ISS için Hollow'un Wolverine Grow Cube'unu Hackleyin: 5 Adım

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

Biz Long Island, NY'den West Hollow ortaokuluyuz. Haftada bir kez Hack the Hollow adlı bir kulüpte buluşan, bir dizi maker projesi tasarladığımız, kodladığımız ve inşa ettiğimiz, hevesli mühendisleriz. Üzerinde çalıştığımız tüm projeleri BURADAN inceleyebilirsiniz. Ana odak noktamız, gıda ve çevre robotiğinin geleceğini incelemek olmuştur. Fen laboratuvarımızın arkasında hocamız Sayın Regini ile birlikte otomatik bir dikey hidroponik çiftliği kurduk ve bakımını yaptık. Biz de son iki yıldır GBE programına katılıyoruz. Lise öğrencileri için bu zorluğun olduğunu biliyoruz, ancak sizi okul maskotumuzun adını taşıyan Wolverine ile tanıştırmak için iki yıl daha bekleyemeyecek kadar heyecanlıydık. Bu bizim yaptığımız bir nevi!

Bu projede Arduino, Raspberry Pi ve bunlarla birlikte gelen tüm elektronik ürünler dahil kullanmayı sevdiğimiz pek çok şey bulacaksınız. Küpü tasarlamak için TinkerCad'den bir adım olarak Fusion 360'ı kullanmaktan da keyif aldık. Bu proje, dişlerimizi bazı yeni yapımcı platformlarında kesmek için mükemmel bir fırsattı. Her biri Grow Cube'un bir yönüne odaklanması gereken tasarım ekiplerine ayrıldık. Çerçeveye, kapağa ve taban plakasına, aydınlatmaya, büyüme duvarlarına, suya, fanlara ve çevresel sensörlere ayırdık. Takip eden adımlarda tartışılan parçaları görselleştirmek için yardıma ihtiyacınız varsa, sarf malzemeleri listemizde kullandığımız tüm materyallere bağlantılar yaptık. Umarız eğlenirsiniz!

Gereçler

Çerçeve:

• 1" 80/20 alüminyum ekstrüzyon
• T fındık
• Destek braketleri
• Menteşeler
• T-kanalı uyumlu planör mafsalları
• T-kanalı uyumlu boru ve tel kılavuzları
• Kapıları kapalı tutmak için mıknatıslar
• 3 x manyetik indükleme anahtarı

Büyüme Duvarları:

• Farm Tech düşük profilli NFT kanalları
• NFT kanal kapakları
• Oluklu plastik levhalar
• Çıkarılabilir kanalları yerinde tutmak için mıknatıslar

kapak:

• Oluklu plastik levha
• 3D baskılı LED büyümek aydınlatma armatürü (Fusion 360)
• Elektronik için plastik zıtlıklar ve donanım

Aydınlatma:

• Adafruit'ten adreslenebilir neopiksel şeritler (60LED/m)
• Neopiksel konektörler
• Neopiksel klipler
• 330uF, 35V dekuplaj kondansatörü
• 1K ohm direnç
• Silvered HVAC alüminyum folyo bant
• para dönüştürücü

Su: (En sevdiğimiz özellik):

• 2 x Nema 17 Step motor
• Arduino için Adafruit Step Kalkanı
• 3D baskılı lineer aktüatörlü şırınga pompası (Fusion 360)
• 2 x 100-300 mL şırınga
• Luer kilit bağlantılı ve tee/dirsek eklemli boru
• 2 x 300mm x 8mm T8 kurşun vidalar ve somunlar
• 2 x uçan kuplör
• 2 x yastık yatak blokları
• 4 x 300mm x 8mm lineer hareketli çubuk mil kılavuzları
• 4 x 8mm LM8UU lineer rulman
• Toprağı izlemek ve şırınga pompalarını kontrol etmek için 4 x DF Robot kapasitif dirençli nem sensörü

Hava sirkülasyonu:

• 2 x 5" 12V fan
• 5" fan filtre kapakları
• 2 x TIP120 Darlington transistörleri ve ısı alıcıları
• 12V güç kaynağı
• Panel montajlı varil jakı bağlantı adaptörü
• 2 x 1K ohm direnç
• 2 x geri dönüş diyotları
• 2 x 330uF, 35V elektrolitik ayırma kapasitörleri
• 4.7K ohm dirençli DHT22 sıcaklık ve nem sensörü

Elektronik:

• Raspberry Pi 3B+ Motor ŞAPKA ile
• 8GB SD kart
• arduino mega
• Adafruit kalıcı proto devre tahtası
• 2 x 20x4 i2C LCD
• 22AWG çok telli bağlantı telleri
• Dupont bağlantı kiti
• Adafruit SGP30 hava kalitesi sensörü w/ eCO2

Aletler:

• Havya
• Lehim takımı
• Yardımcı Eller
• Teller için sıkma ve soyma aletleri
• Tornavidalar
• Kahve (Bay Regini için)

Adım 1: Adım 1: Çerçevenin Oluşturulması

Çerçeve hafif 1 80/20 t kanallı alüminyum ekstrüzyonlar kullanılarak yapılacaktır. Alüminyum dirsek eklemleri ve t somunları ile bir arada tutulacaktır. Ağırlığı düşük tutmanın yanı sıra kanallar suyumuz için kılavuz yollar görevi görecektir. hatlar ve kablolama.

Küp, kayar eklemlerle donatılmış bir dizi ray üzerinde duracak ve küpün bir duvardan çıkarılmasına izin vererek sadece ön yüzünü değil, her iki tarafını da ortaya çıkaracaktır. Bunun için ilham, bir öğrencimizin evindeki mutfak dolaplarındaki baharat rafını düşünmesinden geldi.

Basit menteşeler kullanılarak, ön ve yanlarda, küp rayları üzerinde dışarı çekildiğinde açılabilen kapılar olacaktır. Kapatıldığında mıknatıslar tarafından yerinde tutulurlar. Bu küpün 6 panelinin tümü, tüm yüzler de mıknatıslar tarafından yerinde tutulduğu için çıkarılabilir. Bu tasarım seçiminin amacı, tohumlama, bitki bakımı, veri toplama, hasat ve temizlik/onarım için tüm yüzeylere kolay erişim sağlamaktı.

Bir sonraki adımda paneller için tasarımımızı görebilirsiniz.

Adım 2: Adım 2: Büyüme Duvarlarının İnşası

Düşündüğümüz ilk unsur, duvarların kendileri için kullanılacak malzemelerdi. Hafif olmaları gerektiğini, ancak bitkileri destekleyecek kadar güçlü olmaları gerektiğini biliyorduk. V. E. G. G. I. E'ın içindeki bitkileri görebildiğimiz resimleri sevsek de şeffaf akrilik yerine beyaz oluklu plastik tercih edildi. Bu kararın nedeni, görüşün çoğunun bitki kanalları tarafından engellenmesiydi ve LED'lerimizden gelen ışığın mümkün olduğunca çoğunu geri yansıtmak istedik. Bu mantık, GBE katılımımızın bir parçası olarak gönderdiğimiz birimi incelemekten geldi. Bir önceki adımda belirtildiği gibi, bu plakalar kolayca çıkarılabilmesi için mıknatıslarla alüminyum çerçeveye tutulur.

Bu plakalara hidroponik laboratuvarımızda kullandığımız üç kanallı düşük profilli NFT yetiştirme rayları eklenmiştir. Bu seçimi seviyoruz çünkü büyüyen yastıkları yerleştirmek için kolayca kayan kapaklara sahip ince PVC'den yapılmışlar. BU MAKALEYİ okuduğumuzda ISS'de zaten kullanıldığını gördüğümüz tüm büyüyen ortamlar özel olarak tasarlanmış yastıklar içinde tutulacaktır. Raylar arasındaki tüm paneller, yetiştirme ışıklarının yansıtıcılığını artırmak için gümüş renkli HVAC yalıtım bandıyla kaplanacaktır.

Açıklıklarımız 1 3/4 ve merkezde 6 inç aralıklı. Bu, küpün dört panelinin her birinde toplam 36 bitki veren 9 ekim alanına izin verir. Bu aralığı kırmızı olanla tutarlı tutmaya çalıştık. Aşırı marullar hakkında Kanallar, toprak nemini izleyecek ve şırınga pompalarından su çağıracak nem sensörlerimizi kabul etmek için yuvalarla frezelenmiştir. Hidrasyon, bu pompalara bağlı bir tıbbi boru sulama manifoldu aracılığıyla her bir bitki yastığına dağıtılacaktır. Bu şırınga bazlı sulama yöntemi, hem hassas sulama hem de sıfır/mikro-yerçekimi ortamının zorluklarının üstesinden gelmek için en iyi uygulama olarak araştırdığımız bir şeydir. Küp Suyun büyüme ortamı boyunca yayılmasına yardımcı olmak için kılcallığa güveneceğiz.

Son olarak, taban plakasından yararlanmanın bir yolunu bulmak istedik. Alt yüzde küçük bir dudak oluşturduk, mikro yeşillikler yetiştirmek için bir yetiştirme matı kabul etti. Mikro yeşilliklerin, olgun muadillerinden yaklaşık 40 kat daha fazla hayati besin içerdiği bilinmektedir. Bunlar astronotların diyetine çok faydalı olabilir. Bu, öğrencilerimizin mikro yeşilliklerin besin değeri hakkında bulduğu bir makaledir.

Adım 3: Adım 3: Bitkileri Sulamak

Önceki adımda lineer aktüatörlü şırınga pompalarımıza atıfta bulunduk. Bu, bu yapının açık ara en sevdiğimiz kısmı. NEMA 17 step motorları, büyüme küpünün kapağındaki iki adet 100cc-300cc şırınganın pistonunu bastıracak lineer aktüatörleri çalıştıracak. Hackaday'deki bazı harika açık kaynak projelerini inceledikten sonra motor gövdelerini, piston sürücüsünü ve kılavuz ray teçhizatını Fusion 360 kullanarak tasarladık. Motorların nasıl sürüleceğini öğrenmek için Adafruit'in harika web sitesinde bu öğreticiyi takip ettik.

Astronotları sulama görevinden kurtarmanın bir yolunu bulmak istedik. Sistemdeki bitkiler kendi sularını istediklerinde stepperler devreye girer. Yetiştirme küpü boyunca çeşitli yerlerde bitki yastıklarına 4 kapasitif nem sensörü takılır. Sistemdeki her ekim sahasında, öğütülmüş bu sensörleri büyüme kanallarına kabul etmek için bir yuva bulunur. Bu, bu sensörlerin yerleşiminin astronotlar tarafından seçilmesine ve periyodik olarak değiştirilmesine izin verir. Suyun sistem içinde dağıtıldığı verimliliği en üst düzeye çıkarmanın yanı sıra, her bir bitkinin suyunu nasıl tükettiğinin görselleştirilmesine olanak sağlayacaktır. Nem eşikleri astronotlar tarafından ayarlanabilir, böylece sulama ihtiyaçlarına göre otomatikleştirilebilir. Şırıngalar, kolay doldurma için Luer kilit bağlantılarıyla ana sulama manifolduna bağlanmıştır. Yetiştirme panelleri, küpten kolayca çıkarılabilmesi için sulama manifolduna benzer bir bağlantı protokolü kullanır.

Sensörler tarafından toplanan veriler, kapağa takılı 20x4 LCD ekranda yerel olarak okunabilir veya sistemin Cayenne veya Adafruit IO IoT platformları ile entegrasyonu ile toplandığı, görüntülendiği ve grafiklendiği yerden uzaktan okunabilir. Arduino, verilerini bir USB kablosu kullanarak yerleşik Raspberry Pi'ye gönderir ve daha sonra Pi'nin WiFi kartını kullanarak internete girer. Sistem değişkenlerimizden herhangi biri önceden ayarlanmış eşik değerlerinden çıktığında astronotları bilgilendirmek için bu platformlarda uyarılar ayarlanabilir.

Adım 4: Adım 4: Aydınlatmalı ve Fan Kontrollü Akıllı Kapak

Büyüme küpümüzün kapağı, tüm operasyonun beyni olarak işlev görür ve kritik büyüme öğeleri için muhafazalar sağlar. Kapağın altından aşağıya doğru uzanan, büyüyen duvar plakalarının her biri için ışık sağlayan ve ayrıca alttaki mikro yeşil matı üstten aydınlatan bir 3D baskılı LED muhafazadır. Bu, yine Fusion 360'ta tasarlandı ve MakerBot'umuza basıldı. Her ışık bölmesi, içbükey bir destekle korunan 3 LED şeridi tutar. Bu destek, yansıtıcılığını en üst düzeye çıkarmak için HVAC yalıtım bandıyla gümüşlenmiştir. Kablolama, kapağın üst kısmındaki güce ve verilere erişmek için merkezi bir içi boş sütundan yukarı doğru hareket eder. Bu muhafazanın boyutu, çevresinde büyüyen bitkilerin maksimum 8 inç yüksekliğe ulaşmasını sağlayacak bir ayak izine sahip olacak şekilde seçildi. Bu sayı, laboratuvarımızdaki dikey hidroponik bahçelerimizde yetiştirdiğimiz olgun Outredgeous marulların ortalama yüksekliği olarak bulundu. 12 inç uzunluğa ulaşabilirler, ancak astronotların büyüdükçe bunları otlatacaklarını düşündük ve bunu bir kes-ve-tekrar büyüme küpü haline getirdik.

Kullandığımız neopikseller ayrı ayrı adreslenebilir, yani yaydıkları renk tayfını kontrol edebiliriz. Bu, bitkilerin büyümelerinin farklı aşamalarında veya türden türe aldıkları ışığın spektrumlarını değiştirmek için kullanılabilir. Kalkanlar, gerekirse duvarların her birinde farklı aydınlatma koşullarına izin verecek şekilde tasarlandı. Bunun mükemmel bir kurulum olmadığını ve kullandığımız ışıkların teknik olarak büyüyen ışıklar olmadığını anlıyoruz, ancak bunun güzel bir konsept kanıtı olduğunu hissettik.

Kapağın üst kısmında, genellikle bilgisayar kulelerinin sıcaklığını kontrol etmek için kullanılan iki adet 5 inç 12V soğutma fanı bulunur. Biri havayı sisteme iterken diğeri hava tahliyesi görevi görecek şekilde tasarladık. Her ikisi de, astronotun solunum ortamına herhangi bir pislik çekilmemesini sağlamak için ince bir ağ elek ile kaplanmıştır. Fanlar, kapılara takılı manyetik indükleme anahtarlarından herhangi biri açıldığında, istenmeyen hava kontaminasyonunu önlemek için kapatılır. Fanların hızı Raspberry pi üzerindeki Motor HAT kullanılarak PWM üzerinden kontrol edilir. Fanlar, küp içindeki gömülü DHT22 sensörü tarafından Pi'ye beslenen sıcaklık veya nem değerlerine bağlı olarak koşullu olarak hızlandırılabilir veya yavaşlatılabilir. Bu okumalar yine yerel olarak bir LCD'de veya nem sensörleriyle aynı IoT panosunda uzaktan görüntülenebilir.

Fotosentezi düşünürken, büyüme küpündeki CO2 seviyelerini ve genel hava kalitesini de hesaba katmak istedik. Bu amaçla, toplam VOC'lerin yanı sıra eCO2'yi izlemek için bir SGP30 sensörü ekledik. Bunlar da görselleştirme için LCD'lere ve IoT panosuna gönderilir.

Ayrıca, bir çift şırınga pompamızın kapağın kenarına monte edildiğini göreceksiniz. Boruları, alüminyum ekstrüzyon destek çerçevesinin dikey kanallarından aşağı yönlendirilir.

Adım 5: Kapanış Düşünceleri ve Gelecekteki Yinelemeler

Wolverine'i birlikte yiyecek yetiştirdiğimiz zamandan edindiğimiz bilgileri kullanarak tasarladık. Bahçelerimizi birkaç yıldır otomatikleştiriyoruz ve bu, bunu benzersiz bir mühendislik görevine uygulamak için çok heyecan verici bir fırsattı. Tasarımımızın mütevazi bir başlangıcı olduğunu biliyoruz, ancak onunla birlikte büyümeyi dört gözle bekliyoruz.

Yapının son teslim tarihinden önce tamamlayamadığımız bir yönü de görüntü yakalamaydı. Öğrencilerimizden biri, makine öğrenimi yoluyla bitki sağlığının tespitini otomatikleştirip geliştiremeyeceğimizi görmek için Raspberry Pi kamera ve OpenCV ile deney yapıyor. En azından kapıları açmadan bitkileri görmenin bir yolunu bulabilmeyi istedik. Fikir, her büyüyen duvarın görüntülerini yakalamak için üst panelin alt tarafı etrafında dönebilen ve ardından görselleştirmek için bunları Adafruit IO panosuna yazdırabilen bir pan-tilt mekanizması eklemekti. Bu, büyüyen mahsullerin gerçekten harika zaman atlamalarını da sağlayabilir. Bunun mühendislik tasarım sürecinin sadece bir parçası olduğunu düşünüyoruz. Her zaman yapılacak işler ve yapılacak iyileştirmeler olacaktır. Katılma fırsatı için çok teşekkür ederiz!