Hack Hollow's Wolverine Grow Cube untuk ISS: 5 Langkah

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

Kami adalah sekolah menengah West Hollow dari Long Island, NY. Kami adalah jurutera yang bercita-cita yang bertemu seminggu sekali di sebuah kelab bernama Hack the Hollow di mana kami merancang, membuat kod, dan membina sejumlah projek pembuat. Anda boleh melihat semua projek yang kami jalankan di SINI. Fokus utama kami ialah mengkaji masa depan robotik makanan dan persekitaran. Kami telah mengumpulkan dan menyelenggara ladang hidroponik menegak automatik di belakang makmal sains kami dengan guru kami, Encik Regini. Kami juga telah mengikuti program GBE selama dua tahun terakhir. Kami tahu cabaran ini memerlukan pelajar sekolah menengah, tetapi kami terlalu gembira menunggu dua tahun lagi untuk memperkenalkan anda kepada Wolverine, yang dinamakan sempena maskot sekolah kami. Ini seperti apa yang kita buat!

Dalam projek ini, anda akan dapati banyak perkara yang kami suka gunakan termasuk Arduino, Raspberry Pi, dan semua barang elektronik yang sesuai dengannya. Kami juga menikmati penggunaan Fusion 360 sebagai langkah dari TinkerCad untuk merancang kubus. Projek ini adalah peluang yang tepat untuk memotong gigi kami di beberapa platform pembuat baru. Kami dipecah menjadi pasukan reka bentuk yang masing-masing harus fokus pada satu aspek Grow Cube. Kami memecahnya ke bingkai, penutup dan plat bawah, lampu, dinding tumbuh, air, kipas, dan sensor persekitaran. Kami telah membuat pautan dalam senarai bekalan kami ke semua bahan yang kami gunakan jika anda memerlukan bantuan untuk memvisualisasikan bahagian-bahagian yang dibincangkan dalam langkah-langkah berikut. Kami harap anda menikmati!

Bekalan

Rangka:

• Penyemperitan aluminium 1 "80/20
• Kacang tee
• Kurungan sokongan
• Engsel
• Sendi glider serasi T-channel
• Panduan tiub dan wayar yang serasi dengan saluran-T
• Magnet untuk menahan pintu ditutup
• 3 x suis buluh magnet

Tumbuh Tembok:

• Saluran NFT profil rendah Farm Tech
• Saluran saluran NFT
• Kepingan plastik beralun
• Magnet untuk menahan saluran yang boleh ditanggalkan di tempat

Tudung:

• Kepingan plastik beralun
• Lampu LED LED bercetak 3D (Fusion 360)
• Perhentian plastik dan perkakasan untuk elektronik

Pencahayaan:

• Jalur neopixel yang boleh diatasi dari Adafruit (60LED / m)
• Penyambung Neopixel
• Klip Neopixel
• Kapasitor pemisah 330uF, 35V
• Perintang 1K ohm
• Pita kerajang aluminium HVAC perak
• Penukar Buck

Air: (Ciri kegemaran kami):

• 2 x Nema 17 Motor stepper
• Adafruit Stepper Shield untuk Arduino
• Pam picagari penggerak linear bercetak 3D (Fusion 360)
• 2 x picagari 100-300mL
• Tiub dengan sambungan kunci Luer dan sendi tee / siku
• 2 x 300mm x 8mm skru plumbum dan mur
• 2 x pengganding terbang
• 2 x blok bantalan bantal
• Panduan poros batang gerakan linear 4 x 300mm x 8mm
• Galas linier 4 x 8mm LM8UU
• 4 x DF Robot sensor kelembapan ketahanan kapasitif untuk memantau tanah dan mengawal pam picagari

Peredaran Udara:

• Kipas 12V 2 x 5"
• Penutup kipas 5"
• 2 x TIP120 transistor Darlington dan sink haba
• Bekalan kuasa 12V
• Penyesuai sambungan soket barel pemasangan panel
• Perintang 2 x 1K ohm
• 2 x diod terbang balik
• Kapasitor pemutusan elektrolitik 2 x 330uF, 35V
• Sensor suhu dan kelembapan DHT22 dengan perintang ohm 4.7K

Elektronik:

• Raspberry Pi 3B + w / Motor HAT
• Kad SD 8GB
• Arduino Mega
• Papan roti perma-proto adafruit
• 2 x 20x4 LCD i2C
• Wayar sambungan terkandas 22AWG
• Kit penyambung Dupont
• Sensor kualiti udara Adafruit SGP30 tanpa eCO2

Alat:

• Besi pematerian
• Kit pemateri
• Menolong tangan
• Alat pengecutan dan pelucutan wayar
• Pemutar skru
• Kopi (untuk Mr. Regini)

Langkah 1: Langkah 1: Membina Bingkai

Rangka akan dibina menggunakan penyemperitan aluminium saluran 1 80/20 t ringan. Ini akan dipegang bersama dengan sendi siku aluminium dan t kacang. Selain menjaga berat badan, saluran akan berfungsi sebagai jalan panduan untuk air kita talian dan pendawaian.

Kubus akan diletakkan di atas set rel yang dilengkapi dengan sendi meluncur yang akan membolehkan kubus diekstrak dari dinding untuk tidak hanya memaparkan muka depannya, tetapi juga kedua sisinya. Inspirasi untuk ini datang dari salah seorang pelajar kami memikirkan rak rempah di kabinet dapurnya di rumah.

Dengan menggunakan engsel sederhana, bahagian depan dan sisi akan mempunyai pintu yang dapat terbuka ketika kubus ditarik keluar di relnya. Mereka ditahan di tempat oleh magnet apabila ditutup. Semua 6 panel kubus ini boleh ditanggalkan kerana semua muka dipegang oleh magnet juga. Tujuan pilihan reka bentuk ini adalah untuk memberikan akses mudah ke semua permukaan untuk penyemaian, pemeliharaan tanaman, pengumpulan data, penuaian, dan pembersihan / perbaikan.

Anda dapat melihat reka bentuk panel kami pada langkah seterusnya.

Langkah 2: Langkah 2: Membina Tumbuh Tembok

Elemen pertama yang kita fikirkan adalah bahan yang digunakan untuk dinding itu sendiri. Kami tahu mereka mesti ringan, tetapi cukup kuat untuk menyokong tanaman. Plastik beralun putih dipilih daripada akrilik yang jelas walaupun kami menyukai gambar-gambar V. E. G. G. I. E di mana kami dapat melihat tanaman di dalamnya. Sebab keputusan ini adalah kerana sebahagian besar pandangan akan terhalang oleh saluran kilang, dan kami ingin memantulkan cahaya sebanyak mungkin dari LED kami. Logik ini datang dari memeriksa unit yang kami hantar sebagai sebahagian daripada penyertaan GBE kami. Seperti yang dinyatakan pada langkah sebelumnya, plat ini dipegang pada kerangka aluminium dengan magnet sehingga dapat dilepaskan dengan mudah.

Di piring ini terdapat tiga saluran rel pertumbuhan NFT berprofil rendah yang kami gunakan di makmal hidroponik kami. Kami menyukai pilihan ini kerana ia diperbuat daripada PVC nipis dengan penutup yang mudah tergelincir untuk menanam bantal yang sedang tumbuh. Semua media yang berkembang akan terkandung di dalam bantal yang direka khas yang kita lihat sudah digunakan di ISS ketika kita membaca ARTIKEL INI. Semua panel di antara rel akan dilapisi dengan pita penebat HVAC perak untuk meningkatkan daya kilas cahaya yang tumbuh.

Bukaan kami adalah 1 3/4 dan jaraknya terpisah 6 inci di tengahnya. Ini memungkinkan 9 tapak penanaman di setiap panel empat kubus menghasilkan sejumlah 36 tanaman. Kami cuba memastikan jarak ini tidak selaras dengan warna merah mengenai selada yang luar biasa. Saluran digiling dengan slot untuk menerima sensor kelembapan kami yang akan memantau kelembapan tanah dan meminta air dari pam jarum suntikan. Penghidratan akan diedarkan ke setiap bantal tanaman individu melalui manifold penyiraman tabung perubatan yang dipasang pada pam ini. Kaedah penyiraman berasaskan jarum suntik ini adalah sesuatu yang kami teliti sebagai amalan terbaik untuk penyiraman ketepatan serta mengatasi cabaran persekitaran graviti sifar / mikro. Tiub akan memasuki dasar bantal tanaman untuk mempromosikan pertumbuhan akar ke arah luar Kami akan bergantung pada kapilari untuk membantu air meresap sepanjang medium tumbuh.

Akhirnya, kami ingin mencari cara untuk menggunakan plat asas. Kami membuat bibir kecil di bahagian bawah muka yang akan menerima tikar tumbuh untuk menanam hijau mikro. Hijau mikro diketahui mempunyai nutrien yang hampir 40 kali lebih penting daripada rakan mereka yang matang. Ini terbukti sangat bermanfaat untuk diet para angkasawan. Ini adalah satu artikel yang dijumpai oleh pelajar kami mengenai nilai pemakanan hijau mikro.

Langkah 3: Langkah 3: Menyiram Tumbuhan

Kami merujuk pam picagari penggerak linear pada langkah sebelumnya. Sejauh ini adalah bahagian kegemaran kita dalam binaan ini. Motor stepper NEMA 17 akan menggerakkan penggerak linier yang akan menekan pelocok dua picagari 100cc-300cc pada penutup kubus tumbuh. Kami merancang perumahan motor, pemandu pelocok, dan rig rel panduan menggunakan Fusion 360 setelah memeriksa beberapa projek sumber terbuka yang hebat di Hackaday. Kami mengikuti tutorial ini di laman web Adafruit yang menakjubkan untuk mempelajari cara memandu motor.

Kami ingin mencari jalan untuk membebaskan angkasawan dari tugas menyiram. Stepper diaktifkan apabila tanaman di dalam sistem memerlukan air mereka sendiri. 4 sensor kelembapan kapasitif dipasang ke bantal tanaman di pelbagai lokasi di seluruh kubus tumbuh. Setiap tapak penanaman dalam sistem mempunyai slot untuk menerima sensor ini yang digiling ke saluran pertumbuhan mereka. Ini membolehkan penempatan sensor ini dipilih dan diubah secara berkala oleh angkasawan. Selain memaksimumkan kecekapan di mana air diedarkan dalam sistem, ini akan memungkinkan untuk menggambarkan bagaimana setiap tanaman menggunakan airnya. Ambang kelembapan dapat ditetapkan oleh angkasawan sehingga penyiraman dapat automatik sesuai dengan keperluan mereka. Jarum suntik dilampirkan ke manifold penyiraman utama dengan sambungan kunci Luer agar mudah diisi semula. Panel tumbuh sendiri menggunakan protokol sambungan yang serupa dengan manifold penyiraman sehingga mereka dapat dengan mudah dikeluarkan dari kubus.

Data yang dikumpulkan oleh sensor dapat dibaca secara tempatan pada skrin LCD 20x4 yang terpasang pada penutup atau dari jauh di mana ia dikumpulkan, dipaparkan, dan digambarkan oleh penyatuan sistem dengan platform Cayenne atau Adafruit IO IoT. Arduino mengirimkan datanya ke Raspberry Pi onboard menggunakan kabel USB yang kemudian menuju ke internet menggunakan kad WiFi Pi. Makluman boleh diatur di platform ini untuk memberitahu angkasawan apabila mana-mana pemboleh ubah sistem kami telah keluar dari nilai ambang yang telah ditetapkan.

Langkah 4: Langkah 4: Tudung Pintar Dengan Pencahayaan dan Kawalan Kipas

Tudung kubus tumbuh kita berfungsi sebagai otak bagi keseluruhan operasi dan juga menyediakan tempat untuk elemen pertumbuhan yang kritikal. Memanjang ke bawah dari bahagian bawah penutup adalah perumahan LED bercetak 3D yang memberikan cahaya untuk setiap plat dinding yang tumbuh serta lampu atas tikar hijau mikro di bahagian bawah. Ini sekali lagi dirancang dalam Fusion 360 dan dicetak di MakerBot kami. Setiap ruang cahaya memegang 3 jalur LED yang dilindungi oleh penyokong cekung. Sokongan ini disaluti dengan pita penebat HVAC untuk memaksimumkan daya pantulannya. Pendawaian bergerak ke lajur berongga tengah untuk mengakses kuasa dan data di bahagian atas penutup. Ukuran perumahan ini dipilih untuk memiliki jejak yang memungkinkan tanaman yang tumbuh di sekitarnya mencapai ketinggian maksimum 8 inci. Angka ini didapati rata-rata tinggi selada luar yang matang yang kita tanam di kebun hidroponik menegak di makmal kita. Mereka dapat mencapai setinggi 12 inci, tetapi kami mengira angkasawan akan merumput pada saat mereka tumbuh menjadikannya kubus tumbuh-dan-datang-lagi.

Neopixel yang kita gunakan dapat ditangani secara individu yang bermaksud kita dapat mengawal spektrum warna yang dipancarkannya. Ini dapat digunakan untuk memodifikasi spektrum cahaya yang diterima oleh tumbuhan pada tahap pertumbuhan mereka yang berlainan atau dari spesies ke spesies. Perisai dimaksudkan untuk memungkinkan berlainan keadaan pencahayaan di setiap dinding jika perlu. Kami memahami bahawa ini bukan persediaan yang sempurna dan bahawa lampu yang kami gunakan tidak secara teknikal menyala, tetapi kami rasa ini adalah bukti konsep yang bagus.

Bahagian atas penutup menempatkan dua kipas penyejuk 12V 5 inci yang biasanya digunakan untuk mengawal suhu menara komputer. Kami merancangnya sehingga satu mendorong udara ke dalam sistem sementara yang lain bertindak sebagai pengekstrakan udara. Mereka berdua ditutup dengan layar jala halus untuk memastikan tidak ada serpihan yang tercabut dan masuk ke lingkungan pernafasan angkasawan. Kipas dimatikan apabila mana-mana suis buluh magnet yang terpasang di pintu terbuka untuk mengelakkan pencemaran udara yang tidak disengajakan. Kelajuan peminat dikawal melalui PWM menggunakan Motor HAT pada Raspberry pi. Penggemar dapat dipercepat atau diperlahankan berdasarkan kedua-dua nilai suhu atau kelembapan yang dimasukkan ke Pi oleh sensor DHT22 yang tertanam di dalam kubus. Bacaan ini sekali lagi dapat dilihat secara tempatan di LCD atau dari jauh pada papan pemuka IoT yang sama dengan sensor kelembapan.

Dalam memikirkan fotosintesis, kami juga ingin memperhitungkan tahap CO2 dan kualiti udara keseluruhan dalam kubus tumbuh. Untuk tujuan ini, kami menyertakan sensor SGP30 untuk memantau eCO2 dan juga jumlah VOC. Ini juga dihantar ke papan pemuka LCD dan IoT untuk visualisasi.

Anda juga akan melihat bahawa sepasang pam jarum suntik kami dipasang di sepanjang penutup tudung. Tiub mereka diarahkan ke bawah saluran menegak bingkai sokongan penyemperitan aluminium.

Langkah 5: Menutup Pemikiran dan Pengulangan Masa Depan

Kami merancang Wolverine menggunakan pengetahuan yang kami peroleh dari masa kami menanam makanan bersama. Kami telah mengautomasikan kebun kami selama beberapa tahun dan ini adalah peluang menarik untuk menerapkannya pada tugas kejuruteraan yang unik. Kami faham reka bentuk kami mempunyai permulaan yang sederhana, tetapi kami tidak sabar untuk berkembang seiring dengannya.

Salah satu aspek pembangunan yang tidak dapat kami selesaikan sebelum tarikh akhir adalah pengambilan gambar. Salah seorang pelajar kami telah bereksperimen dengan kamera Raspberry Pi dan OpenCV untuk melihat apakah kami dapat mengotomatisasi pengesanan kesihatan tumbuhan dengan cara pembelajaran mesin. Kami sekurang-kurangnya ingin mempunyai cara untuk melihat tanaman tanpa perlu membuka pintu. Pemikirannya adalah untuk memasukkan mekanisme pan-tilt yang dapat berputar di sekitar bahagian bawah panel atas untuk menangkap gambar setiap dinding tumbuh dan kemudian mencetaknya ke papan pemuka Adafruit IO untuk visualisasi. Ini juga dapat menyebabkan kekurangan masa tanaman yang sangat sejuk. Kami rasa itu hanya sebahagian daripada proses reka bentuk kejuruteraan. Selalu akan ada kerja yang harus dilakukan dan penambahbaikan yang akan dilakukan. Terima kasih banyak kerana berpeluang untuk mengambil bahagian!