Hodowca roślin w mikrograwitacji „Disco Ball”: 13 kroków

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

Witajcie czytelnicy, ten projekt jest profesjonalnym zgłoszeniem do konkursu Growing Beyond Earth Maker.

Ten projekt jest dowodem koncepcji potencjalnego projektu donicy, który mógłby zostać wykorzystany do uprawy w warunkach mikrograwitacji.

Na podstawie regulaminu konkursu wymieniłem wymagania systemu,

1. System musi zmieścić się w obszarze 50cm^3.
2. System musi wykorzystywać mikrograwitację.
3. System może być zorientowany w dowolnej pozycji
4. System może być zasilany zewnętrznie z wewnętrznych szyn zasilających ISS.
5. System musi zautomatyzować większość procesu uprawy przy minimalnej interakcji ze strony astronautów.

z powyższymi założeniami rozpocząłem projektowanie systemu.

Krok 1: Propozycja projektu

Na początek narysowałem ogólny zarys tego, jak mógłby wyglądać system, Początkowym pomysłem, jaki wpadłem na pomysł, była kula zawieszona w centrum rosnącego środowiska z oświetleniem zamontowanym na otaczającej ramie.

Podstawa tego pudełka mieści wodę i elektronikę.

Na tym etapie zacząłem wyliczać posortowane potencjalne elementy takiego systemu,

1. Rama - musiałby wybrać odpowiedni materiał ramy
2. Oświetlenie – jaki rodzaj oświetlenia byłby najlepszy? Taśmy LED?
3. Czujniki - aby system mógł być zautomatyzowany, musiałby być w stanie wykrywać wilgoć, takie jak wilgotność i temperatura.
4. Kontrola - użytkownik potrzebowałby sposobu na interakcję z MCU

Celem tego projektu jest stworzenie dowodu koncepcji, na podstawie wyciągniętych wniosków sporządzę listę przyszłych prac i rozwoju wymaganych do dalszego rozwoju tego pomysłu.

Krok 2: Proof of Concept - BOM

BOM (Bill of Materials) dla tego projektu będzie kosztować około 130 funtów na zamówienie wszystkiego, co jest wymagane, z czego około 100 funtów zostanie wykorzystanych na wyprodukowanie pojedynczej jednostki hodowcy roślin.

Jest prawdopodobne, że będziesz mieć spory kawałek komponentów elektronicznych, które radykalnie redukują kod.

Krok 3: Elektronika - Projektowanie

Użyłem Fritzing do zaplanowania elektroniki wymaganej do tego projektu, Połączenia powinny przebiegać w następujący sposób,

LCD 16x2 I2C

1. GND > GND
2. VCC > 5V
3. SDA > A4 (Arduino)
4. SCL > A5 (Arduino)

Enkoder obrotowy (wybrano D3 i D2, ponieważ są to piny Arduino Uno Interupt)

1. GND > GND
2. + > 5V
3. SW > D5 (Arduino)
4. DT > D3 (Arduino)
5. CLK > D2 (Arduino)

Czujnik temperatury DS18B20

1. GND > GND
2. DQ > D4 (Arduino, z podciąganiem 5V do 4k7)
3. VDD > 5V

Czujnik wilgotności gleby

1. A > A0 (Arduino)
2. -> GND
3. + > 5V

Moduł podwójnego przekaźnika

1. VCC > 5V
2. INC2 > D12 (Arduino)
3. INC1 > D13 (Arduino)
4. GND > GND

dla innych linków spójrz na powyższy diagram.

Krok 4: Elektronika - Montaż

Elektronikę zmontowałem zgodnie z opisem na schemacie na poprzedniej stronie, Z płyty prototypowej zrobiłem osłonę dla Arduino Uno, Aby to zrobić, złamałem płytkę do mniej więcej rozmiaru Uno, a następnie dodałem męskie piny nagłówka, które były dopasowane do żeńskich nagłówków na Uno.

Jeśli połączenia są zgodne z poprzednim schematem, system powinien działać poprawnie, dla uproszczenia może być dobrym pomysłem rozplanowanie połączeń w podobny sposób jak ja.

Krok 5: Oprogramowanie - Plan

Ogólną ideą funkcjonalności oprogramowania jest ciągłe zapętlenie odczytu wartości czujnika przez system. W każdym cyklu wartości będą wyświetlane na wyświetlaczu LCD.

Użytkownik będzie mógł uzyskać dostęp do menu, przytrzymując przełącznik obrotowy, po wykryciu tego otworzy się interfejs menu. Użytkownik będzie miał do dyspozycji kilka stron,

1. Uruchom pompę wodną
2. Przełącz stan diody LED (wł. / wył.)
3. Zmień tryb systemu (automatyczny / ręczny)
4. Wyjście z menu

Jeśli użytkownik wybrał tryb automatyczny, system sprawdzi, czy poziomy wilgoci mieszczą się w wartości progowej, jeśli nie, automatycznie pompuje wodę, odczeka ustalone opóźnienie i ponownie sprawdzi.

Jest to podstawowy system automatyzacji, ale będzie stanowił punkt wyjścia dla przyszłych zmian.

Krok 6: Oprogramowanie - rozwój

Wymagane biblioteki

• DallasTemperatura
• LiquidCrystal_I2C-master
• OneWire

Uwagi do oprogramowania

Ten kod jest pierwszym projektem kodu, który daje systemowi podstawową funkcjonalność, w tym zawiera

Zobacz załączony Nasa_Planter_Code_V0p6.ino, aby uzyskać najnowszą wersję kodu systemowego, Odczyty temperatury i wilgotności na wyświetlaczu.

Tryb automatyczny i tryb ręczny - użytkownik może ustawić automatyczne pompowanie wody przez system przy progowej wilgotności

Kalibracja czujnika wilgoci - wartości AirValue i WaterValue cd muszą być wypełnione ręcznie, ponieważ każdy czujnik będzie nieco inny.

Interfejs użytkownika do sterowania systemem.

Krok 7: Mechaniczny - projekt (CAD)

Do zaprojektowania tego systemu użyłem Fusion 360, ostateczny montaż można obejrzeć/pobrać z linku poniżej

a360.co/2NLnAQT

Zespół mieści się w obszarze zawodów o powierzchni 50cm^3 i wykorzystał rurę PCV do budowy ramy pudełka z wydrukowanym w 3D wspornikiem do połączeń narożnych. Ta rama ma więcej części drukowanych w 3D, które służą do montażu ścian obudowy i oświetlenia LED.

W centrum obudowy mamy donicę „Disco Orb”, która jest 4-częściowym montażem (2 połówki kuli, 1 podstawa kuli, 1 tuba). Ma specjalne wycięcia umożliwiające włożenie rury pompy wodnej i pojemnościowego czujnika wilgoci do sekcji gleby.

U podstawy projektu widać skrzynkę kontrolną, w której mieści się elektronikę i zapewnia sztywność ramy. W tej sekcji możemy zobaczyć wyświetlacz i elementy sterujące interfejsu użytkownika.

Krok 8: Mechaniczne - części drukowane w 3D

Montaż mechaniczny wymaga różnych części drukowanych w 3D, Wsporniki ram narożnych, uchwyty do paneli bocznych, zawiasy drzwiowe, uchwyty LED i wsporniki skrzynki sterowniczej, Te części powinny w przybliżeniu mieć wagę 750 g i 44 godziny czasu drukowania.

Części mogą być wyeksportowane z zespołu 3D połączonego na poprzedniej stronie lub można je znaleźć w Thingiverse tutaj, www.thingiverse.com/thing:4140191

Krok 9: Mechaniczny - Montaż

Zwróć uwagę, że podczas montażu pominąłem części ścienne obudowy, głównie ze względu na ograniczenia czasowe i kosztowe, Po pierwsze, musimy przyciąć rurę PVC do odcinków 440 mm, będziemy potrzebować 8 takich odcinków rury. 8 wydrukowanych mocowań LED i 4 wsporniki narożne ramy.

Teraz musimy przygotować paski LED,

1. Wytnij paski przy śladach nożyczek na około 15 cm długości, musimy wyciąć 8 odcinków taśmy LED
2. Odsłoń podkładki + i -, usuwając trochę gumy
3. Przylutuj męskie złącza nagłówkowe (wytnij sekcje po 3 i przylutuj każdy koniec do podkładki)
4. Usuń samoprzylepną osłonę z tyłu każdego paska i przymocuj do części drukarki 3D z uchwytem LED.
5. Teraz wykonaj kabel, aby połączyć wszystkie pozytywy i negatywy każdego paska
6. Na koniec włącz go i sprawdź, czy wszystkie diody LED działają

Krok 10: Projekt – dotychczasowe postępy

Do tej pory tyle udało mi się przejść przez montaż tego projektu, Planuję aktualizować ten przewodnik w miarę rozwoju projektu,

Co pozostało do zrobienia?

• Kompletny montaż skrzynki sterowniczej
• Elektronika domowa
• Przetestuj system pompowania wody
• Sprawdź postęp

Krok 11: Wyciągnięte wnioski

Chociaż na razie projekt nie został ukończony, wciąż nauczyłem się kilku ważnych rzeczy z badania tego projektu.

Dynamika płynów w mikrograwitacji

Jest to niezwykle złożony temat, który wprowadza wiele niewidocznych problemów dla standardowej, opartej na grawitacji dynamiki płynów. Wszystkie nasze naturalne instynkty dotyczące tego, jak będą działać płyny, wychodzą poza okno w mikrograwitacji, a NASA musiała ponownie wynaleźć koło, aby stosunkowo proste systemy ziemskie mogły funkcjonować.

Wykrywanie wilgoci

Dowiedz się o różnych metodach, które są powszechnie używane do wykrywania wilgoci (czujniki objętościowe, tensjometry i półprzewodnikowe, zobacz ten link, aby uzyskać dobrą lekturę na ten temat

Drobne notatki

Rura PVC doskonale nadaje się do szybkiego budowania ram, Potrzebuję lepszych narzędzi stolarskich!

Planuj z wyprzedzeniem projekty hobbystyczne, segmentuj zadania i ustalaj terminy, tak jak w pracy!

Krok 12: Przyszła praca

Po przeczytaniu o tym, jak zarządzamy dynamiką płynów w mikrograwitacji, jestem bardzo zainteresowany zaprojektowaniem własnego rozwiązania problemu, Chciałabym pójść dalej z tym szorstkim projektem, ideą tego systemu jest użycie zbiornika mieszkowego z silnikami krokowymi, które mogą ściskać obszar pojemnika, aby utrzymać określone ciśnienie w rurze.

Krok 13: Wniosek

Dziękuję za przeczytanie Mam nadzieję, że podobało Ci się, jeśli masz jakieś pytania lub chciałbyś pomóc we wszystkim, co dotyczy tego projektu, śmiało możesz komentować!

Jacek.