هک Hollow's Wolverine Grow Cube برای ISS: 5 مرحله

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

ما مدرسه راهنمایی وست هالو از لانگ آیلند ، نیویورک هستیم. ما مهندسانی مشتاق هستیم که هفته ای یکبار در باشگاهی به نام Hack the Hollow ملاقات می کنیم که در آن ما تعدادی پروژه سازنده طراحی ، کد نویسی و ایجاد می کنیم. می توانید تمام پروژه هایی که روی آنها کار می کنیم را در اینجا مشاهده کنید. تمرکز اصلی ما مطالعه آینده روباتیک غذا و محیط زیست بوده است. ما مزرعه هیدروپونیک عمودی خودکار را در پشت آزمایشگاه علمی خود با معلم خود آقای Regini مونتاژ و نگهداری کرده ایم. ما همچنین در برنامه GBE در دو سال گذشته شرکت کرده ایم. ما می دانیم که این چالش دانش آموزان دبیرستانی را فرا می خواند ، اما ما بسیار هیجان زده بودیم تا دو سال دیگر منتظر بمانیم تا شما را با ولورین ، که از نام طلسم مدرسه ما نامگذاری شده است ، آشنا کنیم. این چیزی است که ما انجام می دهیم!

در این پروژه ، بسیاری از چیزهایی را که ما دوست داریم از آنها استفاده کنیم ، از جمله Arduino ، Raspberry Pi و همه لوازم الکترونیکی که با آنها همراه است ، خواهید یافت. ما همچنین از Fusion 360 به عنوان قدمی بالاتر از TinkerCad برای طراحی مکعب لذت بردیم. این پروژه فرصتی مناسب برای بریدن دندان های ما در برخی از سیستم عامل های سازنده جدید بود. ما به تیم های طراحی تقسیم شده ایم که هرکدام باید روی یک جنبه از مکعب رشد تمرکز کنند. ما آن را به قاب ، درپوش و صفحه پایه ، نورپردازی ، دیوارها ، آب ، پنکه ها و حسگرهای محیطی تقسیم کردیم. اگر در تجسم بخش هایی که در مراحل بعدی مورد بحث قرار می گیرند به کمک نیاز دارید ، ما در لیست لوازم خود پیوندهایی را به تمام موادی که استفاده می کنیم پیوند داده ایم. امیدواریم لذت ببرید!

تدارکات

قاب:

• اکستروژن آلومینیومی 1 اینچ 80/20
• آجیل چای
• براکت های پشتیبانی
• لولا
• اتصالات گلایدر سازگار با کانال T
• راهنمای لوله و سیم سازگار با کانال T
• آهن ربا برای بسته نگه داشتن درها
• 3 عدد کلید مغناطیسی نی

دیوارهای رشد:

• کانال های NFT کم مشخصات Farm Tech
• پوشش کانال NFT
• ورق های پلاستیکی راه راه
• آهن ربا برای نگه داشتن کانال های قابل جابجایی در محل

درپوش:

• ورق پلاستیکی راه راه
• چاپگر سه بعدی LED نورگیر (Fusion 360)
• مقاومت پلاستیکی و سخت افزار برای لوازم الکترونیکی

روشنایی:

• نوارهای نئوپیکسلی آدرس پذیر از Adafruit (60LED/m)
• اتصالات نئوپیکسلی
• کلیپ های نئوپیکسلی
• 330uF ، خازن جدا کننده 35V
• مقاومت 1 کیلو اهم
• نوار فویل آلومینیومی HVAC نقره ای
• مبدل باک

آب: (ویژگی مورد علاقه ما):

• 2 عدد موتور Nema 17 Stepper
• سپر پله Adafruit برای آردوینو
• پمپ سرنگ فعال کننده خطی چاپ سه بعدی (Fusion 360)
• 2 سرنگ 100 00 300 میلی لیتر
• لوله با اتصالات قفل Luer و مفاصل سه راهی/آرنج
• 2 پیچ و مهره سربی 2 * 300 میلی متر در 8 میلی متر T8
• 2 برابر فلپ کوپلر
• 2 عدد بلوک بلبرینگ بالش
• 4 300 300 میلی متر x 8 میلی متر راهنمای محور میله حرکت
• بلبرینگ خطی 4 x 8 میلی متر LM8UU
• 4 عدد سنسور رطوبت مقاومت خازنی ربات DF برای نظارت بر خاک و کنترل پمپ های سرنگ

گردش هوا:

• 2 عدد فن 5 x 12 اینچی 12 ولت
• روکش فیلتر فن 5 اینچی
• 2 عدد TIP120 ترانزیستور دارلینگتون و هیت سینک
• منبع تغذیه 12 ولت
• آداپتور اتصال جک بشکه روی پنل
• 2 مقاومت 1 کیلو اهم
• 2 عدد دیود فلای بک
• 2 خازن 330uF ، 35V ولتاژ الکترولیتی
• سنسور دما و رطوبت DHT22 با مقاومت 4.7K اهم

الکترونیک:

• Raspberry Pi 3B+ w/ Motor HAT
• کارت حافظه 8 گیگابایتی
• آردوینو مگا
• تخته نان Adafruit perma-proto
• 2 عدد ال سی دی 20x4 i2C
• سیم های اتصال رشته 22AWG
• کیت اتصال Dupont
• سنسور کیفیت هوا Adafruit SGP30 w/ eCO2

ابزارها:

• آهن لحیم کاری
• کیت لحیم کاری
• دستهای کمک کننده
• ابزارهای چنگ زدن و سلب سیم
• پیچ گوشتی ها
• قهوه (برای آقای رجینی)

مرحله 1: مرحله 1: ساختن قاب

این قاب با استفاده از اکستروژن آلومینیومی با وزن سبک 1 80/20 t کانال ساخته می شود. با اتصالات آرنج آلومینیومی و مهره های t نگه داشته می شود. علاوه بر کاهش وزن ، کانال ها به عنوان مسیرهای راهنمای آب ما عمل می کنند. خطوط و سیم کشی

این مکعب روی مجموعه ای از ریل ها مجهز به اتصالات کشویی قرار می گیرد که به شما اجازه می دهد تا مکعب را از دیوار بیرون بیاورید تا نه تنها قسمت جلویی آن ، بلکه هر دو طرف آن نیز نمایان شود. الهام بخش این امر از یکی از دانش آموزان ما گرفته شد که در مورد چوب ادویه جات در کابینت آشپزخانه خود در خانه فکر می کرد.

با استفاده از لولا های ساده ، قسمت جلویی و کناری آن دارای درهایی است که می توانند با بیرون کشیدن مکعب روی ریل های آن باز شوند. وقتی بسته می شوند با آهنربا در جای خود قرار می گیرند. هر 6 پانل این مکعب قابل جدا شدن هستند زیرا همه سطوح توسط آهن ربا نیز در جای خود نگه داشته شده اند. هدف از این انتخاب طراحی ، دسترسی آسان به همه سطوح برای کاشت ، نگهداری گیاه ، جمع آوری داده ها ، برداشت و تمیز کردن/تعمیرات بود.

در مرحله بعد می توانید طرح ما را برای تابلوها مشاهده کنید.

مرحله 2: مرحله 2: ساخت دیوارهای رشد

اولین عنصری که ما در مورد آن فکر کردیم مواد مورد استفاده برای خود دیوارها بود. ما می دانستیم که آنها باید وزن کمی داشته باشند ، اما برای حمایت از گیاهان به اندازه کافی قوی هستند. پلاستیک سفید راه راه به جای اکریلیک شفاف انتخاب شد ، گرچه ما تصاویر V. E. G. G. I. E را دوست داشتیم که می توانستیم گیاهان داخل آن را ببینیم. دلیل این تصمیم این بود که اکثر دیدها توسط کانال های کارخانه مانع می شود و ما می خواستیم تا آنجا که ممکن است نور LED های خود را بازتاب دهیم. این منطق از بازرسی واحدی که به عنوان بخشی از مشارکت GBE به ما اعزام شده بود ، ناشی شد. همانطور که در مرحله قبل بیان شد ، این صفحات با آهنربا روی قاب آلومینیومی نگه داشته می شوند تا بتوان آنها را به راحتی جدا کرد.

به این صفحات سه کانال ریلهای NFT با مشخصات کم متصل شده است که ما در آزمایشگاه هیدروپونیک خود استفاده می کنیم. ما این انتخاب را دوست داریم زیرا آنها از PVC نازک با روکش هایی ساخته شده اند که به راحتی برای کاشت بالش های رو به رشد جدا می شوند. وقتی این مقاله را می خوانیم ، همه رسانه های در حال رشد در بالش های مخصوص طراحی شده قرار می گیرند که ما قبلاً مشاهده کردیم در ISS استفاده می شوند. تمام صفحات بین ریلها با نوار عایق نقره ای HVAC پوشانده می شوند تا بازتاب نور چراغهای رشد را افزایش دهد.

دهانه های ما 1 3/4 اینچ و فاصله آنها 6 اینچ در مرکز است. این اجازه می دهد تا 9 محل کاشت در هر یک از چهار پنل مکعب در مجموع 36 بوته تولید شود. ما سعی کردیم این فاصله را با آنچه که قرمز داشتیم مطابقت دهیم. در مورد کاهوهای فوق العاده. کانال ها با اسلات آسیاب می شوند تا سنسورهای رطوبت ما را بررسی کنند و رطوبت خاک را بررسی کرده و از پمپ های سرنگ آب بخواهند. هیدراتاسیون از طریق یک منیفولد آبیاری لوله ای متصل به این پمپ ها به هر بالش گیاه تقسیم می شود. این روش آبیاری مبتنی بر سرنگ چیزی است که ما به عنوان بهترین روش برای آبیاری دقیق و همچنین غلبه بر چالش های محیط صفر/گرانش کوچک مورد بررسی قرار دادیم. لوله ها برای ترویج رشد ریشه به سمت خارج وارد پایه بالش گیاه می شوند. ما به مویی متکی هستیم تا به انتشار آب در محیط رشد کمک کنیم.

در نهایت ، ما می خواستیم راهی برای استفاده از صفحه اصلی پیدا کنیم. ما یک لب کوچک در قسمت زیرین ایجاد کردیم تا بتواند یک حصیر را برای رشد میکرو سبز بپذیرد. میکرو سبزها تقریباً 40 برابر بیشتر از مواد مغذی بالغ خود دارای مواد مغذی حیاتی هستند. اینها می توانند برای رژیم غذایی فضانوردان بسیار مفید باشند. این مقاله ای است که دانشجویان ما در مورد ارزش غذایی ریز سبزیجات یافتند.

مرحله 3: مرحله 3: آبیاری گیاهان

ما در مرحله قبل به پمپ های سرنگ فعال کننده خطی خود اشاره کردیم. این قسمت مورد علاقه ما در این ساختمان است. موتورهای پله ای NEMA 17 می توانند محرک های خطی را هدایت کنند که دو سرنگ 100 سی سی سی سی را روی درب مکعب رشد فشار می دهد. ما پس از بررسی برخی از پروژه های منبع باز بزرگ در Hackaday ، محفظه موتور ، راننده پیستون و دکل راه آهن را با استفاده از Fusion 360 طراحی کردیم. ما این آموزش را در وب سایت شگفت انگیز Adafruit دنبال کردیم تا نحوه رانندگی موتورها را بیاموزیم.

ما می خواستیم راهی برای رهایی فضانوردان از کار آبیاری بیابیم. هنگامی که گیاهان درون سیستم آب مورد نیاز خود را می خوانند ، استپرها فعال می شوند. 4 سنسور خازنی رطوبت به بالش های گیاه در نقاط مختلف در سراسر مکعب متصل می شوند. هر مکان کاشت در سیستم دارای شکافی است که می تواند این حسگرها را در کانال های رشد آنها خرد کند. این اجازه می دهد تا محل قرارگیری این سنسورها توسط فضانوردان انتخاب و به صورت دوره ای تغییر کند. علاوه بر به حداکثر رساندن راندمان توزیع آب در سیستم ، امکان تجسم نحوه مصرف آب هر گیاه را نیز فراهم می کند. آستانه رطوبت را فضانوردان می توانند تعیین کنند تا آبیاری با توجه به نیاز آنها به صورت خودکار انجام شود. سرنگ ها با اتصال قفل Luer برای پر کردن آسان به منیفولد اصلی آبیاری متصل می شوند. پانل های رشد خود از پروتکل اتصال مشابه به منیفولد آبیاری استفاده می کنند تا بتوان آنها را به راحتی از مکعب جدا کرد.

داده های جمع آوری شده توسط سنسورها را می توان به صورت محلی بر روی یک صفحه LCD 20x4 متصل به درب یا از راه دور جایی که جمع آوری شده ، نمایش داده شده و با ادغام سیستم با پلتفرم IoT Cayenne یا Adafruit IOT خوانده شده است ، خواند. آردوینو داده های خود را با استفاده از کابل USB به رزبری پای پردازنده ارسال می کند و سپس با استفاده از کارت WiFi Pi به اینترنت راه پیدا می کند. می توان هشدارهایی را در این پلتفرم ها تنظیم کرد تا در صورت خروج هریک از متغیرهای سیستم ما از مقادیر آستانه از پیش تعیین شده ، به فضانوردان اطلاع دهد.

مرحله 4: مرحله 4: درب هوشمند با روشنایی و کنترل فن

درب مکعب رشد ما به عنوان مغز کل عملیات عمل می کند و همچنین محفظه ای برای عناصر مهم در حال رشد فراهم می کند. یک محفظه LED پرینت سه بعدی که از قسمت زیر درب به سمت پایین کشیده شده است ، نور را برای هر یک از صفحات دیواری در حال رشد و همچنین نوردهی بالایی تشک زیر سبز را فراهم می کند. این دوباره در Fusion 360 طراحی شده و در MakerBot ما چاپ شده است. هر نوار نور دارای 3 نوار LED است که توسط یک پشتیبانی مقعر محافظت می شوند. این تکیه گاه با نوار عایق HVAC نقره ای شده است تا بازتاب آن بیشتر شود. سیم کشی یک ستون توخالی مرکزی را طی می کند تا به برق و اطلاعات بالای درب دسترسی داشته باشد. اندازه این محفظه به گونه ای انتخاب شده است که به گیاهان اطراف آن اجازه می دهد حداکثر ارتفاع 8 اینچ داشته باشند. مشخص شد که این عدد به طور متوسط ارتفاع کاهوهای بالغ خارق العاده ای است که ما در باغ های عمودی هیدروپونیک خود در آزمایشگاه خود پرورش می دهیم. آنها می توانند به اندازه 12 اینچ ارتفاع داشته باشند ، اما ما تصور می کردیم که فضانوردان وقتی بزرگ می شوند ، آنها را می چرند و این یک مکعب رشد می کند.

نئوپیکسل هایی که استفاده می کنیم به صورت جداگانه قابل آدرس دهی هستند ، به این معنی که می توانیم طیف رنگی را که منتشر می کنند کنترل کنیم. این می تواند برای تغییر طیف نوری که گیاهان در مراحل مختلف رشد خود دریافت می کنند یا از گونه ای به گونه ای دیگر استفاده شود. سپرها در صورت لزوم شرایط مختلف نورپردازی را در هر یک از دیوارها فراهم می کردند. ما درک می کنیم که این یک راه اندازی کامل نیست و چراغ هایی که ما از آن استفاده می کنیم چراغ هایی نیستند که از نظر فنی رشد کنند ، اما ما احساس کردیم که یک دلیل خوب برای مفهوم است.

بالای درپوش دو عدد فن خنک کننده 12 اینچی 5 اینچی وجود دارد که معمولاً برای کنترل دمای برج های رایانه استفاده می شود. ما آن را به گونه ای طراحی کرده ایم که یکی هوا را به سیستم هل می دهد در حالی که دیگری به عنوان استخراج هوا عمل می کند. آنها هر دو با یک صفحه نمایش مش مشبک پوشانده شده اند تا اطمینان حاصل شود که هیچ بقایایی بیرون نیامده و وارد محیط تنفس فضانورد نمی شود. هنگامی که هر یک از کلیدهای مغناطیسی نی متصل به درها باز می شوند ، فن ها خاموش می شوند تا از آلودگی ناخواسته هوا جلوگیری شود. سرعت فن ها از طریق PWM با استفاده از Motor HAT در Raspberry pi کنترل می شود. بر اساس دما یا رطوبت که توسط Pi توسط سنسور DHT22 تعبیه شده در مکعب به Pi تغذیه می شود ، می توانید به طور مشروط سرعت یا سرعت را افزایش دهید. این قرائت ها را می توان مجدداً به صورت محلی بر روی LCD یا از راه دور در همان داشبورد اینترنت اشیا با سنسورهای رطوبت مشاهده کرد.

در مورد فتوسنتز ، ما همچنین می خواستیم سطح CO2 و کیفیت کلی هوا در مکعب را در نظر بگیریم. برای این منظور ، ما یک سنسور SGP30 برای نظارت بر eCO2 و کل VOC ها را در نظر گرفتیم. اینها نیز برای نمایش به LCD ها و داشبورد IoT ارسال می شوند.

همچنین خواهید دید که جفت پمپ سرنگ ما در کنار درب نصب شده است. لوله آنها به سمت کانالهای عمودی قاب پشتیبانی اکستروژن آلومینیومی هدایت می شود.

مرحله 5: بستن افکار و تکرارهای آینده

ما Wolverine را با استفاده از دانشی که از زمان پرورش غذا در کنار هم کسب کرده ایم طراحی کردیم. ما چندین سال است که باغ های خود را خودکار می کنیم و این یک فرصت هیجان انگیز بود که می توان از آن در یک کار مهندسی منحصر به فرد استفاده کرد. ما می دانیم که طراحی ما شروع متواضعی دارد ، اما ما مشتاقانه منتظر رشد آن هستیم.

یکی از جنبه های ساخت که قبل از پایان مهلت نتوانستیم تکمیل کنیم ، ضبط تصویر بود. یکی از دانش آموزان ما با دوربین Raspberry Pi و OpenCV آزمایش کرده است تا ببیند آیا می توانیم از طریق یادگیری ماشینی تشخیص سلامت گیاهان را به صورت خودکار انجام دهیم. ما حداقل می خواستیم بتوانیم راهی برای دیدن گیاهان بدون نیاز به باز کردن درها داشته باشیم. تصور بر این بود که شامل یک مکانیزم چرخش پانل باشد که می تواند در قسمت زیرین صفحه بالا بچرخد تا تصاویر هر دیواره رشد را بگیرد و سپس آنها را برای مشاهده در داشبورد Adafruit IO چاپ کند. این می تواند برخی از وقفه های واقعا جالب محصولات در حال رشد را نیز ایجاد کند. ما تصور می کنیم که این تنها بخشی از فرایند طراحی مهندسی است. همیشه کارهایی وجود دارد که باید انجام شود و پیشرفت هایی باید انجام شود. از فرصت مشارکت شما بسیار متشکرم!