Ардуино автономен филтриращ съд: 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

В тази инструкция ще ви покажа как проектирах и направих предложеното от мен решение за настоящия проблем с червените водорасли във водите на брега на Персийския залив. За този проект исках да проектирам напълно автономен кораб със слънчева енергия, който да може да плава по водните пътища, и използвайки вградена система за естествена филтрация, да филтрира излишните хранителни вещества и токсини от водораслите динофлагелати и карена бревис. Този дизайн е създаден, за да покаже как технологията може да се използва за решаване на някои от настоящите ни екологични проблеми. За съжаление той не спечели никакви награди или място в моя местен панаир на науката в малкия град, но все пак се насладих на опита от обучението и се надявам някой друг да научи нещо от моя проект.

Стъпка 1: Изследване

Разбира се, всеки път, когато решавате проблем, трябва да направите малко проучване. Чух за този проблем чрез статия в новините онлайн и това ме заинтересува да разработя решение на този екологичен проблем. Започнах с проучване какъв точно е проблемът и какво го причинява. Ето част от моята изследователска статия, показваща какво открих по време на моето изследване.

Червеният прилив е нарастващ годишен проблем за водите на Флорида. Червеният прилив е често срещан термин, използван за голяма, концентрирана група водорасли, която спорадично расте поради увеличаването на наличните хранителни вещества. В момента Флорида е изправена пред бързо нарастване с размера на Червения прилив, което предизвиква нарастваща загриженост за безопасността на водната дива природа в района, както и за всички индивиди, които биха могли да влязат в контакт с него. Червеният прилив най -често се състои от вид водорасли, известни като динофлагелат. Динофлагелатите са едноклетъчни протести, които произвеждат токсини като бреветоксини и ихтиотоксин, които са силно токсични за морския и сухоземния живот, които влизат в контакт с тях. Динофлагелатите се възпроизвеждат асексуално чрез митоза, разделянето на клетка, произвеждаща точно копие. Динофлагелатите се хранят с други протисти във водата, като Chysophyta, най -често срещаната форма на нетоксични водорасли. въвеждат се няколко хранителни вещества.

Основната причина за бързото им увеличаване на храната се дължи на въвеждането на големи количества хранителни вещества, които се измиват от фермите по време на дъждовни бури и се пренасят в океанските брегове от близките реки и потоци. Поради високата зависимост от изкуствени торове за селското стопанство, количеството на наличните хранителни вещества в околните земеделски земи е по-високо от всякога. Когато има дъждовна буря в повечето части на източната страна, този дъжд измива много от тези торове от горната почва и в околните потоци и потоци. Тези потоци в крайна сметка се събират в реки, комбинирайки всичките си събрани хранителни вещества в една голяма група, която се изхвърля в Мексиканския залив. Тази голяма колекция от хранителни вещества не е естествено явление за съществуващия морски живот, поради което води до неконтролируем растеж на водорасли. Като основен източник на храна на динофлагелатите, бързото увеличаване на водораслите осигурява голям източник на храна за бързо растяща форма на живот.

Тези големи групи динофлагелати произвеждат токсични химикали, за които е известно, че убиват повечето водни организми, които влизат в контакт с тях. Според WUSF, местна новинарска станция във Флорида, през разцвета на 2018 г. е имало 177 потвърдени смъртни случая на ламантин от Червения прилив, както и още 122 смъртни случая, за които се предполага, че са свързани. От 6 500 очаквани манати във водите на Флорида и Пуерто Рико, това има огромно влияние върху оцеляването на този вид и това е само въздействието върху един вид. Известно е също, че Red Tide причинява дихателни проблеми на тези, които са били в непосредствена близост до някой от цъфтежите. Тъй като Red Tide расте в каналите в някои плажни градове, това е очевидна опасност за безопасността за всеки, който живее в тези общности. Известно е също, че токсинът Dinophysis, произведен от Червените приливи и отливи, често заразява местните популации от миди, което води до отравяне с миди, или DSP, при тези, които са яли заразени миди. За щастие не е известно, че е фатално, но може да доведе до храносмилателни проблеми на жертвата. Въпреки това, друг токсин, произведен от някои Червени приливи, Gonyaulax или Alexandrium, също може да зарази миди във води, замърсени с приливите и отливите. Яденето на миди, замърсени с тези токсини, причинява паралитично отравяне с миди или PSP, което в най -лошите случаи е довело до дихателна недостатъчност и смърт в рамките на 12 часа след поглъщането."

Стъпка 2: Моето предлагано решение

Цитат от моята научна статия

Предложеното от мен решение е да се изгради напълно автономен морски кораб със слънчева енергия, който да разполага с бордова система за естествена филтрация на микрочастици. Цялата система ще се захранва от вградени слънчеви панели и ще се задвижва от два безчетков, въздуховодни двигателя в система за векторизиране на тягата. филтрационната система ще се използва за филтриране на излишните хранителни вещества и динофлагелати, докато се движи автономно по водните пътища. Корабът ще се използва и като совалка за местната общност. Започнах като първо проучих проблема и как е започнал този проблем. Научих, че приливите на Червения прилив бяха причинени от голямото количество хранителни вещества, като азот, в местните води.

Идеята ми беше кораб, подобен по размер и форма на понтонна лодка. Този съд ще има скиммер между двата понтона, който ще води настъпващата вода през мрежест филтър за отстраняване на големи частици, а след това през пропусклив мембранен филтър, който ще премахне присъстващите азотни микрочастици. След това филтрираната вода ще изтече през задната част на лодката през отсрещния скимер. Исках също този кораб да бъде изцяло електрически, така че да бъде тих, както и по -безопасен, с по -малък шанс да изтече всякакви токсични течности в околните води. На съда ще има няколко слънчеви панела, както и контролер за зареждане с литиево -йонна опаковка за съхраняване на излишната мощност за по -късна употреба. Последната ми цел беше да проектирам кораба по начин, който да може да се използва за обществен транспорт за местната общност. Имайки предвид всички тези дизайнерски решения, започнах да скицирам няколко идеи на хартия, за да се опитам да преодолея всички потенциални проблеми."

Стъпка 3: Проектиране

След като извадих изследванията си, имах много по -добра представа за проблема и какво го причинява. След това преминах към мозъчна атака и проектиране. Прекарах няколко дни, обмисляйки много различни начини за решаване на този проблем. След като имах някои прилични идеи, преминах да ги скицирам на хартия, за да се опитам да отстраня някои недостатъци в дизайна, преди да се преместя в CAD. След още няколко дни скициране създадох списък с части, които исках да използвам за дизайна. Използвах всичките си печалби от наградите от панаира на науките от предходните години плюс малко повече за закупуване на частите и нажежаемата жичка, необходими за създаването на прототипа. В крайна сметка използвах Node MCU за микроконтролера, два 18V слънчеви панела за предложени източници на захранване, два ултразвукови сензора за автономни функции, 5 фоторезистора за определяне на околното осветление, някои 12V бели LED ленти за вътрешно осветление, 2 RGB LED ленти за насочено осветление, 3 релета за управление на светодиоди и безчетков двигател, 12V безчетков двигател и ESC, 12V захранване за захранване на прототипа и няколко други малки части.

След като пристигнаха повечето части, трябваше да работя върху 3d модела. Използвах Fusion 360, за да проектирам всички части за тази лодка. Започнах с проектирането на корпуса на лодката и след това преминах нагоре, проектирайки всяка част, докато вървях заедно. След като проектирах повечето от частите, ги сглобих, за да се уверя, че ще се поберат, след като бъдат произведени. След няколко дни проектиране и настройка най -накрая беше време да започнете да печатате. Отпечатах корпуса на 3 различни парчета на моите Prusa Mk3s и отпечатах слънчевите стойки и капаците на корпуса на моите CR10. След още няколко дни всички части завършиха отпечатването и най -накрая можех да започна да го сглобявам. По -долу е друг раздел от моята научна статия, където говоря за проектирането на лодката.

След като имах добра представа за окончателния дизайн, преминах към компютърно подпомагано изготвяне или CAD, което е процес, който може да се извърши с помощта на много налични софтуерни програми днес. Използвах софтуера Fusion 360, за да проектирам частите, от които ще се нуждая производство за моя прототип. Първо проектирах всички части за този проект, а след това ги сглобих във виртуална среда, за да се опитам да разреша всички проблеми, преди да започна да разпечатвам частите. След като имах финализиран 3D монтаж, преместих при проектирането на електрическите системи, необходими за този прототип. Исках моят прототип да се управлява чрез специално проектирано приложение на моя смартфон. За първата си част избрах микроконтролера Node MCU. Node MCU е микроконтролер, изграден около популярния ESP8266 Wifi чип. Тази платка ми дава възможност да свързвам към него външни входни и изходни устройства, които могат да се управляват дистанционно чрез неговия Wifi интерфейс. След като намерих основния контролер за моя дизайн, преминах към избора на други rts ще са необходими за електрическата система. За да захранвам съда, избрах два осемнадесет волтови слънчеви панела, които по -късно ще бъдат свързани паралелно, за да осигурят изход от осемнадесет волта, заедно с двоен ток на отделна слънчева клетка, поради паралелното им свързване. Изходът от слънчевите панели преминава в контролер за зареждане. Това устройство приема променливото изходно напрежение от слънчевите панели и го изглажда до по-постоянен изход от дванадесет волта. Това отива в системата за управление на батерията или BMS, за да зареди 6, 18650 липо клетки, свързани с два комплекта от три клетки, свързани паралелно, след това серия. Тази конфигурация комбинира капацитет от 4,2 волта на 18650 в пакет с капацитет 12,6 волта с три клетки. Чрез свързване на още три клетки, настроени паралелно с предишния пакет, общият капацитет се удвоява, което ни дава 12,6 -волтова батерия с капацитет 6 500 mAh.

Тази батерия може да издава дванадесет волта за осветлението и безчетковите двигатели. Използвах инвертор за понижаване, за да създам изход от пет волта за електрониката с по -ниска мощност. След това използвах три релета, едно за включване и изключване на вътрешните светлини, едно за промяна на цвета на външните светлини, а друго за включване и изключване на безчетков двигател. За измерване на разстоянието използвах два ултразвукови сензора, един отпред и един отзад. Всеки сензор изпраща ултразвуков импулс и може да прочете колко време отнема този импулс да се върне. От това можем да разберем колко далеч е обект пред съда, като изчислим закъснението в обратния сигнал. На върха на съда имах пет фоторезистора за определяне на количеството светлина в небето. Тези сензори променят съпротивлението си в зависимост от това колко светлина присъства. От тези данни можем да използваме прост код за осредняване на всички стойности и когато сензорите отчетат средна стойност на слаба светлина, вътрешните светлини ще се включат. След като разбрах каква електроника ще използвам, започнах 3D отпечатване на частите, които бях проектирал преди това. Отпечатах корпуса на лодката на три парчета, така че да може да се побере на основния ми принтер. Докато те печатаха, преминах към отпечатване на слънчевите стойки и палубата на друг принтер. Отпечатването на всяка част отне около един ден, така че общо имаше около 10 дни прав 3D печат, за да получа всички необходими части. След като всички приключиха с отпечатването, аз ги сглобих на по -малки части. След това инсталирах електроника като слънчеви панели и светодиоди. След като електрониката беше инсталирана, аз ги свързах и завърших сглобяването на отпечатаните части. След това преминах към проектирането на стойка за прототипа. Тази стойка също беше проектирана в CAD и по -късно изрязана от MDF дърво на моята машина с ЦПУ. Използвайки CNC, успях да изрежа необходимите слотове на предния панел за закрепване на електроника на завеси. След това монтирах прототипа върху основата и физическото сглобяване беше завършено. Сега, когато прототипът беше напълно сглобен, започнах да работя върху кода за NodeMCU. Този код се използва, за да каже на NodeMCU кои части са свързани към кои входни и изходни щифтове. Той също така казва на дъската с кой сървър да се свърже и с каква Wifi мрежа да се свърже. С този код след това успях да контролирам определени части от прототипа от телефона си с помощта на приложение. Това е подобно по начин, по който окончателният дизайн би могъл да се свърже с главната докинг станция, за да получи координатите за следващата си спирка, както и друга информация, като например къде се намират другите кораби и очакваното време за този ден."

Стъпка 4: Монтаж (накрая !!)

Добре, така че сега сме на любимата ми част, на монтажа. Обичам да изграждам неща, така че най -накрая да мога да събера всички части заедно и да видя крайните резултати ме развълнува доста. Започнах, като събрах всички отпечатани части и ги залепих супер. След това инсталирах електрониката като светлини и слънчеви панели. В този момент осъзнах, че няма да има начин да вместя цялата си електроника в това нещо. Тогава ми хрумна идеята да направя CNC стойка за лодката, за да изглежда малко по -добре, както и да ми даде място да скрия цялата електроника. Проектирах стойката в CAD, след което я изрязах на моите Bobs CNC E3 в 13 мм MDF. След това го завинтих и му дадох слой черна боя за пръскане. Сега, когато имах място да напълня цялата си електроника, продължих с окабеляването. Свързах всичко и инсталирах Node MCU (почти Arduino Nano с вграден WiFi) и се уверих, че всичко е включено. След това завърших монтажа и дори трябваше да използвам училищния си лазерен нож, за да изрежа предпазните парапети с някои готини гравюри, благодаря отново Mr. Z! Сега, когато имахме завършен физически прототип, беше време да добавим малко магия с кодирането.

Стъпка 5: Кодирането (известен още като твърдата част)

За кодирането използвах Arduino IDE, за да напиша доста прост код. Използвах основната скица на Blynk като начало, така че по -късно ще мога да контролирам някои от частите от приложението Blynk. Гледах много видеоклипове в YouTube и прочетох много форуми, за да накарам това нещо да работи. В крайна сметка не успях да разбера как да управлявам безчетковия мотор, но накарах всичко останало да работи. От приложението можете да превключвате посоката на плавателния съд, който да превключва цветовете на червените/зелените светодиоди, да включва/изключва вътрешните светлини и да получава данни на живо от един от ултразвуковите сензори в предната част на дисплея. Определено се отпуснах по тази част и не направих почти толкова много по кода, колкото исках, но все пак се оказа чиста функция.

Стъпка 6: Краен продукт

Това е направено! Сглобих всичко и работя едва преди датите на научния панаир. (Стереотипен прокрастинатор) Бях доста горд от крайния продукт и нямах търпение да го споделя със съдиите. Нямам какво друго да кажа тук, затова ще оставя покрай себе си да го обясня по -добре. Ето раздела за заключение на моята изследователска статия.

След като корабите и докинг станциите бъдат създадени, решението е в ход. Всяка сутрин корабите ще започнат своите маршрути през водните пътища. Някои може да преминат през каналите в градовете, докато други пътуват по блатистите земи или океанските линии. Докато корабът преминава по своя маршрут, филтриращият скимер ще бъде спуснат, което ще позволи на филтрите да започнат своята работа. Скиммерът ще насочи плаващите водорасли и отломките във филтриращия канал. След като влезе вътре, водата първо се пропуска през мрежест филтър, за да се отстранят по -големите частици и отломки от водата. Отстраненият материал ще се задържи там, докато камерата се напълни. След като водата е преминала през първия филтър, тя преминава през пропускливия мембранен филтър. Този филтър използва малки, пропускливи отвори, за да позволи само пропускаща вода, оставяйки непроницаеми материали. Този филтър се използва за извличане на непропускливия торов материал, както и излишните хранителни вещества от растенията на водораслите. Филтрираната вода r след това изтича от задната част на лодката обратно във водния път, където плавателният съд се филтрира.

Когато кораб достигне определената си докинг станция, той се вмъква в пристанището. След пълно поставяне, две рамена ще се прикрепят отстрани на лодката, за да я държат стабилно на място. След това тръба автоматично ще се издигне изпод лодката и ще се прикрепи към всяко пристанище за изхвърляне на отпадъци. След като се закрепи, пристанището ще се отвори и ще се включи помпа, която изсмуква събрания материал от лодката в докинг станцията. Докато всичко това се случва, пътниците ще могат да се качат на кораба и да намерят местата си. След като всички са на борда и контейнерите за отпадъци са изпразнени, плавателният съд ще бъде освободен от гарата и ще потегли по друг маршрут. След като отпадъците бъдат изпомпвани в докинг станцията, те ще бъдат пресяти отново, за да се отстранят големи отломки като пръчки или боклук. Отстранените отломки ще се съхраняват в контейнери за по -късно рециклиране. Останалите пресяти водорасли ще бъдат отнесени до централната докинг станция за преработка. Когато всяка по -малка докинг станция запълни своето хранилище за водорасли, работник ще дойде да транспортира водораслите до главната станция, където те ще бъдат преработени в биодизел. Този биодизел е възобновяем източник на гориво, както и печеливш начин за рециклиране на събраните хранителни вещества.

Тъй като лодките продължават да филтрират водата, съдържанието на хранителни вещества ще бъде намалено. Това намаляване на прекомерното количество хранителни вещества ще доведе до по -малки цъфтежи всяка година. Тъй като нивата на хранителните вещества продължават да се понижават, качеството на водата ще се следи широко, за да се гарантира, че хранителните вещества остават на постоянно и здравословно ниво, необходимо за процъфтяваща среда. През зимните сезони, когато оттока на торове не е толкова силен, колкото през пролетта и лятото, лодките ще могат да контролират количеството вода, което се филтрира, за да се гарантира, че винаги има здравословно количество налични хранителни вещества. Докато лодките се движат по маршрутите, ще се събират все повече и повече данни за по -ефективно определяне на източниците на оттока на торове и кога да се подготвят за по -високи нива на хранителни вещества. Използвайки тези данни, може да се създаде ефективен график за подготовка за колебанията, предизвикани от селскостопанските сезони."