čerpadlo 12V a jedno opto izolované relé 5V. Přidal jsem jeden optický snímač hladiny kapaliny. Systém bude sledovat EC a teplotu vody a aktivovat peristaltické čerpadlo k dávkování živin podle potřeby. Mikroprocesor bude monitorovat hladinu vody v jímce a upozorní LED/piezo alarmem, pokud je teplota vody v jímce mimo rozsah nastavený uživatelem, pokud jsou data senzoru EC mimo rozsah nastavený uživatelem déle, než je nastaveno uživatelem nebo pokud hladina vody v jímce klesne pod úroveň nastavenou uživatelem.

Systém cirkulace vzduchu se bude skládat z mikrokontroléru Arduino, čtyř senzorů AM2302, šesti 40mm počítačových ventilátorů (dva ventilátory cirkulace vzduchu pro 2., 3. a 4. stupeň a 4 větrací ventilátory), jednoho sterilizátoru UV-C a šesti opto izolovaných relé 5V (pro fanoušky). Ovladač bude monitorovat teplotu a vlhkost vzduchu ve všech 4 fázích a podle potřeby automaticky spustí oběhový systém ventilátoru nebo ventilátory jednotlivých stupňů, aby se teplota a vlhkost udržely v uživatelem nastavených rozsazích. Ovladač také nastaví a ovládá časování sterilizátoru UV-C a udržuje LED/piezo alarm v případě, že teplota nebo vlhkost překročí uživatelem nastavené úrovně v kterékoli ze 4 fází.

Krok 9: Sestavení

Pouzdro o objemu 50 cm3, kanály, náhradní nádrž na odpařování sladké vody, provzdušňovací věž, centrální cirkulační vzduchový kanál, zásuvka 1. a 2. etapy, střešní výztuhy (nezobrazeno) a většina dalších nosných konstrukcí budou postaveny od 0,187” Černý ABS. Přední závěsy pro pódia jsou na modelu předváděny v Mylarově fólii, ale na skutečném prototypu by byly pravděpodobně vyrobeny z reflexně potaženého akrylátu nebo polykarbonátu. Osvětlení (není zobrazeno, ale sestává ze 4 řad 8, 3W LED v sérii) bude namontováno na přibližně 0,125”hliníkové fólii s 0,125“měděnou trubkou pájenou na horní straně pro kapalinové chlazení (že chlazení by vstupovalo a vystupovalo ze zadní strany jednotky k oddělení nesoutěžního chladiče). Připojení vody NTF k 1. a 2. etapě (není zobrazeno na žádné z fotografií, ale) by bylo připojeno pomocí rychlého připojení v přední části 2. etapy.

Zesilovač (zobrazený na fotografii v horní skladovací oblasti) lze přemístit pod klíčící misku (fáze 1), aby poskytl další teplo pro klíčení. AM2302, snímače teploty a vlhkosti (nejsou zobrazeny), budou umístěny vysoko v každé fázi (mimo pravidelně plánovanou cestu cirkulace vzduchu)

Může se zdát, že design vůbec nemyslí na prostor,

ale není tomu tak. Můj zde popsaný systém NTF není optimalizován ani upravován pro vesmír, ale hydroponické systémy NTF jsou vážnými uchazeči o jedinečné potřeby vesmírných plodin v mikrogravitaci a mám nápady pro jeho optimalizaci vesmíru.

Soutěž nás požádala, abychom navrhli systém, který pěstuje více rostlin ve vymezeném prostoru a automatizoval design co nejvíce.

Návrhy vybrané pro fázi 2 budou muset nejprve pěstovat rostliny na Zemi. Věřím, že můj návrh splňuje všechny požadavky soutěže a dělá to při respektování skutečného prostoru potřebného pro růst rostlin, cirkulaci vzduchu, automatizované kontroly životního prostředí a spotřebního materiálu pro rostliny na několik týdnů. Vše v prostoru 50 cm3, který jsme dostali.

Krok 10: Zabalit to

Automatizace projektu GARTH snižuje potřebnou pozornost na jednou týdně.

Sedminásobný pokles údržby ve srovnání se systémem „VEGGIE“.

Šest závodů začalo každý týden v projektu GARTH.

Čtyřnásobný nárůst výroby ve srovnání se šesti závody zahájenými měsíčně v systému „VEGGIE“.

Považuji tyto změny za efektivní, vynalézavé a efektivní.

Doufám, že ty také.

2. místo v soutěži Growing Beyond Earth Maker