Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube az ISS -hez: 5 lépés

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

West Hollow középiskola vagyunk, Long Island -ből, NY. Törekvő mérnökök vagyunk, akik hetente egyszer találkoznak a Hack the Hollow nevű klubban, ahol számos készítő projektet tervezünk, kódolunk és építünk. ITT megtekintheti az összes projektet, amelyen dolgozunk. Fő célunk az élelmiszer- és környezetvédelmi robotika jövőjének tanulmányozása volt. Regini tanár úrral összeállítottunk és karbantartottunk egy automatizált függőleges hidroponikai farmot a természettudományi laborunk hátsó részében. Az elmúlt két évben részt vettünk a GBE programban is. Tudjuk, hogy ez a kihívás középiskolás diákokat igényelt, de túl izgatottak voltunk, hogy még két évet várjunk, hogy bemutassuk nektek az iskolai kabalánkról elnevezett Rozsomát. Valahogy így csináljuk!

Ebben a projektben sok olyan dolgot talál, amelyeket szeretünk használni, beleértve az Arduino -t, a Raspberry Pi -t és az összes hozzájuk tartozó elektronikus finomságot. Élveztük a Fusion 360 használatát a TinkerCad előrelépéseként a kocka megtervezésében. Ez a projekt tökéletes alkalom volt arra, hogy megvágjuk a fogainkat néhány új gyártó platformon. Tervezőcsapatokra szakadtunk, és mindegyiknek a Grow Cube egyik aspektusára kellett összpontosítania. Bontottuk a keretbe, a fedélbe és az alaplemezbe, a világításba, a falakat, a vizet, a ventilátorokat és a környezeti érzékelőket. A kellékek listáján hivatkozásokat tettünk az általunk használt összes anyagra, ha segítségre van szüksége a következő lépésekben tárgyalt részek megjelenítésében. Reméljük élvezni fogja!

Kellékek

Keret:

• 1 "80/20 alumínium extrudálás
• Tee dió
• Támasztó konzolok
• Zsanérok
• T-csatornás kompatibilis siklócsuklók
• T-csatornás kompatibilis cső- és huzalvezetők
• Mágnesek az ajtók zárva tartásához
• 3 x mágneses nádkapcsoló

Falak növekedése:

• Farm Tech alacsony profilú NFT csatornák
• NFT csatornafedelek
• Hullámosított műanyag lemezek
• Mágnesek a kivehető csatornák rögzítésére

Fedő:

• Hullámosított műanyag lemez
• 3D nyomtatott LED -es lámpatest (Fusion 360)
• Műanyag állványok és hardver az elektronikához

Világítás:

• Címzett neopixel csíkok az Adafruit -tól (60LED/m)
• Neopixel csatlakozók
• Neopixel klipek
• 330uF, 35V leválasztó kondenzátor
• 1K ohmos ellenállás
• Ezüstözött HVAC alumínium fóliaszalag
• Buck konverter

Víz: (Kedvenc tulajdonságunk):

• 2 x Nema 17 léptetőmotor
• Adafruit léptetőpajzs Arduino számára
• 3D nyomtatott lineáris működtető fecskendőpumpa (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml fecskendő
• Cső Luer zárócsatlakozókkal és póló/könyökcsuklókkal
• 2 x 300 mm x 8 mm -es T8 ólomcsavar és anya
• 2 x repült csatoló
• 2 x párnacsapágy
• 4 x 300mm x 8mm lineáris mozgású rúd tengelyvezetők
• 4 x 8 mm -es LM8UU lineáris csapágy
• 4 db DF robot kapacitív ellenállás nedvesség érzékelő a talaj felügyeletéhez és a fecskendő szivattyúinak vezérléséhez

Levegő keringés:

• 2 x 5 "12V -os ventilátor
• 5 "-os ventilátor szűrő burkolatok
• 2 db TIP120 Darlington tranzisztor és hűtőborda
• 12V -os tápegység
• Panelre szerelt hordócsatlakozó csatlakozó adapter
• 2 x 1K ohmos ellenállás
• 2 x flyback dióda
• 2 x 330uF, 35V elektrolitikus leválasztó kondenzátor
• DHT22 hőmérséklet- és páratartalom -érzékelő 4,7K ohmos ellenállással

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ motoros kalapkal
• 8 GB SD kártya
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto kenyeretábla
• 2 x 20x4 i2C LCD
• 22AWG sodrott csatlakozóvezetékek
• Dupont csatlakozó készlet
• Adafruit SGP30 levegőminőség -érzékelő eCO2 -vel

Eszközök:

• Forrasztópáka
• Forrasztó készlet
• Segítő kezek
• Szorító- és csupaszolóeszközök vezetékekhez
• Csavarhúzók
• Kávé (Regini úrnak)

1. lépés: 1. lépés: A keret felépítése

A keretet könnyű, 1 -os 80/20 t csatornás alumínium extrudálással fogják megépíteni. Együtt fogják tartani alumínium könyökcsuklókkal és t anyákkal. A súlycsökkentés mellett a csatornák irányító utakként szolgálnak vízünkhöz vezetékek és vezetékek.

A kocka egy síneken nyugszik, amelyek csúszócsuklóval vannak felszerelve, és lehetővé teszik a kocka kivonását a falból, hogy ne csak az előlapja, hanem mindkét oldala is látható legyen. Ehhez az ihletet az egyik tanulónk adta, aki otthon a konyhaszekrényben lévő fűszerállványra gondolt.

Egyszerű csuklópántok segítségével az elülső és az oldalsó ajtók nyitva lesznek, amikor a kocka kihúzódik a sínein. Zárt állapotban mágnesek tartják őket. A kocka mind a 6 panele eltávolítható, mivel az összes felületet a mágnesek is a helyükön tartják. Ennek a tervezési választásnak az volt a célja, hogy könnyű hozzáférést biztosítson minden felülethez a vetéshez, a növények karbantartásához, az adatgyűjtéshez, a betakarításhoz és a tisztításhoz/javításhoz.

A panelek kialakítását a következő lépésben tekintheti meg.

2. lépés: 2. lépés: A növekvő falak építése

Az első elem, amire gondoltunk, a falakhoz használt anyagok voltak. Tudtuk, hogy könnyűnek kell lenniük, de elég erősnek kell lenniük ahhoz, hogy támogassák a növényeket. A fehér hullámosított műanyagot az átlátszó akril helyett választottuk, annak ellenére, hogy szerettük a V. E. G. G. I. E képeit, ahol láthattuk a növényeket. Ennek a döntésnek az volt az oka, hogy a látómező nagy részét az üzemi csatornák akadályoznák, és a LED -einkről a lehető legtöbb fényt akartuk visszavertük. Ez a logika abból ered, hogy megvizsgáltuk a GBE -részvételünk részeként elküldött egységet. Amint az előző lépésben említettük, ezeket a lemezeket mágnesekkel rögzítik az alumínium kerethez, így könnyen eltávolíthatók.

Ezekhez a lemezekhez három csatorna alacsony profilú NFT növekvő sínek kapcsolódnak, amelyeket hidroponikai laboratóriumunkban használunk. Szeretjük ezt a választást, mert vékony PVC -ből készülnek, amelyek huzata könnyen lecsúszik a növekvő párnák beültetéséhez. Minden tenyésztő tápközeget olyan speciálisan kialakított párnákba fognak behelyezni, amelyeket láttunk már használnak az ISS -en, amikor ezt a cikket olvassuk. A sínek közötti összes panelt ezüstözött HVAC szigetelő szalaggal vonják be, hogy elősegítsék a növekvő fények visszaverődését.

Nyílásaink 1 3/4 hüvelyk méretűek, és középen 6 hüvelyk távolságra vannak egymástól. Ez 9 ültetési helyet tesz lehetővé a kocka négy paneljén, összesen 36 növényt eredményezve. Megpróbáltuk ezt a távolságot összhangban tartani a vörös színnel. A csatornák hornyokkal vannak marva, hogy elfogadják nedvességérzékelőinket, amelyek figyelni fogják a talaj páratartalmát, és vizet kérnek a fecskendő szivattyúiból. A hidratációt minden egyes növényi párnára elosztják a szivattyúkhoz csatlakoztatott orvosi cső -öntözőcsatornán keresztül. Ezt a fecskendő alapú öntözési módszert bevált gyakorlatként vizsgáltuk mind a precíz öntözés, mind a nulla/mikrogravitációs környezet kihívásainak leküzdésében. A csövek belépnek a növényi párna aljába, hogy elősegítsék a gyökérnövekedést a A hajszálerekre támaszkodunk, hogy segítsük a víz elterjedését a termesztőközegben.

Végül meg akartuk találni a módját az alaplap használatának. Létrehoztunk egy kis ajakot az alsó felületen, amely elfogadja a szőnyeget a mikrozöldek termesztéséhez. A mikrozöldekről ismert, hogy közel 40 -szer több létfontosságú tápanyagot tartalmaznak, mint érett társaik. Ezek nagyon hasznosak lehetnek az űrhajósok étrendjében. Ez az egyik cikk, amelyet diákjaink találtak a mikrozöldek tápértékéről.

3. lépés: 3. lépés: A növények öntözése

Az előző lépésben hivatkoztunk lineáris működtető fecskendő szivattyúinkra. Ez messze a kedvenc részünk ebből a konstrukcióból. A NEMA 17 léptetőmotorok lineáris működtetőket fognak hajtani, amelyek lenyomják a 100-300 köbcentis fecskendő dugattyúját a termesztési kocka fedelén. A motorházakat, a dugattyús hajtóművet és a vezetősín -szerelvényt a Fusion 360 segítségével terveztük, miután megnéztük a Hackaday nagyszerű nyílt forráskódú projektjeit. Követtük ezt az oktatóanyagot az Adafruit csodálatos webhelyén, hogy megtanuljuk a motorok vezetését.

Meg akartuk találni a módját, hogy felszabadítsuk az űrhajósokat az öntözés feladata alól. A lépcsők aktiválódnak, amikor a rendszerben lévő növények saját vizet igényelnek. 4 kapacitív nedvességérzékelő van csatlakoztatva a növényi párnákhoz a termőkocka különböző pontjain. A rendszer minden ültetési helyén van egy nyílás, amely elfogadja ezeket az érzékelőket a termesztési csatornájukba. Ez lehetővé teszi, hogy az érzékelők elhelyezését az űrhajósok megválaszthassák és rendszeresen megváltoztassák. Amellett, hogy maximalizálja a víz elosztásának hatékonyságát a rendszeren belül, lehetővé teszi annak vizualizálását is, hogy az egyes növények hogyan fogyasztják a vizet. Az űrhajósok beállíthatják a nedvesség küszöbértékeket, így az öntözés szükségleteik szerint automatizálható. A fecskendők a fő öntözőcsatornához vannak rögzítve Luer -zárócsatlakozókkal a könnyű újratöltés érdekében. Maguk a termesztő panelek az öntözőcsatornához hasonló csatlakozási protokollt használnak, így könnyen eltávolíthatók a kockából.

Az érzékelők által gyűjtött adatok helyben olvashatók a fedélhez rögzített 20x4 -es LCD képernyőn, vagy távolról, ahol összegyűjtik, megjelenítik és ábrázolják a rendszer Cayenne vagy Adafruit IO IoT platformokkal való integrációjával. Az Arduino USB -kábel segítségével elküldi adatait a fedélzeti Raspberry Pi -nek, amely a Pi WiFi -kártyája segítségével az internethez jut. Ezeken a platformokon riasztások állíthatók be, hogy értesítsék az űrhajósokat, ha bármelyik rendszerváltozónk kilépett az előre beállított küszöbértékekből.

4. lépés: 4. lépés: az intelligens fedél világítással és ventilátorvezérléssel

Növénykockánk fedele az egész művelet agyaként működik, valamint házat biztosít a kritikus növekvő elemek számára. A fedél aljától lefelé húzódik egy 3D nyomtatott LED -ház, amely megvilágítja a növekvő fallemezeket, valamint felülről megvilágítja a mikro zöld szőnyeget az alján. Ezt ismét a Fusion 360 -ban terveztük, és a MakerBot -ra nyomtattuk. Mindegyik fényrekesz 3 LED -csíkot tartalmaz, amelyeket homorú tartó véd. Ezt a támaszt HVAC szigetelő szalaggal ezüstözik, hogy maximalizálja annak fényvisszaverő képességét. A vezeték egy központi üreges oszlopon halad felfelé, hogy hozzáférjen a fedél tetején lévő áramhoz és adatokhoz. Ennek a háznak a méretét úgy választották meg, hogy olyan lábnyom legyen, amely lehetővé teszi, hogy a körülötte növekvő növények elérjék a maximum 8 hüvelyk magasságot. Ez a szám az átlagos érett Outredgeous saláta magassága, amelyet laboratóriumunk függőleges hidroponikus kertjében termesztünk. Akár 12 hüvelyk magasak is lehetnek, de úgy gondoltuk, hogy űrhajósok legelnek ezeken, ahogy nőnek, így ez egy vágott és újra gyarapodó kocka.

Az általunk használt neopixelek egyedileg címezhetők, ami azt jelenti, hogy szabályozhatjuk az általuk kibocsátott színspektrumot. Ezzel módosíthatók a fényspektrumok, amelyeket a növények a növekedésük különböző szakaszaiban vagy fajonként kapnak. A pajzsok szükség esetén lehetővé tették, hogy minden fal különböző fényviszonyokat biztosítson. Megértjük, hogy ez nem tökéletes beállítás, és hogy az általunk használt lámpák technikailag nem növekvő fények, de úgy éreztük, hogy ez egy szép bizonyítéka a koncepciónak.

A fedél tetején két 5 hüvelykes 12 V -os hűtőventilátor található, amelyeket általában a számítógép -tornyok hőmérsékletének szabályozására használnak. Úgy terveztük, hogy az egyik levegőt tol a rendszerbe, míg a másik légszívóként működik. Mindkettőt finom hálórács borítja, hogy ne törmelék kerüljön ki az űrhajós légzőkörnyezetébe. A ventilátorok le vannak kapcsolva, ha az ajtókhoz rögzített mágneses nádkapcsoló nyitva van, hogy megakadályozzák a véletlen levegőszennyeződést. A ventilátorok sebességét a PWM vezérli a Raspberry pi motoros HAT segítségével. A ventilátorokat feltételesen fel lehet gyorsítani vagy le lehet lassítani a kocka belsejében lévő DHT22 érzékelő által a Pi -hez táplált hőmérséklet vagy páratartalom alapján. Ezek az értékek ismét megtekinthetők helyben egy LCD -n, vagy távolról ugyanazon az IoT -műszerfalon, mint a nedvességérzékelők.

A fotoszintézisre gondolva a növekedési kocka CO2 -szintjét és általános levegőminőségét is figyelembe akartuk venni. Ebből a célból beépítettünk egy SGP30 érzékelőt az eCO2 és a teljes VOC -k figyelésére. Ezeket is elküldi az LCD -k és az IoT műszerfal vizualizáció céljából.

Azt is látni fogja, hogy a fecskendőpumpáink a fedél oldalán vannak felszerelve. Csőjük az alumínium extrudáló tartókeret függőleges csatornáin lefelé irányul.

5. lépés: Zárja le gondolatait és jövőbeli iterációit

A Wolverine -t úgy terveztük, hogy a közös élelmiszertermelés során szerzett ismereteinket felhasználtuk. Több éve automatizáljuk kertjeinket, és ez egy izgalmas lehetőség volt arra, hogy ezt egy egyedi mérnöki feladatra alkalmazzuk. Tisztában vagyunk azzal, hogy a tervezésünk szerény kezdetű, de alig várjuk, hogy ezzel együtt növekedjünk.

Az építkezés egyik aspektusa, amelyet nem tudtunk befejezni a határidő lejárta előtt, a képkészítés volt. Egy tanítványunk kísérletezett a Raspberry Pi kamerával és az OpenCV -vel, hogy megtudjuk, automatizálhatjuk -e a növényegészség észlelését gépi tanulással. Mi legalább azt szerettük volna, ha módunkban áll látni a növényeket anélkül, hogy ki kellene nyitnunk az ajtókat. A gondolat az volt, hogy tartalmaz egy pan-tilt mechanizmust, amely elfordulhat a felső panel alsó oldala körül, hogy képeket rögzítsen az egyes növekvő falakról, majd kinyomtassa őket az Adafruit IO műszerfalra vizualizáció céljából. Ez a hűvös időtúllépést okozhatja a termesztés során. Feltételezzük, hogy ez csak a mérnöki tervezési folyamat része. Mindig lesz tennivaló és javítanivaló. Nagyon köszönöm a részvételi lehetőséget!