Autonomiczny zbiornik filtrujący Arduino: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

W tej instrukcji pokażę, jak zaprojektowałem i stworzyłem moje proponowane rozwiązanie dla obecnego problemu czerwonych alg na wodach Gulf Coast. Na potrzeby tego projektu chciałem zaprojektować w pełni autonomiczny i zasilany energią słoneczną statek, który mógłby poruszać się po drogach wodnych, a przy użyciu pokładowego naturalnego systemu filtracji mógłby odfiltrować nadmiar składników odżywczych i toksyn z bruzdnic i alg Karena Brevis. Ten projekt został stworzony, aby pokazać, w jaki sposób można wykorzystać technologię, aby pomóc rozwiązać niektóre z naszych obecnych problemów środowiskowych. Niestety nie zdobył żadnych nagród ani miejsca na moim lokalnym targu nauki w małym miasteczku, ale nadal podobało mi się doświadczenie edukacyjne i mam nadzieję, że ktoś inny może się czegoś nauczyć z mojego projektu.

Krok 1: Badania

Oczywiście za każdym razem, gdy masz zamiar rozwiązać problem, musisz przeprowadzić pewne badania. Słyszałem o tym problemie z artykułu w Internecie i to zainteresowało mnie zaprojektowaniem rozwiązania tego problemu środowiskowego. Zacząłem od zbadania, na czym dokładnie polegał problem i co go powodowało. Oto fragment mojego artykułu badawczego pokazujący, co znalazłem podczas moich badań.

„Czerwony Przypływ to narastający coroczny problem dla wód Florydy. Czerwony Przypływ jest powszechnym terminem używanym dla dużej, skoncentrowanej grupy glonów, które sporadycznie rosną ze względu na wzrost dostępnych składników odżywczych. Obecnie Floryda stoi w obliczu szybkiego wzrostu w rozmiarze Czerwonego Przypływu, który budzi coraz większe obawy o bezpieczeństwo fauny wodnej na tym obszarze, a także wszelkich osób, które mogą się z nią zetknąć. Czerwony przypływ składa się najczęściej z gatunku algi znane jako wiciowce Dinoflagellaty są jednokomórkowymi protistami, które produkują toksyny, takie jak brevetoksyny i ichtiotoksyny, które są wysoce toksyczne dla życia morskiego i lądowego, które mają z nimi kontakt. Dinoflagellates rozmnażają się bezpłciowo poprzez mitozę, podział komórki tworząc dokładną kopię. Wiciowce żywią się innymi protistami w wodzie, takimi jak Chysophyta, najpowszechniejsza forma nietoksycznych alg. wprowadzane są nowe składniki odżywcze.

Główną przyczyną ich szybkiego przyrostu pożywienia jest wprowadzanie dużych ilości składników odżywczych, które są wypłukiwane z gospodarstw rolnych podczas ulewy i przenoszone do brzegów oceanów z pobliskich rzek i strumieni. Ze względu na duże uzależnienie rolnictwa od nawozów sztucznych, ilość dostępnych składników odżywczych na okolicznych polach uprawnych jest wyższa niż kiedykolwiek. Ilekroć w większości części wschodniego kraju pojawia się ulewa, deszcz ten wypłukuje wiele tych nawozów z wierzchniej warstwy gleby do okolicznych potoków i strumieni. Strumienie te ostatecznie gromadzą się w rzekach, łącząc wszystkie zebrane składniki odżywcze w jedną dużą grupę, która jest wrzucana do Zatoki Meksykańskiej. Ten duży zbiór składników odżywczych nie jest zjawiskiem naturalnym dla obecnych organizmów morskich, dlatego powoduje niekontrolowany wzrost glonów. Jako główne źródło pożywienia Dinoflagellates, szybki wzrost glonów zapewnia duże źródło pożywienia dla szybko rosnącej formy życia.

Te duże grupy bruzdnic wytwarzają toksyczne chemikalia, o których wiadomo, że zabijają większość organizmów wodnych, które mają z nimi kontakt. Według WUSF, lokalnej stacji informacyjnej na Florydzie, w rozkwicie 2018 roku odnotowano 177 potwierdzonych zgonów manatów z Czerwonego Przypływu, a także kolejne 122 zgony, które podejrzewano o związek. Spośród 6500 oczekiwanych manatów na wodach Florydy i Portoryko ma to ogromny wpływ na przetrwanie tego gatunku, a to tylko wpływ na jeden gatunek. Wiadomo również, że Red Tide powoduje problemy z oddychaniem u osób, które znajdowały się w pobliżu któregokolwiek z zakwitów. Ponieważ Red Tide rośnie w kanałach w niektórych miastach na plaży, jest to oczywiste zagrożenie bezpieczeństwa dla każdego, kto mieszka w tych społecznościach. Wiadomo również, że toksyna Dinophysis, wytwarzana przez Czerwone Przypływy, powszechnie infekuje lokalne populacje skorupiaków, powodując zatrucie mięczakami z biegunką lub DSP u tych, którzy zjedli zakażone skorupiaki. Na szczęście nie wiadomo, że jest śmiertelna, ale może powodować problemy trawienne u ofiary. Jednak inna toksyna wytwarzana przez niektóre czerwone pływy, Gonyaulax lub Alexandrium, może również zarażać skorupiaki w wodach skażonych przez pływy. Spożywanie skorupiaków skażonych tymi toksynami powoduje paralityczne zatrucie mięczakami lub PSP, które w najgorszych przypadkach skutkowało niewydolnością oddechową i śmiercią w ciągu 12 godzin od spożycia”.

Krok 2: Moje proponowane rozwiązanie

Cytat z mojego artykułu badawczego

„Zaproponowane przeze mnie rozwiązanie to zbudowanie w pełni autonomicznego statku morskiego zasilanego energią słoneczną, który ma na pokładzie system naturalnej filtracji mikrocząstek. Cały system będzie zasilany przez pokładowe panele słoneczne i napędzany dwoma bezszczotkowymi silnikami kanałowymi w konfiguracji wektorowania ciągu. system filtracji będzie używany do filtrowania nadmiaru składników odżywczych i bruzdnic podczas autonomicznego poruszania się po drogach wodnych. Statek będzie również używany jako system wahadłowy dla lokalnej społeczności. Zacząłem od zbadania problemu i tego, jak ten problem się zaczął. Dowiedziałem się, że przypływy Czerwonego Przypływu były spowodowane dużymi ilościami składników odżywczych, takich jak azot, w lokalnych wodach. Kiedy odkryłem, co jest przyczyną problemu, mogłem rozpocząć burzę mózgów nad rozwiązaniem, które mogłoby pomóc w zmniejszeniu rozmiaru corocznych Czerwonych Przypływów.

Moim pomysłem był statek podobny rozmiarem i kształtem do łodzi pontonowej. Ten statek miałby skimmer między dwoma pontonami, który prowadziłby nadpływającą wodę przez filtr siatkowy w celu usunięcia dużych cząstek, a następnie przez przepuszczalny filtr membranowy, który usuwałby obecne mikrocząstki azotu. Przefiltrowana woda wypływałaby następnie z tyłu łodzi przez przeciwległy skimmer. Chciałem również, aby ten statek był w pełni elektryczny, aby był cichy, a także bezpieczniejszy, z mniejszą szansą na wyciek toksycznych cieczy do otaczających wód. Na statku byłoby kilka paneli słonecznych, a także kontroler ładowania z pakietem litowo-jonowym do przechowywania nadmiaru energii do późniejszego wykorzystania. Moim ostatnim celem było zaprojektowanie statku w taki sposób, aby można go było wykorzystać do transportu publicznego dla lokalnej społeczności. Mając na uwadze wszystkie te wybory projektowe, zacząłem szkicować kilka pomysłów na papierze, aby spróbować rozwiązać wszelkie potencjalne problemy”.

Krok 3: Projektowanie

Kiedy skończyłem badania, miałem znacznie lepsze pojęcie o problemie i jego przyczynie. Następnie przeszedłem do burzy mózgów i projektowania. Spędziłem kilka dni, zastanawiając się nad wieloma różnymi sposobami rozwiązania tego problemu. Kiedy już miałem kilka przyzwoitych pomysłów, zacząłem szkicować je na papierze, aby spróbować wypracować kilka wad projektowych przed przejściem do CAD. Po kolejnych kilku dniach szkicowania stworzyłem listę części, które chciałem wykorzystać do projektu. Wykorzystałem wszystkie moje zarobki z poprzednich targów naukowych oraz trochę więcej na zakup części i włókien, których potrzebowałem do stworzenia prototypu. Skończyło się na użyciu Node MCU do mikrokontrolera, dwóch 18V paneli słonecznych do proponowanych źródeł zasilania, dwóch czujników ultradźwiękowych do funkcji autonomicznych, 5 fotorezystorów do określania oświetlenia otoczenia, kilku białych taśm LED 12 V do oświetlenia wnętrza, 2 LED RGB listwy do oświetlenia kierunkowego, 3 przekaźniki do sterowania diodami LED i silnikiem bezszczotkowym, silnik bezszczotkowy 12V i ESC, zasilacz 12V do zasilania prototypu i kilka innych drobnych części.

Po dostarczeniu większości części zabrałem się do pracy nad modelem 3D. Użyłem Fusion 360 do zaprojektowania wszystkich części do tej łodzi. Zacząłem od zaprojektowania kadłuba łodzi, a następnie zacząłem projektować każdą część w miarę postępów. Kiedy już zaprojektowałem większość części, ułożyłem je wszystkie w całość, aby mieć pewność, że po wyprodukowaniu będą pasować do siebie. Po kilku dniach projektowania i ulepszania nadszedł wreszcie czas na rozpoczęcie drukowania. Wydrukowałem kadłub w 3 różnych częściach na moich Prusa Mk3 i wydrukowałem mocowania słoneczne i osłony kadłuba na moich CR10. Po kilku kolejnych dniach wszystkie części skończyły się drukować i wreszcie mogłem zacząć je składać. Poniżej znajduje się kolejna część mojego artykułu badawczego, w którym mówię o projektowaniu łodzi.

„Kiedy miałem już dobry pomysł na ostateczny projekt, przeszedłem do komputerowego wspomagania szkicowania lub CAD, który jest procesem, który można wykonać za pomocą wielu dostępnych obecnie programów. Użyłem oprogramowania Fusion 360 do zaprojektowania części, których potrzebuję do produkcji do mojego prototypu. Najpierw zaprojektowałem wszystkie części do tego projektu, a następnie zmontowałem je w środowisku wirtualnym, aby spróbować rozwiązać wszelkie problemy, zanim zacząłem drukować części. Po sfinalizowaniu montażu 3D przeniosłem się do projektowania systemów elektrycznych potrzebnych dla tego prototypu. Chciałem, aby mój prototyp był kontrolowany za pomocą specjalnie zaprojektowanej aplikacji na moim smartfonie. W pierwszej części wybrałem mikrokontroler Node MCU. Node MCU to mikrokontroler zbudowany na popularnym ESP8266 Chip Wifi. Ta płyta daje mi możliwość podłączenia do niej zewnętrznych urządzeń wejściowych i wyjściowych, które mogą być sterowane zdalnie przez interfejs Wifi. Po znalezieniu głównego kontrolera dla mojego projektu, przeszedłem do wyboru innego pa rts byłyby potrzebne do układu elektrycznego. Aby zasilić statek, wybrałem dwa osiemnastowoltowe panele słoneczne, które później zostały połączone równolegle, aby zapewnić moc wyjściową osiemnastu woltów wraz z podwojonym prądem pojedynczego ogniwa słonecznego, ponieważ były połączone równolegle. Wyjście z paneli słonecznych trafia do kontrolera ładowania. To urządzenie pobiera zmienne napięcie wyjściowe z paneli słonecznych i wygładza je do bardziej stałego napięcia wyjściowego 12 woltów. Następnie trafia do systemu zarządzania baterią lub BMS, aby naładować 6 18650 ogniw lipo połączonych dwoma zestawami trzech ogniw połączonych równolegle, a następnie szeregowo. Ta konfiguracja łączy napięcie 4,2 V 18650 w pakiet o pojemności 12,6 V z trzema ogniwami. Dzięki okablowaniu kolejnych trzech ogniw ustawionych równolegle z poprzednim pakietem, całkowita pojemność podwaja się, dając nam akumulator 12,6 V o pojemności 6 500 mAh.

Ten zestaw akumulatorów może dostarczać dwanaście woltów dla oświetlenia i silników bezszczotkowych. Użyłem falownika obniżającego napięcie, aby wytworzyć napięcie wyjściowe pięciu woltów dla zestawu elektroniki o niższej mocy. Następnie użyłem trzech przekaźników, jednego do włączania i wyłączania świateł wewnętrznych, jednego do zmiany koloru świateł zewnętrznych, a drugiego do włączania i wyłączania silnika bezszczotkowego. Do pomiaru odległości użyłem dwóch czujników ultradźwiękowych, jednego z przodu i jednego z tyłu. Każdy czujnik wysyła impuls ultradźwiękowy i może odczytać, ile czasu zajmie powrót tego impulsu. Na tej podstawie możemy określić, jak daleko obiekt znajduje się przed statkiem, obliczając opóźnienie sygnału zwrotnego. Na szczycie statku miałem pięć fotorezystorów do określania ilości światła na niebie. Czujniki te zmieniają swoją rezystancję w zależności od ilości światła. Z tych danych możemy za pomocą prostego kodu uśrednić wszystkie wartości, a gdy czujniki odczytają średnią wartość słabego oświetlenia, włączy się oświetlenie wnętrza. Po ustaleniu, jakiej elektroniki będę używał, zacząłem drukować w 3D części, które wcześniej zaprojektowałem. Kadłub łodzi wydrukowałem w trzech kawałkach, aby zmieścił się na mojej głównej drukarce. Podczas gdy te były drukowane, zacząłem drukować mocowania słoneczne i pokład na innej drukarce. Wydrukowanie każdej części zajmowało około jednego dnia, więc w sumie było około 10 dni prostego drukowania 3D, aby uzyskać wszystkie potrzebne części. Po zakończeniu drukowania, połączyłem je w mniejsze części. Następnie zainstalowałem elektronikę, taką jak panele słoneczne i diody LED. Po zainstalowaniu elektroniki podłączyłem je wszystkie i zakończyłem montaż części drukowanych. Następnie przeszedłem do projektowania podstawki pod prototyp. Ten stojak został również zaprojektowany w CAD, a później wycięty z drewna MDF na mojej maszynie CNC. Korzystając z CNC, udało mi się wyciąć wymagane szczeliny na panelu przednim do mocowania elektroniki kurtyny. Następnie zamontowałem prototyp na podstawie i fizyczny montaż był kompletny. Teraz, gdy prototyp był już w pełni zmontowany, zacząłem pracować nad kodem dla NodeMCU. Ten kod służy do poinformowania NodeMCU, które części są podłączone do których pinów wejściowych i wyjściowych. Informuje również tablicę, z którym serwerem się skontaktować i z jaką siecią Wifi się połączyć. Dzięki temu kodowi mogłem sterować niektórymi częściami prototypu z mojego telefonu za pomocą aplikacji. Jest to podobne do tego, w jaki sposób ostateczny projekt byłby w stanie skontaktować się z główną stacją dokującą, aby otrzymać współrzędne następnego przystanku, a także inne informacje, takie jak miejsce przebywania innych statków i przewidywana pogoda na ten dzień”.

Krok 4: Montaż (wreszcie!!)

Ok, więc teraz jesteśmy w mojej ulubionej części, montażu. Uwielbiam budować rzeczy, więc w końcu możliwość złożenia wszystkich części i zobaczenia ostatecznych wyników bardzo mnie podekscytowała. Zacząłem od złożenia wszystkich wydrukowanych części i super sklejenia ich razem. Następnie zainstalowałem elektronikę, taką jak światła i panele słoneczne. W tym momencie zdałem sobie sprawę, że w żaden sposób nie zmieściłbym całej mojej elektroniki wewnątrz tego urządzenia. Wtedy wpadłem na pomysł, aby wykonać CNC stojak do łodzi, aby wyglądał trochę lepiej, a także dał mi miejsce na ukrycie całej elektroniki. Zaprojektowałem stojak w CAD, a następnie wyciąłem go na moim Bobs CNC E3 w 13mm MDF. Następnie skręciłem go i pokryłem czarną farbą w sprayu. Teraz, gdy miałem miejsce do wypchania całej mojej elektroniki, kontynuowałem okablowanie. Podłączyłem wszystko i zainstalowałem Node MCU (prawie Arduino Nano z wbudowanym Wi-Fi) i upewniłem się, że wszystko jest włączone. Potem zapakowałem montaż, a nawet użyłem szkolnej wycinarki laserowej, aby wyciąć barierki ochronne z kilkoma fajnymi grawerami, jeszcze raz dziękuję Mr. Z! Teraz, gdy mieliśmy gotowy fizyczny prototyp, nadszedł czas, aby dodać trochę magii z kodowaniem.

Krok 5: Kodowanie (znane również jako trudna część)

Do kodowania użyłem Arduino IDE do napisania całkiem prostego kodu. Użyłem podstawowego szkicu Blynk jako startera, aby później móc kontrolować niektóre części z aplikacji Blynk. Oglądałem wiele filmów na YouTube i czytałem wiele forów, aby to zadziałało. W końcu nie byłem w stanie wymyślić, jak sterować silnikiem bezszczotkowym, ale wszystko inne działało. Z aplikacji możesz zmienić kierunek jednostki, co zmieni kolory czerwonych/zielonych diod LED, włączy/wyłączy oświetlenie wewnętrzne i otrzyma dane na żywo z jednego z czujników ultradźwiękowych z przodu wyświetlacza. Zdecydowanie odpuściłem sobie tę część i nie zrobiłem prawie tak wiele z kodem, jak chciałem, ale nadal okazało się, że jest to fajna funkcja.

Krok 6: Produkt końcowy

Zrobione! Wszystko zostało zmontowane i działało tuż przed terminami Science Fair. (Stereotypowy prokrastynator) Byłem bardzo dumny z produktu końcowego i nie mogłem się doczekać, kiedy podzielę się nim z jurorami. Nie mam tu wiele więcej do powiedzenia, więc pozwolę mi wyjaśnić to lepiej. Oto sekcja podsumowująca mojego artykułu badawczego.

„Po utworzeniu statków i stacji dokujących rozwiązanie jest w toku. Każdego ranka statki rozpoczynałyby swoją trasę drogami wodnymi. Niektóre mogą przepływać kanałami w miastach, podczas gdy inne podróżują po bagnach lub liniach oceanicznych. przechodzi swoją trasą, odpieniacz filtrujący zostanie opuszczony, co pozwoli na rozpoczęcie pracy filtrów. Odpieniacz skieruje pływające glony i zanieczyszczenia do kanału filtrującego. Po wejściu do środka woda jest najpierw przepuszczana przez filtr siatkowy, aby usunąć większe cząstki i zanieczyszczenia z wody. Usunięty materiał będzie tam zatrzymywany do czasu napełnienia komory. Gdy woda przepłynie przez pierwszy filtr, przechodzi następnie przez przepuszczalny filtr membranowy. Filtr ten wykorzystuje małe, przepuszczalne otwory, przepuszczająca wodę, pozostawiając za sobą nieprzepuszczalne materiały Filtr ten służy do wydobycia nieprzepuszczalnego materiału nawozowego, a także nadmiaru składników odżywczych z porostów glonów. r następnie wypływa tyłem łodzi z powrotem do cieku wodnego, gdzie statek filtruje.

Gdy statek dotrze do wyznaczonej stacji dokującej, wpada do nabrzeża. Po całkowitym zadokowaniu dwa ramiona zostaną przymocowane do boku łodzi, aby utrzymać ją stabilnie na miejscu. Następnie rura automatycznie podniesie się spod łodzi i przymocuje do każdego portu utylizacji odpadów. Po zabezpieczeniu port otworzy się i włączy się pompa, wysysając zebrany materiał z łodzi do stacji dokującej. W tym czasie pasażerowie będą mogli wejść na pokład statku i znaleźć swoje miejsca. Gdy wszyscy znajdą się na pokładzie, a pojemniki na odpady zostaną opróżnione, statek zostanie zwolniony ze stacji i ruszy na inną trasę. Po przepompowaniu odpadów do stacji dokującej zostaną one ponownie przesiane w celu usunięcia dużych zanieczyszczeń, takich jak patyki lub śmieci. Usunięty gruz będzie składowany w pojemnikach do późniejszego recyklingu. Pozostałe przesiane glony zostaną przetransportowane do centralnej stacji dokującej w celu przetworzenia. Kiedy każda mniejsza stacja dokująca zapełni swój magazyn glonów, pracownik przyjdzie, aby przetransportować glony do głównej stacji, gdzie zostaną przetworzone na biodiesel. Ten biodiesel jest odnawialnym źródłem paliwa, a także opłacalnym sposobem na recykling zebranych składników odżywczych.

Ponieważ łodzie nadal filtrują wodę, zawartość składników odżywczych będzie się zmniejszać. To zmniejszenie nadmiernej ilości składników odżywczych doprowadzi każdego roku do mniejszych zakwitów. Ponieważ poziomy składników odżywczych nadal spadają, jakość wody będzie intensywnie monitorowana, aby zapewnić, że składniki odżywcze pozostaną na stałym i zdrowym poziomie niezbędnym do prosperującego środowiska. W okresie zimowym, kiedy spływ nawozu nie jest tak silny, jak wiosną i latem, łodzie będą w stanie kontrolować ilość filtrowanej wody, aby zapewnić zawsze odpowiednią ilość dostępnych składników odżywczych. W miarę jak łodzie przemierzają trasy, coraz więcej danych będzie gromadzonych, aby skuteczniej określić źródła spływu nawozów i czas przygotowania się na wyższe poziomy składników odżywczych. Korzystając z tych danych, można stworzyć skuteczny harmonogram, aby przygotować się na wahania spowodowane sezonami rolniczymi”.