Zhakuj kostkę Rosomaka Rosomaka dla ISS: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Jesteśmy gimnazjum West Hollow z Long Island w stanie Nowy Jork. Jesteśmy ambitnymi inżynierami, którzy spotykają się raz w tygodniu w klubie Hack the Hollow, w którym projektujemy, kodujemy i budujemy wiele projektów twórców. Wszystkie projekty, nad którymi pracujemy, możesz sprawdzić TUTAJ. Naszym głównym celem było zbadanie przyszłości robotyki spożywczej i środowiskowej. Zbudowaliśmy i utrzymywaliśmy zautomatyzowaną pionową farmę hydroponiczną na tyłach naszego laboratorium naukowego z naszym nauczycielem, panem Regini. Od dwóch lat uczestniczymy również w programie GBE. Wiemy, że to wyzwanie wymagało od uczniów szkół średnich, ale byliśmy zbyt podekscytowani, by czekać jeszcze dwa lata, aby przedstawić wam Wolverine'a, nazwanego na cześć naszej szkolnej maskotki. To jest rodzaj tego, co robimy!

W tym projekcie znajdziesz wiele rzeczy, których uwielbiamy używać, w tym Arduino, Raspberry Pi i wszystkie elektroniczne gadżety, które z nimi są związane. Podobało nam się również użycie Fusion 360 jako kroku w stosunku do TinkerCada do zaprojektowania kostki. Ten projekt był idealną okazją do wycięcia naszych zębów na nowych platformach dla twórców. Zostaliśmy podzieleni na zespoły projektowe, z których każdy musiał skupić się na jednym aspekcie Grow Cube. Rozłożyliśmy go na ramę, pokrywę i płytkę konstrukcyjną, oświetlenie, ściany, wodę, wentylatory i czujniki środowiskowe. Na naszej liście materiałów eksploatacyjnych umieściliśmy linki do wszystkich materiałów, z których korzystamy, jeśli potrzebujesz pomocy w wizualizacji części omówionych w kolejnych krokach. Mamy nadzieję, że Ci się podoba!

Kieszonkowe dzieci

Rama:

• Profile aluminiowe 1 "80/20
• Orzechy trójnikowe
• Wsporniki
• Zawiasy
• Złącza ślizgowe kompatybilne z kanałem T
• Prowadnice rurowe i drutowe kompatybilne z kanałem T
• Magnesy do przytrzymywania drzwi zamkniętych
• 3 x kontaktrony magnetyczne

Rozwijaj ściany:

• Niskoprofilowe kanały NFT Farm Tech
• Pokrywy kanałów NFT
• Faliste arkusze z tworzywa sztucznego
• Magnesy do przytrzymywania wyjmowanych kanałów

Pokrywa:

• Blacha falista z tworzywa sztucznego
• Drukowana w 3D oprawa oświetleniowa LED do uprawy (Fusion 360)
• Plastikowe wsporniki i sprzęt do elektroniki

Oświetlenie:

• Adresowalne paski neopikselowe firmy Adafruit (60LED/m)
• Złącza Neopikselowe
• Klipy neopikselowe
• Kondensator odsprzęgający 330uF, 35V
• Rezystor 1K ohm
• Posrebrzana taśma z folii aluminiowej HVAC
• przetwornica

Woda: (Nasza ulubiona cecha):

• 2 x silniki krokowe Nema 17
• Adafruit Stepper Shield dla Arduino
• Drukowana w 3D pompa strzykawkowa z liniowym siłownikiem (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml strzykawki
• Rury ze złączami Luer Lock i trójnikami/kolano
• Śruby pociągowe i nakrętki T8 2 x 300 mm x 8 mm
• 2 x sprzęgło latające
• 2 x bloki łożyskowe poduszki
• Prowadnice wału liniowego 4 x 300 mm x 8 mm
• Łożyska liniowe 4 x 8 mm LM8UU
• 4 x DF Robot pojemnościowy rezystancyjny czujnik wilgoci do monitorowania gleby i sterowania pompami strzykawkowymi

Cyrkulacja powietrza:

• 2x5" wentylatory 12V
• Osłony filtra wentylatora 5"
• 2 x tranzystory Darlington TIP120 i radiatory
• Zasilanie 12V
• Adapter do podłączenia gniazda baryłkowego do montażu na panelu
• Rezystory 2 x 1 kΩ
• 2 x diody flyback
• 2 x 330uF, 35V elektrolityczne kondensatory odsprzęgające
• Czujnik temperatury i wilgotności DHT22 z rezystorem 4,7 kΩ;

Elektronika:

• Raspberry Pi 3B+ z osłoną silnika
• Karta SD o pojemności 8 GB
• Arduino Mega
• Płyta chlebowa perma-proto Adafruit
• 2 x 20x4 i2C LCD
• Skręcone przewody połączeniowe 22AWG
• Zestaw złączy Dupont
• Czujnik jakości powietrza Adafruit SGP30 z eCO2

Narzędzia:

• Lutownica
• Zestaw lutowniczy
• Pomocne dłonie
• Narzędzia do zaciskania i zdejmowania izolacji z przewodów
• Wkrętaki
• Kawa (dla pana Reginiego)

Krok 1: Krok 1: Konstruowanie ramy

Rama zostanie zbudowana z lekkich profili aluminiowych 1 80/20 t. Zostanie ona utrzymywana razem z aluminiowymi kolankami i nakrętkami. Oprócz utrzymywania ciężaru, kanały będą działać jako ścieżki prowadzące dla naszej wody linie i okablowanie.

Sześcian będzie spoczywał na zestawie szyn wyposażonych w złącza ślizgowe, które pozwolą na wyciągnięcie sześcianu ze ściany, aby odsłonić nie tylko jego przednią powierzchnię, ale także obie jego boki. Inspiracją do tego był jeden z naszych uczniów myślący o stojaku na przyprawy w swoich szafkach kuchennych w domu.

Dzięki prostym zawiasom przód i boki będą miały drzwi, które mogą się otwierać, gdy sześcian zostanie wyciągnięty na szynach. Po zamknięciu są utrzymywane na miejscu przez magnesy. Wszystkie 6 paneli tego sześcianu można zdejmować, ponieważ wszystkie powierzchnie są również utrzymywane na miejscu za pomocą magnesów. Celem tego wyboru projektu było zapewnienie łatwego dostępu do wszystkich powierzchni w celu wysiewu, pielęgnacji roślin, zbierania danych, zbioru oraz czyszczenia/napraw.

Nasz projekt paneli możesz zobaczyć w następnym kroku.

Krok 2: Krok 2: Konstruowanie ścian wzrostu

Pierwszym elementem, o którym pomyśleliśmy, były materiały do wykorzystania na same ściany. Wiedzieliśmy, że muszą być lekkie, ale wystarczająco mocne, aby utrzymać rośliny. Wybraliśmy białe faliste tworzywo sztuczne zamiast przezroczystego akrylu, chociaż podobały nam się zdjęcia V. E. G. G. I. E, na których mogliśmy zobaczyć rośliny w środku. Powodem tej decyzji było to, że większość widoku byłaby zasłonięta przez kanały roślinne i chcieliśmy odbijać jak najwięcej światła z naszych diod LED. Ta logika wynikała z inspekcji jednostki, którą wysłano w ramach naszego udziału w GBE. Jak wspomniano w poprzednim kroku, płytki te są przytrzymywane do aluminiowej ramy za pomocą magnesów, dzięki czemu można je łatwo usunąć.

Do tych płyt dołączone są trzy kanały niskoprofilowych szyn uprawowych NFT, których używamy w naszym laboratorium hydroponicznym. Podoba nam się ten wybór, ponieważ są zbudowane z cienkiego PCV z osłonami, które łatwo zsuwają się w celu wszczepienia rosnących poduszek. Wszystkie podłoża hodowlane będą umieszczone w specjalnie zaprojektowanych poduszkach, które, jak widzieliśmy, są już używane na MSK, kiedy czytamy TEN ARTYKUŁ. Wszystkie panele między szynami zostaną pokryte posrebrzaną taśmą izolacyjną HVAC, aby zwiększyć współczynnik odbicia świateł do uprawy.

Nasze otwory mają 1 3/4 i są oddalone od siebie o 6 cali na środku. Pozwala to na 9 miejsc sadzenia na każdym z czterech paneli sześcianu, co daje w sumie 36 roślin. Staraliśmy się, aby te odstępy były spójne z tym, co mieliśmy czerwone o Outredgeous sałaty. Kanały są frezowane ze szczelinami, aby przyjąć nasze czujniki wilgoci, które będą monitorować wilgotność gleby i wzywać wodę z pomp strzykawkowych. Nawodnienie zostanie rozprowadzone do każdej pojedynczej poduszki roślinnej za pomocą kolektora do podlewania węży medycznych, podłączonego do tych pomp. Ta metoda nawadniania oparta na strzykawkach jest czymś, co zbadaliśmy jako najlepszą praktykę zarówno w zakresie precyzyjnego nawadniania, jak i przezwyciężania wyzwań związanych ze środowiskiem zerowym/mikrograwitacyjnym. Będziemy polegać na kapilarności, aby pomóc wodzie dyfundować w podłożu.

Na koniec chcieliśmy znaleźć sposób na wykorzystanie płyty podstawy. Stworzyliśmy małą wargę na dolnej powierzchni, która zaakceptuje matę do uprawy, aby wyhodować mikro zieleniny. Wiadomo, że mikro zieleniny mają prawie 40 razy więcej składników odżywczych niż ich dojrzałe odpowiedniki. Mogą one okazać się bardzo korzystne dla diety astronautów. To jest jeden artykuł, który nasi uczniowie znaleźli na temat wartości odżywczej mikro zieleniny.

Krok 3: Krok 3: Podlewanie roślin

W poprzednim kroku odnieśliśmy się do naszych pomp strzykawkowych z liniowym siłownikiem. To zdecydowanie nasza ulubiona część tej konfiguracji. Silniki krokowe NEMA 17 będą napędzać siłowniki liniowe, które wciskają tłok dwóch strzykawek 100 cm3-300 cm3 na pokrywie kostki wzrostu. Zaprojektowaliśmy obudowę silnika, sterownik tłoka i szynę prowadzącą za pomocą Fusion 360 po sprawdzeniu kilku świetnych projektów open source na Hackaday. Prześledziliśmy ten samouczek na niesamowitej stronie internetowej Adafruit, aby dowiedzieć się, jak napędzać silniki.

Chcieliśmy znaleźć sposób na uwolnienie astronautów od zadania podlewania. Steppery są aktywowane, gdy rośliny w systemie potrzebują własnej wody. 4 pojemnościowe czujniki wilgoci są podłączone do poduszek roślinnych w różnych miejscach w kostce wzrostu. Każde miejsce sadzenia w systemie ma gniazdo do przyjęcia tych czujników wyfrezowanych w ich kanałach wzrostu. Pozwala to astronautom na wybór i okresową zmianę rozmieszczenia tych czujników. Oprócz maksymalizacji wydajności dystrybucji wody w systemie, pozwoli to na wizualizację, w jaki sposób każda roślina zużywa swoją wodę. Progi wilgotności mogą być ustawione przez astronautów tak, aby nawadnianie mogło być zautomatyzowane zgodnie z ich potrzebami. Strzykawki są podłączone do głównego kolektora nawadniającego za pomocą połączeń typu Luer Lock, co ułatwia ich uzupełnianie. Same panele do uprawy wykorzystują podobny protokół połączenia do kolektora do podlewania, dzięki czemu można je łatwo usunąć z kostki.

Dane gromadzone przez czujniki mogą być odczytywane lokalnie na ekranie LCD 20x4 przymocowanym do pokrywy lub zdalnie, gdzie są gromadzone, wyświetlane i przedstawiane na wykresach dzięki integracji systemu z platformami Cayenne lub Adafruit IO IoT. Arduino wysyła swoje dane do wbudowanego Raspberry Pi za pomocą kabla USB, który następnie trafia do Internetu za pomocą karty WiFi Pi. Na tych platformach można ustawić alerty, aby powiadomić astronautów, gdy którakolwiek z naszych zmiennych systemowych przekroczyła ustawione wartości progowe.

Krok 4: Krok 4: Inteligentna pokrywa z oświetleniem i sterowaniem wentylatorem

Pokrywa naszej kostki do uprawy pełni rolę mózgu całej operacji, a także zapewnia obudowy dla krytycznych elementów wzrostu. Od spodu pokrywy rozciąga się wydrukowana w 3D obudowa LED, która zapewnia światło dla każdej z płytek ściennych, a także górne oświetlenie maty mikro-zielonej na dole. Zostało to ponownie zaprojektowane w Fusion 360 i wydrukowane na naszym MakerBot. Każda wnęka oświetleniowa zawiera 3 paski LED, które są osłonięte wklęsłym wspornikiem. Ten wspornik jest posrebrzany taśmą izolacyjną HVAC, aby zmaksymalizować jego współczynnik odbicia. Okablowanie biegnie w górę centralnej pustej kolumny, aby uzyskać dostęp do zasilania i danych na górze pokrywy. Rozmiar tej obudowy został dobrany tak, aby mieć ślad, który pozwoliłby rosnącym wokół niej roślinom osiągnąć maksymalną wysokość 8 cali. Stwierdzono, że liczba ta odpowiada średniej wysokości dojrzałych sałat Outredgeous, które uprawiamy w naszych pionowych ogrodach hydroponicznych w naszym laboratorium. Mogą osiągnąć nawet 12 cali wysokości, ale pomyśleliśmy, że astronauci będą się na nich paść, gdy dorosną, dzięki czemu jest to sześcian, który można ciąć i wracać.

Używane przez nas neopiksele są adresowane indywidualnie, co oznacza, że możemy kontrolować emitowane przez nie spektrum kolorów. Można to wykorzystać do modyfikacji widma światła, które rośliny otrzymują na różnych etapach wzrostu lub z gatunku na gatunek. Osłony miały umożliwić w razie potrzeby różne warunki oświetleniowe na każdej ze ścian. Rozumiemy, że to nie jest idealna konfiguracja i że światła, których używamy, nie są technicznie światłami do uprawy, ale uznaliśmy, że to dobry dowód koncepcji.

W górnej części pokrywy znajdują się dwa 5-calowe wentylatory chłodzące 12 V, zwykle używane do kontrolowania temperatury wież komputerowych. Zaprojektowaliśmy go tak, aby jeden wtłaczał powietrze do systemu, a drugi działał jako wyciąg powietrza. Oba są pokryte drobną siatką, aby zapewnić, że żadne zanieczyszczenia nie zostaną wyciągnięte do środowiska oddechowego astronauty. Wentylatory są wyłączane, gdy którykolwiek z magnetycznych kontaktronów przymocowanych do drzwi jest otwarty, aby zapobiec niezamierzonemu zanieczyszczeniu powietrza. Prędkość wentylatorów jest kontrolowana przez PWM za pomocą Motor HAT na Raspberry pi. Wentylatory mogą być warunkowo przyspieszane lub spowalniane na podstawie wartości temperatury lub wilgotności podawanych do Pi przez wbudowany czujnik DHT22 w kostce. Odczyty te można ponownie wyświetlać lokalnie na wyświetlaczu LCD lub zdalnie na tym samym pulpicie nawigacyjnym IoT, co czujniki wilgoci.

Myśląc o fotosyntezie, chcieliśmy również uwzględnić poziom CO2 i ogólną jakość powietrza w kostce wzrostu. W tym celu dodaliśmy czujnik SGP30 do monitorowania eCO2 oraz całkowitej zawartości lotnych związków organicznych. Te również są przesyłane na wyświetlacze LCD i pulpit nawigacyjny IoT w celu wizualizacji.

Zobaczysz również, że nasza para pompek strzykawkowych jest zamontowana z boku wieczka. Ich przewody są skierowane w dół pionowymi kanałami aluminiowej ramy nośnej do wytłaczania.

Krok 5: Końcowe myśli i przyszłe iteracje

Zaprojektowaliśmy Wolverine, korzystając z wiedzy, którą zdobyliśmy podczas wspólnej uprawy żywności. Od kilku lat automatyzujemy nasze ogrody i była to ekscytująca okazja, aby zastosować to w wyjątkowym zadaniu inżynieryjnym. Rozumiemy, że nasz projekt ma skromne początki, ale z niecierpliwością czekamy na rozwój wraz z nim.

Jednym z aspektów budowy, którego nie mogliśmy ukończyć przed upływem terminu, było przechwytywanie obrazu. Jeden z naszych uczniów eksperymentował z kamerą Raspberry Pi i OpenCV, aby sprawdzić, czy możemy zautomatyzować wykrywanie zdrowia roślin za pomocą uczenia maszynowego. Chcieliśmy przynajmniej móc zobaczyć rośliny bez konieczności otwierania drzwi. Pomysł polegał na uwzględnieniu mechanizmu pan-tilt, który mógłby obracać się wokół dolnej części górnego panelu, aby przechwytywać obrazy każdej ściany wzrostu, a następnie drukować je na desce rozdzielczej Adafruit IO w celu wizualizacji. Może to również spowodować naprawdę fajne przerwy w czasie uprawy roślin. Przypuszczamy, że to tylko część procesu projektowania technicznego. Zawsze będzie praca do wykonania i ulepszenia. Bardzo dziękuję za możliwość wzięcia udziału!