Arduino autonóm szűrőedény: 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Ebben az utasításban megmutatom, hogyan terveztem meg és készítettem el a javasolt megoldást az Öböl -parti vizek jelenlegi vörös alga -problémájára. Ehhez a projekthez egy teljesen autonóm és napenergiával működő vízi járművet akartam tervezni, amely képes navigálni a vízi utakon, és egy fedélzeti természetes szűrőrendszer segítségével kiszűrheti a Dinoflagellates és a Karena Brevis algákból származó felesleges tápanyagokat és toxinokat. Ezt a kialakítást azért hozták létre, hogy bemutassák, hogyan lehet a technológiát felhasználni néhány jelenlegi környezeti problémánk megoldásához. Sajnos nem nyert díjat vagy helyet a helyi kisvárosi tudományos vásáromon, de mégis élveztem a tanulási élményt, és remélhetőleg valaki más is tanulhat valamit a projektemből.

1. lépés: Kutatás

Természetesen bármikor, amikor megoldja a problémát, el kell végeznie egy kis kutatást. Hallottam erről a problémáról egy online hírcikkben, és ez felkeltette az érdeklődésemet, hogy megoldást tervezzek erre a környezeti problémára. Először azzal kutattam, hogy pontosan mi a probléma, és mi okozta. Íme a kutatásom egy része, amely bemutatja, mit találtam a kutatásom során.

A Vörös Árapály növekvő éves probléma Floridában a Vörös Árapály méretében, ami egyre nagyobb aggodalomra ad okot a térségben élő vízi élővilág biztonságáért, valamint minden olyan egyénért, aki kapcsolatba kerülhet vele. A Vörös Árapály leggyakrabban egy Dinoflagellate néven ismert algák. A Dinoflagellates egysejtű protisták, amelyek toxinokat termelnek, mint például a brevetoxinok és az ichtiotoxin, amelyek rendkívül mérgezőek a tengeri és szárazföldi élővilágra, és érintkezésbe kerülnek velük. A dinoflagellates aszexuálisan szaporodnak, mitózissal, a pontos másolatot eredményező sejt feldarabolásával. A dinoflagellátok más protistákból táplálkoznak a vízben, például a Chysophyta -ból, a nem mérgező algák leggyakoribb formájából. A dinoflagellates szintén ivartalanul szaporodik, és számuk gyorsan növekszik, amikor n új tápanyagokat vezetnek be.

Az élelmiszerek gyors növekedésének fő oka annak köszönhető, hogy nagy mennyiségű tápanyagot vezettek be, amelyet a felhőszakadások során a gazdaságokból mossanak ki, és a közeli folyókból és patakokból az óceán partjára szállítanak. Mivel a mesterséges műtrágyák nagymértékben támaszkodnak a mezőgazdaságra, a környező termőföldeken rendelkezésre álló tápanyagok mennyisége magasabb, mint valaha. Amikor a keleti ország nagy részén zivatar van, az eső sok ilyen műtrágyát kimos a felső talajból a környező patakokba és patakokba. Ezek a patakok végül folyókba gyűlnek, és összesített tápanyagukat egyetlen nagy csoportba egyesítik, amelyet a Mexikói -öbölbe dobnak. Ez a nagy tápanyag -gyűjtemény nem természetes jelenség a jelen lévő tengeri élőlények számára, ezért az algák ellenőrizhetetlen növekedését eredményezi. A Dinoflagellates fő táplálékforrásaként az algák gyors növekedése nagy táplálékforrást biztosít a gyorsan növekvő életformához.

A Dinoflagellates nagy csoportjai mérgező vegyi anyagokat termelnek, amelyekről ismert, hogy elpusztítják a velük érintkező vízi élőlények nagy részét. A WUSF, a helyi floridai híradó szerint 2018 virágzásában 177 megerősített lamantinhalált haltak meg a Vörös Árapályból, és további 122 halálesetet feltételeztek összefüggésben. A floridai és a Puerto Rico -i vizek 6 500 várt lamantinja közül ez óriási hatással van e faj túlélésére, és ez csak egy fajra gyakorolt hatás. A Red Tide légzőszervi problémákat is okoz azok számára, akik a virágzás közvetlen közelében voltak. Mivel a Vörös Árapály egyes tengerparti városokban a csatornákban nő, ez nyilvánvaló biztonsági kockázatot jelent azok számára, akik ezekben a közösségekben élnek. A vörös dagályok által termelt Dinophysis toxinról is ismert, hogy általában megfertőzi a helyi kagylók populációit, ami hasmenéses kagylómérgezést vagy DSP -t okoz azokban, akik fertőzött kagylókat ettek. Szerencsére nem ismert, hogy halálos, de emésztési problémákat okozhat az áldozatnak. Azonban néhány vörös dagály, a Gonyaulax vagy az Alexandrium által termelt másik toxin is megfertőzheti az árapályokkal szennyezett vizekben a kagylókat. Ha ezekkel a toxinokkal szennyezett kagylókat eszik, bénító kagylómérgezést vagy PSP -t okoz, amely a legrosszabb esetekben légzési elégtelenséget és halált okozott a lenyelés után 12 órán belül."

2. lépés: A javasolt megoldásom

Idézet a kutatómunkámból

A javasolt megoldásom egy teljesen autonóm, napenergiával működő tengeri hajó építése, amelynek fedélzetén mikrorészecskékből álló természetes szűrőrendszer van. Az egész rendszert fedélzeti napelemek hajtják, és két kefe nélküli, légcsatornás motor hajtja, tolóerő-vektoros beállításban. szűrőrendszert használnak a felesleges tápanyagok és dinoflagellátok szűrésére, mivel önállóan navigál a vízi utakon. A hajót a helyi közösség transzferrendszereként is használják. Először azzal kezdtem, hogy megvizsgáltam a problémát és azt, hogy ez a probléma hogyan kezdődött. A vörös dagály megugrását a helyi vizekben előforduló nagy mennyiségű tápanyag, például nitrogén okozta. Miután rájöttem, mi okozza a problémát, elkezdhettem ötletelni egy olyan megoldáson, amely segíthet csökkenteni az éves Red Tides méretét.

Az elképzelésem egy pontoncsónakhoz hasonló méretű és alakú hajó volt. Ennek az edénynek a két ponton között lefúvója lenne, amely a szembejövő vizet egy hálós szűrőn keresztül vezetné a nagy részecskék eltávolítására, majd egy áteresztő membránszűrőn, amely eltávolítja a jelen lévő nitrogén mikrorészecskéket. A szűrt víz ezután a csónak hátsó részéből kifelé áramlik a szemközti skimeren keresztül. Azt is szerettem volna, ha ez az edény teljesen elektromos lenne, így csendes és biztonságosabb lenne, kevesebb esélye lenne arra, hogy mérgező folyadékokat szivárogjon a környező vizekbe. Az edényen több napelem, valamint egy lítium -ionos csomaggal rendelkező töltésvezérlő is található, hogy a felesleges energiát későbbi használatra tárolja. Utolsó célom az volt, hogy úgy tervezzem meg a hajót, hogy az a helyi közösség tömegközlekedésére használható legyen. Mindezeket a tervezési döntéseket szem előtt tartva elkezdtem néhány ötletet vázolni papírra, hogy megpróbáljam megoldani az esetleges problémákat."

3. lépés: Tervezés

Miután a kutatásaimat félreértettem, sokkal jobban tudtam a problémát és annak okait. Ezután áttértem az ötletelésre és a tervezésre. Több napot töltöttem azon, hogy a probléma megoldásának sokféle módját gondoljam. Miután tisztességes ötleteim támadtak, elkezdtem papírra vázolni őket, hogy kipróbáljak néhány tervezési hibát, mielőtt a CAD -re költöznék. További pár napos vázlatkészítés után elkészítettem a tervezéshez használni kívánt alkatrészek listáját. Az előző évek tudományos vásárának összes nyereményét, valamint egy kicsit többet felhasználtam a prototípus létrehozásához szükséges alkatrészek és izzószálak megvásárlására. Végül egy Node MCU -t használtam a mikrovezérlőhöz, két 18 V -os napelemet a javasolt áramforrásokhoz, két ultrahangos érzékelőt az autonóm funkciókhoz, 5 fotóellenállást a környezeti megvilágítás meghatározásához, néhány 12 V -os fehér LED -szalagot a belső világításhoz, 2 RGB LED -et csíkok az irányított világításhoz, 3 relé a LED -ek és a kefe nélküli motor vezérléséhez, egy 12 V -os kefe nélküli motor és az ESC, egy 12 V -os tápegység a prototípus táplálásához és számos más apró alkatrész.

Amint a legtöbb alkatrész megérkezett, elkezdtem dolgozni a 3D -s modellel. A Fusion 360 -at használtam a hajó összes alkatrészének tervezéséhez. A hajó testének megtervezésével kezdtem, majd haladva felfelé haladva terveztem meg az egyes részeket. Miután megterveztem az alkatrészek nagy részét, mindegyiket egy szerelvénybe raktam, hogy megbizonyosodjak arról, hogy gyártásuk után illeszkednek -e egymáshoz. Több napos tervezés és finomhangolás után végre elérkezett a nyomtatás megkezdésének ideje. A hajótestet 3 különböző darabban nyomtam a Prusa Mk3 -asra, a napelemes rögzítéseket és a burkolati borításokat pedig a CR10 -re. Még néhány nap elteltével az összes alkatrész befejeződött, és végre elkezdhettem összerakni. Az alábbiakban a kutatásom egy másik szakasza található, ahol a hajó tervezéséről beszélek.

Miután jó ötletem támadt a végleges tervezésről, áttértem a számítógépes tervezésre vagy a CAD -re, amely ma már számos elérhető szoftver segítségével elvégezhető. A Fusion 360 szoftvert használtam a szükséges alkatrészek tervezéséhez. A prototípusom gyártása. Először az összes alkatrészt terveztem ehhez a projekthez, majd virtuális környezetben összeszereltem, hogy megpróbáljam megoldani a problémákat, mielőtt elkezdeném kinyomtatni az alkatrészeket. Miután elkészült a 3D -s összeszerelés, áthelyeztem a prototípushoz szükséges elektromos rendszerek tervezésével kapcsolatban. Azt akartam, hogy a prototípusom vezérelhető legyen az okostelefonom egyedi alkalmazásán keresztül. Első részemben a Node MCU mikrokontrollert választottam. A Node MCU a népszerű ESP8266 köré épített mikrokontroller Wifi chip. Ez a kártya lehetővé teszi számomra, hogy külső bemeneti és kimeneti eszközöket csatlakoztassak hozzá, amelyeket a Wifi interfészen keresztül távolról lehet vezérelni. Miután megtaláltam a fő vezérlőt a tervezéshez, átváltottam a másik rtsre lenne szükség az elektromos rendszerhez. Az edény áramellátásához két tizennyolc voltos napelemet választottam, amelyeket később párhuzamosan kötnek, hogy tizennyolc voltos kimenetet biztosítsanak, valamint az egyes napelemek áramának dupláját, párhuzamos bekötésük miatt. A napelemek kimenete egy töltésszabályozóba kerül. Ez az eszköz veszi a napelemek ingadozó kimeneti feszültségét, és kiegyenlíti egy egyenletesebb, tizenkét voltos kimenetre. Ez azután az akkumulátorkezelő rendszerbe (BMS) kerül, hogy feltöltse a 6, 18650 lipo cellákat, amelyeket két párhuzamosan bekötött három cellás sorozattal, majd sorozatban töltenek. Ez a konfiguráció egyesíti az 18650 4,2 voltos kapacitását egy 12,6 voltos kapacitással, három cellával. Az előző csomaggal párhuzamosan elhelyezett további három cella bekötésével a teljes kapacitás megduplázódik, így egy 12,6 voltos akkumulátort kapunk, amelynek kapacitása 6 500 mAh.

Ez az akkumulátor 12 voltot ad ki a világításhoz és a kefe nélküli motorokhoz. Lépcsős invertert használtam, hogy öt voltos kimenetet hozzon létre az elektronika kisebb teljesítményű készletéhez. Ezután három relét használtam, az egyik a belső világítás be- és kikapcsolását, az egyik a külső fények színének megváltoztatását, a másik pedig a kefe nélküli motor be- és kikapcsolását. A távolságméréshez két ultrahangos érzékelőt használtam, egyet elöl és egyet hátul. Minden érzékelő ultrahangos impulzust küld, és le tudja olvasni, hogy mennyi ideig tart az impulzus visszatérése. Ebből a visszatérő jel késleltetésének kiszámításával megállapíthatjuk, hogy egy tárgy milyen messze van az edény előtt. Az edény tetején öt fényellenállás volt, amelyek meghatározták az égen jelen lévő fény mennyiségét. Ezek az érzékelők változtatják ellenállásukat a fény mennyiségének függvényében. Ezekből az adatokból egyszerű kódot használhatunk az összes érték átlagolásához, és amikor az érzékelők leolvassák a gyenge fény átlagos értékét, a belső világítás bekapcsol. Miután kitaláltam, hogy milyen elektronikát fogok használni, elkezdtem a korábban tervezett alkatrészek 3D nyomtatását. A hajó testét három részre nyomtam, hogy elférjen a főnyomtatómon. Amíg ezek nyomtattak, áttértem a napelemtartók és a fedélzet nyomtatására egy másik nyomtatón. Mindegyik rész nyomtatása körülbelül egy napot vett igénybe, így összesen körülbelül 10 napig tartott az egyenes 3D nyomtatás, hogy megkapja az összes szükséges alkatrészt. Miután mindannyian elkészültek a nyomtatással, kisebb részekben összeszereltem őket. Ezután telepítettem elektronikát, például napelemeket és LED -eket. Miután telepítették az elektronikát, összekötöttem őket és befejeztem a nyomtatott alkatrészek összeszerelését. Ezután áttértem a prototípus állványának megtervezésére. Ezt az állványt is CAD -ban tervezték, és később kivágták MDF -fából a CNC gépemen. A CNC segítségével ki tudtam vágni az előlapon a függönyelektronika rögzítéséhez szükséges réseket. Ezután felhelyeztem a prototípust az alapra, és a fizikai összeszerelés befejeződött. Most, hogy a prototípus teljesen összeszerelt, elkezdtem dolgozni a NodeMCU kódján. Ez a kód arra szolgál, hogy megmondja a NodeMCU -nak, hogy mely alkatrészek milyen bemeneti és kimeneti csapokhoz vannak csatlakoztatva. Azt is megmondja a táblának, hogy melyik szerverhez kell fordulnia, és milyen Wifi -hálózathoz kell csatlakoznia. Ezzel a kóddal egy alkalmazás segítségével a telefonomról irányíthattam a prototípus bizonyos részeit. Ez hasonlít ahhoz, hogy a végső tervezet képes lenne felvenni a kapcsolatot a fő dokkolóállomással, hogy megkapja a következő állomás koordinátáit, valamint egyéb információkat, például a többi hajó tartózkodási helyét és az aznap várható időjárást."

4. lépés: Összeszerelés (végre !!)

Nos, most a kedvenc részemnél tartunk, az összeszerelésnél. Szeretem építeni a dolgokat, így végül az összes részt össze tudtam rakni, és látni, hogy a végeredmény nagyon izgatott lett. Azzal kezdtem, hogy összeállítottam az összes nyomtatott részt, és szuper ragasztóval összeragasztottam. Ezután telepítettem az elektronikát, például a lámpákat és a napelemeket. Ezen a ponton rájöttem, hogy semmiképpen sem tudnám beilleszteni az összes elektronikámat ebbe a dologba. Ekkor merült fel bennem az ötlet, hogy CNC állványt készítek a csónakhoz, hogy egy kicsit jobban nézzen ki, valamint adjon egy helyet, ahol elrejthetem az összes elektronikát. Az állványt CAD -ban terveztem, majd kivágtam a Bobs CNC E3 -on, 13 mm -es MDF -ben. Ezután összecsavartam, és adtam neki egy réteg fekete spray -festéket. Most, hogy volt egy helyem az összes elektronikám tömésére, folytattam a vezetékezést. Mindent bekötöttem, és telepítettem a Node MCU -t (nagyjából egy Arduino Nano beépített WiFi -vel), és megbizonyosodtam arról, hogy minden be van kapcsolva. Ezt követően becsomagoltam a szerelvényt, és még az iskoláim lézervágójával is ki tudtam vágni a biztonsági korlátot néhány jó metszettel, köszönöm még egyszer Mr. Z! Most, hogy elkészült a fizikai prototípusunk, itt az ideje, hogy hozzáadjunk némi varázslatot a kódoláshoz.

5. lépés: A kódolás (más néven a kemény rész)

A kódoláshoz az Arduino IDE -t használtam egy nagyon egyszerű kód írásához. Kezdőként az alapvető Blynk vázlatot használtam, hogy később a Blynk alkalmazásból vezérelhessem az alkatrészek egy részét. Sok YouTube -videót néztem és sok fórumot olvastam, hogy működjön ez a dolog. Végül nem tudtam rájönni, hogyan vezérelhetem a kefe nélküli motort, de minden mást működésbe hoztam. Az alkalmazásból megváltoztathatja a hajó irányát, amely megváltoztatja a piros/zöld LED -ek színét, be-/kikapcsolja a belső világítást, és élő adatfolyamot kap a kijelző elején található ultrahangos érzékelők egyikéről. Határozottan lelassultam ezen a részen, és közel sem értem el annyit a kódon, mint szerettem volna, de így is szép szolgáltatás volt.

6. lépés: Végső termék

Ez kész! Mindent összeszereltem és elkezdtem dolgozni alig a tudományos vásár időpontjai előtt. (Sztereotipikus halogató) Nagyon büszke voltam a végtermékre, és alig vártam, hogy megosszam a bírókkal. Nincs sok más mondanivalóm, így inkább elmagyarázom. Íme a kutatásom befejező része.

Miután a hajókat és a dokkolóállomásokat létrehozták, a megoldás folyamatban van. Minden reggel a hajók megkezdenék útvonalaikat a vízi utakon. Néhányan a városok csatornáin haladhatnak át, míg mások a mocsaras területeken vagy az óceánvonalakon. Míg a hajó az útvonalon halad, a szűrő leeresztő leszáll, és lehetővé teszi a szűrők számára, hogy megkezdjék munkájukat. A lefúvó a lebegő algákat és törmeléket a szűrőcsatornába irányítja. Miután beléjük került, a vizet először hálós szűrőn keresztül vezetik, hogy eltávolítsa a nagyobbakat részecskék és törmelékek a vízből. Az eltávolított anyagot a kamra feltöltéséig ott tartják. Miután a víz átjutott az első szűrőn, átmegy az áteresztő membránszűrőn. Ez a szűrő kis, áteresztő lyukakat használ, hogy csak áteresztő vizet enged át, át nem eresztő anyagokat hagyva maga után. Ezt a szűrőt használják ki az áteresztő műtrágyaanyag és az algákból származó felesleges tápanyagok eltávolítására. r ezután kiáramlik a csónak hátuljából a vízi útba, ahol a hajó szűr.

Amikor egy hajó eléri a kijelölt dokkolóállomást, behúzódik a kikötőbe. A teljesen kikötés után két kar rögzül a csónak oldalához, hogy stabilan tartsa a helyén. Ezután egy cső automatikusan felemelkedik a csónak alól, és csatlakozik minden hulladéklerakó porthoz. A rögzítés után a port kinyílik, és egy szivattyú bekapcsol, amely kiszívja az összegyűjtött anyagot a csónakból és a dokkolóállomásba. Miközben mindez történik, az utasok felszállhatnak a hajóra, és megtalálhatják a helyüket. Miután mindenki a fedélzeten van, és a hulladéktárolókat kiürítették, a hajót elengedik az állomásról, és egy másik útvonalon indulnak. Miután a hulladékot a dokkolóállomásba szivattyúzták, újra szitálják, hogy eltávolítsák a nagy törmeléket, például a botokat vagy a szemetet. Az eltávolított törmeléket tárolóedényekben tárolják a későbbi újrahasznosítás érdekében. A fennmaradó szitált algákat a központi dokkolóállomásra viszik feldolgozásra. Amikor minden kisebb dokkolóállomás kitölti algatárolóját, egy munkás jön, hogy elszállítsa az algákat a főállomásra, ahol biodízelre finomítják. Ez a biodízel megújuló üzemanyagforrás, valamint jövedelmező módja az összegyűjtött tápanyagok újrahasznosításának.

Ahogy a hajók továbbra is szűrik a vizet, a tápanyagtartalom csökken. A túlzott mennyiségű tápanyag mennyiségének csökkenése minden évben kisebb virágzáshoz vezet. Mivel a tápanyagszintek tovább csökkennek, a víz minőségét alaposan ellenőrizni fogják annak biztosítása érdekében, hogy a tápanyagok állandó és egészséges szinten maradjanak a virágzó környezethez. A téli időszakokban, amikor a műtrágya lefolyása nem olyan erős, mint a tavaszi és nyári időszakban, a hajók képesek lesznek szabályozni a szűrővíz mennyiségét, hogy mindig egészséges mennyiségű tápanyag álljon rendelkezésre. Ahogy a hajók végighaladnak az útvonalakon, egyre több adatot gyűjtenek a műtrágya -lefolyás forrásának hatékonyabb meghatározása és a magasabb tápanyag -szintre való felkészülés érdekében. Ezen adatok felhasználásával hatékony ütemtervet lehet készíteni a gazdálkodási szezonok okozta ingadozásokra való felkészüléshez."