Hackujte Hollow's Wolverine Grow Cube pro ISS: 5 kroků

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

Jsme střední škola West Hollow z Long Island, NY. Jsme aspirující inženýři, kteří se scházejí jednou týdně v klubu s názvem Hack the Hollow, ve kterém navrhujeme, kódujeme a stavíme řadu projektů tvůrců. Všechny projekty, na kterých pracujeme, si můžete prohlédnout ZDE. Naším hlavním zaměřením bylo studium budoucnosti potravinářské a environmentální robotiky. S učitelem panem Reginim jsme sestavili a udržovali automatizovanou vertikální hydroponickou farmu v zadní části naší vědecké laboratoře. Poslední dva roky jsme se také účastnili programu GBE. Víme, že tato výzva si vyžádala studenty středních škol, ale byli jsme příliš nadšení, než jsme mohli čekat dva roky, než vám představíme Wolverina, pojmenovaného podle našeho školního maskota. To je druh toho, co děláme!

V tomto projektu najdete spoustu věcí, které rádi používáme, včetně Arduina, Raspberry Pi a všech elektronických dobrot, které k nim patří. Také jsme si užili používání Fusion 360 jako kroku od TinkerCad k návrhu krychle. Tento projekt byl skvělou příležitostí, jak si prořezat zuby na některých nových platformách výrobců. Byli jsme rozděleni do týmů návrhářů, z nichž se každý musel soustředit na jeden aspekt Grow Cube. Rozdělili jsme to na rám, víko a základní desku, osvětlení, pěstební stěny, vodu, ventilátory a senzory prostředí. V našem seznamu dodávek jsme vytvořili odkazy na všechny materiály, které používáme, pokud potřebujete pomoc s vizualizací součástí, o nichž se hovoří v následujících krocích. Doufáme, že se vám bude líbit!

Zásoby

Rám:

• 1 "80/20 hliníkové výlisky
• Oříšky
• Podpěry
• Závěsy
• Spojky kluzáku kompatibilní s T-kanálem
• Vedení trubek a drátů kompatibilní s T-kanálem
• Magnety, které drží dveře zavřené
• 3 x magnetický jazýčkový spínač

Pěstební stěny:

• Farm Tech nízkoprofilové NFT kanály
• Kryty kanálů NFT
• Vlnité plastové fólie
• Magnety, které drží odnímatelné kanály na svém místě

Víčko:

• Vlnitý plastový plech
• 3D tištěné LED svítidlo (Fusion 360)
• Plastové distanční sloupky a hardware pro elektroniku

Osvětlení:

• Adresovatelné pásy neopixelů od společnosti Adafruit (60 LED/m)
• Neopixelové konektory
• Neopixelové klipy
• 330uF, 35V oddělovací kondenzátor
• 1K ohmový odpor
• Postříbřená páska z hliníkové fólie HVAC
• Buck převodník

Voda: (Naše oblíbená funkce):

• 2 x krokové motory Nema 17
• Krokový štít Adafruit pro Arduino
• 3D vytištěná lineární servopohonová pumpa (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml injekční stříkačky
• Hadice s Luer lock spoji a T -kolenními klouby
• 2 vodicí šrouby a matice T8 300 mm x 8 mm
• 2 x letěná spojka
• 2 x ložiskové bloky polštářů
• 4 x 300 mm x 8 mm lineární vedení hřídele tyče
• 4 x 8 mm lineární ložiska LM8UU
• 4 x DF Robot kapacitní odporové vlhkostní senzory pro monitorování půdy a ovládání pumpy stříkaček

Cirkulace vzduchu:

• 2 x 5 "ventilátory 12V
• 5 "kryty filtrů ventilátoru
• 2 x TIP120 Darlington tranzistory a chladiče
• Napájení 12V
• Adaptér pro připojení barel jack na panel
• 2 x 1K ohmové odpory
• 2 x zpětné diody
• 2 x 330uF, 35V elektrolytické oddělovací kondenzátory
• Snímač teploty a vlhkosti DHT22 s odporem 4,7 K ohm

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ s motorovou čepicí
• 8 GB SD karta
• Arduino Mega
• Prkénko Adafruit perma-proto
• 2 x 20x4 i2C LCD
• 22AWG lankové připojovací vodiče
• Sada konektorů Dupont
• Senzor kvality vzduchu Adafruit SGP30 s eCO2

Nástroje:

• Páječka
• Pájecí sada
• Pomocné ruce
• Krimpovací a odizolovací nástroje pro dráty
• Šroubováky
• Káva (pro pana Reginiho)

Krok 1: Krok 1: Konstrukce rámu

Rám bude vyroben z lehkých hliníkových výlisků o průměru 1 80/20 t. Bude držen pohromadě s hliníkovými kolenními klouby a t maticemi. Kromě udržení nízké hmotnosti budou kanály fungovat jako vodicí cesty pro naši vodu vedení a kabeláže.

Kostka bude spočívat na sadě kolejnic vybavených kluznými klouby, které umožní kostce vyjmout ze zdi a odhalit tak nejen její přední stranu, ale také obě její strany. Inspirací pro to byl jeden z našich studentů, který přemýšlel o stojanu na koření ve svých kuchyňských skříňkách doma.

Pomocí jednoduchých závěsů budou mít přední a boční dveře dveře, které se mohou otevřít, když je kostka vytažena z kolejnic. Když jsou zavřené, drží je na svém místě magnety. Všech 6 panelů této kostky je odnímatelných, protože všechny tváře drží na svém místě také magnety. Účelem této volby designu bylo poskytnout snadný přístup ke všem povrchům pro setí, údržbu zařízení, sběr dat, sklizeň a čištění/opravy.

Náš návrh panelů si můžete prohlédnout v dalším kroku.

Krok 2: Krok 2: Stavba pěstíren

Prvním prvkem, o kterém jsme přemýšleli, byly materiály, které byly použity na samotné stěny. Věděli jsme, že musí být lehké, ale dostatečně silné, aby udržely rostliny. Bílý vlnitý plast byl vybrán před čirým akrylem, i když jsme milovali obrázky V. E. G. G. I. E, kde jsme mohli vidět rostliny uvnitř. Důvodem tohoto rozhodnutí bylo to, že většina výhledu by byla blokována rostlinnými kanály a my jsme chtěli odrážet zpět co nejvíce světla z našich LED diod. Tato logika pocházela z kontroly jednotky, kterou jsme poslali v rámci naší účasti na GBE. Jak bylo uvedeno v předchozím kroku, tyto desky jsou připevněny k hliníkovému rámu pomocí magnetů, takže je lze snadno vyjmout.

K těmto deskám jsou připojeny tři kanály nízkoprofilových NFT rostoucích kolejnic, které používáme v naší hydroponické laboratoři. Tato volba se nám líbí, protože jsou vyrobeny z tenkého PVC s kryty, které se snadno sklouznou a implantují rostoucí polštáře. Všechna rostoucí média budou obsažena ve speciálně navržených polštářích, o kterých jsme viděli, že jsou již používány na ISS, když čteme TENTO ČLÁNEK. Veškeré obložení mezi kolejnicemi bude potaženo postříbřenou izolační páskou HVAC, aby se podpořila odrazivost růstových světel.

Naše otvory jsou 1 3/4 a jsou od sebe vzdáleny 6 palců ve středu. To umožňuje 9 výsadbových míst na každém ze čtyř panelů krychle, čímž se získá celkem 36 rostlin. Snažili jsme se, aby tyto mezery byly v souladu s tím, co jsme měli červené o úžasných salátech. Kanály jsou vyfrézovány štěrbinami, aby přijímaly naše senzory vlhkosti, které budou monitorovat vlhkost půdy a požadovat vodu z injekčních pump. Hydratace bude distribuována do každého jednotlivého rostlinného polštáře prostřednictvím rozvodného potrubí pro zavlažování zdravotnických hadic připojeného k těmto pumpám. Tato metoda zavlažování na bázi stříkaček je něco, co jsme zkoumali jako nejlepší postup jak pro přesné zavlažování, tak pro překonání výzev nulového/mikrogravitačního prostředí. Hadice vstoupí do spodní části rostlinného polštáře, aby podpořila růst kořenů směrem ven kostka. Budeme spoléhat na vzlínavost, která pomůže vodě difundovat skrz růstové médium.

Nakonec jsme chtěli najít způsob, jak využít základní desku. Na spodní straně jsme vytvořili malý ret, který by přijal růstovou podložku pro pěstování mikrozelených. O mikrozeleninách je známo, že mají téměř 40krát více životně důležitých živin než jejich zralé protějšky. Ty by mohly být velmi prospěšné pro stravu astronautů. Toto je jeden článek, který naši studenti našli o nutriční hodnotě mikrozeleniny.

Krok 3: Krok 3: Zalévání rostlin

V předchozím kroku jsme odkazovali na naše lineární servopohonová čerpadla. Toto je zdaleka naše oblíbená část této stavby. Krokové motory NEMA 17 budou pohánět lineární pohony, které stlačí píst dvou 100 ccm-300 ccm stříkaček na víku pěstební kostky. Po prozkoumání některých skvělých projektů s otevřeným zdrojovým kódem na Hackaday jsme navrhli pouzdra motoru, ovladač pístu a soupravu vodicích lišt pomocí Fusion 360. Sledovali jsme tento tutoriál na úžasném webu Adafruit, abychom se naučili řídit motory.

Chtěli jsme najít způsob, jak osvobodit astronauty od zalévání. Steppery se aktivují, když rostliny v systému volají po vlastní vodě. 4 kapacitní senzory vlhkosti jsou zapojeny do polštářů rostlin na různých místech v celé růstové kostce. Každé místo výsadby v systému má štěrbinu pro přijetí těchto senzorů vyfrézovaných do jejich růstových kanálů. To umožňuje, aby astronauti umístili a pravidelně měnili umístění těchto senzorů. Kromě maximalizace účinnosti distribuce vody v systému umožní vizualizaci toho, jak každá rostlina spotřebovává svoji vodu. Mezní hodnoty vlhkosti mohou astronauti nastavit tak, aby zalévání bylo možné automatizovat podle jejich potřeb. Stříkačky jsou připojeny k hlavnímu zavlažovacímu potrubí pomocí Luer lock spojů pro snadné doplňování. Samotné růstové panely používají podobný protokol připojení k zavlažovacímu potrubí, takže je lze z kostky snadno vyjmout.

Data shromážděná senzory lze číst lokálně na LCD obrazovce 20x4 připojené k víku nebo vzdáleně, kde jsou shromažďována, zobrazována a grafována integrací systému s platformami IoT Cayenne nebo Adafruit IOT. Arduino odesílá svá data na palubní Raspberry Pi pomocí kabelu USB, který se poté dostává na internet pomocí WiFi karty Pi. Na těchto platformách lze nastavit upozornění na upozornění astronautů, když některá z našich systémových proměnných opustila své přednastavené prahové hodnoty.

Krok 4: Krok 4: Inteligentní víko s osvětlením a ovládáním ventilátoru

Víko naší pěstební kostky slouží jako mozek celé operace a také poskytuje pouzdra pro kritické rostoucí prvky. Ze spodní strany víka se směrem dolů rozprostírá pouzdro LED s 3D potiskem, které poskytuje světlo pro každou z desek pěstebních stěn a také svrchní osvětlení rohože z mikrozeleniny ve spodní části. Toto bylo opět navrženo ve Fusion 360 a vytištěno na našem MakerBot. Každá světelná pozice obsahuje 3 LED pásky, které jsou stíněné konkávní podporou. Tato podpora je postříbřena izolační páskou HVAC, aby se maximalizovala její odrazivost. Elektroinstalace putuje po centrálním dutém sloupku, aby získala přístup k napájení a datům v horní části víka. Velikost tohoto bydlení byla zvolena tak, aby měla stopu, která by rostlinám rostoucím kolem umožnila dosáhnout maximální výšky 8 palců. Bylo zjištěno, že toto číslo je průměrnou výškou dospělých hlávkových salátů, které pěstujeme v našich vertikálních hydroponických zahradách v naší laboratoři. Mohou dosáhnout výšky až 12 palců, ale přišli jsme na to, že se na nich budou pasovat astronauti, kteří rostou, což z něj udělá kostku, která se bude pěstovat znovu a znovu.

Neopixely, které používáme, jsou individuálně adresovatelné, což znamená, že můžeme ovládat barevné spektrum, které vyzařují. To lze použít k úpravě světelných spekter, která rostliny přijímají v různých fázích svého růstu nebo od druhu k druhu. Štíty měly v případě potřeby umožňovat různé světelné podmínky na každé ze stěn. Chápeme, že to není dokonalé nastavení a že světla, která používáme, nejsou technicky rostoucí světla, ale cítili jsme, že to byl pěkný důkaz konceptu.

V horní části víka jsou umístěny dva 5palcové chladicí ventilátory 12V, které se obvykle používají k regulaci teploty počítačových věží. Navrhli jsme to tak, že jeden tlačí vzduch do systému, zatímco druhý funguje jako odsávání vzduchu. Oba jsou pokryty jemnou síťovinou, aby se zajistilo, že nebudou vytaženy žádné úlomky a do dýchacího prostředí astronauta. Ventilátory se vypnou, když jsou otevřeny magnetické jazýčkové spínače připojené ke dveřím, aby se zabránilo neúmyslnému znečištění vzduchu. Rychlost ventilátorů je řízena pomocí PWM pomocí Motor HAT na Raspberry pi. Ventilátory lze podmíněně zrychlit nebo zpomalit na základě hodnot teploty nebo vlhkosti přiváděných do Pi pomocí integrovaného snímače DHT22 v krychli. Tyto hodnoty lze opět zobrazit lokálně na LCD displeji nebo vzdáleně na stejné palubní desce IoT jako senzory vlhkosti.

Při přemýšlení o fotosyntéze jsme také chtěli zohlednit hladiny CO2 a celkovou kvalitu vzduchu v růstové kostce. Za tímto účelem jsme zahrnuli senzor SGP30 pro monitorování eCO2 i celkových VOC. I ty jsou odesílány na vizualizaci na displeje LCD a IoT.

Rovněž uvidíte, že naše dvojice stříkačkových pump je namontována podél boku víka. Jejich potrubí směřuje dolů po svislých kanálech nosného rámu pro vytlačování hliníku.

Krok 5: Uzavření myšlenek a budoucí iterace

Wolverine jsme navrhli s využitím znalostí, které jsme získali společným pěstováním jídla. Automatizujeme naše zahrady již několik let a byla to vzrušující příležitost, jak to aplikovat na jedinečný inženýrský úkol. Chápeme, že náš design má skromné začátky, ale těšíme se, že s ním budeme růst.

Jedním z aspektů stavby, které jsme nemohli dokončit před termínem, bylo pořízení obrázku. Jeden z našich studentů experimentoval s kamerou Raspberry Pi a OpenCV, aby zjistil, zda dokážeme automatizovat detekci zdraví rostlin pomocí strojového učení. Přinejmenším jsme chtěli mít možnost vidět rostliny, aniž bychom museli otevírat dveře. Účelem bylo zahrnout mechanismus naklápění, který by se mohl otáčet kolem spodní části horního panelu, aby zachytil obrázky každé rostoucí stěny a poté je vytiskl na palubní desku Adafruit IO pro vizualizaci. To by také mohlo způsobit opravdu skvělé časové prodlevy pěstovaných plodin. Předpokládáme, že je to jen část procesu projektování. Vždy bude na čem pracovat a zlepšovat. Děkuji moc za možnost zúčastnit se!