Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube per a la ISS: 5 passos

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

Som escola secundària West Hollow de Long Island, Nova York. Som aspirants a enginyers que ens reunim un cop per setmana en un club anomenat Hack the Hollow, en el qual dissenyem, codifiquem i construïm diversos projectes de fabricants. Podeu consultar tots els projectes en què treballem AQUÍ. El nostre objectiu principal ha estat estudiar el futur de la robòtica alimentària i ambiental. Hem muntat i mantingut una granja hidropònica vertical automatitzada a la part posterior del nostre laboratori de ciències amb el nostre professor, el Sr. Regini. També hem participat al programa GBE durant els darrers dos anys. Sabem que aquest desafiament era per als estudiants de secundària, però ens feia molta il·lusió esperar dos anys més per presentar-vos el Wolverine, que porta el nom de la nostra mascota escolar. Això és el que fem.

En aquest projecte, trobareu moltes de les coses que ens encanten fer servir, incloent Arduino, Raspberry Pi i tots els productes electrònics que els acompanyen. També ens va agradar fer servir Fusion 360 com a pas de TinkerCad per dissenyar el cub. Aquest projecte va ser una oportunitat perfecta per tallar-nos les dents en algunes noves plataformes de fabricants. Ens dividíem en equips de disseny que havien de centrar-se en un aspecte del Grow Cube. El vam descompondre en el marc, la tapa i la placa base, il·luminant, cultivant parets, aigua, ventiladors i sensors ambientals. Hem fet enllaços a la nostra llista de subministraments a tots els materials que fem servir si necessiteu ajuda per visualitzar les parts que es comenten en els passos següents. Esperem que gaudiu!

Subministraments

Marc:

• Extrusions d'alumini 1 "80/20
• Tee fruits secs
• Suports de suport
• Frontisses
• Juntes planadores compatibles amb canal T
• Guies de tubs i fils compatibles amb canal T
• Imants per mantenir les portes tancades
• 3 interruptors magnètics de canya

Parets de cultiu:

• Canals NFT de perfil baix Farm Tech
• Cobertes de canals NFT
• Fulls de plàstic ondulat
• Imants per mantenir els canals extraïbles al seu lloc

Tapa:

• Full de plàstic ondulat
• Llum de cultiu LED imprès en 3D (Fusion 360)
• Separadors de plàstic i maquinari per a electrònica

Il·luminació:

• Tires de neopíxels adreçables d'Adafruit (60LED / m)
• Connectors de Neopixel
• Clips de Neopixel
• Condensador de desacoblament de 330uF, 35V
• Resistència de 1K ohm
• Cinta de paper d'alumini HVAC platejat
• Convertidor de dòlars

Aigua: (La nostra característica preferida):

• 2 motors Nema 17 pas a pas
• Adafruit Stepper Shield per Arduino
• Bomba de xeringa amb actuador lineal imprès en 3D (Fusion 360)
• 2 xeringues de 100-300 ml
• Tubs amb connexions de bloqueig Luer i articulacions en te / colze
• 2 cargols i femelles de plom T8 de 300 x 8 mm
• 2 x acoblament de vol
• 2 x blocs de coixinets
• Guies d'eix de la barra de moviment lineal de 4 x 300 mm x 8 mm
• Rodaments lineals de 4 x 8 mm LM8UU
• 4 x Sensors d'humitat de resistència capacitiva del robot DF per controlar el sòl i controlar les bombes de xeringa

Circulació d'aire:

• 2 x 5 "12V ventiladors
• Tapes de filtre de ventilador de 5"
• 2 transistors Darlington i dissipadors de calor TIP120
• Alimentació de 12V
• Adaptador de connexió de presa de barril de muntatge a panell
• 2 x 1K ohm resistències
• 2 x díodes flyback
• Condensadors de desacoblament electrolític de 2 x 330uF, 35V
• Sensor de temperatura i humitat DHT22 amb resistència de 4,7 K ohm

Electrònica:

• Raspberry Pi 3B + amb motor HAT
• Targeta SD de 8 GB
• Arduino Mega
• Taula de protecció perma-proto Adafruit
• 2 LCD i2C de 20 x 4
• Filferros de connexió varats 22AWG
• Kit de connectors Dupont
• Sensor de qualitat de l’aire Adafruit SGP30 amb eCO2

Eines:

• Soldador
• Kit de soldadura
• Ajudant les mans
• Eines de premsat i pelat per a cables
• Tornavisos
• Cafè (per al senyor Regini)

Pas 1: pas 1: construcció del marc

El bastidor es construirà amb extrusions d’alumini de canal lleuger de 1 80/20 t. Es mantindrà junt amb colzes d'alumini i femelles en t. A més de mantenir el pes baix, els canals actuaran com a camins de guia per a la nostra aigua línies i cablejat.

El cub descansarà sobre un conjunt de rails equipats amb juntes lliscants que permetran extreure el cub d’una paret per exposar no només la seva cara frontal, sinó també els dos laterals. La inspiració d’això va sorgir d’un dels nostres estudiants que pensava en el portaespecies dels armaris de la cuina de casa.

Utilitzant frontisses simples, la part frontal i els laterals tindran portes que es poden obrir quan es treu el cub sobre els seus rails. Els imants els mantenen al seu lloc quan estan tancats. Els 6 panells d'aquest cub són extraïbles, ja que totes les cares també es mantenen en lloc per imants. L’objectiu d’aquesta opció de disseny era proporcionar un accés fàcil a totes les superfícies per sembrar, manteniment de plantes, recollida de dades, collita i neteja / reparacions.

Podeu veure el nostre disseny per als panells al següent pas.

Pas 2: pas 2: construcció de les parets de creixement

El primer element que vam pensar van ser els materials a utilitzar per a les mateixes parets. Sabíem que havien de ser lleugers, però prou forts per suportar les plantes. Es va triar el plàstic ondulat blanc per sobre de l’acrílic transparent tot i que ens encantaven les imatges de V. E. G. G. I. E on podíem veure les plantes que hi havia a l’interior. El motiu d'aquesta decisió es va deure al fet que la major part de la vista estaria obstruïda pels canals de la planta i volíem reflectir la major quantitat de llum dels nostres LEDs possible. Aquesta lògica prové de la inspecció de la unitat que ens va enviar com a part de la nostra participació a GBE. Com es va dir al pas anterior, aquestes plaques es mantenen al marc d'alumini amb imants perquè es puguin treure fàcilment.

A aquestes plaques s’uneixen tres canals de rails de cultiu NFT de perfil baix que utilitzem al nostre laboratori d’hidroponia. Ens agrada aquesta elecció perquè estan construïts amb PVC prim amb fundes que es poden lliscar fàcilment per implantar els coixins en creixement. Tots els mitjans de cultiu estaran inclosos en coixins especialment dissenyats que vam veure que ja s’utilitzaven a l’ISS quan llegim AQUEST ARTICLE. Tots els panells entre els rails estaran recoberts amb cinta d’aïllament HVAC platejada per afavorir la reflectivitat de les llums de cultiu.

Les nostres obertures són de 1 3/4 i espaiades de 6 polzades al centre. Això permet la plantació de 9 llocs en cadascun dels quatre panells del cub que donen un total de 36 plantes. Vam intentar mantenir aquest espai tan coherent amb el que teníem de color vermell sobre enciams Outredgeous. Els canals es fresen amb ranures per acceptar els nostres sensors d'humitat que controlaran la humitat del sòl i demanaran aigua de les bombes de xeringa. La hidratació es distribuirà a cada coixí de la planta a través d'un col·lector de reg de tubs mèdics connectat a aquestes bombes. Aquest mètode de reg basat en xeringues és una cosa que hem investigat com a millor pràctica tant per regar amb precisió com per superar els desafiaments d’un entorn de gravetat zero / micro. Els tubs entraran a la base del coixí de la planta per promoure el creixement de les arrels cap a l’exterior Confiarem en la capil·laritat per ajudar l’aigua a difondre’s pel medi de cultiu.

Finalment, volíem trobar una manera d’utilitzar la placa base. Vam crear un petit llavi a la cara inferior que acceptaria una estora de cultiu per cultivar micro verds. Se sap que els micro verds tenen prop de 40 vegades més nutrients vitals que els seus homòlegs madurs. Aquests podrien resultar molt beneficiosos per a la dieta dels astronautes. Aquest és un article que els nostres estudiants van trobar sobre el valor nutritiu dels micro verds.

Pas 3: Pas 3: regar les plantes

Vam fer referència a les nostres bombes de xeringa d’actuadors lineals al pas anterior. Aquesta és, amb diferència, la nostra part preferida d’aquesta versió. Els motors pas a pas de NEMA 17 accionaran actuadors lineals que premen l’èmbol de dues xeringues de 100cc-300cc a la tapa del cub de cultiu. Vam dissenyar els allotjaments del motor, el conductor de l'èmbol i la plataforma de guia mitjançant Fusion 360 després de comprovar alguns fantàstics projectes de codi obert a Hackaday. Hem seguit aquest tutorial al fantàstic lloc web d'Adafruit per aprendre a conduir els motors.

Volíem trobar una manera d'alliberar els astronautes de la tasca de regar. Els passos s’activen quan les plantes del sistema demanen la seva pròpia aigua. Hi ha 4 sensors d’humitat capacitius connectats als coixins de la planta en diversos llocs del cub de cultiu. Tots els llocs de plantació del sistema tenen una ranura per acceptar aquests sensors fresats als seus canals de cultiu. Això permet que els astronautes escullin i canviïn periòdicament la col·locació d’aquests sensors. A més de maximitzar l’eficiència amb què es distribueix l’aigua dins del sistema, permetrà visualitzar com cada planta consumeix l’aigua. Els llindars d’humitat els poden establir els astronautes de manera que el reg es pugui automatitzar segons les seves necessitats. Les xeringues s’uneixen al col·lector de reg principal amb connexions de bloqueig Luer per facilitar l’ompliment. Els mateixos panells de cultiu fan ús d’un protocol de connexió similar al col·lector de reg perquè es puguin treure fàcilment del cub.

Les dades recopilades pels sensors es poden llegir localment en una pantalla LCD de 20x4 connectada a la tapa o remotament on es recopilen, es mostren i es representen gràficament mitjançant la integració del sistema amb les plataformes IoT de Cayenne o Adafruit IO. L'Arduino envia les seves dades al Raspberry Pi incorporat mitjançant un cable USB que després es dirigeix a Internet mitjançant la targeta WiFi del Pi. Es poden configurar alertes en aquestes plataformes per notificar als astronautes quan alguna de les variables del nostre sistema hagi sortit dels seus valors llindars predeterminats.

Pas 4: pas 4: la tapa intel·ligent amb il·luminació i control del ventilador

La tapa del nostre cub de cultiu actua com a cervell de tota l’operació i proporciona els allotjaments per als elements crítics de cultiu. S’estén cap avall des de la part inferior de la tapa una carcassa LED impresa en 3D que proporciona llum per a cadascuna de les plaques de paret de cultiu, així com il·luminació superior de l’estora de micro verds a la part inferior. Aquest es va dissenyar de nou a Fusion 360 i es va imprimir al nostre MakerBot. Cada badia de llum conté 3 tires LED protegides per un suport còncau. Aquest suport està platejat amb cinta d’aïllament HVAC per maximitzar la seva reflectivitat. El cablejat viatja per una columna buida central per accedir a l'alimentació i a les dades de la part superior de la tapa. Es va escollir la mida d’aquesta carcassa per tenir una petjada que permetés a les plantes que creixen al seu voltant assolir una alçada màxima de 8 polzades. Es va trobar que aquest nombre era una alçada mitjana d’enciams madurs que cultivem als nostres jardins hidropònics verticals del nostre laboratori. Poden arribar a fer fins a 12 polzades d’alçada, però hem pensat que els astronautes hi pasturarien a mesura que creixin, cosa que fa que sigui un cub de cultiu que es torni a tornar.

Els neopíxels que fem servir són adreçables individualment, cosa que significa que podem controlar l’espectre de color que emeten. Es pot utilitzar per modificar els espectres de llum que reben les plantes durant les diferents etapes del seu creixement o d’espècies a espècies. Els escuts havien de permetre diferents condicions d’il·luminació en cadascuna de les parets, si calia. Entenem que aquesta no és una configuració perfecta i que les llums que estem utilitzant no són tècnicament llums de cultiu, però ens va semblar una bona prova de concepte.

A la part superior de la tapa hi ha dos ventiladors de refrigeració de 12 polzades de 5 polzades que normalment s’utilitzen per controlar la temperatura de les torres de l’ordinador. El vam dissenyar de manera que un empeny l’aire al sistema mentre l’altre actua com a extracció d’aire. Tots dos estan coberts amb una fina pantalla de malla per assegurar-se que no s’extreu cap runa cap a l’ambient respiratori de l’astronauta. Els ventiladors s'apaguen quan s'obren qualsevol dels interruptors magnètics de canya connectats a les portes per evitar contaminacions d'aire involuntàries. La velocitat dels ventiladors es controla mitjançant PWM mitjançant el motor HAT al Raspberry pi. Els ventiladors es poden accelerar o disminuir de manera condicionada en funció dels valors de temperatura o humitat alimentats al Pi pel sensor DHT22 incrustat dins del cub. Aquestes lectures es poden tornar a veure localment en una pantalla LCD o remotament al mateix tauler de control d’IoT que els sensors d’humitat.

En pensar en la fotosíntesi, també volíem tenir en compte els nivells de CO2 i la qualitat general de l’aire al cub de cultiu. Per a això, hem inclòs un sensor SGP30 per controlar l'eCO2 i els COV totals. Aquests també s'envien als panells LCD i al tauler IoT per visualitzar-los.

També veureu que el nostre parell de bombes de xeringa es munta al costat de la tapa. El seu tub es dirigeix pels canals verticals del marc de suport d'extrusió d'alumini.

Pas 5: Pensaments finals i reiteracions futures

Hem dissenyat Wolverine utilitzant els coneixements que hem adquirit del nostre temps per cultivar aliments junts. Portem diversos anys automatitzant els nostres jardins i aquesta va ser una oportunitat tan emocionant per aplicar-ho a una tasca d’enginyeria única. Entenem que el nostre disseny té uns inicis humils, però esperem créixer junt amb ell.

Un aspecte de la compilació que no podíem completar abans de la data límit era la captura d’imatges. Un dels nostres estudiants ha estat experimentant amb la càmera Raspberry Pi i OpenCV per veure si podem automatitzar la detecció de la salut de les plantes mitjançant l’aprenentatge automàtic. Com a mínim volíem poder tenir una manera de veure les plantes sense haver d’obrir les portes. La idea era incloure un mecanisme d’inclinació panoràmica que pogués girar al voltant de la part inferior del tauler superior per capturar imatges de cada paret de cultiu i imprimir-les al tauler d’Adafruit IO per visualitzar-les. Això també podria provocar un laps de temps molt fresc dels cultius en creixement. Suposem que això és només una part del procés de disseny d’enginyeria. Sempre hi haurà feina i millores. Moltes gràcies per l’oportunitat de participar!