Kapal Penapisan Autonomi Arduino: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Dalam Instructable ini saya akan menunjukkan kepada anda bagaimana saya merancang dan membuat penyelesaian yang saya cadangkan untuk masalah Red Algae semasa di perairan Pantai Teluk. Untuk projek ini, saya ingin merancang kapal bertenaga sepenuhnya autonomi dan solar yang dapat menavigasi jalan air, dan menggunakan sistem penapisan semula jadi di atas kapal, dapat menyaring lebih banyak nutrien dan racun dari alga Dinoflagellates dan Karena Brevis. Reka bentuk ini dibuat untuk menunjukkan bagaimana teknologi dapat digunakan untuk membantu menyelesaikan beberapa masalah persekitaran semasa kita. Sayangnya ia tidak memenangi sebarang anugerah atau tempat di pameran sains bandar kecil saya, tetapi saya masih menikmati pengalaman belajar dan semoga orang lain dapat mempelajari sesuatu dari projek saya.

Langkah 1: Penyelidikan

Sudah tentu bila-bila masa anda akan menyelesaikan masalah, anda perlu membuat penyelidikan. Saya pernah mendengar tentang masalah ini melalui artikel berita dalam talian dan membuat saya tertarik untuk merancang penyelesaian untuk masalah persekitaran itu. Saya mulakan dengan meneliti apa sebenarnya masalahnya, dan apa yang menyebabkannya. Berikut adalah bahagian kertas kajian saya yang menunjukkan apa yang saya dapati semasa penyelidikan saya.

Pasang Merah adalah masalah tahunan yang semakin meningkat untuk perairan Florida. Pasang Merah adalah istilah umum yang digunakan untuk sekumpulan alga pekat yang tumbuh secara sporadis kerana peningkatan nutrien yang ada. Pada masa ini, Florida telah menghadapi peningkatan pesat dalam ukuran Pasang Merah, yang menimbulkan keprihatinan yang semakin meningkat terhadap keselamatan hidupan liar akuatik di kawasan itu, serta setiap individu yang dapat bersentuhan dengannya. Pasang Merah biasanya terdiri dari spesies alga yang dikenali sebagai Dinoflagellate. Dinoflagellates adalah protis uniselular yang menghasilkan toksin seperti brevetoxins dan ichthyotoxin, yang sangat toksik kepada kehidupan laut dan darat yang bersentuhan dengan mereka. Dinoflagellates memakan protista lain di dalam air seperti Chysophyta's, bentuk alga tidak toksik yang paling biasa. nutrien ew diperkenalkan.

Penyebab utama peningkatan pesat makanan mereka adalah kerana pengenalan sejumlah besar nutrien yang dibasuh dari ladang semasa ribut hujan dan dibawa ke pantai lautan dari sungai dan sungai berdekatan. Kerana terlalu bergantung pada baja buatan manusia untuk pertanian, jumlah nutrien yang ada di ladang sekitarnya lebih tinggi daripada sebelumnya. Setiap kali terdapat ribut hujan di sebagian besar negara timur, hujan itu membasmi banyak baja dari tanah atas dan masuk ke anak sungai dan sungai di sekitarnya. Aliran-aliran tersebut akhirnya mengumpul ke sungai yang menggabungkan semua nutrien mereka yang dikumpulkan menjadi satu kumpulan besar yang dibuang ke Teluk Mexico. Pengumpulan nutrien yang besar ini bukanlah kejadian semula jadi bagi hidupan laut yang ada, sebab itulah ia menghasilkan pertumbuhan alga yang tidak terkawal. Sebagai sumber makanan utama Dinoflagellates, peningkatan pes dalam alga menyediakan sumber makanan yang besar untuk bentuk kehidupan yang berkembang pesat.

Kumpulan Dinoflagellate yang besar ini menghasilkan bahan kimia beracun yang diketahui membunuh sebahagian besar hidupan air yang bersentuhan dengan mereka. Menurut WUSF, sebuah stesen berita Florida tempatan, pada mekar pada tahun 2018 terdapat 177 kematian manatee yang disahkan dari Red Tide serta 122 kematian lain yang disyaki ada kaitan. Daripada 6, 500 manatees yang diharapkan di perairan Florida dan Puerto Rico, ini adalah kesan besar terhadap kelangsungan hidup spesies ini, dan itu hanya kesan pada satu spesies. Air Pasang Merah juga diketahui menyebabkan masalah pernafasan bagi mereka yang dekat dengan mana-mana mekar. Oleh kerana Pasang Merah tumbuh di terusan di beberapa bandar pantai, ini adalah bahaya keselamatan yang jelas bagi sesiapa sahaja yang tinggal di komuniti tersebut. Dinofisis toksin, yang dihasilkan oleh Pasang Merah, juga diketahui sering menjangkiti populasi kerang lokal yang mengakibatkan keracunan kerang diare, atau DSP, pada mereka yang telah memakan kerang yang dijangkiti. Syukurlah, ia tidak diketahui membawa maut, tetapi boleh mengakibatkan masalah pencernaan bagi mangsa. Namun, toksin lain yang dihasilkan oleh beberapa Pasang Merah, Gonyaulax atau Alexandrium, juga dapat menjangkiti kerang di perairan yang tercemar air pasang. Makan kerang yang terkontaminasi dengan racun ini menyebabkan keracunan kerang lumpuh, atau PSP yang dalam kes terburuk telah mengakibatkan kegagalan pernafasan dan kematian dalam 12 jam setelah dimakan."

Langkah 2: Penyelesaian yang Saya Cadangkan

Petikan dari kertas kajian saya

Penyelesaian yang saya cadangkan adalah membina kapal laut berkuasa solar sepenuhnya autonomi yang dilengkapi sistem penapisan semula jadi partikel mikro di atas kapal. Keseluruhan sistem akan digerakkan oleh panel solar di atas kapal dan didorong oleh dua motor tanpa berus, yang disalurkan dalam penyediaan vektor tuju. sistem penapisan akan digunakan untuk menyaring nutrien berlebihan dan dinoflagellate ketika menavigasi jalan air secara autonomi. Kapal ini juga akan digunakan sebagai sistem ulang-alik untuk masyarakat setempat. Saya mulakan dengan meneliti terlebih dahulu masalah dan bagaimana masalah ini bermula. Saya belajar bahawa lonjakan Pasang Merah disebabkan oleh sejumlah besar nutrien, seperti nitrogen, di perairan tempatan. Setelah saya mengetahui apa yang menyebabkan masalah itu, saya dapat memulakan sumbang saran penyelesaian yang dapat membantu mengurangkan ukuran Pasang Merah tahunan.

Idea saya adalah kapal yang serupa ukuran dan bentuknya dengan kapal ponton. Kapal ini akan memiliki skimmer di antara dua ponton yang akan membawa air masuk melalui saringan mesh untuk mengeluarkan zarah-zarah besar, dan kemudian melalui penapis membran telap yang akan menghilangkan zarah mikro nitrogen yang ada. Air yang ditapis kemudian akan mengalir keluar dari belakang kapal melalui skimmer yang bertentangan. Saya juga mahukan kapal ini elektrik sepenuhnya, jadi ia juga tenang dan lebih selamat, dengan kemungkinan tidak ada kebocoran cecair toksik ke perairan sekitarnya. Terdapat beberapa panel suria di kapal serta pengawal cas dengan paket ion litium untuk menyimpan lebihan kuasa untuk digunakan kemudian. Tujuan terakhir saya adalah merancang kapal dengan cara yang boleh digunakan untuk pengangkutan awam untuk masyarakat setempat. Dengan mempertimbangkan semua pilihan reka bentuk ini, saya mula membuat beberapa idea di atas kertas untuk mencuba dan mengatasi kemungkinan masalah."

Langkah 3: Menurun

Setelah saya membuat penyelidikan, saya mempunyai idea yang lebih baik mengenai masalah dan apa yang menyebabkannya. Saya kemudian beralih ke percambahan fikiran dan merancang. Saya menghabiskan beberapa hari memikirkan banyak cara untuk menyelesaikan masalah ini. Sebaik sahaja saya mempunyai beberapa idea yang baik, saya beralih untuk membuat sketsa di atas kertas untuk mencuba dan menyelesaikan beberapa kekurangan reka bentuk sebelum beralih ke CAD. Selepas beberapa hari membuat lakaran, saya membuat senarai bahagian yang ingin saya gunakan untuk reka bentuk. Saya menggunakan semua penghasilan hadiah saya dari pameran sains tahun-tahun sebelumnya dan sedikit lagi untuk membeli bahagian dan filamen yang saya perlukan untuk membuat prototaip. Saya akhirnya menggunakan Node MCU untuk pengawal mikro, dua panel solar 18V untuk sumber kuasa yang dicadangkan, dua sensor ultrasonik untuk ciri autonomi, 5 perintang foto untuk menentukan pencahayaan sekitar, beberapa jalur LED putih 12V untuk pencahayaan dalaman, LED 2 RGB jalur untuk pencahayaan arah, 3 geganti untuk mengawal LEDS dan motor tanpa sikat, motor tanpa sikat 12V dan ESC, PSU 12V untuk menghidupkan prototaip, dan beberapa bahagian kecil yang lain.

Sebaik sahaja kebanyakan bahagian tiba, saya dapat mengusahakan model 3d. Saya menggunakan Fusion 360 untuk merancang semua bahagian untuk kapal ini. Saya mulakan dengan merancang lambung kapal dan kemudian bergerak ke atas merancang setiap bahagian semasa saya berjalan. Sebaik sahaja saya membuat sebahagian besar bahagian yang dirancang, saya memasukkan semuanya ke dalam pemasangan untuk memastikan ia sesuai bersama setelah ia dihasilkan. Setelah beberapa hari merancang dan mengubah suai akhirnya tiba masanya untuk mula mencetak. Saya mencetak lambung dalam 3 bahagian yang berbeza pada Prusa Mk3 saya dan mencetak pelekap solar dan penutup lambung pada CR10 saya. Setelah beberapa hari lagi, semua bahagian di mana selesai dicetak dan akhirnya saya dapat mula menyusunnya. Berikut adalah bahagian lain dari kertas kajian saya di mana saya bercakap mengenai merancang kapal.

Setelah saya mempunyai idea yang baik mengenai reka bentuk akhir, saya beralih ke Computer Aided Drafting atau CAD, yang merupakan proses yang dapat dilakukan dengan menggunakan banyak perisian yang ada hari ini. Saya menggunakan perisian Fusion 360 untuk merancang bahagian yang saya perlukan buat prototaip saya. Saya merancang semua bahagian untuk projek ini terlebih dahulu, dan kemudian memasangkannya dalam persekitaran maya untuk mencuba dan menyelesaikan sebarang masalah sebelum saya mula mencetak bahagian-bahagiannya. Setelah saya memasang pemasangan 3D, saya berpindah untuk merancang sistem elektrik yang diperlukan untuk prototaip ini. Saya mahu prototaip saya dapat dikawal melalui aplikasi yang direka khas pada telefon pintar saya. Untuk bahagian pertama saya, saya memilih mikrokontroler Node MCU. Node MCU adalah mikrokontroler yang dibina di sekitar ESP8266 yang popular Cip Wifi. Papan ini memberi saya kemampuan untuk menyambungkan peranti input dan output luaran ke dalamnya yang dapat dikendalikan dari jarak jauh melalui antara muka Wifi-nya. Setelah menemui pengawal utama untuk reka bentuk saya, saya terus memilih apa yang lain diperlukan untuk sistem elektrik. Untuk menggerakkan kapal, saya memilih dua panel solar lapan belas volt yang kemudian akan disambungkan secara selari untuk memberikan output lapan belas volt bersama dengan dua kali arus sel solar individu kerana pendawaiannya selari. Keluaran dari panel suria masuk ke pengawal cas. Peranti ini mengambil voltan keluaran yang turun naik dari panel solar dan melancarkannya ke output dua belas volt yang lebih berterusan. Ini kemudian masuk ke sistem pengurusan bateri, atau BMS, untuk mengecas sel lipo 6, 18650 dengan dua set tiga sel yang disambungkan secara selari, kemudian siri. Konfigurasi ini menggabungkan kapasiti 4.2 volt dari 18650 menjadi pek kapasiti 12.6 volt dengan tiga sel. Dengan memasang tiga sel lagi yang setaraf dengan pek sebelumnya, jumlah kapasiti dua kali ganda memberi kita bateri 12.6 volt dengan kapasiti 6, 500 mAh.

Pek bateri ini dapat menghasilkan dua belas volt untuk motor pencahayaan dan tanpa berus. Saya menggunakan step down inverter untuk menghasilkan output lima volt untuk set elektronik yang lebih rendah. Saya kemudian menggunakan tiga geganti, satu untuk menghidupkan dan mematikan lampu dalaman, satu untuk menukar warna lampu luaran, dan satu lagi untuk menghidupkan dan mematikan motor tanpa berus. Untuk mengukur jarak, saya menggunakan dua sensor ultrasonik, satu untuk bahagian depan dan satu untuk belakang. Setiap sensor menghantar denyutan ultrasonik dan dapat membaca berapa lama pulsa itu kembali. Dari ini, kita dapat mengetahui sejauh mana suatu objek berada di depan kapal dengan mengira kelewatan isyarat kembali. Di bahagian atas kapal saya mempunyai lima fotoresistor untuk menentukan jumlah cahaya yang ada di langit. Sensor ini mengubah ketahanan mereka berdasarkan berapa banyak cahaya yang ada. Dari data ini, kita dapat menggunakan kod sederhana untuk rata-rata semua nilai, dan ketika sensor membaca nilai rata-rata cahaya rendah, lampu dalaman akan menyala. Setelah mengetahui elektronik apa yang akan saya gunakan, saya mula mencetak 3d bahagian yang telah saya reka sebelumnya. Saya mencetak lambung kapal dalam tiga keping sehingga boleh dipasang pada pencetak utama saya. Semasa mereka mencetak, saya terus mencetak pemasangan solar dan dek pada pencetak lain. Setiap bahagian mengambil masa sekitar satu hari untuk mencetak, jadi secara keseluruhan ada sekitar 10 hari percetakan 3D lurus untuk mendapatkan semua bahagian yang saya perlukan. Setelah semuanya selesai dicetak, saya mengumpulkannya di bahagian yang lebih kecil. Saya kemudian memasang elektronik seperti panel solar dan LED. Setelah elektronik dipasang, saya memasang semua kabel dan selesai memasang bahagian yang dicetak. Seterusnya, saya terus merancang pendirian untuk prototaip. Dudukan ini juga dirancang dalam bentuk CAD dan kemudiannya dipotong dari kayu MDF pada mesin CNC saya. Dengan menggunakan CNC, saya dapat memotong slot yang diperlukan di panel depan untuk memasang elektronik tirai. Saya kemudian memasang prototaip ke pangkalan dan pemasangan fizikal selesai. Setelah prototaip dipasang sepenuhnya, saya mula mengerjakan kod untuk NodeMCU. Kod ini digunakan untuk memberitahu NodeMCU bahagian mana yang dihubungkan dengan pin input dan output mana. Ia juga memberitahu papan pelayan apa yang harus dihubungi dan rangkaian Wifi yang hendak disambungkan. Dengan kod ini, saya kemudian dapat mengawal bahagian prototaip tertentu dari telefon saya menggunakan aplikasi. Ini serupa dengan bagaimana reka bentuk akhir dapat menghubungi stesen dok utama untuk menerima koordinat untuk perhentian seterusnya, serta maklumat lain, seperti di mana kapal lain dan cuaca yang diharapkan untuk hari itu."

Langkah 4: Perhimpunan (Akhirnya !!)

Ok jadi sekarang kita berada di bahagian kegemaran saya, perhimpunan. Saya suka membina perkara sehingga akhirnya dapat mengumpulkan semua bahagian dan melihat hasil akhir membuat saya cukup teruja. Saya mulakan dengan menyatukan semua bahagian yang dicetak dan melekatkannya. Saya kemudian memasang elektronik seperti lampu dan panel solar. Pada ketika ini saya menyedari tidak mungkin saya dapat memuatkan semua elektronik saya di dalam perkara ini. Ketika itulah saya mendapat idea untuk membuat CNC perahu untuk membuatnya kelihatan sedikit lebih baik dan juga memberi saya tempat untuk menyembunyikan semua elektronik. Saya merancang pendirian dalam CAD kemudian memotongnya pada Bobs CNC E3 saya dalam MDF 13mm. Saya kemudian menyatukannya dan memberikan lapisan cat semburan hitam. Sekarang saya mempunyai tempat untuk mengisi semua elektronik saya, saya terus menggunakan pendawaian. Saya memasang semuanya dan memasang Node MCU (cukup banyak Arduino Nano dengan WiFi terbina dalam) dan memastikan semuanya dihidupkan. Selepas itu saya melengkapkan pemasangan dan bahkan menggunakan mesin pemotong laser sekolah saya untuk memotong pagar keselamatan dengan ukiran yang sejuk, terima kasih sekali lagi Mr. Z! Sekarang kita mempunyai prototaip fizikal yang sudah selesai, sekarang saatnya untuk menambahkan sihir dengan pengekodan.

Langkah 5: Pengekodan (AKA Bahagian Keras)

Untuk pengekodan saya menggunakan Arduino IDE untuk menulis beberapa kod yang cukup mudah. Saya menggunakan lakaran asas Blynk sebagai permulaan sehingga kemudian saya dapat mengawal beberapa bahagian dari aplikasi Blynk. Saya menonton banyak video YouTube dan membaca banyak forum untuk memastikan perkara ini berjaya. Pada akhirnya saya tidak dapat mengetahui cara mengawal motor tanpa berus tetapi berjaya melakukan yang lain. Dari aplikasi anda dapat menukar arah kapal, yang akan menukar warna LEDS merah / hijau, menyalakan / mematikan lampu dalaman, dan mendapatkan suapan data langsung dari salah satu sensor ultrasonik di bahagian depan paparan. Saya pasti kekurangan bahagian ini dan tidak mendapat hampir sama banyak pada kod yang saya mahukan tetapi ia tetap menjadi ciri yang kemas.

Langkah 6: Produk Akhir

Ia dilakukan! Saya mengumpulkan semuanya dan bekerja hampir sebelum tarikh pameran sains. (Stereotypical procrastinator) Saya cukup bangga dengan produk akhir dan tidak sabar untuk membagikannya dengan juri. Saya tidak mempunyai banyak perkara lagi untuk dinyatakan di sini jadi saya akan membiarkan saya menerangkannya dengan lebih baik. Inilah bahagian kesimpulan dari kertas kajian saya.

Setelah kapal dan stesen dermaga dibuat, penyelesaiannya sedang dilakukan. Setiap pagi kapal akan memulakan laluan mereka melalui jalan air. Sebilangan mungkin melalui terusan di kota-kota, sementara yang lain mengembara ke daratan rawa atau garis lautan. Sementara kapal melalui laluannya, skimmer penyaring akan turun, membolehkan penapis memulakan kerjanya. Skimmer akan mengarahkan alga dan serpihan terapung ke saluran penyaringan. Setelah masuk, air pertama kali mengalir melalui saringan mesh untuk mengeluarkan yang lebih besar zarah dan serpihan dari air. Bahan yang dikeluarkan akan ditahan di sana sehingga ruang diisi. Setelah air berjaya melalui penapis pertama, ia kemudian melalui penapis membran yang telap. Penapis ini menggunakan lubang kecil dan telap untuk membenarkan air meresap, meninggalkan bahan yang tidak tertembus. Penapis ini digunakan untuk mengeluarkan bahan baja yang tidak kedap, serta nutrien berlebihan dari pertumbuhan alga. r kemudian mengalir keluar bahagian belakang kapal ke jalan air di mana kapal itu menapis.

Apabila kapal sampai di stesen dok yang ditetapkan, kapal itu akan berlabuh ke dermaga. Setelah berlabuh sepenuhnya, dua lengan akan melekat di sisi kapal untuk menahannya dengan stabil. Seterusnya, paip secara automatik akan naik dari bawah kapal dan melekat pada setiap pelabuhan pelupusan sampah. Setelah diamankan, pelabuhan akan terbuka dan pam akan dihidupkan, menyedut bahan yang terkumpul keluar dari kapal dan masuk ke stesen dok. Semasa semua ini berlaku, penumpang akan dibenarkan menaiki kapal dan mencari tempat duduk mereka. Setelah semua orang menaiki kapal dan bekas sampah dikosongkan, kapal akan dilepaskan dari stesen dan akan bermula di laluan lain. Setelah sampah dipam ke stesen dok, ia akan disaring lagi untuk membuang serpihan besar seperti tongkat atau tong sampah. Serpihan yang dikeluarkan akan disimpan dalam bekas untuk dikitar semula kemudian. Baki ganggang yang telah diayak akan dibawa ke stesen dok pusat untuk diproses. Apabila setiap stesen dok yang lebih kecil mengisi simpanan alga, seorang pekerja akan mengangkut alga ke stesen utama, di mana ia akan disempurnakan menjadi biodiesel. Biodiesel ini adalah sumber bahan bakar yang boleh diperbaharui dan juga kaedah menguntungkan untuk mengitar semula nutrien yang dikumpulkan.

Apabila kapal terus menyaring air, kandungan nutrien akan berkurang. Pengurangan jumlah nutrien yang berlebihan ini akan menyebabkan bunga kecil setiap tahun. Ketika kadar nutrien terus menurun, kualitas air akan dipantau secara menyeluruh untuk memastikan nutrien tetap pada tahap yang tetap dan sihat yang diperlukan untuk lingkungan yang subur. Semasa musim sejuk ketika limpasan baja tidak sekuat masa musim bunga dan musim panas, kapal akan dapat mengawal jumlah air yang disaring untuk memastikan selalu ada jumlah nutrien yang sihat. Ketika kapal-kapal bergerak melalui laluan, semakin banyak data akan dikumpulkan untuk menentukan sumber limpahan baja dengan lebih cekap dan jam berapa untuk mempersiapkan tahap nutrien yang lebih tinggi. Dengan menggunakan data ini, jadual yang efisien dapat dibuat untuk mempersiapkan turun naik yang disebabkan oleh musim pertanian."