Anije Filtrimi Autonome Arduino: 6 Hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:14

Në këtë Instructable unë do t'ju tregoj se si kam projektuar dhe bërë zgjidhjen time të propozuar për problemin aktual të Algave të Kuqe në ujërat e Bregut të Gjirit. Për këtë projekt unë doja të krijoja një anije plotësisht autonome dhe me energji diellore që mund të lundronte në rrugët ujore, dhe duke përdorur një sistem filtrimi natyror në bord, mund të filtronte lëndët ushqyese dhe toksinat e tepërta nga algat Dinoflagellates dhe Karena Brevis. Ky dizajn u krijua për të treguar se si teknologjia mund të përdoret për të ndihmuar në rregullimin e disa prej çështjeve tona aktuale mjedisore. Fatkeqësisht nuk fitoi asnjë çmim apo vend në panairin tim të shkencës në qytetin tim të vogël, por prapë më pëlqeu përvoja e të mësuarit dhe shpresoj se dikush tjetër mund të mësojë diçka nga projekti im.

Hapi 1: Hulumtim

Sigurisht, sa herë që do të zgjidhni një problem, duhet të bëni disa kërkime. Kisha dëgjuar për këtë problem përmes një artikulli lajmesh në internet dhe që më interesoi të hartoja një zgjidhje për atë problem mjedisor. Fillova duke hulumtuar se cili ishte saktësisht problemi dhe çfarë po e shkaktonte atë. Këtu është një pjesë e punimit tim kërkimor që tregon atë që kam gjetur gjatë hulumtimit tim.

Baticë e Kuqe është një problem vjetor në rritje për ujërat e Floridës. Baticë e Kuqe është një term i zakonshëm që përdoret për një grup të madh të përqendruar të algave që rriten në mënyrë sporadike për shkak të rritjes së ushqyesve në dispozicion. Aktualisht, Florida është përballur me një rritje të shpejtë në madhësinë e Baticës së Kuqe, e cila po shkakton një shqetësim në rritje për sigurinë e kafshëve të egra ujore në zonë, si dhe çdo individi që mund të vijnë në kontakt me të. Baticë e Kuqe më së shpeshti përbëhet nga një specie e algat e njohura si Dinoflagellate. Dinoflagellatet janë protistë njëqelizorë që prodhojnë toksina si brevetoxins dhe ichthyotoxin, të cilat janë shumë toksike për jetën detare dhe tokësore që vijnë në kontakt me to. Dinoflagellatet riprodhohen në mënyrë aseksuale përmes mitozës, ndarja e një qelize duke prodhuar një kopje të saktë. Dinoflagellatet ushqehen me protistë të tjerë në ujë si ai i Chysophyta, forma më e zakonshme e algave jo toksike. Dinoflagellatet gjithashtu riprodhohen në mënyrë aseksuale duke bërë që numri i tyre të rritet me shpejtësi kur n futen lëndët ushqyese.

Shkaku kryesor i rritjes së shpejtë të ushqimit të tyre është për shkak të futjes së sasive të mëdha të lëndëve ushqyese që lahen nga fermat gjatë stuhive të shiut dhe barten në brigjet e oqeanit nga lumenjtë dhe përrenjtë e afërt. Për shkak të mbështetjes së madhe në plehrat e bëra nga njeriu për bujqësinë, sasia e ushqyesve të disponueshëm në tokat bujqësore përreth është më e lartë se kurrë. Sa herë që ka një stuhi shiu në shumicën e pjesëve të vendit lindor, ai shi lan shumë nga ato plehra nga toka e sipërme dhe në përrenjtë dhe përrenjtë përreth. Ato përrenj përfundimisht mblidhen në lumenj duke kombinuar të gjithë lëndët ushqyese të grumbulluara në një grup të madh që hidhen në Gjirin e Meksikës. Ky koleksion i madh i lëndëve ushqyese nuk është një dukuri natyrore për jetën detare të tanishme, kjo është arsyeja pse rezulton në një rritje të pakontrollueshme të algave. Si burimi kryesor i ushqimit i Dinoflagellates, rritja e shpejtë e algave siguron një burim të madh ushqimi për një formë jete në rritje të shpejtë.

Këto grupe të mëdha të Dinoflagellates prodhojnë kimikate toksike të njohura për të vrarë shumicën e jetës ujore që vijnë në kontakt me to. Sipas WUSF, një stacion lokal i lajmeve në Florida, në lulëzimin e vitit 2018 pati 177 vdekje të konfirmuara nga manat nga Red Baticë, si dhe 122 vdekje të tjera që dyshohej se ishin të lidhura. Nga 6, 500 manate të pritshme në ujërat e Floridës dhe Porto Rikos, ky është një ndikim i madh në mbijetesën e kësaj specie, dhe ky është vetëm ndikimi në një specie. Red Tide gjithashtu dihet se shkakton probleme të frymëmarrjes për ata që kanë qenë në afërsi të ndonjë prej lulëzimeve. Meqenëse Red Tide rritet në kanalet në disa qytete plazhi, ky është një rrezik i dukshëm i sigurisë për këdo që jeton në ato komunitete. Toksina Dinophysis, e prodhuar nga Red Tides, gjithashtu dihet se infekton zakonisht popullatat e butakëve lokalë duke rezultuar në helmim diarretik të butakëve, ose DSP, tek ata që kanë ngrënë butak të infektuar. Fatmirësisht, nuk dihet të jetë fatale, por mund të rezultojë në probleme të tretjes për viktimën. Sidoqoftë, një toksinë tjetër e prodhuar nga disa Red Tides, Gonyaulax ose Alexandrium, gjithashtu mund të infektojë butak në ujërat e kontaminuar me baticat. Ngrënia e butakëve të kontaminuar me këto toksina shkakton helmim të butakëve paralitikë, ose PSP i cili në rastet më të këqija ka rezultuar në dështim të frymëmarrjes dhe vdekje brenda 12 orëve nga gëlltitja."

Hapi 2: Zgjidhja ime e propozuar

Citim nga punimi im kërkimor

Zgjidhja ime e propozuar është ndërtimi i një anije detare plotësisht autonome me energji diellore që përmban një sistem filtrimi natyror mikro grimcash në bord. I gjithë sistemi do të mundësohet nga panele diellore në bord dhe do të nxitet nga dy motorë pa furça, të kanalizuar në një strukturë vektoriale të shtytjes. sistemi i filtrimit do të përdoret për të filtruar lëndët ushqyese të tepërta dhe dinoflagellatet ndërsa lundron në rrugët ujore në mënyrë autonome. Anija do të përdoret gjithashtu si një sistem transporti për komunitetin lokal. Fillova duke hulumtuar së pari problemin dhe si kishte filluar ky problem. Mësova se rritjet e Baticës së Kuqe u shkaktuan nga sasitë e mëdha të lëndëve ushqyese, si nitrogjeni, në ujërat lokale. Pasi zbulova se çfarë po shkaktonte problemin, isha në gjendje të filloja të krijoja ide për një zgjidhje që mund të ndihmonte në zvogëlimin e madhësisë së Baticës së Kuqe vjetore.

Ideja ime ishte një anije e ngjashme në madhësi dhe formë me një varkë pontoni. Kjo anije do të kishte një skimmer midis dy pontoneve që do të çonte ujin e ardhshëm përmes një filtri rrjetë për të hequr grimcat e mëdha, dhe më pas përmes një filtri membranor të përshkueshëm që do të hiqte mikro grimcat e azotit të pranishme. Uji i filtruar pastaj do të derdhej nga pjesa e pasme e varkës përmes skimerit të kundërt. Unë gjithashtu doja që kjo anije të ishte plotësisht elektrike, kështu që do të ishte e qetë, si dhe do të ishte më e sigurt, me më pak mundësi për të rrjedhur ndonjë lëng toksik në ujërat përreth. Do të kishte disa panele diellore në anije, si dhe një kontrollues ngarkimi me një paketë jonesh litiumi për të ruajtur çdo fuqi të tepërt për përdorim të mëvonshëm. Qëllimi im i fundit ishte të dizajnoja anijen në atë mënyrë që të mund të përdorej për transport publik për komunitetin lokal. Me të gjitha këto zgjedhje të dizajnit në mendje, fillova të skicoj disa ide në letër për të provuar dhe zgjidhur çdo problem të mundshëm."

Hapi 3: Desinging

Sapo kisha hulumtimin tim jashtë rrugës kisha një ide shumë më të mirë të problemit dhe asaj që po e shkaktonte atë. Më pas kalova në stuhi mendimesh dhe dizajnim. Kam kaluar disa ditë duke menduar për shumë mënyra të ndryshme për të zgjidhur këtë problem. Pasi kisha disa ide të mira, u zhvendosa në skicimin e tyre në letër për të provuar dhe përpunuar disa të meta të projektimit para se të kaloja në CAD. Pas disa ditësh skicimi, krijova një listë të pjesëve që doja të përdorja për dizajnin. Kam përdorur të gjitha fitimet e mia të çmimeve nga panairi i shkencës i viteve të kaluara plus pak më shumë për të blerë pjesët dhe filamentin që më duheshin për të krijuar prototipin. Përfundova duke përdorur një Node MCU për mikrokontrolluesin, dy panele diellore 18V për burimet e propozuara të energjisë, dy sensorë tejzanor për veçoritë autonome, 5 rezistenca fotografike për të përcaktuar ndriçimin e ambientit, disa shirita LED të bardhë 12V për ndriçimin e brendshëm, 2 LED RGB shirita për ndriçim të drejtuar, 3 stafetë për kontrollin e LEDS dhe motorin pa furça, një motor pa furçë 12V dhe ESC, një PSU 12V për fuqizimin e prototipit, dhe disa pjesë të tjera të vogla.

Pasi mbërritën shumica e pjesëve, fillova të punoj në modelin 3D. Kam përdorur Fusion 360 për të hartuar të gjitha pjesët për këtë varkë. Fillova duke projektuar trupin e varkës dhe pastaj lëviza lart duke projektuar secilën pjesë ndërsa ecja. Sapo kisha projektuar shumicën e pjesëve, i vendosa të gjitha në një montim për t'u siguruar që ato të përshtaten së bashku sapo të prodhoheshin. Pas disa ditësh të projektimit dhe rregullimit, më në fund ishte koha për të filluar printimin. Kam shtypur trupin në 3 pjesë të ndryshme në Prusa Mk3s tim dhe kam shtypur montimet diellore dhe kapakët e bykëve në CR10 -të e mia. Pas disa ditësh të tjera, të gjitha pjesët ku mbaruan shtypjen dhe më në fund mund të filloja t'i bashkoja. Më poshtë është një pjesë tjetër e punimit tim kërkimor ku flas për hartimin e varkës.

Pasi pata një ide të mirë për modelin përfundimtar, kalova në Hartimin e Ndihmuar me Kompjuter ose CAD, i cili është një proces që mund të bëhet duke përdorur shumë programe të disponueshme sot. Kam përdorur softuerin Fusion 360 për të hartuar pjesët që do të më duheshin Prodhimi për prototipin tim. Unë i projektova të gjitha pjesët për këtë projekt së pari, dhe pastaj i mblodha në një mjedis virtual për të provuar dhe zgjidhur ndonjë problem para se të filloja të printoja pjesët. Pasi pata një montim të përfunduar 3D, u zhvendosa për të hartuar sistemet elektrike të nevojshme për këtë prototip. Unë doja që prototipi im të ishte i kontrollueshëm përmes një aplikacioni të krijuar me porosi në smartphone tim. Për pjesën time të parë, zgjodha mikrokontrolluesin Node MCU. Node MCU është një mikrokontrollues i ndërtuar rreth ESP8266 të njohur Çip Wifi. Ky bord më jep mundësinë të lidh pajisjet e jashtme të hyrjes dhe daljes me të që mund të kontrollohen nga distanca përmes ndërfaqes së tij Wifi. Pasi gjeta kontrolluesin kryesor për modelin tim, kalova në zgjedhjen e asaj që do të bëja rts do të nevojiten për sistemin elektrik. Për të fuqizuar anijen, unë zgjodha dy panele diellore tetëmbëdhjetë volt që më vonë do të lidheshin paralelisht për të siguruar një dalje prej tetëmbëdhjetë volt së bashku me dyfishin e rrymës së një qelize diellore individuale për shkak të lidhjes së tyre paralelisht. Prodhimi nga panelet diellore shkon në një kontrollues ngarkimi. Kjo pajisje merr tensionin e luhatshëm të daljes nga panelet diellore dhe e zbut atë në një dalje më konstante dymbëdhjetë volt. Kjo pastaj hyn në sistemin e menaxhimit të baterisë, ose BMS, për të ngarkuar 6, 18650 lipo qeliza të lidhura me dy grupe me tre qeliza të lidhura paralelisht, pastaj seri. Ky konfigurim kombinon kapacitetin 4.2 volt të 18650 në një paketë me kapacitet 12.6 volt me tre qeliza. Duke lidhur tre qeliza të tjera të vendosura paralelisht me paketën e mëparshme, kapaciteti i përgjithshëm dyfishohet duke na dhënë një bateri 12.6 volt me një kapacitet 6, 500 mAh.

Kjo paketë baterie mund të prodhojë dymbëdhjetë volt për ndriçimin dhe motorët pa furça. Kam përdorur një inverter hap poshtë për të krijuar një dalje prej pesë volt për grupin elektronik të fuqisë më të ulët. Më pas kam përdorur tre stafetë, një për të ndezur dhe fikur dritat e brendshme, një për të ndryshuar ngjyrën e dritave të jashtme dhe një tjetër për të ndezur dhe fikur motorin pa furça. Për matjen e distancës, kam përdorur dy sensorë tejzanor, një për pjesën e përparme dhe një për pjesën e pasme. Çdo sensor dërgon një impuls tejzanor dhe mund të lexojë se sa kohë i duhet atij pulsi për t'u kthyer. Nga kjo, ne mund të kuptojmë se sa larg është një objekt para anijes duke llogaritur vonesën në sinjalin e kthimit. Në krye të anijes kisha pesë fotorezistues për të përcaktuar sasinë e dritës së pranishme në qiell. Këta sensorë ndryshojnë rezistencën e tyre bazuar në sa dritë është e pranishme. Nga këto të dhëna, ne mund të përdorim një kod të thjeshtë për të mesatarizuar të gjitha vlerat, dhe kur sensorët lexojnë një vlerë mesatare të dritës së ulët, dritat e brendshme do të ndizen. Pasi kuptova se çfarë pajisje elektronike do të përdorja, fillova printimin 3D të pjesëve që kisha projektuar më parë. Shtypi trupin e barkës në tre pjesë në mënyrë që të mund të përshtatet në printerin tim kryesor. Ndërsa ato po shtypnin, unë kalova në shtypjen e montimeve diellore dhe kuvertën në një printer tjetër. Çdo pjesë mori rreth një ditë për t'u shtypur, kështu që në total kishte rreth 10 ditë printim 3D të drejtpërdrejtë për të marrë të gjitha pjesët që më duheshin. Pasi mbaruan së shtypuri, i mblodha së bashku në pjesë më të vogla. Pastaj instalova elektronikë të tillë si panele diellore dhe LED. Pasi u instaluan pajisjet elektronike, i lidha të gjitha dhe mbarova montimin e pjesëve të shtypura. Tjetra, kalova në hartimin e një stende për prototipin. Ky stendë u projektua gjithashtu në CAD dhe më vonë u pre nga druri MDF në makinën time CNC. Duke përdorur CNC, unë kam qenë në gjendje të pres prerjet e kërkuara në panelin e përparmë për bashkimin e pajisjeve elektronike të perdes. Pastaj e montova prototipin në bazë dhe montimi fizik ishte i plotë. Tani që prototipi u mblodh plotësisht, fillova të punoj në kodin për NodeMCU. Ky kod përdoret për t'i treguar NodeMCU se cilat pjesë janë të lidhura me cilat kunja hyrëse dhe dalëse. Gjithashtu i tregon bordit se me cilin server të kontaktoni dhe me cilin rrjet Wifi të lidheni. Me këtë kod, unë atëherë isha në gjendje të kontrolloja pjesë të caktuara të prototipit nga telefoni im duke përdorur një aplikacion. Kjo është e ngjashme në një mënyrë me atë se si dizajni përfundimtar do të ishte në gjendje të kontaktonte stacionin kryesor të ankorimit për të marrë koordinatat për ndalesën e tij të ardhshme, si dhe informacione të tjera, si ku janë anijet e tjera dhe moti i pritshëm për atë ditë."

Hapi 4: Asambleja (Së fundi !!)

Ok tani jemi në pjesën time të preferuar, asamblenë. Më pëlqen të ndërtoj gjëra, kështu që më në fund të jem në gjendje t'i bashkoj të gjitha pjesët dhe të shoh rezultatet përfundimtare më emocionoi shumë. Fillova duke bashkuar të gjitha pjesët e shtypura dhe i ngjita super së bashku. Pastaj instalova elektronikën si dritat dhe panelet diellore. Në këtë pikë kuptova se nuk do të kishte asnjë mënyrë që të mund të vendosja të gjitha pajisjet e mia elektronike brenda kësaj gjëje. Pikërisht atëherë më lindi ideja për CNC një mbajtëse për varkën për ta bërë atë të duket pak më mirë, si dhe për të më dhënë një vend për të fshehur të gjithë pajisjet elektronike. Unë projektova stendën në CAD dhe më pas e preva në Bobs CNC E3 në MDF 13 mm. Unë pastaj e vidhos së bashku dhe i dhashë një shtresë me bojë të zezë me llak. Tani që kisha një vend për të mbushur të gjitha pajisjet e mia elektronike, vazhdova me instalime elektrike. Unë instalova gjithçka dhe instalova Node MCU (pothuajse një Arduino Nano me WiFi të integruar) dhe u sigurova që gjithçka të ndizet. Pas kësaj e mbarova asamblenë dhe madje u detyrova të përdor prestar lazer të shkollave të mia për të prerë parmakët e sigurisë me disa gdhendje të lezetshme, faleminderit përsëri Mr. Z! Tani që kishim një prototip fizik të përfunduar, tani ishte koha për të shtuar një magji me kodim.

Hapi 5: Kodimi (AKA Pjesa e Vështirë)

Për kodimin kam përdorur Arduino IDE për të shkruar një kod mjaft të thjeshtë. Kam përdorur skicën bazë të Blynk si fillestar, kështu që më vonë do të jem në gjendje të kontrolloj disa nga pjesët nga aplikacioni Blynk. Shikova shumë video në YouTube dhe lexova shumë forume për të funksionuar kjo gjë. Në fund nuk isha në gjendje të kuptoja se si të kontrolloja motorin pa furça, por gjithçka tjetër funksionoi. Nga aplikacioni mund të ndryshoni drejtimin e zanatit, i cili do të ndryshonte ngjyrat e LEDS të kuqe/jeshile, do të ndizte/fikte dritat e brendshme dhe do të merrte një transmetim të të dhënave drejtpërdrejt nga një nga sensorët tejzanor në pjesën e përparme të ekranit Me Unë definitivisht hoqa dorë nga kjo pjesë dhe nuk e bëra gati aq shumë për kodin sa doja, por prapë përfundoi duke qenë një veçori e pastër.

Hapi 6: Produkti Përfundimtar

Ajo është bërë! Mbledh gjithçka dhe punova vetëm pak para datave të panairit të shkencës. (Zvarritës stereotipik) Isha shumë krenar për produktin përfundimtar dhe mezi prisja ta ndaja me gjyqtarët. Nuk kam shumë për të thënë këtu, kështu që do të lejoj që të më shpjegojë më mirë. Këtu është pjesa përfundimtare e punimit tim kërkimor.

Sapo të krijohen anijet dhe stacionet e ankorimit, zgjidhja është duke u zhvilluar. Çdo mëngjes anijet fillonin rrugëtimin e tyre nëpër rrugët ujore. Disa mund të kalojnë nëpër kanalet në qytete, ndërsa të tjerët udhëtojnë në tokat kënetore ose linjat e oqeanit. Ndërsa zanati po kalon rrugën e saj, skimeri i filtrimit do të jetë poshtë, duke lejuar filtrat të fillojnë punën e tyre. Skimmer do të drejtojë algat dhe mbeturinat lundruese në kanalin e filtrimit. Pasi të jetë brenda, uji kalon së pari përmes një filtri rrjetë për të hequr më të mëdhenjtë grimcat dhe mbeturinat nga uji. Materiali i hequr do të mbahet atje derisa dhoma të mbushet. Pasi uji të ketë kaluar nëpër filtrin e parë, ai pastaj kalon nëpër filtrin e membranës së përshkueshme. Ky filtër përdor vrima të vogla të përshkueshme për të lejuar vetëm ujë i përshkueshëm, duke lënë materiale të papërshkueshme prapa. Ky filtër përdoret për të nxjerrë materialin e plehrave të papërshkueshëm jashtë, si dhe ushqyesit e tepërt nga rritjet e algave. Uji i filtruar r pastaj rrjedh nga pjesa e pasme e varkës përsëri në rrugën ujore ku anija po filtrohet.

Kur një anije arrin në stacionin e saj të caktuar të ankorimit, ajo tërhiqet në shtrat. Pasi të jetë i lidhur plotësisht, dy krahë do të ngjiten në anën e varkës për ta mbajtur atë në mënyrë të qëndrueshme në vend. Tjetra, një tub do të ngrihet automatikisht nga nën barkë dhe do të ngjitet në çdo port të depozitimit të mbeturinave. Pasi të sigurohet, porti do të hapet dhe një pompë do të ndizet, duke thithur materialin e mbledhur nga barka dhe në stacionin e ankorimit. Ndërsa e gjithë kjo po ndodh, udhëtarët do të lejohen të hipin në anije dhe të gjejnë vendet e tyre. Pasi të gjithë të jenë në bord dhe kontejnerët e mbeturinave të jenë zbrazur, anija do të lirohet nga stacioni dhe do të fillojë në një rrugë tjetër. Pasi mbeturinat të jenë pompuar në stacionin e ankorimit, do të shoshiten përsëri për të hequr mbeturinat e mëdha si shkopinj ose plehra. Mbeturinat e larguara do të ruhen në kontejnerë për riciklim të mëvonshëm. Algat e mbetura të shoshitura do të çohen në stacionin qendror të ankorimit për t'u përpunuar. Kur secili stacion më i vogël doku mbush rezervuarin e algave, një punëtor do të vijë për të transportuar algat në stacionin kryesor, ku do të rafinohet në një bionaftë. Ky bionaftë është një burim i rinovueshëm i karburantit, si dhe një mënyrë fitimprurëse për të ricikluar lëndët ushqyese të grumbulluara.

Ndërsa anijet vazhdojnë të filtrojnë ujin, përmbajtja e lëndëve ushqyese do të zvogëlohet. Kjo ulje e sasisë së tepërt të lëndëve ushqyese do të çojë në lulëzim më të vogël çdo vit. Ndërsa nivelet e lëndëve ushqyese vazhdojnë të bien, cilësia e ujit do të monitorohet gjerësisht për të siguruar që lëndët ushqyese të mbeten në një nivel konstant dhe të shëndetshëm të nevojshëm për një mjedis të lulëzuar. Gjatë stinëve të dimrit kur rrjedhja e plehrave nuk është aq e fuqishme sa koha e pranverës dhe verës, anijet do të jenë në gjendje të kontrollojnë sasinë e ujit që po filtrohet për të siguruar që ka gjithmonë një sasi të shëndetshme të ushqyesve në dispozicion. Ndërsa anijet kalojnë nëpër rrugë, gjithnjë e më shumë të dhëna do të mblidhen për të përcaktuar në mënyrë më efikase burimet e rrjedhjes së plehrave dhe në cilat kohë të përgatitemi për nivele më të larta të lëndëve ushqyese. Duke përdorur këto të dhëna, mund të krijohet një orar efikas për t'u përgatitur për luhatjet e shkaktuara nga stinët e bujqësisë."