Vaixell de filtratge autònom Arduino: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

En aquest instructiu us mostraré com he dissenyat i elaborat la meva solució proposada per al problema actual de les algues vermelles a les aigües de la costa del Golf. Per a aquest projecte volia dissenyar una embarcació totalment autònoma i amb energia solar que pogués navegar per les vies fluvials i, mitjançant un sistema de filtració natural a bord, pogués filtrar l’excés de nutrients i toxines de les algues Dinoflagel·lats i Karena Brevis. Aquest disseny es va crear per mostrar com es pot utilitzar la tecnologia per solucionar alguns dels nostres problemes ambientals actuals. Malauradament, no va guanyar cap premi ni cap lloc a la meva fira científica local de petites ciutats, però encara vaig gaudir de l’experiència d’aprenentatge i espero que algú altre pugui aprendre alguna cosa del meu projecte.

Pas 1: investigació

Per descomptat, en qualsevol moment que solucioneu un problema, heu d’investigar. Havia sentit a parlar d’aquest problema a través d’un article de notícies en línia que em va interessar a dissenyar una solució per a aquest problema mediambiental. Vaig començar investigant quin era exactament el problema i què el causava. Aquí hi ha una secció del meu treball de recerca que mostra el que vaig trobar durant la meva investigació.

La marea vermella és un problema anual creixent per a les aigües de Florida. Marea vermella és un terme comú que s'utilitza per a un gran grup concentrat d'algues que creix esporàdicament a causa de l'augment dels nutrients disponibles. Actualment, Florida s'ha enfrontat a un ràpid augment de la mida de la marea vermella, que causa una preocupació creixent per la seguretat de la fauna aquàtica de la zona, així com de les persones que hi puguin entrar en contacte. algues conegudes com a Dinoflagel·lats. Els dinoflagel·lats són protistes unicel·lulars que produeixen toxines com les brevetoxines i la ictiotoxina, altament tòxiques per a la vida marina i terrestre que hi estan en contacte. Els dinoflagel·lats s’alimenten d’altres protistes a l’aigua com els de Chysophyta, la forma més comuna d’algues no tòxiques. Els dinoflagel·lats també es reprodueixen de manera asexual fent que el seu nombre creixi ràpidament quan S’introdueixen nous nutrients.

La principal causa del seu ràpid augment d’aliments es deu a la introducció de grans quantitats de nutrients que es renten de les granges durant les tempestes de pluja i es porten a la riba de l’oceà des de rius i rierols propers. A causa de l’alta dependència de fertilitzants artificials per a l’agricultura, la quantitat de nutrients disponibles a les terres de cultiu circumdants és superior a la que ha estat mai. Sempre que hi ha una tempesta de pluja a la majoria de zones del país oriental, aquesta pluja renta molts fertilitzants del sòl superior i cap als rierols i rierols circumdants. Aquests corrents finalment es recullen als rius combinant tots els seus nutrients recollits en un gran grup que s’aboca al golf de Mèxic. Aquesta gran col·lecció de nutrients no és un fet natural per a les vides marines presents, motiu pel qual es tradueix en un creixement incontrolable d’algues. Com a principal font d’aliment dels Dinoflagel·lats, el ràpid augment d’algues proporciona una gran font d’aliments per a una forma de vida de creixement ràpid.

Aquests grans grups de dinoflagel·lats produeixen productes químics tòxics coneguts per matar la major part de la vida aquàtica que entra en contacte amb ells. Segons WUSF, una cadena de notícies de Florida, a la florida del 2018 es van confirmar 177 morts de manatí per la Marea Roja, així com 122 morts que se sospita que estaven relacionades. Dels 6, 500 manatins previstos a les aigües de Florida i Puerto Rico, això té un impacte enorme en la supervivència d'aquesta espècie, i això és només l'impacte en una espècie. També s’ha sabut que la Marea Vermella causa problemes respiratoris a aquells que han estat a prop de qualsevol floració. Atès que la Marea Vermella creix als canals d’algunes ciutats de platja, aquest és un perill evident per a la seguretat de qualsevol persona que visqui en aquestes comunitats. S’ha sabut que la toxina Dinophysis, produïda per les marees vermelles, infecta comunament les poblacions locals de mariscs, resultant en una intoxicació diarreètica per marisc, o DSP, en aquells que han menjat marisc infectat. Afortunadament, no se sap que és mortal, però pot provocar problemes digestius per a la víctima. No obstant això, una altra toxina produïda per algunes marees vermelles, Gonyaulax o Alexandrium, també pot infectar els mariscs en aigües contaminades amb les marees. Menjar marisc contaminat amb aquestes toxines provoca una intoxicació paralítica per marisc o PSP que, en els pitjors casos, ha provocat insuficiència respiratòria i mort a les 12 hores posteriors a la ingestió.

Pas 2: La meva solució proposada

Cita del meu treball de recerca

La meva solució proposada és construir un vaixell marí amb energia solar totalment autònom que inclogui un sistema de filtració natural de micro partícules a bord. Tot el sistema estarà alimentat per plaques solars a bord i propulsat per dos motors conductors sense escombretes en una configuració de vectorització d'empenta. El sistema de filtració s'utilitzarà per filtrar l'excés de nutrients i dinoflagel·lats mentre navega per les vies navegables de manera autònoma. El vaixell també s'utilitzarà com a sistema de llançadora per a la comunitat local. Vaig començar investigant primer el problema i com havia començat aquest problema. Vaig aprendre que les onades de la marea vermella van ser causades per les grans quantitats de nutrients, com el nitrogen, a les aigües locals. Un cop vaig descobrir el que causava el problema, vaig poder començar a fer una pluja d’idees sobre una solució que podria ajudar a disminuir la mida de les marees vermelles anuals.

La meva idea era un vaixell similar en mida i forma a un vaixell pontó. Aquest vaixell tindria un escumador entre els dos pontons que conduiria l’aigua entrant a través d’un filtre de malla per eliminar les partícules grans i, a continuació, a través d’un filtre de membrana permeable que eliminaria les micropartícules de nitrogen presents. L'aigua filtrada llavors sortiria per la part posterior de l'embarcació a través del skimmer oposat. També volia que aquesta embarcació fos totalment elèctrica, de manera que fos més tranquil·la i segura, amb menys possibilitats de filtrar líquids tòxics a les aigües circumdants. Hi hauria diversos panells solars al buc, així com un controlador de càrrega amb un paquet de ions de liti per emmagatzemar qualsevol excés de potència per a un ús posterior. El meu darrer objectiu era dissenyar el vaixell de manera que pogués ser utilitzat per al transport públic de la comunitat local. Tenint en compte totes aquestes opcions de disseny, vaig començar a esbossar diverses idees en paper per intentar solucionar els possibles problemes.

Pas 3: dissenyar

Un cop vaig tenir la meva recerca fora del camí, vaig tenir una idea molt millor del problema i de què el causava. Després vaig passar a la pluja d’idees i a dissenyar. Vaig passar diversos dies pensant en moltes maneres diferents de solucionar aquest problema. Un cop vaig tenir algunes idees decents, vaig passar a esbossar-les en paper per provar de solucionar alguns defectes de disseny abans de passar a CAD. Després d'un parell de dies d'esbossos més, vaig crear una llista de les peces que volia utilitzar per al disseny. Vaig utilitzar tots els guanys dels premis de la fira científica dels anys anteriors i una mica més per comprar les peces i el filament que necessitava per crear el prototip. Vaig acabar utilitzant un MCU de node per al microcontrolador, dos panells solars de 18V per a les fonts d’energia proposades, dos sensors d’ultrasons per a les funcions autònomes, 5 resistències fotogràfiques per determinar la il·luminació ambiental, unes tires de LED blancs de 12V per a la il·luminació interior, 2 LED RGB tires per a la il·luminació direccional, 3 relés per controlar LEDs i el motor sense escombretes, un motor sense escombretes de 12V i ESC, una alimentació de 12V per alimentar el prototip i diverses altres peces petites.

Un cop van arribar la majoria de les peces, vaig començar a treballar amb el model 3d. Vaig utilitzar Fusion 360 per dissenyar totes les peces d’aquest vaixell. Vaig començar dissenyant el casc del vaixell i després vaig anar cap amunt dissenyant cada part mentre avançava. Una vegada que vaig dissenyar la majoria de les peces, les vaig posar en un conjunt per assegurar-me que encaixessin un cop fabricades. Després de diversos dies de disseny i modificació, finalment va ser el moment de començar a imprimir. Vaig imprimir el casc en 3 peces diferents al Prusa Mk3s i vaig imprimir els muntatges solars i les cobertes del casc al meu CR10. Després de diversos dies més, totes les parts van acabar d’imprimir i finalment vaig poder començar a muntar-les. A continuació es mostra una altra secció del meu treball de recerca on parlo sobre el disseny del vaixell.

Un cop vaig tenir una bona idea del disseny final, vaig passar a la redacció assistida per ordinador o CAD, que és un procés que es pot fer amb molts programes disponibles actualment. He utilitzat el programari Fusion 360 per dissenyar les parts que necessitaria fabricació per al meu prototip. Primer vaig dissenyar totes les peces per a aquest projecte i les vaig reunir en un entorn virtual per provar de resoldre qualsevol problema abans de començar a imprimir les peces. Un cop vaig tenir un muntatge 3D finalitzat, em vaig moure pel que fa al disseny dels sistemes elèctrics necessaris per a aquest prototip. Volia que el meu prototip es pogués controlar mitjançant una aplicació dissenyada a mida al meu telèfon intel·ligent. Per a la meva primera part, vaig triar el microcontrolador Node MCU. El Node MCU és un microcontrolador construït al voltant del popular ESP8266 Xip Wifi. Aquesta placa em permet connectar-hi dispositius d’entrada i sortida externs que es poden controlar remotament a través de la seva interfície Wifi. Després de trobar el controlador principal per al meu disseny, vaig passar a triar quin altre pa Es necessitaria rts per al sistema elèctric. Per alimentar el vaixell, vaig triar dos panells solars de divuit volts que posteriorment es connectarien en paral·lel per proporcionar una sortida de divuit volts juntament amb el doble del corrent d’una cèl·lula solar individual a causa del seu cablejat en paral·lel. La sortida dels panells solars passa a un controlador de càrrega. Aquest dispositiu pren el voltatge de sortida fluctuant dels panells solars i el suavitza fins a obtenir una sortida de dotze volts més constant. Això passa al sistema de gestió de bateries, o BMS, per carregar les 6, 18650 cel·les lipo cablejades amb dos conjunts de tres cel·les cablejades en paral·lel, després en sèrie. Aquesta configuració combina la capacitat de 4,2 volts del 18650 en un paquet de capacitat de 12,6 volts amb tres cel·les. En connectar altres tres cel·les en paral·lel al paquet anterior, la capacitat total es duplica donant-nos una bateria de 12,6 volts amb una capacitat de 6, 500 mAh.

Aquest paquet de bateries pot generar dotze volts per als motors d’il·luminació i sense escombretes. Vaig utilitzar un inversor reductor per crear una sortida de cinc volts per al conjunt de components electrònics de menor potència. Després vaig utilitzar tres relés, un per encendre i apagar els llums interiors, un per canviar el color dels llums externs i un altre per encendre i apagar el motor sense escombretes. Per mesurar la distància, he utilitzat dos sensors d’ultrasons, un per la part davantera i un per la part posterior. Cada sensor envia un pols ultrasònic i pot llegir quant de temps triga aquest impuls a tornar. A partir d’això, podem esbrinar fins a quin punt es troba un objecte davant del vaixell calculant el retard en el senyal de retorn. A la part superior del recipient tenia cinc fotoresistors per determinar la quantitat de llum present al cel. Aquests sensors canvien la seva resistència en funció de la quantitat de llum que hi hagi. A partir d’aquestes dades, podem utilitzar un codi senzill per fer la mitjana de tots els valors i, quan els sensors llegeixin un valor mitjà de poca llum, els llums interiors s’encendran. Després d’esbrinar quina electrònica utilitzaria, vaig començar a imprimir en 3D les peces que havia dissenyat anteriorment. Vaig imprimir el casc del vaixell en tres peces perquè pogués cabre a la meva impressora principal. Mentre imprimia aquells, vaig passar a imprimir els muntatges solars i la coberta en una altra impressora. Cada part va trigar aproximadament un dia a imprimir-se, de manera que en total hi va haver uns deu dies d'impressió 3D directa per obtenir totes les parts que necessitava. Després d’haver acabat d’imprimir, els vaig muntar en parts més petites. Després vaig instal·lar productes electrònics com ara panells solars i LED. Un cop instal·lats els aparells electrònics, els vaig connectar a tots i vaig acabar de muntar les peces impreses. A continuació, vaig passar a dissenyar un suport per al prototip. Aquest estand també va ser dissenyat en CAD i posteriorment retallat de fusta MDF a la meva màquina CNC. Amb el CNC, vaig poder retallar les ranures necessàries al tauler frontal per connectar l’electrònica de la cortina. Després vaig muntar el prototip a la base i el muntatge físic es va completar. Ara que el prototip estava completament muntat, vaig començar a treballar en el codi del NodeMCU. Aquest codi s'utilitza per indicar al NodeMCU quines parts estan connectades a quins pins d'entrada i sortida. També indica al tauler amb quin servidor s’ha de posar en contacte i a quina xarxa Wifi s’ha de connectar. Amb aquest codi, vaig poder controlar certes parts del prototip des del meu telèfon mitjançant una aplicació. Això és similar en certa manera a com el disseny final es podria posar en contacte amb l'estació principal d'acoblament per rebre les coordenades de la seva propera parada, així com altres informacions, com ara on es troben els altres vaixells i el temps previst per a aquest dia.

Pas 4: Muntatge (Finalment !!)

Molt bé, ara som a la meva part preferida, l'assemblea. M’encanta construir coses, així que finalment poder ajuntar totes les parts i veure els resultats finals em va emocionar bastant. Vaig començar ajuntant totes les parts impreses i super-enganxades. Després vaig instal·lar l’electrònica com llums i plaques solars. En aquest moment em vaig adonar que no hi hauria manera de poder encabir tota la meva electrònica dins d’aquesta cosa. Va ser llavors quan vaig tenir la idea de fer CNC un suport per a l'embarcació perquè fos una mica millor i em donés un lloc per amagar tota l'electrònica. Vaig dissenyar l'estand en CAD i després el vaig tallar al meu Bobs CNC E3 en MDF de 13 mm. Aleshores el vaig cargolar i li vaig donar una capa de pintura en aerosol negra. Ara que tenia un lloc per omplir tota la meva electrònica, vaig continuar amb el cablejat. Ho vaig connectar tot i vaig instal·lar el MCU Node (gairebé un Arduino Nano amb WiFi integrat) i em vaig assegurar que tot estigués encès. Després d'això, vaig acabar el muntatge i fins i tot vaig poder utilitzar el tallador làser de les meves escoles per tallar les baranes de seguretat amb alguns gravats genials, gràcies de nou Mr. Z! Ara que teníem un prototip físic acabat, era hora d'afegir una mica de màgia amb la codificació.

Pas 5: la codificació (AKA the Hard Part)

Per a la codificació, he utilitzat l'IDE Arduino per escriure un codi força senzill. Vaig utilitzar l’esbós bàsic de Blynk com a element inicial per poder controlar algunes de les parts de l’aplicació Blynk. Vaig veure molts vídeos de YouTube i vaig llegir molts fòrums perquè això funcionés. Al final, no vaig poder esbrinar com controlar el motor sense escombretes, però vaig aconseguir que funcionés tota la resta. Des de l'aplicació es pot canviar la direcció de l'embarcació, que canvia els colors dels LED vermells / verds, s'encén / apaga els llums interiors i s'obté un flux de dades en directe des d'un dels sensors d'ultrasons de la part frontal de la pantalla.. Definitivament, vaig relaxar-me en aquesta part i no vaig fer gaire tant el codi que volia, però tot i així va acabar sent una característica ordenada.

Pas 6: producte final

Esta fet! Ho vaig muntar tot i vaig treballar tot just abans de les dates de la fira científica. (Procrastinador estereotípic) Estava bastant orgullós del producte final i no podia esperar a compartir-lo amb els jutges. No tinc molt més a dir aquí, així que deixaré que m'expliqui millor. Aquí teniu la secció de conclusions del meu treball de recerca.

Un cop creats els vaixells i estacions d'acoblament, la solució està en marxa. Cada matí els vaixells començarien les seves rutes a través de les vies fluvials. Alguns podrien recórrer els canals de les ciutats, mentre que d'altres recorreren terrenys pantanosos o línies oceàniques. està passant pel seu recorregut, el skimmer filtrant quedarà baixat, cosa que permetrà que els filtres comencin el seu treball. El skimmer dirigirà les algues flotants i les restes cap al canal de filtratge. Un cop a dins, l’aigua passa primer per un filtre de malla per partícules i deixalles de l’aigua. El material eliminat s’hi mantindrà fins que s’ompli la cambra. Després que l’aigua hagi passat pel primer filtre, passa pel filtre de membrana permeable. Aquest filtre utilitza petits forats permeables per permetre només a través d’aigua permeable, deixant enrere materials impermeables. Aquest filtre s’utilitza per extreure el material fertilitzant impermeable, així com l’excés de nutrients del creixement de les algues. r desemboca a la part posterior del vaixell cap a la via fluvial on el vaixell està filtrant.

Quan un vaixell arriba a l'estació d'acoblament designada, arrenca a l'amarratge. Després d’acoblar-lo completament, dos braços s’adheriran al costat de l’embarcació per mantenir-lo constantment al seu lloc. A continuació, una canonada s'aixecarà automàticament per sota de l'embarcació i s'adherirà a cada port d'eliminació de residus. Un cop assegurat, el port s'obrirà i s'encendrà una bomba, que aspirarà el material recollit de l'embarcació fins a l'estació d'acoblament. Mentre tot això passa, es permetrà als passatgers pujar al vaixell i trobar els seus seients. Un cop tothom sigui a bord i s’hagin buidat els contenidors de deixalles, l’embarcació s’alliberarà de l’estació i començarà per una altra ruta. Després de bombar els residus a l'estació d'acoblament, es tornarà a tamisar per eliminar les restes grans, com ara pals o escombraries. Els residus retirats s’emmagatzemaran en contenidors per al seu posterior reciclatge. La resta d'algues tamisades es portaran a l'estació d'acoblament central per ser processades. Quan cada estació d’acoblament més petita ompli el seu emmagatzematge d’algues, un treballador vindrà a transportar les algues a l’estació principal, on es refinarà a biodièsel. Aquest biodièsel és una font renovable de combustible, així com una forma rendible de reciclar els nutrients recollits.

A mesura que les embarcacions continuen filtrant l’aigua, es reduirà el contingut de nutrients. Aquesta reducció de la quantitat excessiva de nutrients provocarà una floració menor cada any. A mesura que els nivells de nutrients continuen baixant, la qualitat de l'aigua es controlarà extensament per garantir que els nutrients es mantinguin en un nivell constant i saludable necessari per a un entorn pròsper. Durant les estacions d’hivern, quan l’escorrentatge de fertilitzants no és tan potent com la primavera i l’estiu, els vaixells podran controlar la quantitat d’aigua que s’està filtrant per garantir que sempre hi hagi una quantitat sana de nutrients disponibles. A mesura que les embarcacions recorren les rutes, cada vegada es recopilaran més dades per determinar amb més eficiència les fonts de l’abocament de fertilitzants i quins horaris cal preparar per a nivells de nutrients més alts. Utilitzant aquestes dades, es pot crear un calendari eficient per preparar-se per a la fluctuació provocada per les temporades de cultiu.