Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube cho ISS: 5 bước

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

Chúng tôi là trường cấp hai West Hollow từ Long Island, NY. Chúng tôi là những kỹ sư đầy tham vọng gặp nhau mỗi tuần một lần trong câu lạc bộ có tên là Hack the Hollow, nơi chúng tôi thiết kế, viết mã và xây dựng một số dự án của nhà sản xuất. Bạn có thể xem tất cả các dự án chúng tôi thực hiện TẠI ĐÂY. Trọng tâm chính của chúng tôi là nghiên cứu tương lai của robot thực phẩm và môi trường. Chúng tôi đã lắp ráp và duy trì một trang trại thủy canh thẳng đứng tự động ở phía sau phòng thí nghiệm khoa học của chúng tôi với giáo viên của chúng tôi, ông Regini. Chúng tôi cũng đã tham gia chương trình GBE trong hai năm qua. Chúng tôi biết rằng thử thách này dành cho học sinh trung học, nhưng chúng tôi quá vui mừng khi đợi hai năm nữa để giới thiệu với các bạn về Người Sói, được đặt theo tên linh vật của trường chúng tôi. Đây là loại những gì chúng tôi làm!

Trong dự án này, bạn sẽ tìm thấy rất nhiều thứ chúng tôi thích sử dụng bao gồm Arduino, Raspberry Pi và tất cả các tiện ích điện tử đi kèm với chúng. Chúng tôi cũng rất thích sử dụng Fusion 360 như một bước tiến từ TinkerCad để thiết kế khối lập phương. Dự án này là một cơ hội hoàn hảo để chúng tôi hoàn thiện một số nền tảng nhà sản xuất mới. Chúng tôi được chia thành các nhóm thiết kế, mỗi nhóm phải tập trung vào một khía cạnh của Grow Cube. Chúng tôi đã chia nhỏ nó thành khung, nắp và tấm đế, chiếu sáng, trồng tường, nước, quạt và cảm biến môi trường. Chúng tôi đã tạo các liên kết trong danh sách vật tư của chúng tôi tới tất cả các vật liệu mà chúng tôi đang sử dụng nếu bạn cần trợ giúp để hình dung các bộ phận được thảo luận trong các bước tiếp theo. Chúng tôi hy vọng bạn thích!

Quân nhu

Khung:

• 1 "80/20 nhôm đùn
• Tee hạt
• Dấu ngoặc hỗ trợ
• Bản lề
• Các khớp lượn tương thích kênh T
• Hướng dẫn ống và dây dẫn tương thích kênh T
• Nam châm để giữ cửa đóng lại
• 3 x công tắc sậy từ tính

Phát triển tường:

• Các kênh NFT cấu hình thấp của Farm Tech
• Kênh NFT bao gồm
• Tấm nhựa sóng
• Nam châm để giữ các kênh có thể tháo rời tại chỗ

Nắp:

• Tấm nhựa sóng
• Đèn LED phát triển 3D in 3D (Fusion 360)
• Chân đế nhựa và phần cứng cho thiết bị điện tử

Thắp sáng:

• Dải neopixel địa chỉ từ Adafruit (60LED / m)
• Đầu nối Neopixel
• Neopixel clip
• Tụ tách 330uF, 35V
• Điện trở 1K ohm
• Băng nhôm lá nhôm HVAC tráng bạc
• dụng cụ đổi tiền

Nước: (Tính năng yêu thích của chúng tôi):

• 2 x Nema 17 Động cơ bước
• Adafruit Stepper Shield cho Arduino
• Bơm tiêm truyền động tuyến tính in 3D (Fusion 360)
• 2 x 100-300mL ống tiêm
• Ống với các kết nối khóa Luer và khớp tee / khuỷu tay
• 2 x 300mm x 8mm T8 vít và đai ốc
• 2 x bộ ghép nối bay
• 2 x gối đỡ khối
• Thanh dẫn hướng trục thanh chuyển động thẳng 4 x 300mm x 8mm
• Vòng bi tuyến tính 4 x 8mm LM8UU
• 4 x DF Robot cảm biến độ ẩm điện dung để theo dõi đất và điều khiển bơm ống tiêm

Lưu thông không khí:

• Quạt 2 x 5 "12V
• 5 "nắp bộ lọc quạt
• 2 x bóng bán dẫn TIP120 Darlington và tản nhiệt
• Nguồn điện 12V
• Bảng điều khiển kết nối giắc cắm thùng
• Điện trở 2 x 1K ohm
• 2 x điốt flyback
• 2 x 330uF, tụ điện phân tách 35V
• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 với điện trở 4,7K ohm

Thiết bị điện tử:

• Raspberry Pi 3B + w / HAT động cơ
• Thẻ SD 8GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 x 20x4 i2C LCD
• 22AWG dây kết nối bện
• Bộ kết nối Dupont
• Cảm biến chất lượng không khí Adafruit SGP30 w / eCO2

Công cụ:

• Hàn sắt
• Bộ hàn
• Giúp đỡ
• Dụng cụ uốn và tuốt dây điện
• Tua vít
• Cà phê (cho Mr. Regini)

Bước 1: Bước 1: Xây dựng khung

Khung sẽ được xây dựng bằng cách sử dụng đùn nhôm kênh 1 80/20 t trọng lượng nhẹ. Nó sẽ được giữ cùng với các khớp khuỷu nhôm và đai ốc. Ngoài việc giữ trọng lượng xuống, các kênh sẽ hoạt động như đường dẫn nước của chúng ta đường dây và hệ thống dây điện.

Khối lập phương sẽ nằm trên một bộ thanh ray được trang bị các khớp trượt cho phép khối lập phương được tách ra khỏi tường để lộ ra không chỉ mặt trước của nó mà cả hai mặt của nó. Cảm hứng cho điều này đến từ một trong những sinh viên của chúng tôi nghĩ về giá đựng gia vị trong tủ bếp ở nhà của mình.

Sử dụng bản lề đơn giản, phía trước và hai bên sẽ có cửa có thể xoay mở khi khối lập phương được kéo ra trên đường ray của nó. Chúng được giữ cố định bằng nam châm khi đóng lại. Tất cả 6 tấm của khối lập phương này đều có thể tháo rời vì tất cả các mặt đều được giữ cố định bằng nam châm. Mục đích của lựa chọn thiết kế này là cho phép dễ dàng truy cập vào tất cả các bề mặt để gieo hạt, bảo dưỡng cây trồng, thu thập dữ liệu, thu hoạch và làm sạch / sửa chữa.

Bạn có thể xem thiết kế của chúng tôi cho các tấm trong bước tiếp theo.

Bước 2: Bước 2: Xây tường tăng trưởng

Yếu tố đầu tiên chúng tôi nghĩ đến là vật liệu sử dụng cho các bức tường. Chúng tôi biết chúng cần phải có trọng lượng nhẹ, nhưng đủ mạnh để nâng đỡ cây. Nhựa sóng trắng được chọn thay cho acrylic trong suốt mặc dù chúng tôi yêu thích những bức tranh của V. E. G. G. I. E nơi chúng tôi có thể nhìn thấy cây cối bên trong. Lý do cho quyết định này là vì phần lớn tầm nhìn sẽ bị các kênh thực vật che khuất và chúng tôi muốn phản chiếu lại càng nhiều ánh sáng từ đèn LED của chúng tôi càng tốt. Logic này đến từ việc kiểm tra đơn vị mà chúng tôi đã được cử đi như một phần của sự tham gia GBE của chúng tôi. Như đã nêu ở bước trước, các tấm này được giữ vào khung nhôm bằng nam châm để có thể dễ dàng tháo ra.

Được gắn vào các tấm này là ba kênh ray trồng NFT cấu hình thấp mà chúng tôi sử dụng trong phòng thí nghiệm thủy canh của mình. Chúng tôi thích sự lựa chọn này vì chúng được làm bằng PVC mỏng với các lớp phủ dễ dàng trượt ra để cấy các gối đang phát triển. Tất cả giá thể trồng trọt sẽ được chứa trong những chiếc gối được thiết kế đặc biệt mà chúng tôi thấy đã được sử dụng trên ISS khi chúng tôi đọc BÀI VIẾT NÀY. Tất cả các tấm ốp giữa các đường ray sẽ được phủ trong băng cách nhiệt HVAC bạc để thúc đẩy khả năng phản xạ của đèn phát triển.

Các khe hở của chúng tôi là 1 3/4 và cách nhau 6 inch ở tâm. Điều này cho phép 9 vị trí trồng trên mỗi ô trong số bốn ô của khối lập phương mang lại tổng số 36 cây. Chúng tôi đã cố gắng giữ khoảng cách này phù hợp với những gì chúng tôi có màu đỏ Giới thiệu về Outredgeous lettuces. Các kênh được đục lỗ để chấp nhận các cảm biến độ ẩm của chúng tôi sẽ theo dõi độ ẩm của đất và kêu gọi nước từ các máy bơm ống tiêm. Nước sẽ được phân phối đến từng gối cây thông qua một ống dẫn nước y tế gắn với các máy bơm này. Phương pháp tưới nước dựa trên ống tiêm này là phương pháp mà chúng tôi đã nghiên cứu như một phương pháp tốt nhất cho cả việc tưới nước chính xác cũng như vượt qua những thách thức của môi trường không / vi trọng lực. Ống sẽ đi vào đế của gối cây để thúc đẩy sự phát triển của rễ hướng ra bên ngoài khối lập phương. Chúng tôi sẽ dựa vào độ mao dẫn để giúp nước khuếch tán khắp chất trồng.

Cuối cùng, chúng tôi muốn tìm cách tận dụng tấm đế. Chúng tôi đã tạo ra một cái môi nhỏ ở mặt dưới có thể chấp nhận một tấm thảm trồng để trồng vi sinh. Rau xanh vi sinh được biết là có chất dinh dưỡng quan trọng hơn gần 40 lần so với các loại rau trưởng thành. Những điều này có thể chứng minh rất có lợi cho chế độ ăn uống của các phi hành gia. Đây là một bài báo mà sinh viên của chúng tôi tìm thấy về giá trị dinh dưỡng của rau xanh vi sinh.

Bước 3: Bước 3: Tưới nước cho cây

Chúng tôi đã tham khảo các máy bơm ống tiêm truyền động tuyến tính của chúng tôi trong bước trước. Đây là phần yêu thích của chúng tôi trong bản dựng này. Các động cơ bước NEMA 17 sẽ truyền động các bộ truyền động tuyến tính sẽ tác động vào pít tông của hai ống tiêm 100cc-300cc trên nắp của khối tăng trưởng. Chúng tôi đã thiết kế vỏ động cơ, bộ điều khiển pít tông và giàn dẫn hướng bằng cách sử dụng Fusion 360 sau khi kiểm tra một số dự án mã nguồn mở tuyệt vời trên Hackaday. Chúng tôi đã làm theo hướng dẫn này trên trang web tuyệt vời của Adafruit để tìm hiểu cách lái động cơ.

Chúng tôi muốn tìm cách giải phóng các phi hành gia khỏi nhiệm vụ tưới nước. Các bước được kích hoạt khi các cây trong hệ thống tự tìm nước. 4 cảm biến độ ẩm điện dung được cắm vào gối cây ở nhiều vị trí khác nhau trong toàn bộ khối trồng. Mỗi vị trí trồng trong hệ thống đều có một khe để nhận các cảm biến này được ghép vào các kênh trồng của chúng. Điều này cho phép các phi hành gia lựa chọn và thay đổi vị trí của các cảm biến này. Ngoài việc tối đa hóa hiệu quả mà nước được phân phối trong hệ thống, nó sẽ cho phép hình dung về cách mỗi nhà máy đang tiêu thụ nước của mình. Các ngưỡng độ ẩm có thể được thiết lập bởi các phi hành gia để việc tưới nước có thể được tự động hóa theo nhu cầu của họ. Các ống tiêm được gắn vào ống dẫn nước chính với các kết nối khóa Luer để dễ dàng nạp đầy. Bản thân các tấm trồng sử dụng một giao thức kết nối tương tự với ống góp tưới nước để có thể dễ dàng tháo chúng ra khỏi khối lập phương.

Dữ liệu được thu thập bởi các cảm biến có thể được đọc cục bộ trên màn hình LCD 20x4 được gắn vào nắp hoặc từ xa nơi dữ liệu được thu thập, hiển thị và vẽ biểu đồ nhờ sự tích hợp của hệ thống với nền tảng IO IoT của Cayenne hoặc Adafruit. Arduino gửi dữ liệu của nó đến Raspberry Pi trên bo mạch bằng cáp USB, sau đó truy cập Internet bằng thẻ WiFi của Pi. Cảnh báo có thể được đặt trên các nền tảng này để thông báo cho các phi hành gia khi bất kỳ biến hệ thống nào của chúng tôi đã thoát khỏi các giá trị ngưỡng đặt trước của chúng.

Bước 4: Bước 4: Nắp thông minh có điều khiển ánh sáng và quạt

Nắp của khối phát triển của chúng tôi đóng vai trò là bộ não của toàn bộ hoạt động cũng như cung cấp vỏ cho các phần tử phát triển quan trọng. Mở rộng xuống từ mặt dưới của nắp là một vỏ đèn LED in 3D cung cấp ánh sáng cho từng tấm tường trồng cũng như chiếu sáng phía trên cho tấm thảm vi sinh ở phía dưới. Điều này một lần nữa được thiết kế trong Fusion 360 và được in trên MakerBot của chúng tôi. Mỗi khoang đèn chứa 3 dải đèn LED được che chắn bởi một giá đỡ lõm. Giá đỡ này được phủ bạc bằng băng cách nhiệt HVAC để tối đa hóa khả năng phản xạ của nó. Hệ thống dây điện đi lên một cột rỗng trung tâm để truy cập nguồn điện và dữ liệu trên đỉnh nắp. Kích thước của ngôi nhà này đã được chọn để có một dấu chân cho phép các cây trồng xung quanh nó đạt được chiều cao tối đa là 8 inch. Con số này được tìm thấy là chiều cao trung bình của những con cá tuế Outredgeous trưởng thành mà chúng tôi trồng trong các khu vườn thủy canh thẳng đứng trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Chúng có thể cao tới 12 inch, nhưng chúng tôi cho rằng các phi hành gia sẽ chăn thả trên chúng khi chúng lớn lên khiến nó trở thành một khối lập phương có thể cắt và mọc lại.

Các neopixel mà chúng tôi đang sử dụng có thể định địa chỉ riêng, có nghĩa là chúng tôi có thể kiểm soát phổ màu mà chúng phát ra. Điều này có thể được sử dụng để thay đổi quang phổ ánh sáng mà thực vật nhận được trong các giai đoạn phát triển khác nhau của chúng hoặc từ loài này sang loài khác. Các tấm chắn nhằm cho phép các điều kiện ánh sáng khác nhau trên mỗi bức tường nếu cần thiết. Chúng tôi hiểu rằng đây không phải là một thiết lập hoàn hảo và đèn chúng tôi đang sử dụng không phải là đèn phát triển về mặt kỹ thuật, nhưng chúng tôi cảm thấy đây là một bằng chứng tốt đẹp về khái niệm.

Phần trên cùng của nắp có hai quạt làm mát 5 inch 12V thường được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ của tháp máy tính. Chúng tôi thiết kế nó để một cái đẩy không khí vào hệ thống trong khi cái kia hoạt động như hút khí. Cả hai đều được bao phủ bởi một tấm lưới mịn để đảm bảo rằng không có mảnh vỡ nào được kéo ra ngoài và đi vào môi trường thở của phi hành gia. Quạt sẽ tắt khi bất kỳ công tắc sậy từ gắn với cửa nào đang mở để ngăn không khí nhiễm bẩn không chủ ý. Tốc độ của quạt được điều khiển thông qua PWM sử dụng Motor HAT trên Raspberry pi. Quạt có thể được tăng tốc hoặc giảm tốc độ có điều kiện dựa trên các giá trị nhiệt độ hoặc độ ẩm được cung cấp cho Pi bởi cảm biến DHT22 được nhúng bên trong khối lập phương. Các chỉ số này có thể được xem lại cục bộ trên màn hình LCD hoặc từ xa trên bảng điều khiển IoT giống như các cảm biến độ ẩm.

Khi nghĩ về quang hợp, chúng tôi cũng muốn tính đến mức CO2 và chất lượng không khí tổng thể trong khối trồng trọt. Để đạt được mục tiêu này, chúng tôi đã bao gồm một cảm biến SGP30 để theo dõi eCO2 cũng như tổng VOC. Chúng cũng được gửi đến màn hình LCD và bảng điều khiển IoT để hiển thị.

Bạn cũng sẽ thấy rằng cặp bơm tiêm của chúng tôi được gắn dọc theo mặt bên của nắp. Đường ống của chúng được hướng xuống các kênh dọc của khung đỡ đùn nhôm.

Bước 5: Suy nghĩ kết thúc và lặp lại trong tương lai

Chúng tôi đã thiết kế Wolverine bằng cách sử dụng kiến thức mà chúng tôi có được từ thời gian chúng tôi cùng nhau trồng thực phẩm. Chúng tôi đã tự động hóa khu vườn của mình trong vài năm và đây là một cơ hội thú vị để áp dụng điều này vào một nhiệm vụ kỹ thuật độc đáo. Chúng tôi hiểu rằng thiết kế của chúng tôi có những khởi đầu khiêm tốn, nhưng chúng tôi mong muốn được phát triển cùng với nó.

Một khía cạnh của việc xây dựng mà chúng tôi không thể hoàn thành trước thời hạn là chụp ảnh. Một trong những sinh viên của chúng tôi đã thử nghiệm với máy ảnh Raspberry Pi và OpenCV để xem liệu chúng tôi có thể tự động phát hiện sức khỏe thực vật bằng cách học máy hay không. Ít nhất chúng tôi cũng muốn có một cách để xem cây cối mà không cần phải mở cửa. Ý tưởng là bao gồm một cơ chế xoay nghiêng có thể xoay quanh mặt dưới của bảng điều khiển trên cùng để chụp ảnh của từng bức tường trồng và sau đó in chúng lên bảng điều khiển IO của Adafruit để hiển thị. Điều này cũng có thể làm cho một số thời gian trôi đi thực sự thú vị của các loại cây trồng đang phát triển. Chúng tôi cho rằng đó chỉ là một phần của quá trình thiết kế kỹ thuật. Sẽ luôn có việc phải làm và cần phải cải tiến. Cảm ơn bạn rất nhiều vì cơ hội tham gia!