Arduino Otonom Filtreleme Gemisi: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Bu Eğitilebilir Kitapta, Körfez Kıyısı sularındaki mevcut Kırmızı Alg sorunu için önerilen çözümümü nasıl tasarladığımı ve yaptığımı size göstereceğim. Bu proje için, su yollarında dolaşabilen ve yerleşik bir doğal filtreleme sistemi kullanarak Dinoflagellatlar ve Karena Brevis alglerinden fazla besinleri ve toksinleri filtreleyebilen, tamamen otonom ve güneş enerjisiyle çalışan bir araç tasarlamak istedim. Bu tasarım, teknolojinin mevcut çevresel sorunlarımızdan bazılarını düzeltmeye yardımcı olmak için nasıl kullanılabileceğini göstermek için oluşturuldu. Ne yazık ki, yerel küçük kasabamdaki bilim fuarında herhangi bir ödül veya yer kazanmadı, ancak yine de öğrenme deneyiminden keyif aldım ve umarım başka biri projemden bir şeyler öğrenebilir.

Adım 1: Araştırma

Tabii ki, bir problemi çözeceğiniz her zaman biraz araştırma yapmanız gerekir. Bu sorunu çevrimiçi bir haber makalesinden duymuştum ve bu, çevre sorununa bir çözüm tasarlama konusunda ilgimi çekti. Sorunun tam olarak ne olduğunu ve buna neyin sebep olduğunu araştırarak başladım. İşte araştırmam sırasında bulduklarımı gösteren araştırma makalemin bir bölümü.

Red Tide, Florida suları için her yıl büyüyen bir sorundur. Red Tide, mevcut besinlerdeki artış nedeniyle ara sıra büyüyen büyük, konsantre bir alg grubu için kullanılan ortak bir terimdir. Şu anda Florida hızlı bir artışla karşı karşıya. Bölgedeki su vahşi yaşamının güvenliği için artan bir endişeye neden olan Kızıl Gelgit boyutunda ve onunla temas edebilecek herhangi bir birey. Kızıl Gelgit en yaygın olarak bir türden oluşur. algler Dinoflagellat olarak bilinir. Dinoflagellatlar, brevetoksinler ve iktiyotoksin gibi, onlarla temas eden deniz ve kara yaşamı için oldukça toksik olan toksinler üreten tek hücreli protistlerdir. Dinoflagellatlar, bir hücrenin bölünmesiyle tam bir kopya oluşturan mitoz yoluyla aseksüel olarak çoğalır. Dinoflagellatlar, toksik olmayan alglerin en yaygın şekli olan Chysophyta gibi sudaki diğer protistler ile beslenir. yeni besinler tanıtılır.

Yiyeceklerdeki hızlı artışlarının ana nedeni, yağmur fırtınaları sırasında çiftliklerden yıkanan ve yakındaki nehirlerden ve akarsulardan okyanus kıyılarına taşınan büyük miktarlarda besin maddelerinin girmesinden kaynaklanmaktadır. Tarım için insan yapımı gübrelere olan yüksek güven nedeniyle, çevredeki tarım alanlarındaki mevcut besin miktarı hiç olmadığı kadar yüksek. Doğu ülkesinin çoğu yerinde bir yağmur fırtınası olduğunda, bu yağmur bu gübrelerin çoğunu üst topraktan ve çevredeki dere ve akarsulara yıkar. Bu akarsular sonunda toplanan tüm besin maddelerini Meksika Körfezi'ne dökülen büyük bir grup halinde birleştirerek nehirlerde toplanır. Bu büyük besin koleksiyonu, mevcut deniz yaşamları için doğal bir olay değildir, bu nedenle kontrol edilemeyen bir alg büyümesine neden olur. Dinoflagellatların ana besin kaynağı olan alglerdeki hızlı artış, hızlı büyüyen bir yaşam formu için büyük bir besin kaynağı sağlar.

Bu büyük Dinoflagellat grupları, kendileriyle temas eden çoğu su yaşamını öldürdüğü bilinen toksik kimyasallar üretir. Yerel bir Florida haber istasyonu olan WUSF'ye göre, 2018'in başlangıcında Red Tide'dan 177 onaylanmış denizayısı ölümü ve ilişkili olduğundan şüphelenilen 122 ölüm daha vardı. Florida ve Porto Riko sularında beklenen 6.500 manattan bu, bu türün hayatta kalması üzerinde büyük bir etkidir ve bu sadece bir tür üzerindeki etkidir. Red Tide'ın, çiçeklerden herhangi birine yakın olanlar için solunum problemlerine neden olduğu da bilinmektedir. Red Tide, bazı sahil kasabalarındaki kanallarda büyüdüğünden, bu topluluklarda yaşayan herkes için bu bariz bir güvenlik tehlikesidir. Red Tides tarafından üretilen toksin Dinophysis'in, yerel kabuklu deniz hayvanı popülasyonlarına yaygın olarak bulaştığı ve enfekte kabuklu deniz hayvanlarını yemiş olanlarda ishalli kabuklu deniz ürünleri zehirlenmesine veya DSP'ye neden olduğu bilinmektedir. Neyse ki ölümcül olduğu bilinmiyor, ancak kurban için sindirim sorunlarına neden olabilir. Bununla birlikte, bazı Red Tides, Gonyaulax veya Alexandrium tarafından üretilen başka bir toksin de gelgitlerle kirlenmiş sulardaki kabuklu deniz hayvanlarına bulaşabilir. Bu toksinlerle kirlenmiş kabuklu deniz hayvanlarını yemek, felçli kabuklu deniz ürünleri zehirlenmesine veya en kötü durumlarda solunum yetmezliğine ve 12 saat içinde ölüme neden olan PSP'ye neden olur."

2. Adım: Önerilen Çözümüm

Araştırma makalemden alıntı

Önerdiğim çözüm, gemide mikro partiküllü bir doğal filtreleme sistemine sahip, tamamen otonom, güneş enerjisiyle çalışan bir deniz aracı inşa etmek. Tüm sistem, yerleşik güneş panelleri tarafından desteklenecek ve bir itme vektörü kurulumunda iki fırçasız, kanallı motor tarafından hareket ettirilecek. filtrasyon sistemi su yollarında otonom olarak gezinirken fazla besinleri ve dinoflagellatları filtrelemek için kullanılacak. Gemi ayrıca yerel topluluk için bir mekik sistemi olarak kullanılacak. İlk önce sorunu ve bu sorunun nasıl başladığını araştırarak başladım. Red Tide dalgalanmalarına yerel sulardaki nitrojen gibi büyük miktarlardaki besinler neden oldu. Soruna neyin neden olduğunu keşfettiğimde, yıllık Red Tides'ın boyutunu azaltmaya yardımcı olabilecek bir çözüm için beyin fırtınası yapmaya başlayabildim.

Benim fikrim, bir duba teknesine benzer boyut ve şekilde bir tekneydi. Bu gemide, iki duba arasında, büyük parçacıkları çıkarmak için bir ağ filtreden ve ardından mevcut nitrojen mikro parçacıklarını kaldıracak geçirgen bir membran filtreden gelen suyu yönlendirecek bir sıyırıcı olacaktır. Filtrelenmiş su daha sonra teknenin arkasından karşı deniz süpürücüsünden dışarı akacaktır. Ayrıca bu geminin tamamen elektrikli olmasını istedim, bu yüzden çevredeki sulara herhangi bir toksik sıvı sızdırma şansı daha az olacak şekilde daha güvenli olduğu kadar sessiz de olacaktı. Gemide birkaç güneş paneli ve fazla gücü daha sonra kullanmak üzere depolamak için lityum iyon paketine sahip bir şarj kontrolörü bulunacaktı. Son hedefim, gemiyi yerel topluluk için toplu taşıma için kullanılabilecek şekilde tasarlamaktı. Tüm bu tasarım seçimlerini göz önünde bulundurarak, olası sorunları denemek ve çözmek için kağıt üzerinde birkaç fikir çizmeye başladım."

Adım 3: Tasarım

Araştırmamı yolumdan çektiğimde, sorun ve buna neyin sebep olduğu hakkında çok daha iyi bir fikrim vardı. Daha sonra beyin fırtınası ve tasarıma geçtim. Bu sorunu çözmenin birçok farklı yolunu düşünerek birkaç gün geçirdim. Bazı iyi fikirlerim olduğunda, CAD'e geçmeden önce bazı tasarım kusurlarını denemek ve çözmek için bunları kağıda çizmeye başladım. Birkaç gün daha eskiz yaptıktan sonra tasarım için kullanmak istediğim parçaların bir listesini oluşturdum. Önceki yıllardaki bilim fuarından elde ettiğim tüm ödül kazançlarımı ve biraz daha fazlasını prototipi oluşturmak için ihtiyaç duyduğum parçaları ve filamenti satın almak için kullandım. Mikro denetleyici için bir Node MCU, önerilen güç kaynakları için iki adet 18V güneş paneli, otonom özellikler için iki ultrasonik sensör, ortam aydınlatmasını belirlemek için 5 foto direnç, iç aydınlatma için bazı 12V beyaz LED şeritler, 2 RGB LED kullandım. yönlü aydınlatma için şeritler, LED'leri ve fırçasız motoru kontrol etmek için 3 röle, 12V fırçasız motor ve ESC, prototipe güç sağlamak için 12V PSU ve diğer birkaç küçük parça.

Parçaların çoğu geldiğinde 3d model üzerinde çalışmaya başladım. Bu teknenin tüm parçalarını tasarlamak için Fusion 360'ı kullandım. Teknenin gövdesini tasarlayarak başladım ve ilerledikçe her bir parçayı tasarlayarak yukarı doğru ilerledim. Parçaların çoğunu tasarladıktan sonra, üretildikten sonra birbirine uyacaklarından emin olmak için hepsini bir araya getirdim. Birkaç günlük tasarım ve ince ayardan sonra nihayet baskıya başlama zamanı gelmişti. Gövdeyi Prusa Mk3'lerime 3 farklı parça halinde yazdırdım ve CR10'larıma güneş montajları ve gövde kapaklarını yazdırdım. Birkaç gün sonra, tüm parçaların baskısını bitirdiği ve sonunda bir araya getirmeye başlayabildiğim. Aşağıda, araştırma makalemin tekne tasarımından bahsettiğim başka bir bölümü var.

Nihai tasarım hakkında iyi bir fikre sahip olduktan sonra, günümüzde mevcut birçok yazılım kullanılarak yapılabilen bir işlem olan Bilgisayar Destekli Çizim veya CAD'e geçtim. İhtiyacım olan parçaları tasarlamak için Fusion 360 yazılımını kullandım. Prototipim için ürettim. Önce bu proje için tüm parçaları tasarladım ve ardından parçaları yazdırmaya başlamadan önce herhangi bir problemi denemek ve çözmek için sanal bir ortamda birleştirdim. Son 3D montajımı yaptıktan sonra, taşındım bu prototip için gereken elektrik sistemlerini tasarlamaya başladım. Prototipimin akıllı telefonumdaki özel tasarlanmış bir uygulama aracılığıyla kontrol edilebilmesini istedim. İlk bölümüm için Node MCU mikrodenetleyiciyi seçtim. Node MCU, popüler ESP8266 etrafında inşa edilmiş bir mikrodenetleyicidir. Wifi çipi. Bu kart bana Wifi arayüzü üzerinden uzaktan kontrol edilebilen harici giriş ve çıkış cihazlarını bağlama yeteneği veriyor. Tasarım için ana kontrol cihazını bulduktan sonra başka ne pa elektrik sistemi için rts gerekli olacaktır. Gemiye güç sağlamak için, daha sonra paralel olarak kablolanması nedeniyle tek bir güneş pilinin iki katı akımın yanı sıra on sekiz voltluk bir çıkış sağlamak üzere paralel olarak bağlanacak iki on sekiz voltluk güneş paneli seçtim. Güneş panellerinden gelen çıkış, bir şarj kontrolörüne gider. Bu cihaz, güneş panellerinden dalgalanan çıkış voltajını alır ve onu daha sabit bir on iki voltluk çıkışa düzleştirir. Bu daha sonra pil yönetim sistemine veya BMS'ye girerek, paralel ve ardından seri bağlanmış iki set üç hücreli 6, 18650 lipo hücreyi şarj eder. Bu konfigürasyon, 18650'nin 4.2 volt kapasitesini, üç hücreli 12,6 volt kapasiteli bir pakette birleştirir. Önceki pakete paralel olarak ayarlanmış başka bir üç hücreyi kablolayarak, toplam kapasite iki katına çıkar ve bize 6.500 mAh kapasiteli 12,6 voltluk bir pil verir.

Bu pil takımı, aydınlatma ve fırçasız motorlar için on iki volt verebilir. Daha düşük güç elektronik seti için beş voltluk bir çıkış oluşturmak için bir kademeli invertör kullandım. Daha sonra biri iç lambaları açıp kapatmak için, biri dış ışıkların rengini değiştirmek için, diğeri fırçasız motoru açıp kapatmak için üç röle kullandım. Mesafe ölçümü için biri önde diğeri arkada olmak üzere iki ultrasonik sensör kullandım. Her sensör bir ultrasonik darbe gönderir ve bu darbenin geri dönmesinin ne kadar sürdüğünü okuyabilir. Bundan, dönüş sinyalindeki gecikmeyi hesaplayarak bir cismin geminin ne kadar önünde olduğunu bulabiliriz. Geminin tepesinde, gökyüzünde bulunan ışık miktarını belirlemek için beş fotodirencim vardı. Bu sensörler, ne kadar ışık bulunduğuna bağlı olarak dirençlerini değiştirir. Bu verilerden, tüm değerlerin ortalamasını almak için basit bir kod kullanabiliriz ve sensörler ortalama bir düşük ışık değeri okuduğunda, iç aydınlatmalar yanar. Hangi elektroniği kullanacağıma karar verdikten sonra daha önce tasarladığım parçaları 3d yazdırmaya başladım. Ana yazıcıma sığması için teknenin gövdesini üç parça halinde bastım. Bunlar yazdırırken, başka bir yazıcıda güneş enerjisi montajlarını ve güverteyi yazdırmaya geçtim. Her parçanın yazdırılması yaklaşık bir gün sürdü, yani toplamda ihtiyacım olan tüm parçaları elde etmek için yaklaşık 10 günlük düz 3D baskı vardı. Hepsinin baskısı bittikten sonra daha küçük parçalar halinde birleştirdim. Daha sonra güneş panelleri ve LED'ler gibi elektronikler kurdum. Elektronikler kurulduktan sonra hepsini bağladım ve basılı parçaların montajını bitirdim. Ardından, prototip için bir stant tasarlamaya geçtim. Bu stand da CAD'de tasarlandı ve daha sonra CNC makinemde MDF ağacından kesildi. CNC'yi kullanarak, perde elektroniklerini takmak için ön paneldeki gerekli yuvaları kesebildim. Daha sonra prototipi tabana monte ettim ve fiziksel montaj tamamlandı. Prototip tamamen monte edildiğine göre, NodeMCU'nun kodu üzerinde çalışmaya başladım. Bu kod, NodeMCU'ya hangi parçaların hangi giriş ve çıkış pinlerine bağlı olduğunu söylemek için kullanılır. Ayrıca panoya hangi sunucuyla bağlantı kuracağını ve hangi Wifi ağına bağlanacağını söyler. Bu kodla, bir uygulama kullanarak prototipin belirli kısımlarını telefonumdan kontrol edebildim. Bu, nihai tasarımın bir sonraki durağının koordinatlarını ve diğer gemilerin nerede olduğu ve o gün için beklenen hava durumu gibi diğer bilgileri almak için ana yanaşma istasyonuyla nasıl iletişim kurabileceğine benzer."

Adım 4: Montaj (Sonunda!!)

Tamam, şimdi en sevdiğim kısım olan meclisteyiz. Bir şeyler inşa etmeyi seviyorum, bu yüzden sonunda tüm parçaları bir araya getirip nihai sonuçları görebilmek beni oldukça heyecanlandırdı. Basılı tüm parçaları bir araya getirerek ve süper yapıştırarak başladım. Daha sonra ışıklar ve güneş panelleri gibi elektronikleri kurdum. Bu noktada, tüm elektronik eşyalarımı bu şeyin içine sığdırmamın hiçbir yolu olmadığını anladım. İşte o zaman, teknenin biraz daha iyi görünmesini sağlamak ve bana tüm elektronik aksamları saklamak için bir yer vermek için bir CNC standı yapma fikri aklıma geldi. Standı CAD'de tasarladım ve ardından Bobs CNC E3'ümde 13 mm MDF'de kestim. Sonra vidaladım ve bir kat siyah sprey boya verdim. Artık tüm elektronik eşyalarımı dolduracak bir yerim olduğu için kablolamaya devam ettim. Her şeyi bağladım ve Düğüm MCU'yu (hemen hemen yerleşik WiFi'li bir Arduino Nano) kurdum ve her şeyin açık olduğundan emin oldum. Bundan sonra montajı tamamladım ve hatta bazı havalı gravürlerle güvenlik korkuluklarını kesmek için okulumun lazer kesicisini kullandım, tekrar teşekkürler Bay Z! Artık bitmiş bir fiziksel prototipimiz olduğuna göre, kodlama ile biraz sihir eklemenin zamanı gelmişti.

Adım 5: Kodlama (AKA Zor Bölüm)

Kodlama için oldukça basit bir kod yazmak için Arduino IDE'yi kullandım. Başlangıç olarak temel Blynk taslağını kullandım, böylece daha sonra Blynk uygulamasından bazı parçaları kontrol edebilecektim. Bu şeyin işe yaraması için birçok YouTube videosu izledim ve birçok forum okudum. Sonunda fırçasız motoru nasıl kontrol edeceğimi bulamadım ama diğer her şeyi çalıştırdım. Uygulamadan, kırmızı/yeşil LED'lerin renklerini değiştirecek, iç ışıkları açıp kapatacak ve ekranın önündeki ultrasonik sensörlerden birinden canlı veri akışı alacak olan teknenin yönünü değiştirebilirsiniz.. Bu kısımda kesinlikle gevşedim ve kod üzerinde istediğim kadar çok şey yapamadım ama yine de düzgün bir özellik oldu.

Adım 6: Nihai Ürün

Tamamdır! Bilim fuarı tarihlerinden hemen önce her şeyi bir araya getirdim ve çalıştırdım. (Stereotipik erteleme) Nihai ürünle oldukça gurur duyuyordum ve onu jüri üyeleriyle paylaşmak için sabırsızlanıyordum. Burada söyleyecek fazla bir şeyim yok, bu yüzden daha iyi açıklamama izin vereceğim. İşte araştırma makalemin sonuç bölümü.

Gemiler ve rıhtım istasyonları oluşturulduktan sonra çözüm devreye giriyor. Her sabah gemiler su yollarından yola çıkıyordu. Bazıları şehirlerdeki kanallardan geçerken, diğerleri bataklıklardan veya okyanus hatlarından seyahat ediyor. Filtreleme skimmer aşağı inecek ve filtrelerin çalışmaya başlamasına izin verecek. Skimmer yüzen algleri ve döküntüleri filtreleme kanalına yönlendirecektir. İçeri girdikten sonra, su önce daha büyük olanları çıkarmak için bir ağ filtreden geçirilir. sudaki partiküller ve kalıntılar. Çıkarılan malzeme hazne dolana kadar orada tutulacaktır. Su ilk filtreden geçtikten sonra, geçirgen membran filtreden geçer. Bu filtre, yalnızca izin vermek için küçük, geçirgen delikler kullanır. geçirgen su, geçirimsiz malzemeler geride bırakarak Bu filtre, geçirimsiz gübre malzemesinin yanı sıra yosun büyümelerinden fazla besin maddelerini çıkarmak için kullanılır. r daha sonra teknenin arkasından teknenin filtrelediği su yoluna geri akar.

Bir gemi belirlenmiş yanaşma istasyonuna ulaştığında rıhtıma yanaşır. Tamamen yanaştıktan sonra, tekneyi sabit bir şekilde yerinde tutmak için iki kol teknenin yanına bağlanacaktır. Ardından, teknenin altından otomatik olarak bir boru yükselecek ve her atık bertaraf portuna bağlanacaktır. Güvenli hale getirildiğinde, liman açılacak ve bir pompa açılacak ve toplanan malzemeyi tekneden ve yanaşma istasyonuna emecektir. Tüm bunlar olurken yolcuların gemiye binip yerlerini bulmalarına izin verilecek. Herkes gemiye bindikten ve atık konteynırları boşaltıldıktan sonra, araç istasyondan ayrılacak ve başka bir rotada başlayacak. Atık, yerleştirme istasyonuna pompalandıktan sonra, çubuk veya çöp gibi büyük kalıntıları çıkarmak için tekrar elenecektir. Kaldırılan çöpler daha sonra geri dönüşüm için kaplarda saklanacaktır. Kalan elenmiş algler, işlenmek üzere merkezi yerleştirme istasyonuna götürülecektir. Her küçük yerleştirme istasyonu alg deposunu doldurduğunda, bir işçi algleri biyodizel haline getirileceği ana istasyona taşımak için gelecek. Bu biyodizel yenilenebilir bir yakıt kaynağı olmasının yanı sıra toplanan besin maddelerini geri dönüştürmenin karlı bir yoludur.

Tekneler suyu filtrelemeye devam ettikçe besin içerikleri azalacaktır. Aşırı miktardaki besin maddelerindeki bu azalma, her yıl daha küçük çiçeklere yol açacaktır. Besin seviyeleri düşmeye devam ettikçe, besin maddelerinin gelişen bir çevre için gerekli olan sabit ve sağlıklı bir seviyede kalmasını sağlamak için su kalitesi kapsamlı bir şekilde izlenecektir. Gübre akışının ilkbahar ve yaz zamanları kadar güçlü olmadığı kış mevsimlerinde, tekneler her zaman sağlıklı miktarda besin maddesi bulunmasını sağlamak için filtrelenen su miktarını kontrol edebilecek. Tekneler rotalardan geçerken, gübre akışının kaynaklarını ve daha yüksek besin seviyelerine ne zaman hazırlanmak gerektiğini daha verimli bir şekilde belirlemek için daha fazla veri toplanacak. Bu veriler kullanılarak, tarım mevsimlerinin getirdiği dalgalanmaya hazırlanmak için verimli bir program oluşturulabilir."