Взломайте куб выращивания росомахи пустого для МКС: 5 шагов

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

Мы - средняя школа Вест-Холлоу из Лонг-Айленда, штат Нью-Йорк. Мы начинающие инженеры, которые встречаются раз в неделю в клубе под названием Hack the Hollow, в котором мы проектируем, кодируем и строим ряд проектов производителей. Вы можете ознакомиться со всеми проектами, над которыми мы работаем, ЗДЕСЬ. Нашей основной задачей было изучение будущего пищевой и экологической робототехники. Мы собрали и обслужили автоматизированную вертикальную гидропонную ферму в задней части нашей научной лаборатории с нашим учителем г-ном Регини. Мы также участвовали в программе GBE в течение последних двух лет. Мы знаем, что эта задача требовала учащихся старших классов, но мы были слишком взволнованы, чтобы подождать еще два года, чтобы познакомить вас с Росомахой, названной в честь нашего школьного талисмана. Вот что мы делаем!

В этом проекте вы найдете множество вещей, которые мы любим использовать, включая Arduino, Raspberry Pi и все сопутствующие электронные устройства. Нам также понравилось использовать Fusion 360 как шаг вперед по сравнению с TinkerCad при разработке куба. Этот проект был прекрасной возможностью нарезать себе зубы на некоторых новых платформах производителей. Мы были разбиты на команды дизайнеров, каждая из которых должна была сосредоточиться на одном аспекте куба роста. Мы разбили его на раму, крышку и опорную плиту, освещение, стены для выращивания, воду, вентиляторы и датчики окружающей среды. Мы сделали ссылки в нашем списке расходных материалов на все материалы, которые мы используем, если вам нужна помощь в визуализации деталей, которые обсуждаются в следующих шагах. Надеемся, вам понравится!

Запасы

Рамка:

• 1 "алюминиевый профиль 80/20
• Тройник гайки
• Опорные кронштейны
• Петли
• Совместимые с Т-каналом шарниры планера
• Направляющие для трубки и проволоки, совместимые с Т-образным каналом
• Магниты для удержания дверей закрытыми
• 3 геркона

Расти стены:

• Низкопрофильные каналы NFT Farm Tech
• Покрытия каналов NFT
• Гофрированные пластиковые листы
• Магниты для удержания съемных каналов на месте

Крышка:

• Гофрированный пластиковый лист
• Напечатанный на 3D-принтере светодиодный светильник для выращивания растений (Fusion 360)
• Пластиковые стойки и фурнитура для электроники

Осветительные приборы:

• Адресные неопиксельные полоски от Adafruit (60 светодиодов / м)
• Разъемы Neopixel
• Клипы Neopixel
• Развязывающий конденсатор 330 мкФ, 35 В
• Резистор 1 кОм
• Посеребренная лента из алюминиевой фольги HVAC
• Бак-конвертер

Вода: (Наша любимая функция):

• 2 шаговых двигателя Nema 17
• Adafruit Stepper Shield для Arduino
• Шприцевой насос с линейным приводом, напечатанный на 3D-принтере (Fusion 360)
• 2 шприца по 100-300 мл
• Трубки с соединениями Люэра и тройниковыми / угловыми соединениями
• 2 ходовых винта и гайки T8 300 мм x 8 мм
• 2 х слетела муфта
• 2 х опорных подшипниковых узла
• Направляющие вала стержня линейного перемещения 4 x 300 мм x 8 мм
• Линейные подшипники 4 x 8 мм LM8UU
• 4 емкостных резистивных датчика влажности DF Robot для контроля почвы и управления шприцевыми насосами

Циркуляция воздуха:

• 2 вентилятора по 5 дюймов на 12 В
• Крышки фильтров вентилятора 5 дюймов
• 2 транзистора Дарлингтона TIP120 и радиаторы
• Блок питания 12 В
• Адаптер подключения цилиндрического разъема для монтажа на панели
• 2 резистора по 1 кОм
• 2 х обратных диода
• 2 электролитических развязывающих конденсатора по 330 мкФ, 35 В
• Датчик температуры и влажности DHT22 с резистором 4,7 кОм

Электроника:

• Raspberry Pi 3B + с моторной шляпой
• SD-карта на 8 ГБ
• Ардуино Мега
• Макетная плата Adafruit Perma-Pro
• 2 ЖК-дисплея 20x4 i2C
• Многожильные соединительные провода 22AWG
• Комплект разъемов Dupont
• Датчик качества воздуха Adafruit SGP30 с eCO2

Инструменты:

• Паяльник
• Комплект припоя
• Рука помощи
• Инструменты для обжима и зачистки проводов
• Отвертки
• Кофе (для мистера Регини)

Шаг 1. Шаг 1. Создание рамы

Рама будет сконструирована из легких алюминиевых профилей с швеллерными швеллерами 1 дюйм 80/20 т. Она будет удерживаться вместе с помощью алюминиевых колен и t-гаек. Помимо снижения веса, каналы будут действовать как направляющие для нашей воды. линии и проводка.

Куб будет опираться на рельсы, снабженные скользящими соединениями, которые позволят вынуть куб из стены, чтобы открыть не только его переднюю грань, но и обе стороны. Вдохновение для этого пришло от одного из наших студентов, который подумал о полке для специй в кухонном шкафу у себя дома.

Используя простые петли, спереди и по бокам будут дверцы, которые можно будет распахнуть, когда куб будет вытягиваться по направляющим. В закрытом состоянии они удерживаются на месте магнитами. Все 6 панелей этого куба съемные, так как все грани также удерживаются на месте магнитами. Целью этого выбора дизайна было обеспечение легкого доступа ко всем поверхностям для посева, обслуживания растений, сбора данных, сбора урожая и очистки / ремонта.

Вы можете увидеть наш дизайн панелей на следующем шаге.

Шаг 2: Шаг 2: Построение стенок для выращивания

Первым делом мы подумали о материалах, которые будут использоваться для самих стен. Мы знали, что они должны быть легкими, но достаточно прочными, чтобы поддерживать растения. Белый гофрированный пластик был выбран вместо прозрачного акрила, хотя нам нравились фотографии V. E. G. G. I. E, где мы могли видеть растения внутри. Причина этого решения заключалась в том, что большая часть обзора будет закрыта каналами растений, и мы хотели отразить как можно больше света от наших светодиодов. Эта логика пришла из осмотра установки, которую мы отправили в рамках нашего участия в GBE. Как было сказано в предыдущем шаге, эти пластины прикреплены к алюминиевой раме с помощью магнитов, поэтому их можно легко снять.

К этим пластинам прикреплены три канала низкопрофильных рельсов для выращивания NFT, которые мы используем в нашей лаборатории гидропоники. Нам нравится этот выбор, потому что они изготовлены из тонкого ПВХ с крышками, которые легко снимаются для имплантации растущих подушек. Все среды для выращивания будут содержаться в специально разработанных подушках, которые, как мы видели, уже используются на МКС, когда мы читаем ДАННУЮ СТАТЬЮ. Вся обшивка между рельсами будет покрыта посеребренной изоляционной лентой для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, чтобы улучшить отражательную способность светильников для выращивания растений.

Наши отверстия имеют размер 1 3/4 дюйма и расположены на расстоянии 6 дюймов по центру. Это позволяет разместить 9 посадочных площадок на каждой из четырех панелей куба, что дает в общей сложности 36 растений. Мы постарались сохранить этот интервал в соответствии с тем, что у нас было красным о салате Outredgeous. Каналы снабжены прорезями для размещения наших датчиков влажности, которые будут контролировать влажность почвы и запрашивать воду из шприцевых насосов. Гидратация будет распределяться по каждой подушке для растений через медицинский трубопровод для полива, прикрепленный к этим насосам. Этот метод полива на основе шприца - это то, что мы исследовали как передовую практику как для точного полива, так и для преодоления проблем, связанных с окружающей средой с нулевой гравитацией или микрогравитацией. куб. Мы будем полагаться на капиллярность, чтобы помочь воде рассеяться по среде выращивания.

Наконец, мы хотели найти способ использовать опорную пластину. Мы создали небольшую губу на нижней грани, которая могла бы принять циновку для выращивания микро-зелени. Микро-зелень, как известно, содержит почти в 40 раз больше жизненно важных питательных веществ, чем их зрелые аналоги. Они могут оказаться очень полезными для диеты космонавтов. Это одна из статей, найденных нашими учениками о пищевой ценности микрозелени.

Шаг 3: Шаг 3: Полив растений

Мы ссылались на наши шприцевые насосы с линейным приводом на предыдущем шаге. Это, безусловно, наша любимая часть этой сборки. Шаговые двигатели NEMA 17 будут приводить в действие линейные приводы, которые будут нажимать на поршень двух шприцев объемом 100-300 куб. См на крышке куба для выращивания. Мы спроектировали кожухи двигателя, плунжерный привод и направляющую с помощью Fusion 360 после проверки некоторых замечательных проектов с открытым исходным кодом на Hackaday. Мы следовали этому руководству на удивительном веб-сайте Adafruit, чтобы узнать, как управлять двигателями.

Мы хотели найти способ освободить космонавтов от полива. Шаговые двигатели активируются, когда растения в системе требуют собственной воды. 4 емкостных датчика влажности вставлены в подушки для растений в различных местах по всему кубику. На каждом участке посадки в системе есть слот для установки этих датчиков, врезанных в их каналы для выращивания. Это позволяет астронавтам выбирать и периодически менять расположение этих датчиков. Помимо максимальной эффективности распределения воды в системе, это позволит визуализировать, как каждое растение потребляет свою воду. Космонавты могут установить пороги влажности, чтобы полив можно было автоматизировать в соответствии с их потребностями. Шприцы прикреплены к основному поливочному коллектору с помощью соединений с замком Люэра для легкого наполнения. Сами панели для выращивания используют аналогичный протокол подключения к коллектору для полива, поэтому их можно легко удалить из куба.

Данные, собранные датчиками, можно считывать локально на ЖК-экране 20x4, прикрепленном к крышке, или удаленно, где они собираются, отображаются и отображаются в виде графиков благодаря интеграции системы с платформами IOT Cayenne или Adafruit. Arduino отправляет свои данные на бортовой Raspberry Pi с помощью USB-кабеля, который затем попадает в Интернет с помощью WiFi-карты Pi. На этих платформах можно установить оповещения, чтобы уведомить астронавтов, когда какая-либо из наших системных переменных вышла за пределы своих предустановленных пороговых значений.

Шаг 4: Шаг 4: умная крышка с подсветкой и управлением вентилятором

Крышка нашего кубика для выращивания служит мозгом всей операции, а также служит корпусом для важнейших элементов выращивания. От нижней стороны крышки вниз проходит светодиодный корпус, напечатанный на 3D-принтере, который обеспечивает свет для каждой из стенок для выращивания растений, а также освещает верхнюю часть микроволокна снизу. Это снова было разработано в Fusion 360 и напечатано на нашем MakerBot. Каждый световой отсек вмещает 3 светодиодные ленты, которые защищены вогнутой опорой. Эта опора посеребрена изоляционной лентой HVAC, чтобы максимизировать ее отражательную способность. Проводка проходит вверх по центральной полой колонне для доступа к питанию и данным в верхней части крышки. Размер этого корпуса был выбран так, чтобы он имел площадь, позволяющую растениям, растущим вокруг него, достигать максимальной высоты 8 дюймов. Это число соответствует средней высоте зрелых салатов Outredgeous, которые мы выращиваем в наших вертикальных гидропонных садах в нашей лаборатории. Они могут достигать 12 дюймов в высоту, но мы полагали, что астронавты будут пастись на них, пока они растут, что делает этот куб, который вырастает и приходит снова.

Используемые нами неопиксели имеют индивидуальную адресацию, что означает, что мы можем управлять цветовым спектром, который они излучают. Это можно использовать для изменения спектров света, которые растения получают на разных стадиях роста или от вида к виду. Щиты предназначались для обеспечения различных условий освещения на каждой из стен, если это необходимо. Мы понимаем, что это не идеальная установка и что используемые нами источники света технически не являются огнями для выращивания растений, но мы чувствовали, что это хорошее доказательство концепции.

В верхней части крышки находятся два 5-дюймовых охлаждающих вентилятора на 12 В, которые обычно используются для контроля температуры компьютерных башен. Мы спроектировали его так, что один выталкивает воздух в систему, а другой действует как вытяжка. Они оба покрыты экраном с мелкой сеткой, чтобы гарантировать, что никакой мусор не вылетит и не попадет в среду дыхания космонавта. Вентиляторы отключаются, когда какой-либо из герконов, прикрепленных к дверям, открыт, чтобы предотвратить непреднамеренное загрязнение воздуха. Скорость вентиляторов контролируется через ШИМ с помощью Motor HAT на Raspberry pi. Вентиляторы могут быть условно ускорены или замедлены в зависимости от значений температуры или влажности, подаваемых на Pi встроенным датчиком DHT22 внутри куба. Эти показания снова можно просмотреть локально на ЖК-дисплее или удаленно на той же приборной панели IoT, что и датчики влажности.

Размышляя о фотосинтезе, мы также хотели учитывать уровни CO2 и общее качество воздуха в кубике для выращивания растений. С этой целью мы включили датчик SGP30 для мониторинга eCO2, а также общего содержания ЛОС. Они также отправляются на ЖК-дисплеи и панель управления IoT для визуализации.

Вы также увидите, что наша пара шприцевых насосов установлена на боковой стороне крышки. Их трубки направлены вниз по вертикальным каналам опорной рамы из алюминиевого профиля.

Шаг 5: Заключительные мысли и будущие итерации

Мы разработали Росомаху, используя знания, которые мы приобрели за время совместного выращивания продуктов питания. Мы автоматизируем наши сады в течение нескольких лет, и это была такая захватывающая возможность применить это к уникальной инженерной задаче. Мы понимаем, что у нашего дизайна скромное начало, но мы с нетерпением ждем возможности расти вместе с ним.

Одним из аспектов сборки, который мы не смогли завершить до крайнего срока, был захват изображений. Один из наших студентов экспериментировал с камерой Raspberry Pi и OpenCV, чтобы посмотреть, сможем ли мы автоматизировать определение здоровья растений с помощью машинного обучения. Мы, по крайней мере, хотели иметь возможность видеть растения, не открывая двери. Идея заключалась в том, чтобы включить механизм панорамирования-наклона, который мог бы вращаться вокруг нижней стороны верхней панели, чтобы захватывать изображения каждой растущей стены, а затем распечатывать их на приборной панели Adafruit IO для визуализации. Это также может сделать некоторые действительно крутые промежутки времени для выращивания сельскохозяйственных культур. Мы полагаем, что это всего лишь часть процесса инженерного проектирования. Всегда будет работать и улучшаться. Большое спасибо за возможность принять участие!