Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube për ISS: 5 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:16

Ne jemi shkolla e mesme West Hollow nga Long Island, NY. Ne jemi inxhinierë aspirantë që takohen një herë në javë në një klub të quajtur Hack the Hollow në të cilin ne hartojmë, kodojmë dhe ndërtojmë një numër projektesh krijuese. Ju mund të shikoni të gjitha projektet që ne punojmë në KTU. Fokusi ynë kryesor ka qenë studimi i së ardhmes së ushqimit dhe robotikës mjedisore. Ne kemi mbledhur dhe mirëmbajtur një fermë të automatizuar hidroponike vertikale në pjesën e pasme të laboratorit tonë shkencor me mësuesin tonë z. Regini. Ne gjithashtu kemi marrë pjesë në programin GBE për dy vitet e fundit. Ne e dimë që kjo sfidë kërkonte nxënësit e shkollave të mesme, por ne ishim shumë të ngazëllyer për të pritur edhe dy vjet për t'ju prezantuar me Wolverine, të quajtur pas nuskës së shkollës sonë. Kjo është disi ajo që ne bëjmë!

Në këtë projekt, ju do të gjeni shumë nga gjërat që ne duam të përdorim duke përfshirë Arduino, Raspberry Pi dhe të gjitha të mirat elektronike që shkojnë me ta. Ne gjithashtu u kënaqëm duke përdorur Fusion 360 si një hap më lart nga TinkerCad për të hartuar kubin. Ky projekt ishte një mundësi e përsosur për të prerë dhëmbët tanë në disa platforma të reja krijuese. Ne u ndamë në ekipe të projektimit që secili duhej të përqëndrohej në një aspekt të Grow Cube. Ne e ndamë atë në kornizë, kapak dhe pllakë bazë, ndriçim, rritje të mureve, ujë, tifozë dhe sensorë të mjedisit. Ne kemi bërë lidhje në listën tonë të furnizimeve me të gjitha materialet që po përdorim nëse keni nevojë për ndihmë për të vizualizuar pjesët që diskutohen në hapat që pasojnë. Shpresojmë që të kënaqeni!

Furnizimet

Korniza:

• Nxjerrje alumini 1 "80/20
• Arra tee
• Kllapa mbështetëse
• Varen
• Nyjet e rrëshqitësit të pajtueshëm me kanalin T
• Udhëzues tubash dhe teli të pajtueshëm me kanalin T
• Magnet për të mbajtur dyert e mbyllura
• 3 x çelsin e kallamit magnetik

Muret e Rritjes:

• Kanalet NFT të profilit të ulët Farm Tech
• Kopertinat e kanaleve NFT
• Fletë plastike të valëzuara
• Magnet për të mbajtur kanalet e lëvizshme në vend

Kapak:

• Fletë plastike e valëzuar
• LED i shtypur 3D rritet ndriçimi i dritës (Fusion 360)
• Ngecje plastike dhe pajisje për elektronikë

Ndriçimi:

• Shirita neopixel të adresueshëm nga Adafruit (60LED/m)
• Lidhëset neopixel
• Kapëse neopixel
• 330uF, kondensator shkëputës 35V
• Rezistencë 1K ohm
• Shirit i argjendtë me fletë alumini
• Konvertuesi i dollarit

Uji: (Karakteristika jonë e preferuar):

• 2 x Nema 17 Motorë stepper
• Mburoja e Adafruit Stepper për Arduino
• Pompë shiringe lineare e aktivizuesit të printuar 3D (Fusion 360)
• 2 shiringa 100 x 300-300 ml
• Tub me lidhje Luer lock dhe nyje tee/bërryl
• 2 vida dhe arra plumbi x x 300mm x 8mm T8
• 2 x bashkues fluturues
• 2 x blloqe mbajtëse jastëku
• Udhëzues 4 x 300mm x 8mm të boshtit të shufrës së lëvizjes lineare
• Kushineta lineare 4 x 8mm LM8UU
• 4 x DF Robot sensorë të rezistencës ndaj kapacitetit të lagështisë për të monitoruar tokën dhe kontrolluar pompat e shiringave

Qarkullimi i ajrit:

• 2 tifozë x 5 "12V
• Mbulesa të filtrit të ventilatorit 5"
• 2 x TIP120 Transistorë Darlington dhe ngrohje
• Furnizimi me energji 12V
• Përshtatës i lidhjes së folesë së montimit në panel
• 2 rezistente 1 x 1K Ohm
• 2 x dioda fluturimi
• 2 x 330uF, kondensatorë elektrolitikë të shkëputjes 35V
• Sensori i temperaturës dhe lagështisë DHT22 me rezistencë 4.7K ohm

Elektronikë:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• Kartë SD 8 GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 LCD 20x4 i2C LCD
• Telat e lidhjes të bllokuar 22AWG
• Kompleti i lidhësit Dupont
• Sensori i cilësisë së ajrit Adafruit SGP30 me eCO2

Mjetet:

• Makine per ngjitjen e metalit
• Komplet saldimi
• Duart ndihmuese
• Mjete shtrënguese dhe zhveshëse për telat
• Kaçavida
• Kafe (për z. Regini)

Hapi 1: Hapi 1: Ndërtimi i Kornizës

Korniza do të ndërtohet duke përdorur nxjerrje alumini me peshë të lehtë 1 80/20 t kanal. Ajo do të mbahet së bashku me nyjet e bërrylit të aluminit dhe arrat t. Përveç mbajtjes së peshës, kanalet do të veprojnë si shtigje udhëzuese për ujin tonë linjat dhe instalimet elektrike.

Kubi do të mbështetet në një sërë shinash të pajisura me nyje rrëshqitëse që do të lejojnë që kubi të nxirret nga një mur për të ekspozuar jo vetëm faqen e tij të përparme, por edhe të dy anët e tij gjithashtu. Frymëzimi për këtë erdhi nga një nga studentët tanë duke menduar për raftin e erëzave në dollapët e tij të kuzhinës në shtëpi.

Duke përdorur varen e thjeshtë, pjesa e përparme dhe anët do të kenë dyer që mund të hapen kur kubi të nxirret në binarët e tij. Ato mbahen në vend me magnet kur mbyllen. Të 6 panelet e këtij kubi janë të lëvizshëm pasi të gjitha fytyrat mbahen në vend edhe nga magnet. Qëllimi i kësaj zgjedhje të dizajnit ishte të siguronte qasje të lehtë në të gjitha sipërfaqet për mbjellje, mirëmbajtje të bimëve, mbledhje të të dhënave, korrje dhe pastrim/riparime.

Ju mund ta shihni modelin tonë për panelet në hapin tjetër.

Hapi 2: Hapi 2: Ndërtimi i Mureve të Rritjes

Elementi i parë për të cilin menduam ishin materialet që duheshin përdorur për vetë muret. Ne e dinim që ata duhej të ishin me peshë të lehtë, por mjaft të fortë për të mbështetur bimët. Plastika e bardhë e valëzuar u zgjodh mbi akrilik të pastër edhe pse na pëlqyen fotografitë e V. E. G. G. I. E ku mund të shihnim bimët brenda. Arsyeja për këtë vendim ishte sepse pjesa më e madhe e pamjes do të pengohej nga kanalet e fabrikës dhe ne donim të reflektonim sa më shumë dritën nga LED -et tanë. Kjo logjikë erdhi nga inspektimi i njësisë që u dërguam si pjesë e pjesëmarrjes sonë në GBE. Siç u tha në hapin e mëparshëm, këto pllaka mbahen në kornizën e aluminit me magnet, kështu që ato mund të hiqen lehtë.

Bashkangjitur në këto pllaka janë tre kanale të shinave të profilit të ulët të rritjes NFT që ne përdorim në laboratorin tonë të hidroponikës. Na pëlqen kjo zgjedhje sepse ato janë të ndërtuara nga PVC të hollë me mbulesa që rrëshqasin lehtë për të mbjellë jastëkët në rritje. Të gjitha mediat në rritje do të përmbahen brenda jastëkëve të dizajnuar posaçërisht që pamë se tashmë po përdoren në ISS kur lexojmë KIST AR ARTIKULL. E gjithë veshja midis shinave do të jetë e veshur me shirit izolues të argjendtë HVAC për të promovuar reflektimin e dritave të rritjes.

Hapjet tona janë 1 3/4 dhe të ndara me 6 inç në qendër. Kjo lejon që 9 vende mbjellëse në secilën prej katër paneleve të kubit të japin një total prej 36 bimësh. Ne u përpoqëm ta mbanim këtë distancë në përputhje me atë që kishim të kuqe rreth sallatave të jashtëzakonshme. Kanalet janë të bluar me fole për të pranuar sensorët tanë të lagështisë që do të monitorojnë lagështinë e tokës dhe do të kërkojnë ujë nga pompat e shiringës. Hidratimi do të shpërndahet në secilën jastëk të bimëve individuale përmes një tubi mjekësor të ujitjes të bashkuar me këto pompa. Kjo metodë e ujitjes e bazuar në shiringa është diçka që ne hulumtuam si një praktikë më e mirë si për ujitje të saktë ashtu edhe për kapërcimin e sfidave të një mjedisi zero/mikro-graviteti. Tubat do të hyjnë në bazën e jastëkut të bimës për të nxitur rritjen e rrënjës drejt pjesës së jashtme të ne do të mbështetemi në kapilaritetin për të ndihmuar shpërndarjen e ujit në të gjithë mjedisin në rritje.

Më në fund, ne donim të gjenim një mënyrë për të përdorur pllakën bazë. Ne krijuam një buzë të vogël në pjesën e poshtme të fytyrës, e cila do të pranonte një shtrat të rritur për të rritur mikro zarzavate. Mikro -zarzavatet dihet se kanë gati 40 herë më shumë lëndë ushqyese vitale sesa homologët e tyre të pjekur. Këto mund të jenë shumë të dobishme për dietën e astronautëve. Ky është një artikull që studentët tanë gjetën në lidhje me vlerën ushqyese të mikro zarzavateve.

Hapi 3: Hapi 3: Lotimi i Bimëve

Ne iu referuam pompave tona të shiringës lineare të aktivizimit në hapin e mëparshëm. Kjo është pjesa jonë më e preferuar e këtij ndërtimi. Motorët stepper NEMA 17 do të drejtojnë aktivizues linearë që do të shtypin zhytjen e dy shiringave 100cc-300cc në kapakun e kubit të rritjes. Ne projektuam kapakët e motorëve, drejtuesin e kumarxhinjve dhe pajisjen udhëzuese të hekurudhës duke përdorur Fusion 360 pasi shikuam disa projekte të shkëlqyera me burim të hapur në Hackaday. Ne ndoqëm këtë tutorial në faqen e mahnitshme të Adafruit për të mësuar se si të drejtoni motorët.

Ne donim të gjenim një mënyrë për të çliruar astronautët nga detyra e ujitjes. Hapat aktivizohen kur bimët brenda sistemit kërkojnë ujin e tyre. 4 sensorë kapacitiv të lagështisë futen në jastëkët e bimëve në vende të ndryshme përgjatë kubit të rritjes. Çdo vend mbjellës në sistem ka një çarë për të pranuar këta sensorë të përzier në kanalet e tyre të rritjes. Kjo lejon që vendosja e këtyre sensorëve të zgjidhet dhe të ndryshohet periodikisht nga astronautët. Përveç maksimizimit të efikasitetit me të cilin uji shpërndahet brenda sistemit, ai do të lejojë vizualizimin se si çdo bimë po konsumon ujin e saj. Pragu i lagështisë mund të vendoset nga astronautët në mënyrë që lotimi të mund të automatizohet sipas nevojave të tyre. Shiringat janë bashkangjitur në kolektorin kryesor të ujitjes me lidhje të kyçjes Luer për rimbushje të lehtë. Vetë panelet e rritjes përdorin një protokoll të ngjashëm të lidhjes me kolektorin e ujitjes, kështu që ato lehtë mund të hiqen nga kubi.

Të dhënat e mbledhura nga sensorët mund të lexohen në nivel lokal në një ekran LCD 20x4 të bashkangjitur në kapak ose nga distanca ku mblidhen, shfaqen dhe grafikohen nga integrimi i sistemit me platformat Cayenne ose Adafruit IO IoT. Arduino dërgon të dhënat e tij në Raspberry Pi në bord duke përdorur një kabllo USB, e cila pastaj hyn në internet duke përdorur kartën WiFi të Pi. Mund të vendosen sinjalizime në këto platforma për të njoftuar astronautët kur ndonjë nga ndryshoret e sistemit tonë kanë dalë nga vlerat e tyre të paracaktuara të pragut.

Hapi 4: Hapi 4: Kapaku i zgjuar me ndriçim dhe kontroll të ventilatorit

Kapaku i kubit tonë të rritjes vepron si truri i të gjithë operacionit, si dhe siguron strehim për elementët kritikë në rritje. Shtrihet poshtë nga pjesa e poshtme e kapakut është një strehë LED e printuar 3D që siguron dritë për secilën nga pllakat e murit të rritjes, si dhe ndriçimin e sipërm të dyshekut të mikro zarzavateve në pjesën e poshtme. Kjo u krijua përsëri në Fusion 360 dhe u shtyp në MakerBot tonë. Çdo gji drite mban 3 shirita LED të cilët mbrohen nga një mbështetës konkave. Kjo mbështetje është e argjendtë me shirit izolues HVAC për të maksimizuar reflektimin e tij. Instalimet elektrike kalojnë një kolonë qendrore të zbrazët për të hyrë në energji dhe të dhëna në pjesën e sipërme të kapakut. Madhësia e këtij strehimi u zgjodh që të kishte një gjurmë që do të lejonte që bimët që rriteshin rreth tij të arrinin një lartësi maksimale prej 8 inç. Ky numër u zbulua se ishte një lartësi mesatare e maruleve të pjekura Outredgeous që i rritim në kopshtet tona vertikale hidroponike në laboratorin tonë. Mund të arrijnë një lartësi deri në 12 inç, por ne menduam se astronautët do të kullosnin mbi to ndërsa rriten duke e bërë këtë një kub të rritur të prerë dhe të ardhshëm.

Neopixelët që ne përdorim janë të adresueshëm individualisht, që do të thotë se ne mund të kontrollojmë spektrin e ngjyrave që ato lëshojnë. Kjo mund të përdoret për të modifikuar spektrin e dritës që marrin bimët gjatë fazave të ndryshme të rritjes së tyre ose nga speciet në specie. Mburojat kishin për qëllim të lejonin kushte të ndryshme ndriçimi në secilin prej mureve nëse ishte e nevojshme. Ne e kuptojmë se ky nuk është një konfigurim i përsosur dhe se dritat që ne po përdorim nuk janë drita të rritura teknikisht, por ne menduam se ishte një dëshmi e mirë e konceptit.

Pjesa e sipërme e kapakut strehon dy tifozë ftohës 5 inç 12V që zakonisht përdoren për të kontrolluar temperaturën e kullave të kompjuterit. Ne e projektuam atë në mënyrë që njëri të shtyjë ajrin në sistem ndërsa tjetri të veprojë si nxjerrje ajri. Ata të dy janë të mbuluar me një ekran të mirë rrjetë për të siguruar që asnjë mbeturinë të mos nxirret jashtë dhe të futet në mjedisin e frymëmarrjes së astronautit. Tifozët mbyllen kur ndonjë nga çelsat e kallamit magnetik të bashkangjitur në dyer është i hapur për të parandaluar ndotjen e paqëllimshme të ajrit. Shpejtësia e tifozëve kontrollohet përmes PWM duke përdorur Motor HAT në Raspberry pi. Tifozët mund të rriten me kusht ose të ngadalësohen bazuar në vlerat e temperaturës ose lagështisë që furnizohen me Pi nga sensori i ngulitur DHT22 brenda kubit. Këto lexime mund të shihen përsëri në nivel lokal në një LCD ose nga distanca në të njëjtin pult të IoT si sensorët e lagështisë.

Duke menduar për fotosintezën, ne gjithashtu donim të merrnim parasysh nivelet e CO2 dhe cilësinë e përgjithshme të ajrit në kubin e rritjes. Për këtë qëllim, ne kemi përfshirë një sensor SGP30 për të monitoruar eCO2, si dhe VOC të përgjithshëm. Edhe këto dërgohen në LCD dhe pultin e IoT për vizualizim.

Ju gjithashtu do të shihni që palët tona të pompave të shiringave janë montuar përgjatë anës së kapakut. Tubi i tyre drejtohet poshtë kanaleve vertikale të kornizës mbështetëse të nxjerrjes së aluminit.

Hapi 5: Mbyllja e mendimeve dhe përsëritjet e ardhshme

Ne projektuam Wolverine duke përdorur njohuritë që kemi marrë nga koha jonë duke rritur ushqimin së bashku. Ne kemi automatizuar kopshtet tona për disa vjet dhe kjo ishte një mundësi kaq emocionuese për ta zbatuar këtë në një detyrë unike inxhinierike. Ne e kuptojmë që dizajni ynë ka fillime modeste, por mezi presim të rritemi së bashku me të.

Një aspekt i ndërtimit që nuk mund ta përfundonim para afatit ishte kapja e imazhit. Një nga studentët tanë ka eksperimentuar me kamerën Raspberry Pi dhe OpenCV për të parë nëse mund të automatizojmë zbulimin e shëndetit të bimëve me anë të mësimit të makinerisë. Ne të paktën donim të ishim në gjendje të kishim një mënyrë për të parë bimët pa pasur nevojë të hapnim dyert. Mendimi ishte që të përfshihej një mekanizëm pjerrësie që mund të rrotullohej në pjesën e poshtme të panelit të sipërm për të kapur imazhe të secilit mur të rritjes dhe më pas t'i printonte ato në pultin Adofruit IO për vizualizim. Kjo gjithashtu mund të bëjë që disa kalime kohore vërtet të ftohta të kulturave në rritje gjithashtu. Supozojmë se kjo është vetëm një pjesë e procesit të projektimit inxhinierik. Gjithmonë do të ketë punë për të bërë dhe përmirësime për të bërë. Faleminderit shumë për mundësinë për të marrë pjesë!