כלי סינון אוטונומי Arduino: 6 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

במדריך זה אני הולך להראות לך כיצד עיצבתי והכנתי את הפתרון המוצע שלי לבעיית האצות האדומות הנוכחיות במימי חוף המפרץ. לפרויקט זה רציתי לתכנן כלי שיט אוטונומי מלא המונע על ידי השמש שיכול לנווט בנתיבי המים, ושימוש במערכת סינון טבעית המשולבת, יכול לסנן את עודפי החומרים המזינים והרעלים מהאצות Dinoflagellates ו- Karena Brevis. עיצוב זה נוצר כדי להראות כיצד ניתן להשתמש בטכנולוגיה כדי לתקן כמה מהבעיות הסביבתיות הנוכחיות שלנו. לרוע המזל היא לא זכתה בפרסים או מקום ביריד המדע המקומי של העיירה הקטנה שלי, אך עדיין נהניתי מחוויית הלמידה ומקווה שמישהו אחר יוכל ללמוד משהו מהפרויקט שלי.

שלב 1: מחקר

כמובן שבכל זמן שתפתור בעיה אתה צריך לעשות קצת מחקר. שמעתי על הבעיה באמצעות מאמר חדשות באינטרנט וזה גרם לי להתעניין בעיצוב פתרון לבעיה סביבתית זו. התחלתי לחקור מה בדיוק הבעיה ומה גורם לה. להלן חלק במאמר המחקר שלי המציג את מה שמצאתי במהלך המחקר שלי.

הגאות האדומה היא בעיה שנתית הולכת וגדלה למימי פלורידה. הגאות האדומה היא מונח נפוץ המשמש לקבוצת אצות גדולה ומרוכזת שגדלה באופן ספורדי עקב הגידול ברכיבי התזונה הזמינים. נכון לעכשיו, פלורידה ניצבת בפני עלייה מהירה. בגודל הגאות האדומה, מה שגורם לדאגה הולכת וגוברת לבטיחות חיות הבר הימיות באזור, כמו גם לכל אנשים שיכולים לבוא איתה במגע. הגאות האדומה מורכבת לרוב ממין של אצות הידועות בשם Dinoflagellate. Dinoflagellates הם פרוטיסטים חד תאיים המייצרים רעלים כמו ברבטוקסינים ואיקטוטוקסין, שהם רעילים מאוד לחיים ימיים ויבשים שבאים איתם במגע. דינופלגלאטים ניזונים מפרוטטיסטים אחרים במים כמו של Chysophyta, הצורה הנפוצה ביותר של אצות לא רעילות. חומרים מזינים מוצגים.

הסיבה העיקרית לגידולם המהיר במזון נובעת מהכנסת כמויות גדולות של חומרים מזינים הנשטפים מחוות במהלך סופות גשם ונשאות לחופי האוקיינוס מנהרות ונחלים סמוכים. בשל ההסתמכות הגבוהה בדשנים מעשה ידי אדם לחקלאות, כמות החומרים המזינים הזמינים בשטחים חקלאיים שמסביב גבוהה יותר מאי פעם. בכל פעם שיש סופת גשם ברוב אזורי הארץ המזרחית, הגשם הזה שוטף הרבה מאותם דשנים מהאדמה העליונה ואל הנחלים והנחלים שמסביב. הנחלים האלה בסופו של דבר נאספים לנהרות המשלבים את כל החומרים המזינים שנאספו לקבוצה גדולה אחת שנזרקת למפרץ מקסיקו. אוסף גדול של חומרים מזינים אינו תופעה טבעית עבור חיי הים הימיים, ולכן היא גורמת לגידול בלתי נשלט של אצות. כמקור המזון העיקרי של הדינופלגלטים, הגידול המהיר באצות מספק מקור מזון גדול לצורת חיים שצומחת במהירות.

קבוצות גדולות אלה של Dinoflagellates מייצרות כימיקלים רעילים הידועים כמי שהורגים את רוב חיי המים היוצאים איתם במגע. על פי WUSF, תחנת חדשות מקומית בפלורידה, בפריחת שנת 2018 היו 177 מקרי מוות מאנאטיים מהגאות האדומה וכן 122 מקרי מוות נוספים שנחשדו קשורים. מתוך 6, 500 הצבאים הצפויים במימי פלורידה ופוארטו ריקו, זוהי השפעה עצומה על הישרדותו של מין זה, וזו רק ההשפעה על מין אחד. Red Tide ידוע גם כגורם לבעיות נשימה לאנשים שהיו קרובים לכל פריחה. מכיוון שהגאות האדומה צומחת בתעלות ברחבי כמה עיירות חוף, זהו סיכון בטיחותי ברור לכל מי שגר בקהילות אלה. הרעלן דינופיזה, המיוצר על ידי הגאות האדומות, ידוע גם הוא כידבק בדרך כלל את אוכלוסיות הרכיכות המקומיות וכתוצאה מכך הרעלת רכיכות שלשול, או DSP, אצל אלו שאכלו רכיכות נגועים. למרבה המזל, לא ידוע שזה קטלני, אך זה יכול לגרום לבעיות עיכול של הקורבן. עם זאת, רעל נוסף המיוצר על ידי כמה גאות אדומות, גוניאולקס או אלכסנדריום, יכול גם להדביק רכיכות במים שזוהמו בשפל. אכילת רכיכות המזוהמות ברעלים אלה גורמת להרעלת רכיכות משותקות, או PSP שבמקרים הגרועים ביותר גרמה לאי ספיקת נשימה ולמוות תוך 12 שעות מרגע הבליעה."

שלב 2: הפתרון המוצע שלי

ציטוט מתוך עבודת המחקר שלי

הפתרון המוצע שלי הוא לבנות כלי ים ימיים אוטונומי המונע על ידי סולארית הכולל מערכת סינון טבעית של מיקרו חלקיקים על הסיפון. המערכת כולה תונע על ידי פאנלים סולאריים מובנים ותונע על ידי שני מנועים ללא מברשת בציוד וקטור דחף. מערכת הסינון תשמש לסנן עודף חומרים מזינים ודינופלגלטים בעת ניווט באוטונומיה של כלי המים. הכלי ישמש גם כמערכת הסעות לקהילה המקומית. התחלתי לחקור קודם את הבעיה וכיצד הבעיה הזו התחילה. למדתי כי ההתפרצויות של הגאות האדומה נגרמו על ידי כמויות גדולות של חומרים מזינים, כמו חנקן, במים המקומיים. ברגע שגיליתי מה גורם לבעיה הצלחתי להתחיל סיעור מוחות לפיתרון שיכול לעזור להקטין את גודל הגאות האדומות השנתיות.

הרעיון שלי היה כלי דומה בגודלו ובצורתו לסירת פונטון. בכלי זה יהיה רחפן בין שני הפונטונים שיוביל מים מתקרבים דרך מסנן רשת להסרת חלקיקים גדולים, ולאחר מכן דרך מסנן קרום חדיר שיסיר את חלקיקי המיקרו חנקן הקיימים. המים המסוננים יזרום לאחר מכן לחלק האחורי של הסירה דרך הרחפן הנגדי. רציתי גם שהכלי הזה יהיה חשמלי לחלוטין, כך שהוא יהיה שקט וגם בטוח יותר, עם פחות סיכוי לדלוף נוזלים רעילים למים הסובבים. בכלי יהיו כמה פאנלים סולאריים כמו גם בקר טעינה עם חבילת ליתיום יון לאחסון כל עודף כוח לשימוש מאוחר יותר. המטרה האחרונה שלי הייתה לתכנן את הכלי באופן שיוכל לשמש אותו לתחבורה ציבורית לקהילה המקומית. מתוך מחשבה על כל אפשרויות העיצוב הללו, התחלתי לשרטט מספר רעיונות על נייר כדי לנסות ולפתור בעיות אפשריות.

שלב 3: עיצוב

לאחר שהמחקר שלי יצא מהדרך, היה לי מושג הרבה יותר טוב על הבעיה ומה גורם לה. לאחר מכן עברתי לסיעור מוחות ועיצוב. ביליתי מספר ימים במחשבה על הרבה דרכים שונות לפתור בעיה זו. ברגע שהיו לי כמה רעיונות הגונים עברתי לשרטט אותם על נייר כדי לנסות לפתור כמה פגמים בעיצוב לפני שעבר ל- CAD. לאחר עוד כמה ימים של שרטוט יצרתי רשימה של חלקים שרציתי להשתמש בהם לעיצוב. השתמשתי בכל הרווחים שלי מהפרס בשנים האחרונות, ועוד קצת כדי לרכוש את החלקים והנימה שהייתי צריך כדי ליצור את אב הטיפוס. בסופו של דבר השתמשתי ב- MCU Node לבקר המיקרו, שני פאנלים סולאריים של 18V למקורות כוח מוצעים, שני חיישנים אולטראסוניים לתכונות האוטונומיות, 5 נגדי צילום לקביעת התאורה הסביבתית, כמה רצועות LED לבנות 12V לתאורה פנימית, 2 RGB LED רצועות לתאורת כיוון, 3 ממסרים לשליטה ב- LEDs והמנוע ללא מברשות, מנוע 12V מברשת ו- ESC, PSU 12V להפעלת אב הטיפוס, ועוד מספר חלקים קטנים.

ברגע שהגיעו רוב החלקים התחלתי לעבוד על דגם התלת מימד. השתמשתי ב- Fusion 360 כדי לעצב את כל החלקים לסירה זו. התחלתי בעיצוב גוף הסירה ולאחר מכן התקדמתי כלפי מעלה בעיצוב כל חלק תוך כדי. לאחר שעיצבתי את רוב החלקים הכנסתי את כולם למכלול כדי לוודא שהם יתאימו יחד לאחר ייצורם. לאחר מספר ימים של עיצוב ושינויי סוף סוף הגיע הזמן להתחיל להדפיס. הדפסתי את הגוף ב -3 חלקים שונים על ה- Prusa Mk3 שלי והדפסתי את התושבים הסולאריים ואת מכסי הגוף על מכשירי ה- CR10 שלי. לאחר מספר ימים נוספים כל החלקים שסיימו להדפיס והצלחתי סוף סוף להרכיב. להלן חלק נוסף במאמר המחקר שלי בו אני מדבר על עיצוב הסירה.

ברגע שהיה לי מושג טוב על העיצוב הסופי, עברתי לשרטוט ממוחשב או CAD, שהוא תהליך שניתן לבצע באמצעות תוכנות זמינות רבות כיום. השתמשתי בתוכנת Fusion 360 כדי לעצב את החלקים הדרושים לי ייצרתי לאב טיפוס שלי. עיצבתי קודם כל את כל החלקים לפרויקט הזה, ואז הרכזתי אותם בסביבה וירטואלית כדי לנסות ולפתור בעיות לפני שהתחלתי להדפיס את החלקים. לאחר שהייתה לי הרכבה תלת ממדית סופית, זזתי על תכנון מערכות החשמל הדרושות לאב -טיפוס זה. רציתי שניתן יהיה לשלוט באב -הטיפוס שלי באמצעות אפליקציה שתוכננה בהתאמה אישית בסמארטפון שלי. בחלק הראשון בחרתי במיקרו בקר ה- MCU Node. ה- MCU Node הוא מיקרו -בקר הבנוי סביב ה- ESP8266 הפופולרי. שבב Wifi. לוח זה נותן לי את היכולת לחבר אליו התקני קלט ופלט חיצוניים הניתנים לשליטה מרחוק באמצעות ממשק ה- Wifi שלו. לאחר שמצאתי את הבקר הראשי לעיצוב שלי, עברתי לבחור איזה PA אחר rts יהיה צורך במערכת החשמל. כדי להניע את הכלי, בחרתי בשני פאנלים סולאריים של שמונה עשר וולט שיחוברו מאוחר יותר במקביל כדי לספק תפוקה של שמונה עשר וולט יחד עם הזרם הכפול של תא סולארי נפרד עקב חיבורם במקביל. התפוקה מהפאנלים הסולאריים נכנסת לבקר טעינה. מכשיר זה לוקח את מתח היציאה המשתנה מהלוחות הסולאריים ומחליק אותו לתפוקה קבועה יותר של 12 וולט. לאחר מכן זה נכנס למערכת ניהול הסוללות, או BMS, כדי לטעון את 6, 18650 תאי הליפו המחוברים עם שתי קבוצות של שלושה תאים המחוברים במקביל, ואז בסדרות. תצורה זו משלבת את קיבולת 4.2 וולט של 18650 לחבילת קיבולת של 12.6 וולט עם שלושה תאים. על ידי חיווט של שלושה תאים נוספים המקבילים לחבילה הקודמת, הקיבולת הכוללת מוכפלת ומעניקה לנו סוללה של 12.6 וולט עם קיבולת של 6, 500 מיליאמפר / שעה.

מארז סוללות זה יכול להפיק שנים עשר וולט לתאורה ולמנועים ללא מברשת. השתמשתי במהפך למטה כדי ליצור תפוקה של חמישה וולט עבור מערכת החשמל הנמוכה של האלקטרוניקה. לאחר מכן השתמשתי בשלושה ממסרים, אחד להפעלה וכיבוי של האורות הפנימיים, אחד לשינוי צבע הנורות החיצוניות, ואחר להפעלה וכיבוי של המנוע ללא מברשת. למדידת המרחק השתמשתי בשני חיישנים אולטראסוניים, אחד לחזית ואחד לאחור. כל חיישן שולח דופק קולי ויכול לקרוא כמה זמן לוקח לדופק לחזור. מכאן, אנו יכולים להבין עד כמה עצם נמצא לפני הכלי על ידי חישוב העיכוב באות החזרה. בחלקו העליון של הכלי היו לי חמישה פוטורסוריסטורים לקביעת כמות האור הקיימת בשמים. חיישנים אלה משנים את ההתנגדות שלהם על סמך כמות האור הקיימת. מנתונים אלה, אנו יכולים להשתמש בקוד פשוט כדי למדוד את כל הערכים, וכאשר החיישנים קוראים ערך ממוצע של אור נמוך, הנורות הפנימיות נדלקות. לאחר שהבנתי באיזה אלקטרוניקה אשתמש, התחלתי להדפיס תלת מימד את החלקים שעיצבתי בעבר. הדפסתי את גוף הסירה בשלוש חלקים כדי שתתאים למדפסת הראשית שלי. בזמן שהדפסה, עברתי להדפיס את תושבות השמש והסיפון במדפסת אחרת. כל חלק לקח בערך יום אחד להדפסה, כך שבסך הכל היו בערך 10 ימים של הדפסה תלת מימדית ישרה כדי לקבל את כל החלקים שהייתי צריך. לאחר שכולם סיימו להדפיס, הרכזתי אותם יחד בחלקים קטנים יותר. לאחר מכן התקנתי אלקטרוניקה כגון פאנלים סולאריים ולדים. לאחר התקנת האלקטרוניקה חיברתי את כולם וסיימתי להרכיב את החלקים המודפסים. לאחר מכן עברתי לעצב מעמד לאב טיפוס. מעמד זה תוכנן גם ב- CAD ומאוחר יותר נחתך מעץ MDF במכונת ה- CNC שלי. באמצעות ה- CNC, הצלחתי לחתוך את החריצים הנדרשים בלוח הקדמי לחיבור אלקטרוניקה לווילון. לאחר מכן הרכבתי את אב הטיפוס על הבסיס וההרכבה הפיזית הושלמה. כעת, כשהאבטיפוס הורכב במלואו, התחלתי לעבוד על הקוד עבור NodeMCU. קוד זה משמש לספר ל- NodeMCU אילו חלקים מחוברים לאילו סיכות קלט ויציאה. הוא גם אומר ללוח לאיזה שרת לפנות ואיזו רשת Wifi להתחבר. באמצעות קוד זה, לאחר מכן הצלחתי לשלוט בחלקים מסוימים של אב הטיפוס מהטלפון שלי באמצעות אפליקציה. הדבר דומה באופן שבו התכנון הסופי יוכל ליצור קשר עם תחנת העגינה הראשית כדי לקבל את הקואורדינטות לתחנה הבאה שלה, כמו גם מידע אחר, כמו היכן נמצאים הספינות האחרות ומזג האוויר הצפוי ליום זה.

שלב 4: הרכבה (סוף סוף !!)

אוקי אז עכשיו אנחנו בחלק האהוב עלי, ההרכבה. אני אוהב לבנות דברים אז סוף סוף הצלחתי לחבר את כל החלקים ולראות את התוצאות הסופיות די ריגש אותי. התחלתי להרכיב את כל החלקים המודפסים והדבקתי אותם סופר. לאחר מכן התקנתי את האלקטרוניקה כמו אורות ופאנלים סולאריים. בשלב זה הבנתי שלא תהיה שום דרך שאני יכול להתאים את כל האלקטרוניקה שלי בתוך הדבר הזה. אז קיבלתי את הרעיון לתכנן מעמד לסירה בכדי לגרום לה להיראות קצת יותר טוב וגם לתת לי מקום להסתיר את כל האלקטרוניקה. עיצבתי את המעמד ב- CAD ואז חתכתי אותו על בובי CNC E3 שלי ב -13 מ מ MDF. לאחר מכן דפקתי אותו ונתתי לו שכבה של צבע ריסוס שחור. עכשיו, כשהיה לי מקום למלא את כל האלקטרוניקה שלי, המשכתי בחיווט. חיברתי הכל והתקנתי את ה- MCU Node (פחות או יותר Arduino Nano עם WiFi מובנה) ודאגתי שהכל יופעל. אחרי זה עטפתי את המכלול ואפילו יצא לי להשתמש בחותך הלייזר של בתי הספר שלי כדי לחתוך את מעקות הבטיחות בכמה תחריטים מגניבים, שוב תודה מר! כעת, לאחר שהיה לנו אב טיפוס פיזי מוגמר, הגיע הזמן להוסיף קצת קסם עם קידוד.

שלב 5: הקידוד (AKA החלק הקשה)

לצורך הקידוד השתמשתי ב- Arduino IDE כדי לכתוב קוד די פשוט. השתמשתי בשרטוט הבסיסי של Blynk בתור התחלה כך שאחר כך אוכל לשלוט בחלק מהחלקים מאפליקציית Blynk. צפיתי בסרטוני YouTube רבים וקראתי המון פורומים בכדי לגרום לדבר הזה לעבוד. בסופו של דבר לא הצלחתי להבין איך לשלוט על המנוע ללא מברשות, אבל כל מה שגרם לי לעבוד. מהאפליקציה תוכל לשנות את כיוון כלי השיט, שיחליף את הצבעים של נוריות LED אדומות/ירוקות, יפעיל/יכבה את הנורות הפנימיות ותקבל הזנת נתונים חיה מאחד החיישנים האולטראסוניים בחזית המסך.. בהחלט נרגעתי בחלק הזה ולא עשיתי כמעט כל כך הרבה על הקוד שרציתי אבל עדיין זה היה תכונה מסודרת.

שלב 6: מוצר סופי

זה נעשה! סידרתי הכל ועבדתי בקושי לפני התאריכים של יריד המדע. (דוחה סטריאוטיפי) הייתי די גאה בתוצר הסופי ולא יכולתי לחכות לשתף אותו עם השופטים. אין לי הרבה מה להגיד כאן אז אני אאפשר מעבר לי להסביר את זה טוב יותר. להלן פרק המסקנה של עבודת המחקר שלי.

ברגע שהספינות ותחנות העגינה נוצרות, הפתרון בעיצומו. בכל בוקר היו הספינות מתחילות את מסלולן בנתיבי המים. חלקן עשויות לעבור בתעלות בערים, בעוד שאחרות נוסעות ביבשות הביצה או בקווי האוקיינוס. בזמן שהמלאכה עובר את מסלולו, רחפן הסינון יהיה למטה, מה שמאפשר למסננים להתחיל בעבודתם. הרחפן יכוון את האצות הצפות והפסולת לתוך תעלת הסינון. לאחר שנכנסים פנימה, המים מוזרמים לראשונה דרך מסנן רשת להסרת גדולים יותר חלקיקים ופסולת מהמים. החומר שהוסר יוחזק שם עד שהתא יתמלא. לאחר שהמים עברו את המסנן הראשון, הוא עובר לאחר מכן דרך מסנן הממברנה החדיר. מסנן זה משתמש בחורים קטנים וחדירים כדי לאפשר רק מים חדירים דרך, משאירים מאחור חומרים אטומים. מסנן זה משמש לחילוץ החומר הדשן הבלתי חדיר החוצה, כמו גם עודף חומרים מזינים מצמיחת האצות. המים המסוננים r ואז זורם מהחלק האחורי של הסירה חזרה לנתיב המים שבו הכלי מסנן.

כאשר כלי שיט מגיע לתחנת העגינה המיועדת שלו, הוא נכנס אל דרגש. לאחר העגינה המלאה, שתי זרועות יתחברו לדופן הסירה בכדי להחזיק אותה במקומה. לאחר מכן, צינור יעלה אוטומטית מתחת לסירה ויתחבר לכל נמל פינוי פסולת. לאחר האבטחה, הנמל ייפתח והמשאבה תידלק, וישאוב את החומר שנאסף מהסירה אל תחנת העגינה. בזמן שכל זה קורה, יורשו הנוסעים לעלות על הכלי ולמצוא את מושביהם. לאחר שכולם על הסיפון ורוקנו את מכולות הפסולת, כלי השיט ישוחררו מהתחנה ויתחילו במסלול אחר. לאחר שאיבת הפסולת לתחנת העגינה, הוא ינופה שוב להסרת פסולת גדולה כמו מקלות או אשפה. הפסולת שהוסרה תאוחסן במיכלים למיחזור מאוחר יותר. שאר האצות המנופות יועברו לתחנת העגינה המרכזית לעיבוד. כאשר כל תחנת עגינה קטנה יותר ממלאת את מחסן האצות שלה, עובד יבוא להעביר את האצות לתחנה המרכזית, שם היא תשתכלל לביודיזל. ביו דיזל זה הוא מקור דלק מתחדש, כמו גם דרך רווחית למחזר את החומרים המזינים שנאספו.

ככל שהסירות ימשיכו לסנן את המים, תכולת החומרים המזינים תפחת. הפחתה זו בכמות המופרזת של חומרים מזינים תוביל לפריחה קטנה יותר מדי שנה. ככל שרמות התזונה ימשיכו לרדת, איכות המים תתבצע פיקוח נרחב על מנת להבטיח שרכיבי התזונה יישארו ברמה קבועה ובריאה הדרושה לסביבה משגשגת. במהלך עונות החורף כאשר נגר הדשן אינו חזק כמו האביב והקיץ, הסירות יוכלו לשלוט בכמות המים המסננים כדי להבטיח שתמיד תהיה כמות בריאה של חומרים מזינים זמינים. ככל שהסירות עוברות במסלולים, ייאספו יותר ויותר נתונים כדי לקבוע ביעילות רבה יותר את מקורות נגר הדשן ובאיזה שעות להתכונן לרמות מזין גבוהות יותר. באמצעות נתונים אלה ניתן ליצור לוח זמנים יעיל להתכוננות לתנודות שמביאות עונות החקלאות.