Trồng nhiều rau diếp trong ít không gian hơn hoặc Trồng rau diếp trong không gian, (nhiều hơn hoặc ít hơn).: 10 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Đây là bài dự thi chuyên nghiệp cho Cuộc thi Người sáng tạo, Ngày càng phát triển, được gửi thông qua Hướng dẫn.

Tôi không thể vui mừng hơn khi được thiết kế để sản xuất cây trồng không gian và đăng Bài hướng dẫn đầu tiên của tôi.

Để bắt đầu, cuộc thi yêu cầu chúng tôi.

“… Gửi một Tài liệu hướng dẫn chi tiết về thiết kế và xây dựng buồng phát triển thực vật của bạn, (1) vừa với thể tích 50cm x 50cm x 50cm, (2) chứa tất cả các tính năng cần thiết để duy trì sự phát triển của cây trồng, tức là ánh sáng nhân tạo, hệ thống tưới tiêu, và các phương tiện lưu thông không khí, và (3) sử dụng hiệu quả và sáng tạo thể tích bên trong để phù hợp và trồng thành công càng nhiều cây càng tốt.”

Sau khi đọc các yêu cầu của cuộc thi và các câu hỏi thường gặp, tôi đã đưa ra các giả định sau trong quá trình thiết kế.

Một lần tương tác được lên kế hoạch hàng tuần với “dự án” của Phi hành gia sẽ được chấp nhận và không làm mất tác dụng của khía cạnh điều khiển tự động trong tiêu chí cuộc thi.

PSU cho “dự án” có thể được đặt bên ngoài 50cm3, vì ISS sẽ cung cấp điện cho thiết bị, nếu thiết bị ở trong không gian. Việc làm mát cho đèn LED bên trong “dự án” có thể bắt nguồn từ bên ngoài 50cm3, vì ISS có thể cung cấp khả năng làm mát cho thiết bị, nếu thiết bị ở trong không gian.

“Người dùng” có thể có quyền truy cập không hạn chế vào trên cùng và 4 cạnh của khối lượng 50cm3 để bảo trì hàng tuần theo kế hoạch, nhưng không loại trừ các vấn đề ngoài kế hoạch, nếu vấn đề ngoài kế hoạch phát sinh với “dự án”.

Tiếp theo, tôi thu thập các thông số cho cuộc thi

Dữ liệu dự án

Nước: 100 mL / cây / ngày (gợi ý)

Ánh sáng: 300-400? Mol / M2 / s trong PAR 400-700nm (đề xuất)

Chu kỳ ánh sáng: 12/12

Loại ánh sáng: LED (đề xuất)

Lưu thông không khí: cho 2,35cf / 0,0665m3 (khu vực tăng trưởng theo thiết kế của tôi)

Nhiệt độ trên ISS: 65 đến 80˚F / 18,3 đến 26,7 ° C (để tham khảo)

Loại cây: Xà lách Romaine đỏ 'Outredgeous'

Kích thước cây trưởng thành: cao 15cm và đường kính 15cm

Hệ thống phát triển: (Lựa chọn của nhà thiết kế)

Quân nhu

Chúng tôi sẽ cần nguồn cung cấp

(Những phần này được sử dụng để làm bằng chứng cho khái niệm, chúng có thể KHÔNG được chấp thuận về du hành vũ trụ)

1 - 0,187”48” x96”ABS trắng

3 - Bộ điều khiển vi mô

1 - 1602 màn hình LCD

1 - Lá chắn Data Logger cho Nano

3 - Điện trở ảnh

4 - Cảm biến AM2302

1 - Cảm biến nhiệt độ DS18B20

1 - Cảm biến EC, Mức chất lỏng quang học 1 - 15mA 5V

1 - DS3231 cho Pi (RTC)

… Và nhiều nguồn cung cấp khác

1 - Bơm định lượng nhu động

Máy bơm nước 1 - 12V

1 - Bộ rung Piezo

Điện trở 3 - 220 Ohm

1 - Công tắc DPST

Máy tiệt trùng UVC 1 - 265-275nm

24 - 1½”mũ vệ sinh

1 - Giai đoạn khuấy từ lỏng / không khí

1 - Đầu điều khiển nhỏ giọt, 8 dòng

1 - Ống tưới nhỏ giọt

1 - Hộp chứa nước thay thế

1 - ½ ID ống PVC

70 - Vít để gắn đèn LED

Dây 18 AWG & 22 AWG

1 - Ống co lại

1 - Nhôm cho tản nhiệt LED

Công tắc xúc giác cao 5 - 6mm

Điện trở 4 - 1 Ohm, 1 Watt

1 - Pkg hạt giống Rau diếp "dị thường"

…và hơn thế nữa

Bo mạch Boost 1 - 400W

Đèn LED trắng 32 - 3W, (6000-6500k)

1 - 24V / 12V / 5V / 3.3V PSU

Quạt máy tính 8 - 40mm

Rơle cách ly 11 - 5V Opto

Điốt lùi 10 - 1N4007

24 - Phích cắm Rockwool

1 - Chất dinh dưỡng thủy canh

1 - Hộp đựng chất dinh dưỡng

1 - Tấm Mylar

… Và các công cụ

Dung môi để dán

Nhìn thấy

Cưa lỗ

Hàn sắt

Hàn

Máy khoan

Mũi khoan

Tua vít

Máy vi tính

cáp USB

Phần mềm Arduino IDE

Bước 1: So sánh Hệ thống “VEGGIE” hiện tại

Hệ thống “VEGGIE” trên ISS có thể trồng 6 đầu rau diếp trong 28 ngày (4 tuần). Nếu “VEGGIE” chạy trong 6 tháng, (thời gian trung bình một phi hành gia ở trên ISS) thì nó sẽ phát triển 36 đầu rau diếp và thêm 6 đầu nữa đã được hai tuần tuổi. Đối với một phi hành đoàn 3 người, đó là rau tươi hai lần một tháng.

Dự án GARTH sẽ trồng 6 lứa rau diếp trong 28 ngày (4 tuần). NHƯNG.. nếu nó chạy trong 6 tháng, nó sẽ trồng được 138 cây rau diếp, với 18 cây bổ sung trong các giai đoạn tăng trưởng khác nhau. Đối với một phi hành đoàn 3 người, đó là rau tươi 7½ lần một tháng, hoặc gần hai lần một tuần.

Nếu điều đó thu hút sự chú ý của bạn… chúng ta hãy xem xét kỹ hơn thiết kế

Bước 2: Dự án GARTH

Công nghệ tài nguyên tự động hóa tăng trưởng cho nghề làm vườn

(Hình ảnh của Dự án GARTH là một mô phỏng quy mô đầy đủ, được làm từ tấm lõi xốp của Dollar Store)

Dự án GARTH tối đa hóa năng suất thông qua việc sử dụng 4 khu vực tăng trưởng được tối ưu hóa riêng biệt. Nó cũng bao gồm các hệ thống điều khiển tự động về ánh sáng, chất lượng không khí, chất lượng nước và thay nước.

32, Đèn LED 6000K màu trắng cung cấp các yêu cầu Cải cách hành chính được đề xuất. Một hệ thống lưu thông không khí hai quạt và một hệ thống bốn quạt thông gió đã được kết hợp để duy trì môi trường bên trong và một hệ thống thủy canh màng mỏng dinh dưỡng (NTF) tự động, tự tối ưu hóa đã được chọn để nuôi và giám sát cây trồng. Nước thay thế bay hơi được giữ trong một bể chứa riêng biệt ở khu vực lưu trữ phía trên, gần bể chứa chất dinh dưỡng lỏng được khuấy liên tục, cần thiết để duy trì mức dinh dưỡng trong hệ thống thủy canh với sự hỗ trợ của phi hành gia. Tất cả điện năng đi vào, hoạt động và được phân phối từ khu vực lưu trữ phía trên.

Bước 3: Tính năng thiết kế

Bốn lĩnh vực tăng trưởng

Giai đoạn 1 (nảy mầm), đối với hạt 0-1 tuần tuổi, khoảng 750 cc không gian phát triển

Giai đoạn 2, dành cho cây 1-2 tuần tuổi, khoảng 3, 600 cc không gian sinh trưởng

Giai đoạn 3, dành cho cây 2-3 tuần tuổi, khoảng 11, 000 cc không gian sinh trưởng

Giai đoạn 4, dành cho cây 3-4 tuần tuổi, khoảng 45, 000 cc không gian sinh trưởng

(Khu vực Giai đoạn 1 và Giai đoạn 2 được kết hợp trên khay có thể tháo rời để thuận tiện cho việc trồng, bảo dưỡng và làm sạch)

Bước 4: Hệ thống chiếu sáng

Ánh sáng rất khó khăn nếu không có máy đo PAR, may mắn thay cuộc thi có ông Dewitt ở Vườn bách thảo nhiệt đới Fairchild, để giải quyết các câu hỏi. Anh ấy hướng dẫn tôi đến những biểu đồ rất hữu ích và những biểu đồ đó cũng dẫn tôi đến led.linear1. Với các biểu đồ và trang web, tôi có thể tính toán nhu cầu chiếu sáng và mạch điện của mình.

Thiết kế của tôi sử dụng điện áp nguồn 26,4V để chạy 4 dãy đèn LED 8, 3 watt mắc nối tiếp với điện trở 1 ohm, 1 watt. Tôi sẽ sử dụng nguồn cung cấp 24V và bộ chuyển đổi Boost để nâng dòng điện không đổi lên 26,4V. (Trên ISS, thiết kế của tôi sẽ sử dụng 27V có sẵn và một bộ chuyển đổi Buck để giảm điện áp và cung cấp dòng điện không đổi là 26,4V)

Đây là danh sách các bộ phận của hệ thống chiếu sáng.

Đèn LED 32, trắng 6000-6500k, 600mA, DC 3V – 3,4V, 3W

Điện trở 4, 1 ohm - 1W

Bộ chuyển đổi 1, 12A 400W Boost

Quạt 1, 40mm

1, nhiệt điện trở

1, DS3231 cho Pi (RTC) hoặc datalogger

Dây 18 AWG

… Và đây là cách tôi dự định sử dụng ba mươi hai đèn LED 3W đó.

Một đèn LED ở Giai đoạn 1, bốn ở Giai đoạn 2 và chín ở Giai đoạn 3. Mười tám đèn LED cuối cùng sẽ chiếu sáng Giai đoạn 4 và đưa chúng ta đến tổng cộng 96 watt ánh sáng ở mức xấp xỉ 2,4 amps.

Bước 5: Hệ thống thông gió và tuần hoàn không khí

(Hãy nhớ hệ thống ống nước và hệ thống dây điện chưa hoàn chỉnh. Đây là những bức ảnh mô phỏng hệ thống được đề xuất)

Sự lưu thông đạt được với hai quạt 40mm. Một quạt đẩy thổi vào Tầng 4 từ ống dẫn ở phía trên bên trái phía sau. Không khí sẽ chảy qua Giai đoạn 4 và vào phía trước của Giai đoạn 3, sau đó qua Giai đoạn 3 và ra phía sau (lên và xung quanh Giai đoạn 1, thông qua một ống dẫn ngắn) vào phía sau của Giai đoạn thứ hai. Một quạt kéo trong ống dẫn phía trên Tầng thứ 2, sẽ hút không khí qua Tầng thứ 2 và ra góc trên bên phải phía trước. Hoàn thiện hành trình qua hệ thống lưu thông không khí.

Lỗ thông hơi của Giai đoạn 4 sẽ trực tiếp ra bức tường phía sau phía trên. Giai đoạn 3 cũng sẽ thông qua bức tường phía sau phía trên của nó. Giai đoạn 2 sẽ được thông hơi thẳng qua đỉnh và Giai đoạn nảy mầm (Giai đoạn 1) sẽ thông ra bức tường phía sau, tương tự như Giai đoạn 3 và 4.

Bước 6: Hệ thống thủy canh NFT

(Đầu dò EC, đầu dò nhiệt độ, cảm biến mức chất lỏng, ống thay thế bay hơi từ bể chứa nước ngọt và ống nối máy bơm bể phốt với các kênh, tất cả sẽ được đặt ở đây trong bể chứa nhưng không được hiển thị trong ảnh này)

Hệ thống bao gồm bể chứa 9.000 + ml / cc, bể chứa nước ngọt 7, 000 + ml // cc để thay thế bay hơi, máy bơm nước 12V 800L / giờ, máy khử trùng UV-C để tiêu diệt bất kỳ tảo nào trong nước xâm nhập vào Ống góp dòng điều chỉnh 8 cổng, tháp sục khí với quạt dòng ngược chiều để sục khí nước chảy xuống từ giai đoạn 2 và nước xả giai đoạn khuấy, cảm biến mức chất lỏng, cảm biến EC, cảm biến nhiệt độ nước, bơm nhu động định lượng từ bể chứa chất dinh dưỡng, một giai đoạn khuấy để giữ các chất dinh dưỡng trong dung dịch trong bể chứa và năm máng hoặc kênh tăng trưởng. Năm kênh tăng trưởng, giai đoạn khuấy, tháp sục khí nhận nước từ ống góp dòng điều chỉnh 8 cổng. tắt máy bơm nước, máy tiệt trùng UV-C và máy hút dinh dưỡng bơm nhu động. Điều này sẽ cho phép "Người dùng" làm việc an toàn trên hệ thống thủy canh mà không gây nguy hiểm cho bản thân hoặc cây trồng.

Bước 7: Hệ thống cung cấp chất dinh dưỡng tự động

Tôi đang sử dụng “Dụng cụ pha dinh dưỡng Arduino tự động tối ưu hóa” do Michael Ratcliffe phát triển cho dự án này. Tôi đã điều chỉnh bản phác thảo của anh ấy cho hệ thống và phần cứng của mình và tôi đang sử dụng “Đồng hồ đo EC - PPM ba đô la” của Michael làm cảm biến EC của mình.

Thông tin hoặc hướng dẫn cho cả hai dự án này có thể được tìm thấy tại: element14, hackaday hoặc michaelratcliffe

Bước 8: Điện tử của các hệ thống tự động hóa

Hệ thống chiếu sáng sẽ sử dụng bộ điều khiển vi mô Arduino, một DS3231 cho Pi (RTC), một mô-đun 4 rơ le, bốn điện trở 1 ohm - 1 watt, ba mươi hai đèn LED trắng 3W, một bộ chuyển đổi Boost 400W, ba điện trở quang, một máy tính 40mm quạt và một điện trở nhiệt. Bộ điều khiển vi mô sẽ sử dụng RTC để hẹn giờ đèn trong chu kỳ 12 giờ bật, 12 giờ tắt. Nó sẽ theo dõi mức độ ánh sáng trong các giai đoạn thứ 2, 3 và 4 bằng điện trở quang và cảnh báo bằng cảnh báo LED / piezo, nếu nó phát hiện mức ánh sáng yếu trong bất kỳ giai đoạn nào, trong khi đèn đang bật. Nhiệt độ của bảng điều khiển LED sẽ được theo dõi bởi một điện trở nhiệt được kết nối thẳng hàng với quạt 40mm và sẽ tự động bắt đầu làm mát khi phát hiện đủ nhiệt.

Hệ thống cung cấp chất dinh dưỡng được phát triển bởi Michael Ratcliffe. Hệ thống sử dụng Arduino Mega, một trong những ý tưởng thăm dò EC của Michael, một tấm chắn hiển thị bàn phím LCD 1602, một cảm biến nhiệt độ nước DS18B20, một bơm định lượng nhu động 12V và một rơ le cách ly quang 5V. Tôi đã thêm một cảm biến mức chất lỏng quang học. Hệ thống sẽ theo dõi EC và nhiệt độ nước và kích hoạt bơm nhu động để định lượng chất dinh dưỡng khi cần thiết. Bộ điều khiển vi mô sẽ theo dõi mực nước trong bể chứa và cảnh báo bằng đèn LED / cảnh báo piezo nếu nhiệt độ nước của bể chứa vượt quá phạm vi người dùng cài đặt, nếu dữ liệu cảm biến EC nằm ngoài phạm vi người dùng cài đặt lâu hơn mức người dùng cài đặt trong khoảng thời gian hoặc nếu mực nước của bể chứa giảm xuống dưới mức người dùng thiết lập.

Hệ thống Lưu thông không khí sẽ bao gồm một bộ vi điều khiển Arduino, bốn cảm biến AM2302, sáu quạt máy tính 40mm (hai quạt lưu thông không khí cho các Giai đoạn thứ 2, 3 và 4 và 4 quạt thông gió), một bộ khử trùng UV-C và sáu rơ le cách ly opto 5V (Dành cho người hâm mộ). Bộ điều khiển sẽ theo dõi nhiệt độ và độ ẩm không khí trong cả 4 Giai đoạn và tự động khởi động hệ thống tuần hoàn hai quạt hoặc các quạt thông gió từng giai đoạn khi cần thiết để giữ nhiệt độ và độ ẩm trong phạm vi người dùng cài đặt. Bộ điều khiển cũng sẽ thiết lập và kiểm soát thời gian của máy tiệt trùng UV-C và duy trì cảnh báo LED / piezo trong trường hợp nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt quá mức người dùng cài đặt trong bất kỳ 4 Giai đoạn nào.

Bước 9: Xây dựng

Vỏ 50 cm3, các kênh, hồ chứa thay thế bốc hơi nước ngọt, tháp sục khí, ống lưu thông không khí trung tâm, ngăn kéo Giai đoạn 1 & 2, các thanh giằng mái (không được hiển thị) và hầu hết các cấu trúc hỗ trợ khác, sẽ được xây dựng từ 0,187” ABS màu đen. Các tấm rèm phía trước cho các sân khấu được hiển thị trong phim Mylar trên mô hình, nhưng rất có thể sẽ được làm từ acrylic hoặc polycarbonate phủ phản chiếu trên nguyên mẫu thực tế. Hệ thống chiếu sáng (không được hiển thị nhưng bao gồm 4 dãy đèn LED 8, 3W mắc nối tiếp) sẽ được gắn trên tấm nhôm xấp xỉ 0,125 "với ống đồng 0,125" được hàn ở mặt trên để làm mát bằng chất lỏng, (bộ làm mát sẽ đi vào và thoát ra từ phía sau của đơn vị để tách bộ làm mát không liên quan đến cuộc thi). Đường ống dẫn nước LSNG đến Giai đoạn 1 & 2 (không được hiển thị trong bất kỳ bức ảnh nào nhưng) sẽ được gắn qua kết nối nhanh ở phía trước của Giai đoạn 2.

Bộ chuyển đổi tăng cường (được hiển thị trong ảnh của khu vực lưu trữ trên cùng) có thể được đặt lại bên dưới khay nảy mầm (Giai đoạn 1) để cung cấp thêm nhiệt cho quá trình nảy mầm. AM2302, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (không được hiển thị), sẽ được đặt ở vị trí cao trong mỗi Giai đoạn (ngoài đường lưu thông không khí được lên kế hoạch thường xuyên)

Thiết kế có vẻ như không suy nghĩ về không gian,

Nhưng đó không phải là trường hợp. Hệ thống LSNG của tôi được mô tả ở đây không được tối ưu hóa hoặc sửa đổi cho không gian, nhưng hệ thống thủy canh NTF là ứng cử viên nghiêm túc cho các nhu cầu đặc biệt của cây trồng không gian trong không trọng lực và tôi có ý tưởng để tối ưu hóa không gian.

Cuộc thi yêu cầu chúng tôi thiết kế một hệ thống trồng nhiều cây hơn trong một không gian xác định và tự động hóa thiết kế càng nhiều càng tốt.

Các thiết kế được chọn cho Giai đoạn 2 sẽ cần phải trồng cây trên đất trước. Tôi tin rằng thiết kế của tôi đáp ứng tất cả các yêu cầu của cuộc thi và thực hiện nó đồng thời tôn trọng không gian thực sự cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, lưu thông không khí, kiểm soát môi trường tự động và lượng vật tư tiêu hao cho cây trồng trong một tuần. Tất cả trong không gian 50 cm3 mà chúng tôi đã được đưa ra.

Bước 10: Kết thúc

Việc tự động hóa Dự án GARTH giảm sự chú ý cần thiết xuống một lần một tuần.

Giảm bảy lần bảo trì so với hệ thống "VEGGIE".

Sáu nhà máy bắt đầu hàng tuần trong Dự án GARTH.

Sản lượng tăng gấp bốn lần, so với sáu nhà máy được khởi động hàng tháng trong hệ thống “VEGGIE”.

Tôi coi những thay đổi này là Hiệu quả, Sáng tạo và Hiệu quả.

Tôi hy vọng bạn cũng sẽ thế.

Về nhì trong Cuộc thi Phát triển Ngoài Trái đất