Nádoba na autonómnu filtráciu Arduino: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V tomto návode vám ukážem, ako som navrhol a vyrobil svoje navrhované riešenie súčasného problému s červenými riasami vo vodách pobrežia Mexického zálivu. Pre tento projekt som chcel navrhnúť plne autonómne plavidlo poháňané slnečnou energiou, ktoré by dokázalo navigovať po vodných cestách a pomocou prírodného filtračného systému na palube by mohlo filtrovať prebytočné živiny a toxíny z rias Dinoflagellates a Karena Brevis. Tento dizajn bol vytvorený s cieľom ukázať, ako je možné technológiu použiť na vyriešenie niektorých našich súčasných environmentálnych problémov. Nanešťastie to nezískalo žiadne ocenenia ani miesto na mojom miestnom malomestskom vedeckom veľtrhu, ale stále som si to užil a dúfam, že sa niekto iný môže naučiť niečo z môjho projektu.

Krok 1: Výskum

Samozrejme, kedykoľvek budete chcieť vyriešiť problém, musíte urobiť malý prieskum. Počul som o tomto probléme prostredníctvom novinového článku online, ktorý ma zaujal navrhnúť riešenie tohto environmentálneho problému. Začal som skúmaním, v čom je problém konkrétne a čo ho spôsobuje. Tu je časť môjho výskumu, ktorá ukazuje, čo som počas svojho výskumu zistil.

„Červený príliv je každoročne narastajúcim problémom vod Floridy. Červený príliv je bežný termín používaný pre veľkú koncentrovanú skupinu rias, ktorá sporadicky rastie v dôsledku zvýšenia dostupných živín. V súčasnosti Florida čelí rýchlemu nárastu vo veľkosti červeného prílivu, ktorý spôsobuje rastúce obavy o bezpečnosť vodných živočíchov v tejto oblasti, ako aj všetkých jedincov, ktorí by s ním mohli prísť do kontaktu. Červený príliv je najčastejšie tvorený druhom riasy známe ako Dinoflagellate. Dinoflagelláty sú jednobunkové prvoky, ktoré produkujú toxíny, ako sú brevetoxíny a ichtyotoxíny, ktoré sú vysoko toxické pre morský a suchozemský život, ktorý s nimi prichádza do styku. Dinoflageláty sa nepohlavne reprodukujú mitózou, delením bunky vzniká presná kópia. Dinoflageláty sa živia inými prvokmi vo vode, ako je Chysophyta, najbežnejšou formou netoxických rias. Dinoflagelláty sa reprodukujú aj nepohlavne, čo spôsobuje rýchly nárast ich počtu, keď n zavádzajú sa nové živiny.

Hlavnou príčinou ich rýchleho nárastu potravy je zavedenie veľkého množstva živín, ktoré sa z dažďových búrok vyplavujú z fariem a prenášajú na pobrežia oceánov z blízkych riek a potokov. Vzhľadom na vysokú závislosť umelých hnojív na poľnohospodárstvo je množstvo dostupných živín v okolitých poľnohospodárskych pôdach vyššie ako kedykoľvek predtým. Kedykoľvek sa vo väčšine častí východnej krajiny vyskytne búrka, dážď zmyje množstvo týchto hnojív z vrchnej pôdy a do okolitých potokov a potokov. Tieto prúdy sa nakoniec zhromažďujú do riek, ktoré kombinujú všetky ich zozbierané živiny do jednej veľkej skupiny, ktorá sa vypúšťa do Mexického zálivu. Táto veľká zbierka živín nie je pre prítomný morský život prirodzeným javom, a preto má za následok nekontrolovateľný rast rias. Ako hlavný zdroj potravy Dinoflagellátov predstavuje rýchly nárast rias veľký zdroj potravy pre rýchlo rastúcu formu života.

Tieto veľké skupiny Dinoflagelátov produkujú toxické chemikálie, o ktorých je známe, že zabíjajú väčšinu vodných živočíchov, ktoré s nimi prichádzajú do styku. Podľa WUSF, miestnej spravodajskej stanice na Floride, v kvete roku 2018 bolo 177 potvrdených úmrtí manateeovcov pri Red Tide, ako aj ďalších 122 úmrtí, o ktorých sa predpokladalo, že súvisia. Zo 6 500 očakávaných kapustňákov vo vodách Floridy a Portorika je to obrovský vplyv na prežitie tohto druhu a je to len vplyv na jeden druh. O Red Tide je tiež známe, že spôsobuje problémy s dýchaním tým, ktorí boli v tesnej blízkosti niektorého z kvetov. Pretože Red Tide rastie v kanáloch v niektorých plážových mestách, je to zrejmé bezpečnostné riziko pre každého, kto žije v týchto komunitách. O toxíne Dinophysis, produkovanom organizáciou Red Tides, je tiež známe, že bežne infikuje miestne populácie mäkkýšov, čo má za následok hnačkovú otravu mäkkýšov alebo DSP u tých, ktorí jedli infikované mäkkýše. Našťastie nie je známe, že je smrteľný, ale môže mať za následok zažívacie problémy pre obeť. Ďalší toxín produkovaný niektorými červenými prílivmi, Gonyaulax alebo Alexandrium, však môže vo vodách kontaminovaných prílivom a odlivom infikovať aj mäkkýše. Konzumácia mäkkýšov kontaminovaných týmito toxínmi spôsobuje paralytickú otravu mäkkýšov alebo PSP, ktorá má v najhorších prípadoch za následok zlyhanie dýchania a smrť do 12 hodín od požitia."

Krok 2: Moje navrhované riešenie

Citát z môjho výskumu

"Moje navrhované riešenie je postaviť plne autonómnu námornú loď poháňanú slnečnou energiou, ktorá bude mať na palube mikročasticový prírodný filtračný systém. Celý systém bude poháňaný palubnými solárnymi panelmi a bude poháňaný dvoma bezkartáčovými potrubnými motormi v nastavení vektorovania ťahu." filtračný systém bude použitý na filtráciu prebytočných živín a dinoflagelátov, pretože bude autonómne navigovať po vodných cestách. Plavidlo sa bude používať aj ako raketoplán pre miestnu komunitu. Začal som tým, že som najskôr preskúmal problém a ako sa tento problém začal. Dozvedel som sa, že návaly Red Tide boli spôsobené veľkým množstvom živín, ako je dusík, v miestnych vodách. Keď som zistil, čo spôsobuje problém, mohol som začať brainstorming o riešení, ktoré by mohlo pomôcť zmenšiť veľkosť každoročných červených prílivov.

Moja predstava bola loď podobná veľkosťou a tvarom pontónovému člnu. Táto nádoba by mala skimmer medzi dvoma pontónmi, ktorý by viedol prichádzajúcu vodu cez sieťový filter na odstránenie veľkých častíc a potom cez priepustný membránový filter, ktorý by odstránil prítomné mikročastice dusíka. Filtrovaná voda by potom pretekala cez zadný čln cez protiľahlý skimmer. Tiež som chcel, aby toto plavidlo bolo úplne elektrické, aby bolo tiché a bezpečnejšie, s minimálnou šancou uniknúť toxické kvapaliny do okolitých vôd. Na nádobe by bolo niekoľko solárnych panelov, ako aj regulátor nabíjania s lítium -iónovým akumulátorom na uskladnenie prebytočnej energie na neskoršie použitie. Mojím posledným cieľom bolo navrhnúť plavidlo spôsobom, ktorý by bolo možné použiť na verejnú dopravu pre miestnu komunitu. Vzhľadom na všetky tieto možnosti dizajnu som začal načrtávať niekoľko myšlienok na papier, aby som sa pokúsil vyriešiť všetky potenciálne problémy. “

Krok 3: Návrh

Akonáhle som sa zbavil výskumu, mal som oveľa lepšiu predstavu o probléme a o tom, čo ho spôsobuje. Potom som prešiel na brainstorming a navrhovanie. Strávil som niekoľko dní premýšľaním o mnohých rôznych spôsoboch riešenia tohto problému. Akonáhle som mal nejaké slušné nápady, prešiel som k ich skicovaniu na papier, aby som sa pokúsil vypracovať niektoré chyby v dizajne, než sa presuniem do CAD. Po ďalších pár dňoch skicovania som vytvoril zoznam dielov, ktoré som chcel použiť pri návrhu. Všetky svoje výnosy z cien z vedeckého veľtrhu za predchádzajúce roky a trochu viac som použil na nákup dielov a vlákien, ktoré som potreboval na vytvorenie prototypu. Nakoniec som použil Node MCU pre mikrokontrolér, dva 18V solárne panely pre navrhované zdroje energie, dva ultrazvukové senzory pre autonómne funkcie, 5 fotoodporov na určenie okolitého osvetlenia, niekoľko 12 -bielych LED pásikov pre vnútorné osvetlenie, 2 RGB LED pásy pre smerové osvetlenie, 3 relé na ovládanie LED a bezkartáčového motora, 12 V bezkartáčový motor a ESC, 12 V napájací zdroj na napájanie prototypu a niekoľko ďalších malých častí.

Keď dorazila väčšina dielov, pustil som sa do 3D modelu. Na konštrukciu všetkých dielov tejto lode som použil Fusion 360. Začal som navrhovaním trupu lode a potom som sa po ceste pohyboval nahor a navrhoval každú časť. Keď som nechal navrhnúť väčšinu dielov, dal som ich všetky do zostavy, aby som sa ubezpečil, že budú spolu ladiť, keď budú vyrobené. Po niekoľkých dňoch navrhovania a dolaďovania bol konečne čas začať s tlačou. Na svoje Prusa Mk3s som vytlačil trup na 3 rôzne kusy a na svoje CR10 som vytlačil solárne držiaky a kryty trupu. Po niekoľkých ďalších dňoch boli všetky diely hotové a konečne som mohol začať dávať dohromady. Nasleduje ďalšia časť môjho výskumu, kde hovorím o navrhovaní lode.

„Keď som mal dobrú predstavu o konečnom návrhu, prešiel som na Computer Aided Drafting alebo CAD, čo je proces, ktorý je dnes možné vykonať pomocou mnohých dostupných softvérov. Na návrh súčiastok, ktoré potrebujem, som použil softvér Fusion 360. Výroba pre môj prototyp. Najprv som navrhol všetky diely pre tento projekt a potom som ich zostavil vo virtuálnom prostredí, aby som sa pokúsil vyriešiť všetky problémy predtým, ako som začal tlačiť diely. Keď som mal dokončenú 3D zostavu, presťahoval som sa o navrhovaní elektrických systémov potrebných pre tento prototyp. Chcel som, aby bol môj prototyp ovládateľný pomocou aplikácie navrhnutej na mieru v mojom smartfóne. Pre moju prvú časť som si vybral mikrokontrolér Node MCU. Node MCU je mikrokontrolér postavený na populárnom ESP8266. Wifi čip. Táto doska mi dáva možnosť pripojiť k nemu externé vstupné a výstupné zariadenia, ktoré je možné diaľkovo ovládať prostredníctvom rozhrania Wifi. Po nájdení hlavného ovládača pre môj návrh som prešiel k výberu ďalších pre elektrický systém by boli potrebné rts. Na napájanie plavidla som vybral dva osemnásťvoltové solárne panely, ktoré by boli neskôr zapojené paralelne, aby poskytovali výkon osemnásť voltov spolu s dvojnásobným prúdom jednotlivého solárneho článku v dôsledku ich paralelného zapojenia. Výstup zo solárnych panelov ide do regulátora nabíjania. Toto zariadenie odoberá kolísavé výstupné napätie zo solárnych panelov a vyhladzuje ho na konštantnejší dvanásťvoltový výstup. Potom ide do systému správy batérií alebo BMS, aby sa nabilo 6 18650 lipo článkov zapojených dvoma sadami troch článkov zapojených paralelne a potom do série. Táto konfigurácia kombinuje 4,2 voltovú kapacitu 18650 do 12,6 voltového akumulátora s tromi článkami. Pripojením ďalších troch článkov súbežne s predchádzajúcim balíkom sa celková kapacita zdvojnásobí, čo nám poskytne 12,6 voltovú batériu s kapacitou 6 500 mAh.

Táto batéria môže produkovať dvanásť voltov pre osvetlenie a bezkartáčové motory. Použil som menič typu down down na vytvorenie výstupu päť voltov pre elektroniku s nižším výkonom. Potom som použil tri relé, jedno na zapnutie a vypnutie vnútorných svetiel, jedno na zmenu farby vonkajších svetiel a druhé na zapnutie a vypnutie bezkartáčového motora. Na meranie vzdialenosti som použil dva ultrazvukové snímače, jeden vpredu a jeden vzadu. Každý snímač vyšle ultrazvukový impulz a dokáže prečítať, ako dlho trvá, kým sa tento impulz vráti. Z toho môžeme vypočítať oneskorenie spätného signálu a zistiť, ako ďaleko je predmet pred plavidlom. Na vrchu nádoby som mal päť fotoodporov, ktoré určovali množstvo svetla prítomného na oblohe. Tieto senzory menia svoj odpor podľa toho, koľko svetla je prítomných. Z týchto údajov môžeme použiť jednoduchý kód na priemerovanie všetkých hodnôt, a keď senzory načítajú priemernú hodnotu slabého svetla, vnútorné osvetlenie sa zapne. Keď som zistil, akú elektroniku budem používať, začal som s 3D tlačou dielov, ktoré som predtým navrhol. Trup lode som vytlačil na tri kusy, aby sa zmestil na moju hlavnú tlačiareň. Kým sa tlačili, prešiel som k tlači solárnych držiakov a plošiny na inú tlačiareň. Tlač každej časti trvala asi jeden deň, takže celkovo bolo k dispozícii asi 10 dní priamej 3D tlače, aby som získal všetky diely, ktoré som potreboval. Potom, čo boli všetky vytlačené, som ich zostavil na menšie časti. Potom som nainštaloval elektroniku, ako sú solárne panely a LED diódy. Keď bola elektronika nainštalovaná, zapojil som ich všetky a dokončil montáž tlačených častí. Ďalej som prešiel k navrhnutiu stojana pre prototyp. Tento stojan bol tiež navrhnutý v CAD a neskôr vyrezaný z dreva MDF na mojom CNC stroji. Pomocou CNC sa mi podarilo vyrezať požadované otvory na prednom paneli na prichytenie závesovej elektroniky. Potom som namontoval prototyp na základňu a fyzická montáž bola dokončená. Teraz, keď bol prototyp úplne zostavený, som začal pracovať na kóde pre NodeMCU. Tento kód sa používa na informovanie NodeMCU, ktoré časti sú pripojené k akým vstupným a výstupným kolíkom. Tabuli tiež hovorí, na ktorý server sa má obrátiť a na akú sieť Wifi sa má pripojiť. S týmto kódom som potom mohol ovládať niektoré časti prototypu z telefónu pomocou aplikácie. Je to podobné tomu, ako by konečný návrh bol schopný kontaktovať hlavnú dokovaciu stanicu a získať súradnice pre svoju nasledujúcu zastávku, ako aj ďalšie informácie, napríklad o tom, kde sa nachádzajú ostatné plavidlá, a očakávané počasie na ten deň. “

Krok 4: Zostavenie (konečne !!)

Ok, takže teraz sme pri mojej obľúbenej časti, montáži. Milujem stavanie vecí, takže keď som konečne mohol dať dohromady všetky diely a vidieť konečné výsledky, bolo to pre mňa vzrušujúce. Začal som tým, že som spojil všetky vytlačené časti a super zlepil. Potom som nainštaloval elektroniku ako svetlá a solárne panely. V tomto mieste som si uvedomil, že neexistuje spôsob, akým by som do tejto veci zmestil všetku svoju elektroniku. Vtedy som dostal nápad CNC stojan na čln, aby vyzeral o niečo lepšie a aby mi poskytol miesto na skrytie všetkej elektroniky. Stojan som navrhol v CAD a potom som ho vyrezal na mojom Bobs CNC E3 v 13 mm MDF. Potom som to zoskrutkoval a dal som tomu čiernu farbu v spreji. Teraz, keď som mal miesto na naplnenie všetkej elektroniky, pokračoval som v zapojení. Všetko som zapojil a nainštaloval Node MCU (skoro Arduino Nano so vstavaným WiFi) a uistil som sa, že je všetko zapnuté. Potom som zabalil zostavu a dokonca som pomocou školskej laserovej rezačky vyrezal bezpečnostné zábradlia niekoľkými skvelými rytinami, ešte raz ďakujem, pán Z! Teraz, keď sme mali hotový fyzický prototyp, bolo načase pridať kúzlo s kódovaním.

Krok 5: Kódovanie (AKA ťažká časť)

Na kódovanie som použil Arduino IDE na napísanie veľmi jednoduchého kódu. Ako štartér som použil základnú skicu Blynk, aby som neskôr mohol niektoré časti ovládať z aplikácie Blynk. Pozrel som si veľa videí na YouTube a prečítal som si veľa fór, aby táto vec začala fungovať. Nakoniec som nebol schopný prísť na to, ako ovládať bezkartáčový motor, ale všetko ostatné začalo fungovať. Z aplikácie ste mohli prepnúť smer plavidla, ktoré by prepínalo farby červenej/zelenej LED diódy, zapínalo/vypínalo vnútorné osvetlenie a získavalo živý prenos údajov z jedného z ultrazvukových senzorov na prednej strane displeja.. V tejto časti som rozhodne odišiel a nedokončil som kód tak veľa, ako som chcel, ale stále to bola úhľadná funkcia.

Krok 6: Konečný produkt

Je to hotové! Zostavil som všetko a fungoval som tesne pred termínom veľtrhu vedy. (Stereotypický prokrastinátor) Na konečný produkt som bol veľmi hrdý a nemohol som sa dočkať, až sa oň podelím s porotcami. Nemám k tomu viac čo povedať, takže nechám okolo seba, aby som to lepšie vysvetlil. Tu je záver môjho výskumu.

Akonáhle sú plavidlá a dokovacie stanice vytvorené, riešenie prebieha. Každé ráno sa plavidlá začnú plaviť po vodných cestách. Niektoré môžu prechádzať kanálmi v mestách, zatiaľ čo iné cestujú po močariskách alebo oceánskych linkách. Kým plavidlo prechádza svojou cestou, filtračný skimmer bude dole, čo umožní filtrom začať pracovať. Skimmer nasmeruje plávajúce riasy a nečistoty do filtračného kanála. Keď je voda vo vnútri, najskôr preteká sieťovým filtrom, aby sa odstránili väčšie častice a úlomky z vody. Odstránený materiál tam bude držaný, kým sa komora nenaplní. Potom, čo voda prejde prvým filtrom, potom prejde priepustným membránovým filtrom. Tento filter používa malé priepustné otvory, ktoré umožňujú iba prepúšťa priepustnú vodu a zanecháva za sebou nepriepustné materiály. Tento filter sa používa na extrakciu nepriepustného hnojivového materiálu a prebytočných živín z porastov rias. Filtrovaná voda r potom vyteká zadnou časťou člna späť do vodnej cesty, kde plavidlo filtruje.

Akonáhle sa plavidlo dostane na určenú dokovaciu stanicu, vtiahne sa do kotviska. Po úplnom vložení do doku sa dve ramená pripevnia k boku lode, aby držali pevne na svojom mieste. Ďalej sa potrubie automaticky zdvihne spod člna a pripevní sa ku každému portu na likvidáciu odpadu. Akonáhle je prístav zaistený, otvorí sa a zapne sa čerpadlo, ktoré nasatý materiál vysaje z člna do dokovacej stanice. Kým sa to všetko deje, cestujúcim bude umožnené nastúpiť na plavidlo a nájsť si svoje miesta. Akonáhle sú všetci na palube a nádoby na odpad sa vyprázdnia, plavidlo bude prepustené zo stanice a začne na inej trase. Potom, čo bude odpad načerpaný do dokovacej stanice, bude ho opäť preosiate, aby sa odstránili veľké nečistoty ako palice alebo odpadky. Odstránené úlomky budú uložené v kontajneroch na neskoršiu recykláciu. Zostávajúce preosiate riasy budú odvezené do centrálnej dokovacej stanice na spracovanie. Keď každá menšia dokovacia stanica zaplní sklad rias, príde pracovník, ktorý riasy prevezie na hlavnú stanicu, kde budú rafinované na bionaftu. Táto bionafta je obnoviteľným zdrojom paliva a zároveň výnosným spôsobom recyklácie zozbieraných živín.

Keďže lode budú naďalej filtrovať vodu, obsah živín sa zníži. Toto zníženie nadmerného množstva živín povedie k menšiemu rozkvetu každý rok. Keďže hladiny živín naďalej klesajú, kvalita vody sa bude rozsiahle monitorovať, aby sa zaistilo, že živiny zostanú na konštantnej a zdravej úrovni potrebnej pre prosperujúce prostredie. V zimných obdobiach, keď odtok hnojiva nie je taký účinný ako na jar a v lete, budú lode schopné kontrolovať množstvo filtrovanej vody, aby bolo vždy k dispozícii zdravé množstvo dostupných živín. Keď lode prechádzajú trasami, bude sa zbierať stále viac údajov, aby sa efektívnejšie určili zdroje odtoku hnojiva a časy, kedy sa pripraviť na vyššiu úroveň živín. Na základe týchto údajov je možné vytvoriť efektívny rozvrh na prípravu na fluktuáciu spôsobenú poľnohospodárskymi sezónami. “