کشتی فیلترینگ مستقل آردوینو: 6 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

در این دستورالعمل من قصد دارم به شما نشان دهم که چگونه راه حل پیشنهادی خود را برای مشکل فعلی جلبک های قرمز در آبهای ساحل خلیج فارس طراحی و طراحی کردم. برای این پروژه می خواستم یک کشتی کاملا مستقل و با انرژی خورشیدی طراحی کنم که بتواند در مسیرهای آبی حرکت کند و با استفاده از یک سیستم تصفیه طبیعی روی کشتی ، مواد مغذی اضافی و سموم Dinoflagellates و جلبک کارنا برویس را فیلتر کند. این طرح برای نشان دادن نحوه استفاده از فناوری برای کمک به رفع برخی از مسائل زیست محیطی فعلی ما ایجاد شده است. متأسفانه در نمایشگاه علمی شهرهای کوچک من هیچ جایزه ای کسب نکرد ، اما من هنوز از تجربه یادگیری لذت بردم و امیدوارم شخص دیگری بتواند از پروژه من چیزی بیاموزد.

مرحله 1: تحقیق

البته هر زمان که می خواهید مشکلی را حل کنید ، باید تحقیق کنید. من در مورد این مشکل از طریق یک مقاله خبری آنلاین شنیده بودم و این باعث شد من علاقه مند به طراحی راه حلی برای این مشکل زیست محیطی شوم. من با تحقیق درباره این که مشکل دقیقاً چیست و چه چیزی باعث آن شده است ، شروع کردم. در اینجا قسمتی از مقاله تحقیقاتی من نشان داده شده است که در طول تحقیقات خود چه یافته ام.

جزر و مد یک مشکل سالانه در حال رشد برای آبهای فلوریدا است. جزر و مد یک اصطلاح رایج است که برای گروه بزرگ و متمرکز جلبک استفاده می شود و به دلیل افزایش مواد مغذی موجود به صورت پراکنده رشد می کند. در حال حاضر فلوریدا با افزایش سریع روبرو شده است. در اندازه جزر و مد قرمز ، که باعث نگرانی روزافزون برای ایمنی حیات وحش آبزیان در منطقه و همچنین افرادی که می توانند با آن تماس پیدا کنند ، می شود. جزر و مد بیشتر از گونه ای از جلبک ها به عنوان Dinoflagellate شناخته می شوند. Dinoflagellates پروتئین های تک سلولی هستند که سمومی مانند بروتوکسین و ایکتیوتوکسین تولید می کنند ، که برای ساحل دریایی و زمینی که با آنها تماس پیدا می کند بسیار سمی است. Dinoflagellates از پروتست های دیگر موجود در آب مانند Chysophyta ، رایج ترین جلبک های غیر سمی تغذیه می کند. Dinoflagellates همچنین به صورت غیر جنسی تولید مثل می کند و باعث افزایش سریع تعداد آنها می شود. مواد مغذی ew معرفی می شود

علت اصلی افزایش سریع مواد غذایی آنها به دلیل مقادیر زیادی مواد مغذی است که در هنگام طوفان باران از مزارع شسته شده و از رودخانه ها و نهرهای مجاور به سواحل اقیانوس منتقل می شود. با توجه به وابستگی زیاد کودهای مصنوعی برای کشاورزی ، میزان مواد مغذی موجود در زمین های کشاورزی بیشتر از گذشته است. هر زمان که طوفان بارانی در بیشتر مناطق شرقی کشور رخ می دهد ، این باران مقدار زیادی از این کودها را از بالای خاک به نهرها و نهرهای اطراف می شست. این نهرها سرانجام در رودخانه ها جمع می شوند و تمام مواد مغذی جمع آوری شده خود را در یک گروه بزرگ ترکیب می کنند که به خلیج مکزیک می ریزد. این مجموعه بزرگ مواد مغذی برای زندگی دریایی موجود یک پدیده طبیعی نیست ، به همین دلیل باعث رشد غیرقابل کنترل جلبک ها می شود. به عنوان منبع اصلی غذای Dinoflagellates ، افزایش سریع جلبک ها منبع بزرگی از غذا را برای رشد سریع زندگی فراهم می کند.

این گروه بزرگ از Dinoflagellates مواد شیمیایی سمی تولید می کنند که شناخته شده بیشتر آبزیان را که در تماس با آنها هستند از بین می برد. بر اساس گزارش WUSF ، یک ایستگاه خبری فلوریدا ، در شکوفایی سال 2018 177 مورد مرگ و میر ناشی از جزر و مد و همچنین 122 مورد دیگر که مشکوک به ارتباط بودند ، ثبت شد. از بین 6 ، 500 یوزپلنگ مورد انتظار در آبهای فلوریدا و پورتوریکو ، این تأثیر زیادی بر بقای این گونه دارد و این فقط تأثیر بر یک گونه است. همچنین شناخته شده است که Red Tide برای کسانی که در نزدیکی شکوفایی بوده اند باعث مشکلات تنفسی می شود. از آنجا که Red Tide در کانالهای برخی از شهرهای ساحلی رشد می کند ، این یک خطر آشکار ایمنی برای هر کسی است که در آن جوامع زندگی می کند است. همچنین شناخته شده است که سم Dinophysis ، تولید شده توسط جزر و مد قرمز ، جمعیت صدف های محلی را مسموم می کند که منجر به مسمومیت اسهالی صدف دار یا DSP در افرادی می شود که صدف های آلوده خورده اند. خوشبختانه مشخص نیست که کشنده است ، اما می تواند منجر به مشکلات گوارشی برای قربانی شود. با این حال ، سم دیگری که توسط برخی Red Tides تولید می شود ، Gonyaulax یا Alexandrium ، می تواند صدف را در آبهای آلوده به جزر و مد آلوده کند. خوردن صدف های آلوده به این سموم باعث مسمومیت با صدف های فلج شده یا PSP می شود که در بدترین موارد منجر به نارسایی تنفسی و مرگ در 12 ساعت پس از مصرف می شود."

مرحله 2: راه حل پیشنهادی من

نقل قول از مقاله تحقیقی من

"راه حل پیشنهادی من این است که یک کشتی دریایی با انرژی خورشیدی کاملاً مستقل بسازیم که دارای سیستم تصفیه طبیعی ذرات ریز در داخل کشتی باشد. کل سیستم از طریق صفحات خورشیدی روی صفحه تغذیه می شود و توسط دو موتور بدون برس و مجرا در تنظیم بردار رانش رانده می شود." از سیستم فیلتراسیون برای تصفیه مواد مغذی اضافی و dinoflagellates هنگام حرکت خودکار در آبها استفاده می شود. این کشتی همچنین به عنوان یک سیستم شاتل برای جامعه محلی مورد استفاده قرار می گیرد. من ابتدا با تحقیق در مورد مشکل و نحوه شروع این مشکل شروع کردم. موجهای قرمز جزر و مد ناشی از مقادیر زیادی مواد مغذی مانند نیتروژن در آبهای محلی بود. هنگامی که متوجه شدم علت این مشکل چیست ، توانستم طوفان مغزی را راه اندازی کنم که می تواند به کاهش اندازه جزر و مد سالانه کمک کند.

ایده من یک کشتی بود که از نظر اندازه و شکل شبیه به یک کشتی قایقرانی بود. این مخزن دارای یک اسکیمر بین دو پنتون است که آب ورودی را از طریق یک فیلتر مش برای حذف ذرات بزرگ هدایت می کند ، و سپس از طریق یک فیلتر غشایی نفوذپذیر که ذرات ریز نیتروژن موجود را حذف می کند. سپس آب تصفیه شده از پشت قایق از طریق اسکیمر مقابل خارج می شود. من همچنین می خواستم این کشتی کاملاً برقی باشد ، بنابراین بی صدا و همچنین ایمن تر است و احتمال نشت مایعات سمی به آبهای اطراف کمتر است. چندین پانل خورشیدی روی کشتی وجود دارد و یک کنترل کننده شارژ با بسته یون لیتیوم برای ذخیره هرگونه نیروی اضافی برای استفاده های بعدی. آخرین هدف من طراحی کشتی به گونه ای بود که بتواند برای حمل و نقل عمومی برای جامعه محلی مورد استفاده قرار گیرد. با در نظر گرفتن همه این انتخاب های طراحی ، من شروع به طراحی چندین ایده روی کاغذ کردم تا بتوانم مشکلات احتمالی را حل کنم."

مرحله 3: طراحی

هنگامی که تحقیقات خود را از راه دور انجام دادم ، ایده بسیار بهتری از مشکل و علت ایجاد آن داشتم. سپس به طوفان فکری و طراحی روی آوردم. چندین روز برای حل این مشکل به راههای مختلف فکر کردم. هنگامی که ایده های شایسته ای داشتم ، سعی کردم آنها را روی کاغذ طراحی کنم تا قبل از انتقال به CAD برخی از نقص های طراحی را برطرف کنم. پس از چند روز طراحی مجدد ، لیستی از قطعاتی را که می خواستم برای طراحی استفاده کنم ، ایجاد کردم. من از تمام درآمد جایزه خود در نمایشگاه علمی سالهای گذشته به علاوه کمی بیشتر برای خرید قطعات و رشته های مورد نیاز برای ایجاد نمونه اولیه استفاده کردم. در نهایت از Node MCU برای میکرو کنترلر ، دو پنل خورشیدی 18 ولت برای منابع تغذیه پیشنهادی ، دو سنسور اولتراسونیک برای ویژگی های خودران ، 5 مقاومت عکس برای تعیین روشنایی محیط ، چند نوار LED سفید 12 ولت برای روشنایی داخلی ، 2 LED RGB استفاده کردم. نوارهای روشنایی جهت دار ، 3 رله برای کنترل LEDS و موتور بدون برس ، یک موتور 12 ولت بدون برس و ESC ، یک منبع تغذیه 12 ولت برای تغذیه نمونه اولیه و چندین قطعه کوچک دیگر.

هنگامی که اکثر قطعات وارد شد ، روی مدل سه بعدی کار کردم. من از Fusion 360 برای طراحی تمام قطعات این قایق استفاده کردم. من با طراحی بدنه قایق شروع کردم و سپس با طراحی هر قسمت به سمت بالا حرکت کردم. هنگامی که اکثر قطعات را طراحی کردم ، همه آنها را در یک مجموعه قرار دادم تا مطمئن شوم که پس از تولید با هم هماهنگ می شوند. پس از چندین روز طراحی و اصلاح ، بالاخره زمان شروع چاپ فرا رسید. من بدنه را در 3 قطعه مختلف روی Prusa Mk3s خود چاپ کردم و پایه های خورشیدی و روکش بدنه را روی CR10 هایم چاپ کردم. پس از چند روز دیگر ، تمام قسمتهایی که چاپ آنها به پایان رسید و من سرانجام شروع به جمع آوری آن کردم. در زیر بخش دیگری از مقاله تحقیقی من است که در مورد طراحی قایق صحبت می کنم.

هنگامی که ایده خوبی از طراحی نهایی داشتم ، به سراغ Crafting Aided Drafting یا CAD رفتم ، این روندی است که امروزه با استفاده از بسیاری از نرم افزارهای موجود قابل انجام است. من از نرم افزار Fusion 360 برای طراحی قطعات مورد نیاز خود استفاده کردم. من تمام قطعات این پروژه را ابتدا طراحی کردم ، و سپس آنها را در یک محیط مجازی مونتاژ کردم تا قبل از شروع چاپ قطعات ، مشکلی را برطرف کنم. هنگامی که یک مونتاژ سه بعدی نهایی داشتم ، حرکت کردم در مورد طراحی سیستم های الکتریکی مورد نیاز برای این نمونه اولیه. من می خواستم نمونه اولیه من از طریق یک برنامه سفارشی طراحی شده در تلفن هوشمند من قابل کنترل باشد. برای اولین قسمت من ، میکروکنترلر Node MCU را انتخاب کردم. Node MCU یک میکروکنترلر است که در اطراف ESP8266 محبوب ساخته شده است تراشه Wifi. این برد به من این امکان را می دهد که دستگاههای ورودی و خروجی خارجی را به آن متصل کنم که از طریق رابط Wifi از راه دور قابل کنترل هستند. پس از پیدا کردن کنترلر اصلی برای طراحی من ، به سراغ انتخاب سایر دستگاه ها رفتم. rts برای سیستم الکتریکی مورد نیاز است. برای تغذیه کشتی ، دو پنل خورشیدی هجده ولت را انتخاب کردم که بعداً به صورت موازی سیم کشی می شوند تا خروجی هجده ولت همراه با دو برابر جریان یک سلول خورشیدی منفرد به دلیل سیم کشی موازی آنها فراهم شود. خروجی از صفحات خورشیدی به یک کنترل کننده شارژ می رسد. این دستگاه ولتاژ خروجی متغیر را از پنل های خورشیدی می گیرد و آن را به خروجی دوازده ولت ثابت تری صاف می کند. سپس وارد سیستم مدیریت باتری یا BMS می شود تا 6 ، 18650 سلول لیپو را با دو مجموعه از سه سلول به صورت موازی و سپس سری شارژ کند. این پیکربندی ظرفیت 4.2 ولت 18650 را در یک بسته ظرفیت 12.6 ولت با سه سلول ترکیب می کند. با سیم کشی سه سلول دیگر که به موازات بسته قبلی تنظیم شده است ، ظرفیت کل دو برابر می شود و باتری 12.6 ولت با ظرفیت 6،500 میلی آمپر ساعت به ما می دهد.

این بسته باتری می تواند دوازده ولت برای روشنایی و موتورهای بدون برس تولید کند. من از یک اینورتر گام به گام برای ایجاد خروجی پنج ولت برای مجموعه قدرت پایین تجهیزات الکترونیکی استفاده کردم. سپس از سه رله استفاده کردم ، یکی برای روشن و خاموش کردن چراغ های داخلی ، یکی برای تغییر رنگ چراغ های خارجی و دیگری برای روشن و خاموش کردن موتور بدون برس. برای اندازه گیری فاصله ، از دو سنسور اولتراسونیک استفاده کردم ، یکی برای جلو و دیگری برای پشت. هر سنسور یک پالس اولتراسونیک ارسال می کند و می تواند بخواند که چقدر طول می کشد تا آن پالس برگردد. از این طریق ، با محاسبه تاخیر در سیگنال بازگشت ، می توان فهمید که یک جسم در مقابل رگ چقدر است. در بالای کشتی پنج مقاومت نوری برای تعیین میزان نور موجود در آسمان داشتم. این سنسورها بر اساس میزان نور موجود مقاومت خود را تغییر می دهند. با استفاده از این داده ها ، می توانیم از یک کد ساده برای میانگین تمام مقادیر استفاده کنیم و وقتی سنسورها مقدار متوسط نور کم را بخوانند ، چراغ های داخلی روشن می شوند. پس از فهمیدن اینکه از چه وسایل الکترونیکی استفاده خواهم کرد ، چاپ سه بعدی قطعاتی را که قبلاً طراحی کرده بودم شروع کردم. بدنه قایق را سه تکه چاپ کردم تا روی چاپگر اصلی من جا بگیرد. در حالی که آنها چاپ می کردند ، من به چاپ پایه های خورشیدی و عرشه روی چاپگر دیگری ادامه دادم. چاپ هر قسمت حدود یک روز به طول انجامید ، بنابراین در مجموع حدود 10 روز چاپ مستقیم سه بعدی برای تهیه تمام قطعات مورد نیاز وجود داشت. بعد از اینکه چاپ آنها تمام شد ، آنها را در قطعات کوچکتر جمع کردم. سپس لوازم الکترونیکی مانند پنل های خورشیدی و LED ها را نصب کردم. پس از نصب وسایل الکترونیکی ، همه آنها را سیم کشی کردم و مونتاژ قطعات چاپ شده را به پایان رساندم. در مرحله بعد ، من به طراحی یک پایه برای نمونه اولیه ادامه دادم. این پایه نیز در CAD طراحی شده و بعداً از چوب MDF در دستگاه CNC من بریده شد. با استفاده از CNC ، من توانستم شکاف های مورد نیاز در صفحه جلویی را برای اتصال قطعات الکترونیکی پرده برش دهم. سپس نمونه اولیه را روی پایه نصب کردم و مونتاژ فیزیکی کامل شد. اکنون که نمونه اولیه به طور کامل مونتاژ شد ، من روی کد NodeMCU کار کردم. از این کد برای اطلاع به NodeMCU استفاده می شود که کدام قسمت ها به کدام پین ورودی و خروجی متصل شده اند. همچنین به هیئت مدیره می گوید با چه سروری تماس بگیرید و به چه شبکه Wifi متصل شوید. با استفاده از این کد ، من پس از آن قادر به کنترل بخش های خاصی از نمونه اولیه تلفن خود با استفاده از یک برنامه بودم. این شبیه به این است که چگونه طرح نهایی می تواند با ایستگاه اصلی متصل شود و مختصات ایستگاه بعدی خود را دریافت کند ، و همچنین اطلاعات دیگر ، مانند مکان دیگر کشتی ها و آب و هوای مورد انتظار برای آن روز."

مرحله 4: مونتاژ (در نهایت !!)

خوب ، اکنون ما در قسمت مورد علاقه من ، مونتاژ هستیم. من عاشق ساختن چیزها هستم بنابراین بالاخره اینکه بتوانم همه قسمت ها را کنار هم بگذارم و نتایج نهایی را ببینم بسیار هیجان زده شدم. من کار را با کنار هم گذاشتن تمام قطعات چاپ شده شروع کردم و آنها را فوق العاده به هم چسباندم. سپس لوازم الکترونیکی مانند چراغ ها و پنل های خورشیدی را نصب کردم. در این مرحله متوجه شدم به هیچ وجه نمی توانم تمام قطعات الکترونیکی خود را در داخل این دستگاه قرار دهم. در آن زمان بود که من ایده ایستادن CNC برای قایق را پیدا کردم تا کمی بهتر به نظر برسد و همچنین مکانی برای مخفی کردن همه لوازم الکترونیکی به من داد. من پایه را در CAD طراحی کردم و سپس آن را روی Bobs CNC E3 خود در MDF 13 میلیمتری برش دادم. سپس آن را پیچ کردم و یک لایه رنگ اسپری سیاه به آن دادم. اکنون که جایی برای پر کردن تمام وسایل الکترونیکی خود داشتم ، سیم کشی را ادامه دادم. من همه چیز را سیم کشی کردم و Node MCU (تقریبا Arduino Nano با WiFi داخلی) را نصب کردم و مطمئن شدم همه چیز روشن است. پس از آن من مونتاژ را به پایان رساندم و حتی مجبور شدم از برش لیزری مدارس خود برای بریدن نرده های ایمنی با حکاکی های جالب استفاده کنم ، باز هم متشکرم Mr. Z! اکنون که ما یک نمونه اولیه فیزیکی داشتیم ، اکنون زمان آن رسیده بود که جادویی با کد نویسی اضافه کنیم.

مرحله 5: کدگذاری (AKA قسمت سخت)

برای کد نویسی از Arduino IDE برای نوشتن چند کد بسیار ساده استفاده کردم. من از طرح اولیه Blynk به عنوان شروع کننده استفاده کردم تا بعداً بتوانم برخی از قسمتهای برنامه Blynk را کنترل کنم. من بسیاری از ویدئوهای یوتیوب را تماشا کردم و انجمن های زیادی را مطالعه کردم تا این کار به نتیجه برسد. در نهایت من نمی توانم بفهمم چگونه موتور بدون برس را کنترل کنم ، اما همه چیز دیگر را کار کردم. با استفاده از برنامه می توانید جهت کارخانه را تغییر دهید ، که رنگ LEDS قرمز/سبز را تغییر می دهد ، چراغ های داخلی را روشن یا خاموش می کند و از یکی از سنسورهای اولتراسونیک در جلوی صفحه نمایش یک منبع اطلاعات مستقیم دریافت می کند. به من قطعاً در این بخش کوتاهی کردم و تقریباً آنطور که می خواستم روی کد کار نکردم ، اما هنوز هم یک ویژگی مرتب بود.

مرحله 6: محصول نهایی

انجام شده است! تقریباً همه چیز را قبل از تاریخ نمایشگاه علم جمع آوری و کار کردم. (تعلل کننده کلیشه ای) من به محصول نهایی افتخار می کردم و نمی توانستم منتظر بمانم تا آن را با داوران به اشتراک بگذارم. من چیزهای دیگری برای گفتن در اینجا ندارم ، بنابراین اجازه می دهم گذشته را بهتر توضیح دهم. در اینجا بخش نتیجه گیری مقاله تحقیقاتی من آمده است.

هنگامی که کشتی ها و ایستگاه های باراندازی ایجاد می شوند ، راه حل در حال انجام است. هر روز صبح کشتی ها مسیرهای خود را از طریق آبراه ها آغاز می کنند. برخی ممکن است از کانال های شهرها عبور کنند ، در حالی که برخی دیگر از مناطق باتلاقی یا خطوط اقیانوسی عبور می کنند. مسیر خود را طی می کند ، کفگیر فیلتر پایین می آید و به فیلترها اجازه می دهد کار خود را شروع کنند. کفگیر جلبک ها و بقایای شناور را به داخل کانال فیلتر هدایت می کند. هنگامی که داخل آن قرار گرفت ، ابتدا آب از طریق یک فیلتر مشبک عبور می کند تا بزرگتر حذف شود. ذرات و زباله های آب. مواد حذف شده تا پر شدن محفظه در آنجا نگه داشته می شوند. پس از عبور آب از اولین فیلتر ، سپس از طریق فیلتر غشای نفوذپذیر عبور می کند. این فیلتر از سوراخ های کوچک و نفوذپذیر استفاده می کند تا فقط آب قابل نفوذ ، مواد غیر قابل نفوذ را پشت سر می گذارد. این فیلتر برای استخراج مواد کود غیرقابل نفوذ و همچنین مواد مغذی اضافی از رشد جلبک ها استفاده می شود. r سپس از پشت قایق به داخل آبراهه ای که کشتی در حال تصفیه است بیرون می آید.

هنگامی که یک کشتی به ایستگاه متصل شده خود می رسد ، به داخل اسکله می رود. پس از اتصال کامل ، دو بازو به کناره قایق متصل می شوند تا آن را ثابت نگه دارند. سپس ، یک لوله به طور خودکار از زیر قایق بلند شده و به هر بندر دفع زباله متصل می شود. پس از ایمن سازی ، درگاه باز می شود و پمپ روشن می شود و مواد جمع آوری شده را از قایق بیرون می آورد و به ایستگاه متصل می کند. در حالی که همه اینها در حال رخ دادن است ، مسافران مجاز به سوار شدن در کشتی و یافتن صندلی خود خواهند بود. هنگامی که همه در کشتی هستند و ظروف زباله خالی شد ، کشتی از ایستگاه رها می شود و در مسیری دیگر حرکت می کند. پس از پاشیدن زباله ها به جایگاه بارگیری ، مجدداً الک می شود تا زباله های بزرگ مانند چوب یا زباله حذف شوند. بقایای حذف شده در ظروف برای بازیافت بعدی ذخیره می شوند. جلبک های الک شده باقی مانده به ایستگاه متصل مرکزی منتقل می شوند تا پردازش شوند. هنگامی که هر ایستگاه متصل کوچکتر ذخیره جلبک های خود را پر می کند ، یک کارگر می آید تا جلبک ها را به ایستگاه اصلی منتقل کند ، جایی که در آنجا تبدیل به یک بیودیزل می شود. این بیودیزل منبع تجدیدپذیر سوخت و همچنین راهی سودآور برای بازیافت مواد مغذی جمع آوری شده است.

همانطور که قایق ها به فیلتر کردن آب ادامه می دهند ، محتوای مواد مغذی کاهش می یابد. این کاهش مقدار بیش از حد مواد مغذی منجر به شکوفایی کوچکتر هر سال می شود. با پایین آمدن سطح مواد مغذی ، کیفیت آب به طور گسترده کنترل می شود تا اطمینان حاصل شود که مواد مغذی در سطح ثابت و سالم مورد نیاز برای یک محیط پر رونق باقی می مانند. در فصول زمستان که رواناب کودها به اندازه فصل بهار و تابستان نیست ، قایق ها می توانند مقدار آب تصفیه شده را کنترل کنند تا اطمینان حاصل شود که همیشه مقدار سالم مواد مغذی در دسترس وجود دارد. با عبور قایق ها از مسیرها ، اطلاعات بیشتری جمع آوری می شود تا منابع رواناب کود و زمان آماده سازی برای سطوح بالاتر مواد مغذی به نحو احسن تعیین شود. با استفاده از این داده ها ، می توان یک برنامه کارآمد برای آماده سازی برای نوسانات ناشی از فصل های کشاورزی ایجاد کرد."