Проникнете кубчето за растеж на кухия росомаха за МКС: 5 стъпки

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

Ние сме средно училище West Hollow от Лонг Айлънд, Ню Йорк. Ние сме амбициозни инженери, които се срещат веднъж седмично в клуб, наречен Hack the Hollow, в който проектираме, кодираме и изграждаме редица проекти за създатели. Можете да проверите всички проекти, по които работим ТУК. Основният ни фокус беше да изследваме бъдещето на роботиката в областта на храните и околната среда. Събрахме и поддържаме автоматизирана ферма за вертикална хидропоника в задната част на нашата научна лаборатория с нашия учител г -н Реджини. Участвахме и в програмата GBE за последните две години. Знаем, че това предизвикателство изисква ученици от гимназията, но бяхме твърде развълнувани да чакаме още две години, за да ви запознаем с Върколака, кръстен на талисмана на нашето училище. Това е нещо, което правим!

В този проект ще намерите много от нещата, които обичаме да използваме, включително Arduino, Raspberry Pi и всички електронни екстри, които вървят с тях. С удоволствие използвахме Fusion 360 като стъпка напред от TinkerCad за проектиране на куба. Този проект беше перфектна възможност да отрежем зъбите си на някои нови платформи за производители. Бяхме разделени на дизайнерски екипи, всеки от които трябваше да се съсредоточи върху един аспект на Grow Cube. Разделихме го на рамката, капака и основната плоча, осветлението, растящите стени, водата, вентилаторите и сензорите за околната среда. Направихме връзки в нашия списък с консумативи към всички материали, които използваме, ако имате нужда от помощ при визуализирането на частите, които са обсъдени в следващите стъпки. Надяваме се да ви хареса!

Консумативи

Кадър:

• 1 "алуминиеви екструзии 80/20
• Тройни ядки
• Поддържащи скоби
• Панти
• Съвместими с Т-канал планерни съединения
• Съвместими с Т-канал тръбни и проводникови водачи
• Магнити за затваряне на вратите
• 3 x магнитни тръстикови превключватели

Растящи стени:

• Нископрофилни NFT канали на Farm Tech
• Капаци на NFT канали
• Гофрирани пластмасови листове
• Магнити за задържане на подвижни канали на място

Капак:

• Гофриран пластмасов лист
• 3D отпечатано LED осветително тяло за растеж (Fusion 360)
• Пластмасови стойки и хардуер за електроника

Осветление:

• Адресируеми неопикселови ленти от Adafruit (60LED/m)
• Neopixel конектори
• Неопикселови клипове
• 330uF, 35V кондензатор за отделяне
• 1K ом резистор
• Посребрена лента от алуминиево фолио HVAC
• Бак конвертор

Вода: (Нашата любима функция):

• 2 x Nema 17 Стъпкови двигатели
• Стъпков щит Adafruit за Arduino
• 3D помпа с линейна задвижваща спринцовка (Fusion 360)
• 2 спринцовки по 100-300 мл
• Тръби с Luer заключващи връзки и тройници/лакти
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 винтове и гайки
• 2 x летящ съединител
• 2 x блока за носене на възглавници
• 4 x 300 mm x 8 mm водачи на вала с линейно движение
• 4 x 8 мм LM8UU линейни лагери
• 4 x DF Робот с капацитивно съпротивление на сензори за влага за наблюдение на почвата и управление на помпи за спринцовки

Циркулация на въздуха:

• 2 x 5 "12V вентилатора
• 5 "капаци на филтри за вентилатори
• 2 x TIP120 Darlington транзистори и радиатори
• 12V захранване
• Адаптер за свързване на жак за монтиране на панел
• 2 x 1K ома резистори
• 2 x обратни диода
• 2 x 330uF, 35V електролитни кондензатори за отделяне
• Сензор за температура и влажност на DHT22 с резистор 4.7K ом

Електроника:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• 8GB SD карта
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto макет
• 2 x 20x4 i2C LCD дисплея
• 22AWG многожилни свързващи проводници
• Комплект съединители Dupont
• Сензор за качество на въздуха Adafruit SGP30 с eCO2

Инструменти:

• Поялник
• Комплект за запояване
• Помощни ръце
• Инструменти за пресоване и отстраняване на проводници
• Отвертки
• Кафе (за г -н Реджини)

Стъпка 1: Стъпка 1: Конструиране на рамката

Рамката ще бъде конструирана с леки 1 80/20 t канални алуминиеви екструзии. Тя ще се държи заедно с алуминиеви лакътни връзки и t гайки. В допълнение към намаляването на теглото, каналите ще действат като водещи пътеки за нашата вода линии и окабеляване.

Кубът ще лежи върху набор от релси, оборудвани с плъзгащи се съединения, които ще позволят кубът да бъде изваден от стената, за да изложи не само предната си страна, но и двете му страни. Вдъхновението за това идва от един от нашите ученици, който мисли за решетката за подправки в кухненските си шкафове у дома.

Използвайки прости панти, предната и страничната част ще имат врати, които могат да се отворят, когато кубът се издърпа върху релсите. Те се задържат на място чрез магнити, когато са затворени. Всичките 6 панела от този куб могат да се свалят, тъй като всички лица са закрепени на място и с магнити. Целта на този избор на дизайн беше да осигури лесен достъп до всички повърхности за засяване, поддръжка на растенията, събиране на данни, прибиране на реколтата и почистване/ремонт.

Можете да видите нашия дизайн за панелите в следващата стъпка.

Стъпка 2: Стъпка 2: Изграждане на нарастващи стени

Първият елемент, за който се замислихме, бяха материалите, които да използваме за самите стени. Знаехме, че те трябва да бъдат леки, но достатъчно здрави, за да поддържат растенията. Бялата гофрирана пластмаса беше избрана пред прозрачен акрил, въпреки че обичахме снимките на V. E. G. G. I. E, където можем да видим растенията вътре. Причината за това решение е, че по -голямата част от гледката ще бъде възпрепятствана от каналите на инсталацията и ние искахме да отразяваме възможно най -много светлина от нашите светодиоди. Тази логика идва от проверката на звеното, което ни изпратиха като част от нашето участие в GBE. Както е посочено в предишната стъпка, тези плочи се придържат към алуминиевата рамка с магнити, така че могат лесно да бъдат отстранени.

Към тези плочи са прикрепени три канала от нископрофилни NFT растящи релси, които използваме в нашата лаборатория по хидропоника. Харесваме този избор, защото са изработени от тънък PVC с капаци, които лесно се плъзгат за имплантиране на нарастващите възглавници. Всички хранителни среди ще се съдържат в специално проектирани възглавници, които видяхме, че вече се използват на МКС, когато четем ТОЗИ ЧЛЕН. Всички ламперии между релсите ще бъдат покрити със сребърна HVAC изолационна лента за насърчаване на отражателната способност на нарастващите светлини.

Нашите отвори са 1 3/4 и са раздалечени на 6 инча в центъра. Това позволява 9 места за засаждане на всеки от четирите панела на куба, давайки общо 36 растения. Опитахме се да поддържаме това разстояние в съответствие с това, което имахме червено за Outredgeous марули. Каналите са фрезовани с прорези, за да приемат нашите сензори за влага, които ще следят влажността на почвата и ще изискват вода от помпите на спринцовката. Хидратацията ще се разпределя към всяка отделна възглавница за растенията чрез колектор за поливане на медицински тръби, прикрепен към тези помпи. Този метод на поливане със спринцовка е нещо, което изследвахме като най-добрата практика както за прецизно поливане, така и за преодоляване на предизвикателствата на среда с нулева/микрогравитация. Тръбите ще влязат в основата на възглавницата на растенията, за да стимулират растежа на корените отвън Ще разчитаме на капилярност, за да помогнем на водата да се разпространява в средата на отглеждане.

И накрая, искахме да намерим начин да използваме основната плоча. Създадохме малка устна на долната страна, която би приела постелка за отглеждане на микрозелени. Известно е, че микрозелените имат почти 40 пъти повече жизненоважни хранителни вещества от зрелите си събратя. Те биха могли да се окажат много полезни за диетата на астронавтите. Това е една статия, която нашите ученици откриха за хранителната стойност на микрозелените.

Стъпка 3: Стъпка 3: Поливане на растенията

В предишната стъпка се позовахме на нашите помпи за спринцовки с линейно задвижване. Това е най -любимата ни част от тази конструкция. Стъпковите двигатели NEMA 17 ще задвижват линейни задвижвания, които ще натиснат буталото на две спринцовки от 100 куб. См. На 300 куб. См. Върху капака на растежния куб. Ние проектирахме корпусите на двигателя, задвижващия механизъм на буталото и направляващата платформа с Fusion 360, след като проверихме някои страхотни проекти с отворен код на Hackaday. Следвахме този урок на невероятния уебсайт на Adafruit, за да научим как да управляваме двигателите.

Искахме да намерим начин да освободим астронавтите от задачата да поливаме. Степерите се активират, когато растенията в системата изискват собствена вода. 4 капацитивни сензора за влага са включени в възглавниците на растенията на различни места по целия куб за отглеждане. Всяко място за засаждане в системата има слот за приемане на тези сензори, фрезовани в техните канали за отглеждане. Това позволява разположението на тези сензори да се избира и периодично да се променя от астронавтите. В допълнение към увеличаване на ефективността, чрез която водата се разпределя в системата, това ще позволи визуализиране на това как всяко растение консумира своята вода. Праговете на влажност могат да бъдат зададени от астронавтите, така че поливането да може да бъде автоматизирано според техните нужди. Спринцовките са прикрепени към главния поливателен колектор с Luer заключващи връзки за лесно зареждане. Самите панели за отглеждане използват подобен протокол за свързване към поливателния колектор, за да могат лесно да бъдат извадени от куба.

Данните, събрани от сензорите, могат да бъдат прочетени локално на LCD екран с размери 20x4, прикрепен към капака, или дистанционно, където те се събират, показват и начертават чрез интеграцията на системата с платформите Cayenne или Adafruit IO IoT. Arduino изпраща своите данни към вградения Raspberry Pi с помощта на USB кабел, който след това си проправя път към интернет, използвайки WiFi картата на Pi. На тези платформи могат да се задават сигнали за уведомяване на астронавтите, когато някоя от нашите системни променливи излезе от предварително зададените си прагови стойности.

Стъпка 4: Стъпка 4: Интелигентният капак с осветление и управление на вентилатора

Капакът на нашия куб за отглеждане действа като мозък на цялата операция, както и осигурява корпуси за критични елементи за отглеждане. Разширяващ се надолу от долната страна на капака е 3D отпечатан LED корпус, който осигурява светлина за всяка от стените, които растат, както и отгоре осветява подложката от микро зелени на дъното. Това отново беше проектирано във Fusion 360 и отпечатано на нашия MakerBot. Всеки светлинен отсек съдържа 3 LED ленти, които са екранирани от вдлъбната опора. Тази опора е сребърна с изолационна лента за ОВК, за да се увеличи максимално нейната отразяваща способност. Кабелите се движат нагоре по централна куха колона за достъп до захранване и данни в горната част на капака. Размерът на този корпус е избран да има отпечатък, който би позволил на растенията, растящи около него, да постигнат максимална височина от 8 инча. Установено е, че този брой е средна височина на зрели марули Outredgeous, които отглеждаме във вертикалните си хидропонни градини в нашата лаборатория. Те могат да достигнат до 12 инча височина, но решихме, че астронавтите ще пасат върху тях, докато растат, превръщайки това кубче в рязане.

Неопикселите, които използваме, са индивидуално адресируеми, което означава, че можем да контролираме цветовия спектър, който излъчват. Това може да се използва за промяна на спектрите на светлина, която растенията получават по време на различните етапи от растежа си или от вид на вид. Щитовете са предназначени да позволяват различни условия на осветление на всяка от стените, ако е необходимо. Ние разбираме, че това не е перфектна настройка и че светлините, които използваме, не са технически растящи светлини, но ние почувствахме, че това е хубаво доказателство за концепцията.

В горната част на капака се намират два 5 -инчови 12V охлаждащи вентилатора, които обикновено се използват за контрол на температурата на компютърните кули. Проектирахме го така, че единият изтласква въздух в системата, докато другият действа като изсмукване на въздух. И двамата са покрити с фин мрежест екран, за да се гарантира, че никакви отломки не се изтеглят в дихателната среда на астронавта. Вентилаторите се изключват, когато някой от магнитните тръстикови превключватели, прикрепени към вратите, е отворен, за да се предотврати неволно замърсяване на въздуха. Скоростта на вентилаторите се контролира чрез ШИМ с помощта на Motor HAT на Raspberry pi. Вентилаторите могат условно да се ускоряват или забавят въз основа на стойности на температура или влажност, подавани към Pi от вградения DHT22 сензор в куба. Тези показания могат отново да се видят локално на LCD или дистанционно на същото табло за управление на нещата, като сензорите за влага.

Когато мислим за фотосинтезата, ние също искахме да отчетем нивата на CO2 и общото качество на въздуха в куба за отглеждане. За тази цел включихме сензор SGP30 за наблюдение на eCO2, както и на общите ЛОС. Те също се изпращат към LCD дисплеите и таблото за управление на нещата за визуализация.

Ще видите също, че нашите двойки помпи за спринцовки са монтирани отстрани на капака. Тръбите им са насочени надолу по вертикалните канали на носещата рамка от алуминиева екструзия.

Стъпка 5: Затваряне на мисли и бъдещи взаимодействия

Ние проектирахме Wolverine, използвайки знанията, които сме придобили от времето, когато заедно отглеждаме храна. Автоматизираме градините си от няколко години и това беше толкова вълнуваща възможност да приложим това към уникална инженерна задача. Ние разбираме, че нашият дизайн има скромно начало, но очакваме с нетърпение да се развием заедно с него.

Един аспект на изграждането, който не можахме да завършим преди крайния срок, беше заснемането на изображения. Един от нашите ученици експериментира с камерата Raspberry Pi и OpenCV, за да види дали можем да автоматизираме откриването на здравето на растенията чрез машинно обучение. Най -малкото искахме да можем да имаме начин да видим растенията, без да се налага да отваряме вратите. Идеята беше да се включи механизъм с накланяне на панорама, който може да се върти около долната страна на горния панел, за да заснеме изображения на всяка растяща стена и след това да ги отпечата на таблото за управление на Adafruit IO за визуализация. Това би могло да доведе до някои наистина готини интервали от време на отглеждане на култури. Предполагаме, че това е само част от процеса на инженерно проектиране. Винаги ще има работа за вършене и подобрения. Благодаря ви много за възможността да участвате!