Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube για τον ISS: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Είμαστε γυμνάσιο West Hollow από το Long Island, NY. Είμαστε επίδοξοι μηχανικοί που συναντιούνται μία φορά την εβδομάδα σε μια λέσχη που ονομάζεται Hack the Hollow, στην οποία σχεδιάζουμε, κωδικοποιούμε και κατασκευάζουμε μια σειρά κατασκευαστών. Μπορείτε να δείτε όλα τα έργα που δουλεύουμε ΕΔΩ. Ο κύριος στόχος μας ήταν να μελετήσουμε το μέλλον της ρομποτικής τροφίμων και του περιβάλλοντος. Έχουμε συγκεντρώσει και συντηρήσει ένα αυτοματοποιημένο κατακόρυφο αγρόκτημα υδροπονίας στο πίσω μέρος του επιστημονικού μας εργαστηρίου με τον δάσκαλό μας κ. Regini. Συμμετείχαμε επίσης στο πρόγραμμα GBE τα τελευταία δύο χρόνια. Γνωρίζουμε ότι αυτή η πρόκληση απαιτούσε μαθητές γυμνασίου, αλλά ήμασταν πολύ ενθουσιασμένοι για να περιμένουμε άλλα δύο χρόνια για να σας παρουσιάσουμε το Wolverine, που πήρε το όνομά του από τη μασκότ του σχολείου μας. Αυτό είναι κάπως αυτό που κάνουμε!

Σε αυτό το έργο, θα βρείτε πολλά από τα πράγματα που αγαπάμε να χρησιμοποιούμε, όπως το Arduino, το Raspberry Pi και όλα τα ηλεκτρονικά καλούδια που συνοδεύουν. Απολαύσαμε επίσης τη χρήση του Fusion 360 ως ένα βήμα παραπάνω από το TinkerCad για να σχεδιάσουμε τον κύβο. Αυτό το έργο ήταν μια τέλεια ευκαιρία να κόψουμε τα δόντια μας σε μερικές νέες πλατφόρμες κατασκευαστών. Χωριστήκαμε σε ομάδες σχεδιασμού που η καθεμία έπρεπε να επικεντρωθεί σε μια πτυχή του Grow Cube. Το σπάσαμε στο πλαίσιο, το καπάκι και την πλάκα βάσης, φωτίζουμε, αναπτύσσουμε τοίχους, νερό, ανεμιστήρες και αισθητήρες περιβάλλοντος. Έχουμε δημιουργήσει συνδέσμους στη λίστα προμηθειών μας με όλα τα υλικά που χρησιμοποιούμε, εάν χρειάζεστε βοήθεια οπτικοποιώντας τα μέρη που συζητούνται στα βήματα που ακολουθούν. Ελπίζουμε να το απολαύσετε!

Προμήθειες

Πλαίσιο:

• Εξωθήσεις αλουμινίου 1 "80/20
• Τσέι καρύδια
• Αγκύλες υποστήριξης
• Μεντεσέδες
• Συμβατές αρθρώσεις ανεμόπτερου με κανάλι Τ
• Οδηγοί σωλήνων και σύρματος συμβατοί με κανάλια Τ
• Μαγνήτες για να κρατούν κλειστές τις πόρτες
• 3 x διακόπτες μαγνητικού καλαμιού

Grow Walls:

• Κανάλια NFT χαμηλού προφίλ Farm Tech
• Εξώφυλλα καναλιών NFT
• Κυματοειδή πλαστικά φύλλα
• Μαγνήτες για να συγκρατούν αφαιρούμενα κανάλια στη θέση τους

Καπάκι:

• Κυματοειδές πλαστικό φύλλο
• Τρισδιάστατη εκτύπωση LED φωτιστικό φωτισμού (Fusion 360)
• Πλαστικές αντιδράσεις και υλικό για ηλεκτρονικά είδη

Φωτισμός:

• Ταιριζόμενες ταινίες neopixel από το Adafruit (60LED/m)
• Συνδέσεις neopixel
• Κλιπ Neopixel
• 330uF, πυκνωτής αποσύνδεσης 35V
• Αντίσταση 1K ohm
• Ασημένια ταινία αλουμινόχαρτου HVAC
• Μετατροπέας Buck

Νερό: (Το αγαπημένο μας χαρακτηριστικό):

• 2 x Nema 17 Stepper μοτέρ
• Adafruit Stepper Shield για το Arduino
• Τρισδιάστατη εκτυπωμένη αντλία σύριγγας ενεργοποιητή (Fusion 360)
• 2 x 100-300mL σύριγγες
• Σωλήνωση με συνδέσεις κλειδαριάς Luer και αρθρώσεις μπλούζας/αγκώνα
• 2 βίδες και παξιμάδια μολύβδου 2 x 300mm x 8mm T8
• 2 x φτερωτός συζεύκτης
• 2 x μπλοκ ρουλεμάν μαξιλαριού
• Οδηγοί γραμμικού άξονα γραμμικής κίνησης 4 x 300mm x 8mm
• Γραμμικά ρουλεμάν 4 x 8mm LM8UU
• 4 x Αισθητήρες υγρασίας χωρητικής αντίστασης ρομπότ DF για την παρακολούθηση του εδάφους και τον έλεγχο των αντλιών σύριγγας

Κυκλοφορία αέρα:

• 2 ανεμιστήρες 5 x 12 "12V
• Κάλυμμα φίλτρου ανεμιστήρα 5"
• 2 x τρανζίστορ TIP120 Darlington και ψύκτες
• Τροφοδοσία 12V
• Προσαρμογέας σύνδεσης βύσματος βάσης βάσης
• 2 x 1K ohm αντιστάσεις
• 2 x διόδους flyback
• 2 πυκνωτές ηλεκτρολυτικής αποσύνδεσης 3 x 330uF, 35V
• Αισθητήρας θερμοκρασίας και υγρασίας DHT22 με αντίσταση 4,7K ohm

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• Κάρτα SD 8 GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 LCD 20x4 i2C LCD
• 22AWG καλώδια σύνδεσης
• Σετ σύνδεσης Dupont
• Αισθητήρας ποιότητας αέρα Adafruit SGP30 w/ eCO2

Εργαλεία:

• Συγκολλητικό σίδερο
• Σετ συγκόλλησης
• Χέρια βοηθείας
• Εργαλεία πτύχωσης και απογύμνωσης καλωδίων
• Κατσαβίδια
• Καφές (για τον κ. Regini)

Βήμα 1: Βήμα 1: Κατασκευή του πλαισίου

Το πλαίσιο πρόκειται να κατασκευαστεί με ελαφριές εξωθήσεις αλουμινίου 1 80/20 t καναλιών. Θα συγκρατηθεί μαζί με αρθρώσεις αγκώνα αλουμινίου και παξιμάδια t. Εκτός από το να διατηρείται το βάρος, τα κανάλια θα λειτουργήσουν ως οδηγοί για το νερό μας γραμμές και καλωδίωση.

Ο κύβος θα στηρίζεται σε μια σειρά από ράγες εξοπλισμένες με αρμούς ολίσθησης που θα επιτρέψουν στον κύβο να εξαχθεί από έναν τοίχο για να εκθέσει όχι μόνο την μπροστινή του όψη, αλλά και τις δύο πλευρές του επίσης. Η έμπνευση για αυτό ήρθε από έναν από τους μαθητές μας που σκέφτηκε τη σχάρα μπαχαρικών στα ντουλάπια της κουζίνας του στο σπίτι.

Χρησιμοποιώντας απλούς μεντεσέδες, το μπροστινό μέρος και οι πλευρές θα έχουν πόρτες που μπορούν να ανοίξουν όταν ο κύβος τραβηχτεί στις ράγες του. Κρατούνται στη θέση τους με μαγνήτες όταν είναι κλειστά. Και τα 6 πάνελ αυτού του κύβου είναι αφαιρούμενα καθώς όλες οι όψεις συγκρατούνται επίσης με μαγνήτες. Ο σκοπός αυτής της επιλογής σχεδιασμού ήταν να δώσει εύκολη πρόσβαση σε όλες τις επιφάνειες για σπορά, συντήρηση φυτών, συλλογή δεδομένων, συγκομιδή και καθαρισμό/επισκευές.

Μπορείτε να δείτε τον σχεδιασμό μας για τα πάνελ στο επόμενο βήμα.

Βήμα 2: Βήμα 2: Κατασκευή των αναπτυσσόμενων τοίχων

Το πρώτο στοιχείο που σκεφτήκαμε ήταν τα υλικά που θα χρησιμοποιούσαμε για τους ίδιους τους τοίχους. Γνωρίζαμε ότι έπρεπε να έχουν μικρό βάρος, αλλά αρκετά ισχυρά για να στηρίξουν τα φυτά. Το λευκό κυματοειδές πλαστικό επιλέχθηκε από το διαφανές ακρυλικό, παρόλο που αγαπήσαμε τις εικόνες του V. E. G. G. I. E όπου μπορούσαμε να δούμε τα φυτά μέσα. Ο λόγος για αυτήν την απόφαση ήταν επειδή το μεγαλύτερο μέρος της προβολής θα παρεμποδίζονταν από τα κανάλια των φυτών και θέλαμε να αντανακλάμε όσο το δυνατόν περισσότερο το φως από τα LED μας. Αυτή η λογική προήλθε από τον έλεγχο της μονάδας που μας στείλατε ως μέρος της συμμετοχής μας στο GBE. Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο βήμα, αυτές οι πλάκες συγκρατούνται στο πλαίσιο αλουμινίου με μαγνήτες, ώστε να μπορούν να αφαιρεθούν εύκολα.

Σε αυτές τις πλάκες συνδέονται τρία κανάλια χαμηλού προφίλ ράγες ανάπτυξης NFT που χρησιμοποιούμε στο εργαστήριο υδροπονίας μας. Μας αρέσει αυτή η επιλογή επειδή είναι κατασκευασμένα από λεπτό PVC με καλύμματα που γλιστρούν εύκολα για την εμφύτευση των αναπτυσσόμενων μαξιλαριών. Όλα τα αναπτυσσόμενα μέσα θα περιέχονται σε ειδικά σχεδιασμένα μαξιλάρια που είδαμε ότι χρησιμοποιούνται ήδη στον ISS όταν διαβάζουμε αυτό το άρθρο. Όλη η επένδυση ανάμεσα στις ράγες θα είναι επικαλυμμένη με ασημί μονωτική ταινία HVAC για να προάγει την ανακλαστικότητα των φώτων ανάπτυξης.

Τα ανοίγματά μας είναι 1 3/4 και απέχουν μεταξύ τους κατά 6 ίντσες στο κέντρο. Αυτό επιτρέπει 9 θέσεις φύτευσης σε κάθε ένα από τα τέσσερα πάνελ του κύβου, αποδίδοντας συνολικά 36 φυτά. Προσπαθήσαμε να διατηρήσουμε αυτό το διάστημα σύμφωνα με αυτό που είχαμε κόκκινο Σχετικά με τα υπερβολικά μαρούλια. Τα κανάλια αλέθονται με σχισμές για να δεχτούν τους αισθητήρες υγρασίας που θα παρακολουθούν την υγρασία του εδάφους και θα απαιτούν νερό από τις αντλίες της σύριγγας. Η ενυδάτωση θα διανέμεται σε κάθε μεμονωμένο μαξιλάρι φυτών μέσω μιας πολλαπλής ποτίσματος ιατρικών σωλήνων που είναι προσαρτημένη σε αυτές τις αντλίες. Αυτή η μέθοδος ποτίσματος με σύριγγες είναι κάτι που ερευνήσαμε ως βέλτιστη πρακτική τόσο για πότισμα ακριβείας όσο και για την υπέρβαση των προκλήσεων ενός περιβάλλοντος μηδενικού/μικροβαρύτητας. Ο σωλήνας θα εισέλθει στη βάση του μαξιλαριού του φυτού για να προωθήσει την ανάπτυξη των ριζών προς τα έξω Θα βασιστούμε στην τριχοειδή για να βοηθήσουμε το νερό να διαχυθεί σε όλο το μέσο ανάπτυξης.

Τέλος, θέλαμε να βρούμε έναν τρόπο χρήσης της πλάκας βάσης. Δημιουργήσαμε ένα μικρό χείλος στο κάτω μέρος, το οποίο θα δεχόταν ένα χαλάκι ανάπτυξης για να καλλιεργήσει μικροπράσινα. Τα μικροπράσινα είναι γνωστό ότι έχουν σχεδόν 40 φορές περισσότερα ζωτικά θρεπτικά συστατικά από τα ώριμα αντίστοιχά τους. Αυτά θα μπορούσαν να αποδειχθούν πολύ ευεργετικά για τη διατροφή των αστροναυτών. Αυτό είναι ένα άρθρο που βρήκαν οι μαθητές μας σχετικά με τη θρεπτική αξία των μικροπράσινων.

Βήμα 3: Βήμα 3: Πότισμα των φυτών

Αναφερθήκαμε στις γραμμικές αντλίες σύριγγας ενεργοποιητή μας στο προηγούμενο βήμα. Αυτό είναι μακράν το αγαπημένο μας μέρος αυτής της κατασκευής. Οι βηματικοί κινητήρες NEMA 17 πρόκειται να οδηγήσουν γραμμικούς ενεργοποιητές που θα πιέσουν το έμβολο δύο συριγγών 100cc-300cc στο καπάκι του κύβου ανάπτυξης. Σχεδιάσαμε τα περιβλήματα του μοτέρ, τον οδηγό εμβόλου και τον οδηγό σιδηροδρομικής εξέδρας χρησιμοποιώντας το Fusion 360 αφού ελέγξαμε μερικά υπέροχα έργα ανοιχτού κώδικα στο Hackaday. Ακολουθήσαμε αυτό το σεμινάριο στον εκπληκτικό ιστότοπο της Adafruit για να μάθουμε πώς να οδηγούμε τους κινητήρες.

Θέλαμε να βρούμε έναν τρόπο να απελευθερώσουμε τους αστροναύτες από το έργο του ποτίσματος. Τα βήματα ενεργοποιούνται όταν τα φυτά μέσα στο σύστημα ζητούν το δικό τους νερό. 4 χωρητικοί αισθητήρες υγρασίας συνδέονται στα μαξιλάρια των φυτών σε διάφορες θέσεις σε όλο τον κύβο ανάπτυξης. Κάθε θέση φύτευσης στο σύστημα έχει μια υποδοχή για να δέχεται αυτούς τους αισθητήρες που αλέθονται στα κανάλια ανάπτυξής τους. Αυτό επιτρέπει την επιλογή και την περιοδική αλλαγή της τοποθέτησης αυτών των αισθητήρων από τους αστροναύτες. Εκτός από τη μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας με την οποία το νερό διανέμεται στο σύστημα, θα επιτρέψει την απεικόνιση του τρόπου με τον οποίο κάθε φυτό καταναλώνει το νερό του. Τα κατώφλια υγρασίας μπορούν να καθοριστούν από τους αστροναύτες έτσι ώστε το πότισμα να μπορεί να αυτοματοποιηθεί σύμφωνα με τις ανάγκες τους. Οι σύριγγες είναι προσαρτημένες στην κύρια πολλαπλή ποτίσματος με συνδέσεις κλειδαριάς Luer για εύκολη επαναπλήρωση. Τα ίδια τα φύλλα ανάπτυξης χρησιμοποιούν παρόμοιο πρωτόκολλο σύνδεσης με την πολλαπλή ποτίσματος, ώστε να μπορούν εύκολα να αφαιρεθούν από τον κύβο.

Τα δεδομένα που συλλέγονται από τους αισθητήρες μπορούν να διαβαστούν τοπικά σε μια οθόνη LCD 20x4 προσαρτημένη στο καπάκι ή από απόσταση όπου συλλέγονται, εμφανίζονται και απεικονίζονται με την ενσωμάτωση του συστήματος είτε με πλατφόρμες Cayenne είτε με Adafruit IO IoT. Το Arduino στέλνει τα δεδομένα του στο ενσωματωμένο Raspberry Pi χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο USB το οποίο στη συνέχεια εισέρχεται στο διαδίκτυο χρησιμοποιώντας την κάρτα WiFi του Pi. Σε αυτές τις πλατφόρμες μπορούν να οριστούν ειδοποιήσεις για ειδοποίηση των αστροναυτών όταν οποιαδήποτε από τις μεταβλητές του συστήματος μας έχει βγει από τις προκαθορισμένες τιμές κατωφλίου.

Βήμα 4: Βήμα 4: Το έξυπνο καπάκι με φωτισμό και έλεγχο ανεμιστήρα

Το καπάκι του αναπτυσσόμενου κύβου μας λειτουργεί ως εγκέφαλος ολόκληρης της λειτουργίας, καθώς παρέχει τα περιβλήματα για κρίσιμα αναπτυσσόμενα στοιχεία. Εκτείνεται προς τα κάτω από το κάτω μέρος του καπακιού ένα περίβλημα LED με τρισδιάστατη εκτύπωση που παρέχει φως για κάθε μία από τις πλάκες τοίχου, καθώς και φωτισμό στο κάτω μέρος του στρώματος μικροπράσινων. Αυτό σχεδιάστηκε ξανά στο Fusion 360 και εκτυπώθηκε στο MakerBot. Κάθε φωτεινός χώρος διαθέτει 3 λωρίδες LED που προστατεύονται από ένα κοίλο στήριγμα. Αυτό το στήριγμα είναι ασημωμένο με μονωτική ταινία HVAC για μεγιστοποίηση της ανακλαστικότητάς του. Η καλωδίωση κινείται επάνω σε μια κεντρική κοίλη στήλη για πρόσβαση σε ισχύ και δεδομένα στο πάνω μέρος του καπακιού. Το μέγεθος αυτού του περιβλήματος επιλέχθηκε να έχει ένα αποτύπωμα που θα επέτρεπε στα φυτά που αναπτύσσονταν γύρω του να επιτύχουν ένα μέγιστο ύψος 8 ίντσες. Αυτός ο αριθμός βρέθηκε ότι είναι ένα μέσο ύψος ώριμων μαρούλων Outredgeous που καλλιεργούμε στους κάθετους υδροπονικούς κήπους μας στο εργαστήριό μας. Μπορούν να φτάσουν σε ύψος έως και 12 ίντσες, αλλά υποθέσαμε ότι οι αστροναύτες θα βόσκουν σε αυτά καθώς μεγαλώνουν κάνοντας αυτό έναν κύβο κοπής και επιστροφής.

Τα νεοπίξελ που χρησιμοποιούμε είναι ατομικά διευθετήσιμα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να ελέγξουμε το φάσμα χρωμάτων που εκπέμπουν. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροποποιήσει το φάσμα του φωτός που λαμβάνουν τα φυτά σε διαφορετικά στάδια της ανάπτυξής τους ή από είδη σε είδη. Οι ασπίδες προορίζονταν να επιτρέπουν διαφορετικές συνθήκες φωτισμού σε κάθε έναν από τους τοίχους, εάν είναι απαραίτητο. Καταλαβαίνουμε ότι αυτό δεν είναι μια τέλεια ρύθμιση και ότι τα φώτα που χρησιμοποιούμε δεν είναι τεχνικά φώτα ανάπτυξης, αλλά πιστεύαμε ότι ήταν μια ωραία απόδειξη της ιδέας.

Στην κορυφή του καπακιού υπάρχουν δύο ανεμιστήρες ψύξης 12V 5 ιντσών που χρησιμοποιούνται συνήθως για τον έλεγχο της θερμοκρασίας των πύργων υπολογιστών. Το σχεδιάσαμε έτσι ώστε το ένα να σπρώχνει αέρα στο σύστημα ενώ το άλλο να λειτουργεί ως εξαγωγή αέρα. Και οι δύο είναι καλυμμένες με μια λεπτή οθόνη πλέγματος για να διασφαλιστεί ότι δεν θα τραβηχτούν συντρίμμια και δεν θα εισέλθουν στο αναπνευστικό περιβάλλον του αστροναύτη. Οι ανεμιστήρες κλείνουν όταν κάποιος από τους διακόπτες μαγνητικών καλαμιών που είναι προσαρτημένος στις πόρτες είναι ανοιχτός για να αποτρέψει ακούσια μόλυνση του αέρα. Η ταχύτητα των ανεμιστήρων ελέγχεται μέσω PWM χρησιμοποιώντας το Motor HAT στο Raspberry pi. Οι ανεμιστήρες μπορούν να επιταχυνθούν υπό όρους ή να επιβραδυνθούν με βάση τις τιμές θερμοκρασίας ή υγρασίας που τροφοδοτούνται στο Pi από τον ενσωματωμένο αισθητήρα DHT22 μέσα στον κύβο. Αυτές οι ενδείξεις μπορούν να προβληθούν ξανά τοπικά σε οθόνη LCD ή απομακρυσμένα στον ίδιο πίνακα εργαλείων IoT με τους αισθητήρες υγρασίας.

Σκεπτόμενοι τη φωτοσύνθεση, θέλαμε επίσης να λάβουμε υπόψη τα επίπεδα CO2 και τη συνολική ποιότητα του αέρα στον κύβο ανάπτυξης. Για το σκοπό αυτό, συμπεριλάβαμε έναν αισθητήρα SGP30 για παρακολούθηση του eCO2 καθώς και συνολικά VOC. Αυτά επίσης αποστέλλονται στις οθόνες LCD και στον πίνακα IoT για οπτικοποίηση.

Θα δείτε επίσης ότι οι ζεύγη αντλιών σύριγγας είναι τοποθετημένες κατά μήκος της πλευράς του καπακιού. Η σωλήνωση τους κατευθύνεται προς τα κάτω από τα κατακόρυφα κανάλια του πλαισίου στήριξης εξώθησης αλουμινίου.

Βήμα 5: Κλείσιμο σκέψεων και μελλοντικές επαναλήψεις

Σχεδιάσαμε το Wolverine χρησιμοποιώντας τη γνώση που έχουμε αποκτήσει από την εποχή που καλλιεργούσαμε μαζί τρόφιμα. Αυτοματοποιούμε τους κήπους μας για αρκετά χρόνια και αυτή ήταν μια τόσο συναρπαστική ευκαιρία να το εφαρμόσουμε σε ένα μοναδικό έργο μηχανικής. Καταλαβαίνουμε ότι ο σχεδιασμός μας έχει ταπεινή αρχή, αλλά ανυπομονούμε να αναπτυχθούμε μαζί του.

Μια πτυχή της κατασκευής που δεν μπορούσαμε να ολοκληρώσουμε πριν από την προθεσμία ήταν η λήψη εικόνας. Ένας από τους μαθητές μας πειραματίζεται με την κάμερα Raspberry Pi και το OpenCV για να δει αν μπορούμε να αυτοματοποιήσουμε τον εντοπισμό της υγείας των φυτών μέσω μηχανικής μάθησης. Εμείς τουλάχιστον θέλαμε να έχουμε έναν τρόπο να βλέπουμε τα φυτά χωρίς να χρειαστεί να ανοίξουμε τις πόρτες. Η σκέψη ήταν να συμπεριλάβει έναν μηχανισμό κλίσης που θα μπορούσε να περιστραφεί στην κάτω πλευρά του επάνω πίνακα για να τραβήξει εικόνες από κάθε τοίχο ανάπτυξης και στη συνέχεια να τις εκτυπώσει στο ταμπλό του Adafruit IO για απεικόνιση. Αυτό θα μπορούσε επίσης να προκαλέσει ορισμένα πραγματικά δροσερά χρονικά περιθώρια των καλλιεργούμενων καλλιεργειών. Υποθέτουμε ότι αυτό είναι μόνο μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού μηχανικής. Πάντα θα υπάρχει δουλειά να γίνει και βελτιώσεις που πρέπει να γίνουν. Σας ευχαριστούμε πολύ για την ευκαιρία συμμετοχής!