Автономная фильтровальная емкость Arduino: 6 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

В этом руководстве я покажу вам, как я разработал и реализовал предлагаемое решение текущей проблемы красных водорослей в водах побережья Мексиканского залива. Для этого проекта я хотел спроектировать полностью автономное судно, работающее на солнечной энергии, которое могло бы перемещаться по водным путям и, используя бортовую естественную систему фильтрации, могло бы отфильтровать избыточные питательные вещества и токсины от динофлагеллят и водорослей Karena Brevis. Этот дизайн был создан, чтобы показать, как можно использовать технологии для решения некоторых из наших текущих экологических проблем. К сожалению, он не получил ни наград, ни места на ярмарке науки в моем маленьком городке, но мне все равно понравился опыт обучения, и, надеюсь, кто-то еще сможет чему-то научиться из моего проекта.

Шаг 1. Исследование

Конечно, каждый раз, когда вы собираетесь решать проблему, вам нужно провести небольшое исследование. Я слышал об этой проблеме из новостной статьи в Интернете, и это заинтересовало меня в разработке решения этой экологической проблемы. Я начал с исследования, в чем именно заключалась проблема и что ее вызывало. Вот раздел моей исследовательской работы, показывающий, что я обнаружил во время своего исследования.

«Красный прилив - это растущая ежегодная проблема для вод Флориды. Красный прилив - это общий термин, используемый для большой концентрированной группы водорослей, которые спорадически растут из-за увеличения доступных питательных веществ. В настоящее время во Флориде наблюдается стремительный рост размером с Красный прилив, который вызывает растущую озабоченность по поводу безопасности водных животных в этом районе, а также любых людей, которые могут с ним соприкоснуться. Красный прилив чаще всего состоит из видов водоросли, известные как динофлагелляты. Динофлагелляты - одноклеточные протисты, вырабатывающие токсины, такие как бреветоксины и ихтиотоксины, которые очень токсичны для морских и наземных организмов, контактирующих с ними. Динофлагелляты размножаются бесполым путем посредством митоза, при расщеплении клетки образуется точная копия. Динофлагелляты питаются другими простейшими в воде, такими как Chysophyta, наиболее распространенная форма нетоксичных водорослей. вводятся новые питательные вещества.

Основная причина их быстрого увеличения в пище связана с внесением большого количества питательных веществ, которые смываются с ферм во время ливней и уносятся к берегам океана из близлежащих рек и ручьев. Из-за того, что в сельском хозяйстве широко используются искусственные удобрения, количество доступных питательных веществ на окружающих сельскохозяйственных угодьях выше, чем когда-либо. Всякий раз, когда в большей части восточной страны идет ливень, этот дождь смывает много этих удобрений с верхнего слоя почвы в окружающие ручьи и ручьи. Эти потоки в конечном итоге собираются в реки, объединяя все собранные ими питательные вещества в одну большую группу, которая сбрасывается в Мексиканский залив. Этот большой набор питательных веществ не является естественным явлением для присутствующих морских организмов, поэтому он приводит к неконтролируемому росту водорослей. Поскольку динофлагелляты являются основным источником пищи, быстрое увеличение количества водорослей является крупным источником пищи для быстрорастущих форм жизни.

Эти большие группы динофлагеллат производят токсичные химические вещества, которые, как известно, убивают большинство водных организмов, контактирующих с ними. Согласно WUSF, местному новостному каналу Флориды, в период расцвета 2018 года было подтверждено 177 смертей ламантинов в результате Красного прилива, а также еще 122 случая смерти, которые предположительно были связаны. Из 6 500 ожидаемых ламантинов в водах Флориды и Пуэрто-Рико это оказывает огромное влияние на выживание этого вида, и это только влияние на один вид. Красный прилив также вызывает проблемы с дыханием у тех, кто был в непосредственной близости от любого из цветков. Поскольку Красный прилив растет в каналах некоторых пляжных городков, это очевидная угроза безопасности для всех, кто живет в этих сообществах. Также известно, что токсин динофиз, продуцируемый красными приливами, обычно заражает местные популяции моллюсков, вызывая диарейное отравление моллюсками, или DSP, у тех, кто ел инфицированных моллюсков. К счастью, это не смертельно, но может привести к проблемам с пищеварением у жертвы. Однако другой токсин, вырабатываемый некоторыми красными приливами, Gonyaulax или Alexandrium, также может инфицировать моллюсков в водах, загрязненных приливами. Употребление в пищу моллюсков, загрязненных этими токсинами, вызывает паралитическое отравление моллюсками или PSP, что в худших случаях приводит к дыхательной недостаточности и смерти в течение 12 часов после приема внутрь ».

Шаг 2: Мое предлагаемое решение

Цитата из моей исследовательской работы

«Мое предлагаемое решение состоит в том, чтобы построить полностью автономное морское судно на солнечной энергии, которое будет оснащено системой естественной фильтрации микрочастиц на борту. Вся система будет питаться от бортовых солнечных панелей и приводиться в движение двумя бесщеточными двигателями с проточной системой в системе управления вектором тяги. Система фильтрации будет использоваться для фильтрации излишков питательных веществ и динофлагеллят, поскольку она автономно перемещается по водным путям. Судно также будет использоваться в качестве челночной системы для местного населения. Я начал с исследования проблемы и того, как эта проблема возникла. Я узнал, что Волны красных приливов были вызваны большим количеством питательных веществ, таких как азот, в местных водах. Как только я обнаружил, что вызывает проблему, я смог начать мозговой штурм решения, которое могло бы помочь уменьшить размер ежегодных красных приливов.

Я задумал судно, по размеру и форме напоминающее понтонную лодку. Этот сосуд должен иметь скиммер между двумя понтонами, который будет направлять набегающую воду через сетчатый фильтр для удаления крупных частиц, а затем через проницаемый мембранный фильтр, который удаляет присутствующие микрочастицы азота. Затем фильтрованная вода будет вытекать из задней части лодки через противоположный скиммер. Я также хотел, чтобы это судно было полностью электрическим, чтобы оно было тихим и безопасным, с меньшей вероятностью утечки токсичных жидкостей в окружающие воды. На судне будет несколько солнечных панелей, а также контроллер заряда с литий-ионным аккумулятором для хранения избыточной энергии для дальнейшего использования. Моей последней целью было спроектировать судно таким образом, чтобы его можно было использовать в качестве общественного транспорта для местного населения. Имея в виду все эти варианты дизайна, я начал набрасывать на бумаге несколько идей, чтобы попытаться проработать любые потенциальные проблемы ».

Шаг 3: Дизайн

Как только я закончил свое исследование, я стал гораздо лучше понимать проблему и то, что ее вызывает. Затем я перешел к мозговому штурму и дизайну. Я потратил несколько дней на обдумывание множества различных способов решения этой проблемы. Когда у меня появилось несколько приличных идей, я перешел к их наброскам на бумаге, чтобы попытаться исправить некоторые недостатки дизайна, прежде чем перейти к САПР. Спустя еще пару дней набросков я составил список частей, которые хотел использовать для дизайна. Я потратил весь свой призовой доход от научной ярмарки в предыдущие годы, а также немного больше на покупку деталей и нити накала, необходимых для создания прототипа. В итоге я использовал узел MCU для микроконтроллера, две солнечные панели 18 В для предлагаемых источников питания, два ультразвуковых датчика для автономных функций, 5 фоторезисторов для определения внешнего освещения, несколько белых светодиодных лент 12 В для внутреннего освещения, 2 светодиода RGB. полосы для направленного освещения, 3 реле для управления светодиодами и бесщеточным двигателем, бесщеточный двигатель 12 В и ESC, блок питания 12 В для питания прототипа и несколько других мелких деталей.

Как только большая часть деталей прибыла, я приступил к работе над 3D-моделью. Я использовал Fusion 360, чтобы спроектировать все детали этой лодки. Я начал с проектирования корпуса лодки, а затем двинулся вверх, конструируя каждую деталь по мере продвижения. После того, как я спроектировал большую часть деталей, я собрал их все в сборку, чтобы убедиться, что они будут соответствовать друг другу после изготовления. После нескольких дней проектирования и настройки, наконец, пришло время приступить к печати. Я распечатал корпус в трех разных частях на моем Prusa Mk3 и напечатал солнечные крепления и крышки корпуса на моих CR10. Еще через несколько дней печать всех частей была закончена, и я наконец смог приступить к их сборке. Ниже приведен еще один раздел моей исследовательской работы, в котором я рассказываю о проектировании лодки.

«Когда у меня появилось хорошее представление об окончательном дизайне, я перешел к компьютерному черчению или САПР - процессу, который сегодня можно выполнить с помощью многих доступных программ. Я использовал программное обеспечение Fusion 360 для проектирования деталей, которые мне понадобились изготовление для своего прототипа. Сначала я спроектировал все детали для этого проекта, а затем собрал их в виртуальной среде, чтобы попытаться решить любые проблемы, прежде чем я начал печатать детали. После того, как я закончил 3D-сборку, я переехал о проектировании электрических систем, необходимых для этого прототипа. Я хотел, чтобы моим прототипом можно было управлять через специально разработанное приложение на моем смартфоне. Для моей первой части я выбрал микроконтроллер Node MCU. Node MCU - это микроконтроллер, построенный на популярном ESP8266 Микросхема Wi-Fi. Эта плата дает мне возможность подключать к ней внешние устройства ввода и вывода, которыми можно управлять удаленно через интерфейс Wi-Fi. После того, как я нашел основной контроллер для моей конструкции, я перешел к выбору других плат. РТС потребуется для электрической системы. Для питания судна я выбрал две 18-вольтовые солнечные панели, которые позже будут подключены параллельно, чтобы обеспечить выходное напряжение 18 вольт вместе с удвоенным током отдельного солнечного элемента из-за их параллельного подключения. Выход из солнечных панелей поступает в контроллер заряда. Это устройство снимает колеблющееся выходное напряжение с солнечных панелей и сглаживает его до более постоянного выходного напряжения в двенадцать вольт. Затем он поступает в систему управления батареями, или BMS, для зарядки 6 липоэлементов 18650, соединенных двумя наборами из трех элементов, подключенных параллельно, а затем последовательно. Эта конфигурация объединяет емкость 4,2 В 18650 в блок емкостью 12,6 В с тремя ячейками. При подключении еще трех ячеек, установленных параллельно с предыдущим блоком, общая емкость удваивается, что дает нам аккумулятор на 12,6 В и емкостью 6 500 мАч.

Этот аккумуляторный блок может выдавать двенадцать вольт для освещения и бесщеточных двигателей. Я использовал понижающий инвертор, чтобы создать на выходе пять вольт для блока электроники меньшей мощности. Затем я использовал три реле: одно для включения и выключения внутреннего освещения, одно для изменения цвета внешнего освещения, а другое для включения и выключения бесщеточного двигателя. Для измерения расстояния я использовал два ультразвуковых датчика: один спереди, а другой сзади. Каждый датчик отправляет ультразвуковой импульс и может считывать, сколько времени требуется, чтобы этот импульс вернулся. Исходя из этого, мы можем определить, как далеко объект находится перед судном, вычислив задержку в ответном сигнале. На вершине судна у меня было пять фоторезисторов для определения количества света, присутствующего в небе. Эти датчики изменяют свое сопротивление в зависимости от количества света. На основе этих данных мы можем использовать простой код для усреднения всех значений, и когда датчики считывают среднее значение низкой освещенности, включается внутреннее освещение. Определив, какую электронику я буду использовать, я начал 3D-печать деталей, которые я ранее разработал. Я распечатал корпус лодки из трех частей, чтобы он поместился на моем основном принтере. Пока они печатались, я перешел к печати солнечных панелей и колоды на другом принтере. На печать каждой детали уходило около одного дня, так что в общей сложности на прямую 3D-печать потребовалось около 10 дней, чтобы получить все необходимые детали. После того, как все они были напечатаны, я собрал их на более мелкие детали. Затем я установил электронику, такую как солнечные батареи и светодиоды. Как только электроника была установлена, я подключил их все и закончил сборку печатных деталей. Затем я перешел к разработке стенда для прототипа. Эта подставка также была разработана в САПР и позже вырезана из дерева МДФ на моем станке с ЧПУ. С помощью ЧПУ мне удалось вырезать на передней панели необходимые прорези для крепления электроники занавеса. Затем я установил прототип на базу, и физическая сборка была завершена. Теперь, когда прототип был полностью собран, я начал работать над кодом для NodeMCU. Этот код используется, чтобы сообщить NodeMCU, какие части подключены к каким входным и выходным контактам. Он также сообщает плате, к какому серверу обращаться и к какой сети Wi-Fi подключаться. С помощью этого кода я смог управлять определенными частями прототипа со своего телефона с помощью приложения. Это похоже на то, как окончательный проект сможет связаться с главной док-станцией, чтобы получить координаты своей следующей остановки, а также другую информацию, например, где находятся другие суда и ожидаемую погоду на этот день ».

Шаг 4: Сборка (наконец-то !!)

Итак, теперь мы подошли к моей любимой части - сборке. Мне нравится создавать вещи, поэтому, наконец, возможность собрать все части вместе и увидеть окончательные результаты меня очень взволновала. Я начал с того, что собрал все напечатанные части и склеил их вместе. Затем я установил электронику, такую как фонари и солнечные батареи. В этот момент я понял, что не смогу разместить всю свою электронику внутри этой штуки. Именно тогда мне пришла в голову идея сделать подставку для лодки с ЧПУ, чтобы она выглядела немного лучше, а также давала мне место, чтобы спрятать всю электронику. Я разработал подставку в САПР, а затем вырезал ее на своем Bobs CNC E3 из 13 мм МДФ. Затем я скрутил его и покрыл черной краской. Теперь, когда у меня было место для всей моей электроники, я продолжил разводку. Я все подключил и установил Node MCU (в значительной степени Arduino Nano со встроенным Wi-Fi) и убедился, что все включено. После этого я завернул сборку и даже использовал свой школьный лазерный резак, чтобы вырезать перила безопасности с некоторыми классными гравюрами, еще раз спасибо, мистер Z! Теперь, когда у нас был законченный физический прототип, пришло время добавить немного волшебства с кодированием.

Шаг 5: Кодирование (также известное как сложная часть)

Для кодирования я использовал IDE Arduino, чтобы написать довольно простой код. Я использовал базовый скетч Blynk в качестве стартового, чтобы позже я мог управлять некоторыми частями из приложения Blynk. Я смотрел много видео на YouTube и читал множество форумов, чтобы заставить эту штуку работать. В конце концов, я не смог понять, как управлять бесщеточным двигателем, но заставил все остальное работать. Из приложения вы можете переключать направление движения корабля, которое будет переключать цвета красных / зеленых светодиодов, включать / выключать внутреннее освещение и получать данные в реальном времени от одного из ультразвуковых датчиков на передней панели дисплея.. Я определенно немного расслабился в этой части и не сделал так много работы с кодом, как хотел бы, но это все равно оказалось изящной функцией.

Шаг 6: конечный продукт

Сделано! Я собрал все и заработал незадолго до даты научной ярмарки. (Стереотипный прокрастинатор) Я очень гордился конечным продуктом и не мог дождаться, чтобы поделиться им с судьями. Мне больше нечего сказать здесь, поэтому я позволю себе объяснить это лучше. Вот заключительный раздел моей исследовательской работы.

«После того, как суда и док-станции будут созданы, решение уже находится в стадии реализации. Каждое утро суда будут начинать свой маршрут по водным путям. Некоторые могут проходить по каналам в городах, а другие путешествовать по болотам или океанским линиям. проходит свой путь, фильтрующий скиммер будет опущен, позволяя фильтрам начать свою работу. Скиммер направляет плавающие водоросли и мусор в фильтрующий канал. Оказавшись внутри, вода сначала проходит через сетчатый фильтр, чтобы удалить более крупные частицы и мусор из воды. Удаленный материал будет удерживаться там, пока камера не будет заполнена. После того, как вода прошла через первый фильтр, она затем проходит через фильтр с проницаемой мембраной. В этом фильтре используются небольшие проницаемые отверстия, чтобы позволить проницаемая вода, оставляя за собой непроницаемые материалы. Этот фильтр используется для извлечения непроницаемого материала удобрений, а также излишков питательных веществ из водорослей. Отфильтрованная вода Затем r вытекает из задней части лодки обратно в водный путь, где судно фильтрует.

Когда судно достигает предназначенной для этого док-станции, оно заходит на причал. После полной стыковки две руки будут прикреплены к борту лодки, чтобы надежно удерживать ее на месте. Затем из-под лодки автоматически поднимется труба и присоединится к каждому отверстию для удаления отходов. После закрепления порт откроется, и включится насос, всасывающий собранный материал из лодки в док-станцию. Пока все это происходит, пассажирам будет разрешено сесть на судно и занять свои места. После того, как все окажутся на борту и опустошены контейнеры для мусора, судно будет выпущено со станции и отправится в путь по другому маршруту. После того, как отходы перекачиваются в док-станцию, они снова просеиваются, чтобы удалить крупный мусор, например палки или мусор. Удаленный мусор будет храниться в контейнерах для последующей переработки. Оставшиеся просеянные водоросли будут отправлены на центральную док-станцию для обработки. Когда каждая меньшая док-станция заполняет свое хранилище водорослей, рабочий придет, чтобы перевезти водоросли на главную станцию, где они будут переработаны в биодизель. Этот биодизель является возобновляемым источником топлива, а также выгодным способом утилизации собранных питательных веществ.

Поскольку лодки продолжают фильтровать воду, содержание питательных веществ будет уменьшаться. Это сокращение чрезмерного количества питательных веществ приведет к уменьшению цветения с каждым годом. Поскольку уровни питательных веществ продолжают падать, качество воды будет тщательно контролироваться, чтобы гарантировать, что питательные вещества остаются на постоянном и здоровом уровне, необходимом для процветающей окружающей среды. В зимнее время года, когда сток удобрений не такой сильный, как весной и летом, лодки смогут контролировать количество фильтруемой воды, чтобы всегда было в наличии здоровое количество доступных питательных веществ. По мере движения судов по маршрутам будет собираться все больше и больше данных, чтобы более эффективно определять источники стока удобрений и время для подготовки к более высоким уровням питательных веществ. Используя эти данные, можно составить эффективный график, чтобы подготовиться к колебаниям, вызванным сельскохозяйственными сезонами ».