Hackujte dutú Wolverine Grow Cube pre ISS: 5 krokov

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

Sme stredná škola West Hollow z Long Islandu v New Yorku. Sme ctižiadostiví inžinieri, ktorí sa stretávajú raz týždenne v klube s názvom Hack the Hollow, v ktorom navrhujeme, kódujeme a budujeme množstvo projektov tvorcov. Všetky projekty, na ktorých pracujeme, si môžete pozrieť TU. Našim hlavným zameraním bolo štúdium budúcnosti potravinárskej a environmentálnej robotiky. S našim učiteľom pánom Reginim sme zostavili a udržiavali automatizovanú vertikálnu hydroponickú farmu v zadnej časti nášho vedeckého laboratória. Za posledné dva roky sme sa zúčastnili aj programu GBE. Vieme, že táto výzva si vyžiadala študentov stredných škôl, ale boli sme príliš nadšení, že sme mohli čakať ďalšie dva roky, kým vám predstavíme Wolverina, pomenovaného podľa nášho školského maskota. Toto je druh toho, čo robíme!

V tomto projekte nájdete veľa vecí, ktoré radi používame, vrátane Arduina, Raspberry Pi a všetkých elektronických dobrôt, ktoré k nim patria. Tiež sme si užili používanie Fusion 360 ako kroku od TinkerCad pri navrhovaní kocky. Tento projekt bol vynikajúcou príležitosťou na to, aby sme si preťali zuby na niektorých nových platformách výrobcov. Boli sme rozdelení do dizajnérskych tímov, z ktorých sa každý musel zamerať na jeden aspekt Grow Cube. Rozložili sme to na rám, veko a základnú dosku, osvetlenie, steny, vodu, ventilátory a snímače prostredia. V našom zozname spotrebných materiálov sme urobili odkazy na všetky materiály, ktoré používame, ak potrebujete pomoc s vizualizáciou častí, o ktorých sa hovorí v nasledujúcich krokoch. Dúfame, že sa vám bude páčiť!

Zásoby

Rám:

• 1 "hliníkové výlisky 80/20
• Tee orechy
• Podporné konzoly
• Pánty
• Klzné kĺby kompatibilné s kanálom T.
• Vedenie rúrok a drôtov kompatibilné s kanálom T.
• Magnety, ktoré držia dvere zatvorené
• 3 x magnetické jazýčkové spínače

Rastúce múry:

• Farm Tech nízkoprofilové kanály NFT
• Kryty kanálov NFT
• Vlnité plastové fólie
• Magnety, ktoré držia odnímateľné kanály na svojom mieste

Veko:

• Vlnitý plastový plech
• 3D tlačené LED svietidlo (Fusion 360)
• Plastové pätky a hardvér pre elektroniku

Osvetlenie:

• Adresovateľné neopixelové prúžky od spoločnosti Adafruit (60 LED/m)
• Neopixelové konektory
• Neopixelové klipy
• 330uF, 35V oddeľovací kondenzátor
• 1K ohmový odpor
• Postriebrená páska z hliníkovej fólie HVAC
• Buck prevodník

Voda: (naša obľúbená funkcia):

• 2 x Nema 17 krokové motory
• Krokový štít Adafruit pre Arduino
• 3D tlačená lineárna servopohonová pumpa (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml injekčné striekačky
• Hadičky s Luerovým spojením a T -kolennými kĺbmi
• 2 x 300 mm x 8 mm vodiace skrutky a matice T8
• 2 x letená spojka
• 2 x ložiskové bloky vankúša
• 4 x 300 mm x 8 mm lineárne vedenie hriadeľa tyčovej tyče
• 4 x 8 mm lineárne ložiská LM8UU
• 4 x DF Robot kapacitné odporové snímače vlhkosti na monitorovanie pôdy a ovládanie čerpadiel striekačiek

Cirkulácia vzduchu:

• 2 x 5 "ventilátory 12V
• 5 "kryty filtrov ventilátora
• 2 x TIP120 Darlington tranzistory a chladiče
• Napájanie 12V
• Adaptér na pripojenie sudového konektora na panel
• Rezistory 2 x 1K ohm
• 2 x diódy flyback
• 2 x 330uF, 35V elektrolyticky oddelené kondenzátory
• Snímač teploty a vlhkosti DHT22 s odporom 4,7 K ohm

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ s motorovou krytkou
• 8 GB SD karta
• Arduino Mega
• Nepájivá doska Adafruit perma-proto
• 2 x 20 x 4 i2C LCD
• 22AWG lankové prepojovacie vodiče
• Súprava konektorov Dupont
• Senzor kvality vzduchu Adafruit SGP30 s eCO2

Náradie:

• Spájkovačka
• Súprava na spájkovanie
• Pomocné ruky
• Krimpovacie a odizolovacie nástroje na drôty
• Skrutkovače
• Káva (pre pána Reginiho)

Krok 1: Krok 1: Konštrukcia rámu

Rám bude vyrobený z ľahkých hliníkových výliskov s kanálom 1 80/20 t. Bude držaný spolu s hliníkovými kolennými spojmi a t maticami. Okrem udržania nízkej hmotnosti budú kanály fungovať ako vodiace cesty pre našu vodu. vedenia a rozvody.

Kocka bude spočívať na súprave koľajníc vybavených kĺzavými kĺbmi, ktoré umožnia extrahovanie kocky zo steny, čím sa odhalí nielen jej predná strana, ale aj obe strany. Inšpiráciou pre to bol jeden z našich študentov, ktorý premýšľal o stojane na korenie v kuchynských skrinkách doma.

Predné a bočné strany budú mať pomocou jednoduchých pántov dvere, ktoré sa môžu po vysunutí kocky na koľajničkách otvárať. Keď sú zatvorené, držia ich na mieste magnety. Všetkých 6 panelov tejto kocky je odnímateľných, pretože všetky tváre držia na svojom mieste aj magnety. Účelom tejto voľby dizajnu bolo poskytnúť ľahký prístup na všetky povrchy na siatie, údržbu rastlín, zber údajov, zber a čistenie/opravy.

Náš návrh panelov si môžete pozrieť v nasledujúcom kroku.

Krok 2: Krok 2: Výstavba rastových múrov

Prvým prvkom, o ktorom sme premýšľali, boli materiály, ktoré sme použili na samotné steny. Vedeli sme, že musia byť ľahké, ale dostatočne silné, aby udržali rastliny. Biely vlnitý plast bol vybraný pred čírym akrylom, aj keď sme milovali obrázky V. E. G. G. I. E, kde sme mohli vidieť rastliny vo vnútri. Dôvodom tohto rozhodnutia bolo to, že väčšina výhľadu bola blokovaná kanálmi závodu a chceli sme odraziť späť čo najviac svetla z našich LED diód. Táto logika pochádza z kontroly jednotky, ktorú sme poslali v rámci našej účasti na GBE. Ako bolo uvedené v predchádzajúcom kroku, tieto dosky sú prichytené k hliníkovému rámu pomocou magnetov, aby ich bolo možné ľahko odstrániť.

K týmto platniam sú pripevnené tri kanály nízkoprofilových rastúcich koľajníc NFT, ktoré používame v našom hydroponickom laboratóriu. Páči sa nám táto voľba, pretože sú vyrobené z tenkého PVC s krytmi, ktoré sa dajú ľahko skĺznuť a implantovať rastúce vankúše. Všetky rastové médiá budú obsiahnuté v špeciálne navrhnutých vankúšoch, ktoré sme videli, že sa už používajú na ISS, keď čítame TENTO ČLÁNOK. Všetky obklady medzi koľajnicami budú potiahnuté postriebrenou izolačnou páskou HVAC, aby sa podporila odrazivosť rastových svetiel.

Naše otvory sú 1 3/4 a sú od seba vzdialené 6 palcov v strede. To umožňuje 9 miest na výsadbu na každom zo štyroch panelov kocky, čím sa získa celkom 36 rastlín. Snažili sme sa, aby tieto medzery boli v súlade s tým, čo sme mali červené. o úžasných šalátoch. Kanály sú vyfrézované do štrbín, aby sa do nich zmestili naše senzory vlhkosti, ktoré budú monitorovať vlhkosť pôdy a žiadať vodu z injekčných striekačiek. Hydratácia bude distribuovaná do každého jednotlivého rastlinného vankúša pomocou rozvodného potrubia na zavlažovanie lekárskych hadičiek, ktoré je pripojené k týmto čerpadlám. Táto metóda zavlažovania na báze striekačiek je niečo, čo sme skúmali ako osvedčený postup pri presnom zalievaní, ako aj pri prekonávaní výziev prostredia s nulovou/mikrogravitáciou. Rúrky vstúpia do spodnej časti rastlinného vankúša, aby podporili rast koreňov smerom von. kocka. Budeme sa spoliehať na kapilárnosť, ktorá pomôže vode difundovať v rastovom médiu.

Nakoniec sme chceli nájsť spôsob, ako využiť základnú dosku. Na spodnej strane sme vytvorili malú peru, ktorá by prijala podložku na pestovanie mikrozelených rastlín. O mikrozeleninách je známe, že majú takmer 40 -krát viac životne dôležitých živín ako ich zrelé náprotivky. Tieto by mohli byť veľmi prospešné pre výživu astronautov. Toto je jeden z článkov, ktoré naši študenti našli o výživovej hodnote mikrozeleniny.

Krok 3: Krok 3: Zalievanie rastlín

V predchádzajúcom kroku sme odkazovali na naše lineárne servopohony. Toto je zďaleka naša obľúbená časť tejto zostavy. Krokové motory NEMA 17 budú poháňať lineárne pohony, ktoré stlačia piest dvoch 100-300 ccm striekačiek na veku rastovej kocky. Po skontrolovaní niekoľkých skvelých projektov s otvoreným zdrojom na Hackaday sme navrhli skrine motora, ovládač piestu a súpravu vodiacich koľajníc pomocou systému Fusion 360. Nasledovali sme tento návod na úžasnom webe Adafruit, aby sme sa dozvedeli, ako poháňať motory.

Chceli sme nájsť spôsob, ako oslobodiť astronautov od zalievania. Steppery sa aktivujú, keď si rastliny v systéme vyžiadajú vlastnú vodu. 4 kapacitné snímače vlhkosti sú zapojené do rastlinných vankúšov na rôznych miestach v rastovej kocke. Každé miesto výsadby v systéme má slot na prijatie týchto senzorov vyfrézovaných do ich rastových kanálov. To umožňuje, aby astronauti vybrali a pravidelne menili umiestnenie týchto senzorov. Okrem maximalizácie účinnosti distribúcie vody v systéme umožní vizualizáciu toho, ako každá rastlina spotrebúva svoju vodu. Astronauti môžu nastaviť prahy vlhkosti tak, aby bolo zalievanie automatizované podľa ich potrieb. Striekačky sú pripevnené k hlavnému zalievaciemu potrubiu pomocou Luer lock konektorov pre ľahké doplnenie. Samotné pestovateľské panely používajú podobný protokol pripojenia k zalievaciemu potrubiu, aby ich bolo možné ľahko odstrániť z kocky.

Údaje zozbierané senzormi je možné čítať lokálne na LCD displeji s rozmermi 20 x 4 pripevnenom k veku alebo vzdialene, kde sú zhromažďované, zobrazené a graficky znázornené prostredníctvom integrácie systému s platformami IO I Cayenne alebo Adafruit. Arduino odosiela svoje údaje na palubný počítač Raspberry Pi pomocou kábla USB, ktorý sa potom dostane na internet pomocou WiFi karty Pi. Na týchto platformách je možné nastaviť upozornenia na upozornenie astronautov, keď niektorá z našich systémových premenných opustí svoje prednastavené prahové hodnoty.

Krok 4: Krok 4: Inteligentné veko s osvetlením a ovládaním ventilátora

Veko našej rastovej kocky slúži ako mozog celej operácie a tiež poskytuje puzdrá pre kritické rastúce prvky. Zo spodnej strany veka sa smerom dole rozprestiera puzdro LED s 3D tlačou, ktoré poskytuje svetlo pre každú dosku rastovej steny a tiež horné osvetlenie rohože z mikrozelene v spodnej časti. Toto bolo opäť navrhnuté vo Fusion 360 a vytlačené na našom MakerBot. Každý svetelný priestor obsahuje 3 LED pásy, ktoré sú tienené konkávnou podperou. Táto podpera je postriebrená izolačnou páskou HVAC, aby sa maximalizovala jej odrazivosť. Kábel prechádza centrálnym dutým stĺpikom, aby získal prístup k energii a údajom v hornej časti veka. Veľkosť tohto bývania bola zvolená tak, aby mala stopu, ktorá umožní rastlinám rastúcim okolo dosiahnuť maximálnu výšku 8 palcov. Zistilo sa, že toto číslo predstavuje priemernú výšku zrelých hlávkových šalátov, ktoré pestujeme v našich vertikálnych hydroponických záhradách v našom laboratóriu. Môžu dosahovať výšku až 12 palcov, ale zistili sme, že astronauti sa na nich budú pásať, keď budú rásť, a tak z nich bude kocka, ktorá sa jednoducho rozrastá.

Neopixely, ktoré používame, sú individuálne adresovateľné, čo znamená, že môžeme ovládať farebné spektrum, ktoré vyžarujú. Toto sa môže použiť na úpravu svetelných spektier, ktoré rastliny dostávajú v rôznych fázach svojho rastu alebo od druhu k druhu. Štíty mali v prípade potreby umožniť rôzne svetelné podmienky na každej zo stien. Chápeme, že to nie je dokonalé nastavenie a že svetlá, ktoré používame, nie sú technicky rastúcimi svetlami, ale cítili sme, že to bol pekný dôkaz koncepcie.

V hornej časti veka sú umiestnené dva 5 -palcové chladiace ventilátory 12V, ktoré sa zvyčajne používajú na reguláciu teploty počítačových veží. Navrhli sme to tak, aby jeden tlačil vzduch do systému, zatiaľ čo druhý funguje ako odsávanie vzduchu. Oba sú potiahnuté jemnou sieťovinou, aby sa zabezpečilo, že nebudú žiadne úlomky vytiahnuté do dýchacieho prostredia astronauta. Ventilátory sa vypnú, keď sú otvorené akékoľvek magnetické jazýčkové spínače pripevnené k dverám, aby sa zabránilo neúmyselnému znečisteniu vzduchu. Otáčky ventilátorov sa regulujú pomocou PWM pomocou Motor HAT na Raspberry pi. Ventilátory je možné podmienene zrýchliť alebo spomaliť na základe hodnôt teploty alebo vlhkosti privádzaných do Pi vstavaným snímačom DHT22 v kocke. Tieto hodnoty je možné opäť zobraziť lokálne na LCD displeji alebo diaľkovo na rovnakom prístrojovom paneli IoT ako snímače vlhkosti.

Pri premýšľaní o fotosyntéze sme chceli tiež zohľadniť hladiny CO2 a celkovú kvalitu vzduchu v rastovej kocke. Za týmto účelom sme zahrnuli senzor SGP30 na monitorovanie eCO2 a celkových VOC. Aj tieto sa odosielajú na vizualizáciu na displeje LCD a IoT.

Tiež uvidíte, že náš pár striekačkových púmp je namontovaný pozdĺž boku veka. Ich rúrky sú vedené po zvislých kanáloch nosného rámu na extrúziu hliníka.

Krok 5: Zatvorenie myšlienok a budúcich iterácií

Wolverine sme navrhli s využitím znalostí, ktoré sme získali spoločným pestovaním jedla. Automatizujeme naše záhrady už niekoľko rokov a bola to vzrušujúca príležitosť uplatniť to na jedinečnú inžiniersku úlohu. Chápeme, že náš dizajn má skromné začiatky, ale tešíme sa, že s ním budeme rásť.

Jeden aspekt stavby, ktorý sme nemohli dokončiť pred termínom, bolo zachytenie obrázku. Jeden z našich študentov experimentoval s kamerou Raspberry Pi a OpenCV, aby zistil, či dokážeme automatizovať detekciu zdravia rastlín pomocou strojového učenia. Prinajmenšom sme chceli mať možnosť vidieť rastliny bez toho, aby sme museli otvárať dvere. Úmyslom bolo zahrnúť mechanizmus naklápania, ktorý by sa mohol otáčať okolo spodnej strany horného panelu, aby zachytil obrázky každej rastovej steny a potom ich vytlačil na palubnú dosku Adafruit IO na vizualizáciu. Mohlo by to tiež znamenať niekoľko skutočne skvelých časových oneskorení rastúcich plodín. Predpokladáme, že je to len časť procesu projektovania. Vždy bude potrebné urobiť veľa práce a vylepšení. Ďakujem veľmi pekne za možnosť zúčastniť sa!