לפרוץ את קוביית הגדילה של הוולברין של ה- Hollow עבור ה- ISS: 5 שלבים

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

אנחנו חטיבת הביניים ווסט הולו מלונג איילנד, ניו יורק. אנחנו מהנדסים שאפתנים שנפגשים פעם בשבוע במועדון בשם Hack the Hollow בו אנו מעצבים, מקודדים ובונים מספר פרויקטים של יצרנים. אתה יכול לבדוק את כל הפרויקטים עליהם אנו עובדים כאן. המוקד העיקרי שלנו היה לחקור את העתיד של מזון ורובוטיקה סביבתית. ריכזנו ותחזקנו חוות הידרופוניה אנכית אוטומטית בחלק האחורי של מעבדת המדע שלנו עם מורנו מר רג'יני. השתתפנו גם בתוכנית GBE בשנתיים האחרונות. אנו יודעים שהאתגר הזה קרא לתלמידי תיכון, אבל התרגשנו מכדי לחכות עוד שנתיים כדי להכיר לכם את וולברין, הקרויה על שם קמע בית הספר שלנו. זה סוג של מה שאנחנו עושים!

בפרויקט זה, תוכלו למצוא הרבה דברים שאנו אוהבים להשתמש בהם, כולל ארדואינו, פטל פאי וכל הדברים הטובים האלקטרוניים הנלווים אליהם. נהנינו גם להשתמש ב- Fusion 360 כעליית מדרגה מ- TinkerCad לעיצוב הקובייה. הפרויקט הזה היה הזדמנות מושלמת לחתוך שיניים בכמה פלטפורמות יצרניות חדשות. התפרקנו לצוותי עיצוב שכל אחד מהם היה צריך להתמקד בהיבט אחד של קוביית הגדילה. פירקנו אותו למסגרת, למכסה ולוח הבסיס, לתאורה, לגדל קירות, מים, מאווררים וחיישנים סביבתיים. יצרנו קישורים ברשימת הציוד שלנו לכל החומרים שבהם אנו משתמשים אם אתה זקוק לעזרה בהדמיה של החלקים שעליהם נדון בשלבים הבאים. אנו מקווים שתיהנו!

אספקה

מִסגֶרֶת:

• 1 "שחול אלומיניום 80/20
• משוגעים
• סוגריים תומכים
• צירים
• מפרקי הרחפן התואמים לערוץ T
• צינורות ומדריכים תואמים לערוץ T
• מגנטים לאחסון דלתות
• 3 x מתגי קנה מגנטי

לגדל קירות:

• ערוצי NFT פרופיל נמוך של Farm Tech
• כיסויי ערוץ NFT
• יריעות פלסטיק גלי
• מגנטים להחזיק ערוצים נשלפים במקומם

מִכסֶה:

• יריעת פלסטיק גלי
• גוף תאורה לגדול LED המודפס בתלת -ממד (Fusion 360)
• עמידות מפלסטיק וחומרה לאלקטרוניקה

תְאוּרָה:

• רצועות ניאופיקסל שניתן להתייחס אליהן מ- Adafruit (60LED/m)
• מחברי Neopixel
• קליפים של נאופיקסל
• 330uF, 35V קבלים ניתוק
• נגד 1K אוהם
• סרט נייר אלומיניום מכוסה HVAC
• ממיר באק

מים: (התכונה האהובה עלינו):

• 2 x מנועי צעד מסוג Nema 17
• Adafruit Stepper Shield עבור Arduino
• משאבת מזרק מפעילה לינארית מודפסת בתלת מימד (Fusion 360)
• 2 x 100-300 מל מזרקים
• צינורות עם חיבורי נעילת Luer ומפרקי טי/מרפק
• 2 x 300 מ"מ x 8 מ"מ ברגים ואומים T8
• מצמד 2x עף
• 2 x קוביות נושאות כריות
• 4 x 300 מ"מ x 8 מ"מ מדריכי מוט מוטות תנועה ליניאריים
• מיסבים לינאריים 4 x 8 מ"מ LM8UU
• 4 x חיישני לחות התנגדות קיבולית DF רובוט לניטור אדמה ושליטה על משאבות מזרקים

מחזור אוויר:

• מאווררים 2 x 5 אינץ '
• מכסי מסנן מאוורר 5 אינץ '
• 2 x TIP120 טרנזיסטורים של דרלינגטון וכיורי קירור
• ספק כוח 12V
• מתאם חיבור שקע חבית ללוח
• נגדים 2 x 1K אוהם
• 2 x דיודות flyback
• 2 x 330uF, 35V קבלים ניתוק אלקטרוליטי
• חיישן טמפרטורה ולחות DHT22 w/ נגד 4.7K אוהם

מכשירי חשמל:

• פטל פי 3B+ עם כובע מנוע
• כרטיס SD 8GB
• ארדואינו מגה
• קרש לחם פרמה-פרוטו Adafruit
• 2 x 20x4 LCD i2C
• חוטי חיבור תקועים 22AWG
• ערכת מחברים של דופונט
• חיישן איכות אוויר Adafruit SGP30 w/ eCO2

כלים:

• מלחם
• ערכת הלחמה
• ידיים עוזרות
• כלי לחיצה והפשטה של חוטים
• מברגים
• קפה (למר רג'יני)

שלב 1: שלב 1: בניית המסגרת

המסגרת הולכת להיבנות באמצעות תותחי אלומיניום של ערוץ 80/20 ט 'קל משקל. היא תיערך יחד עם מפרקי מרפק אלומיניום ואומים t. בנוסף לשמירה על המשקל, התעלות ישמשו כמסלולים מנחים למים שלנו. קווים וחיווט.

הקוביה תונח על סט מסילות המצויד במפרקי הזזה שיאפשרו להוציא את הקוביה מהקיר כדי לחשוף לא רק את פניה הקדמיות, אלא גם את שני צידיה. ההשראה לכך באה מאחד התלמידים שלנו שחושב על מדף התבלינים שבארונות המטבח שלו בבית.

באמצעות צירים פשוטים, לחזית ולצדדים יהיו דלתות שיכולות להיפתח כאשר הקוביה נשלפת החוצה על מסילותיה. הם מוחזקים במקומם על ידי מגנטים כאשר הם סגורים. כל 6 הלוחות של הקוביה הזו ניתנים להסרה מכיוון שכל הפנים מחזיקים במקומם גם על ידי מגנטים. מטרת בחירת עיצוב זו הייתה להעניק גישה נוחה לכל המשטחים לזריעה, תחזוקת צמחים, איסוף נתונים, קציר וניקוי/תיקונים.

אתה יכול לראות את העיצוב שלנו ללוחות בשלב הבא.

שלב 2: שלב 2: בניית קירות הגדילה

המרכיב הראשון שחשבנו עליו היה החומרים לשימוש לקירות עצמם. ידענו שהם צריכים להיות קלים, אך חזקים מספיק כדי לתמוך בצמחים. פלסטיק גלי לבן נבחר על פני אקריליק שקוף למרות שאהבנו את התמונות של V. E. G. G. I. E שם נוכל לראות את הצמחים בפנים. הסיבה להחלטה זו הייתה מכיוון שרוב הנוף ייחסם בערוצי הצמח, ורצינו להחזיר כמה שיותר מהאור מהנוריות שלנו. ההיגיון הזה בא מבדיקת היחידה שנשלחה אלינו כחלק מהשתתפות GBE שלנו. כפי שנאמר בשלב הקודם, לוחות אלה מוחזקים למסגרת האלומיניום בעזרת מגנטים כך שניתן להסיר אותם בקלות.

לצלחות אלה מצורפים שלושה תעלות של מסילות גידול NFT בעלות פרופיל נמוך בה אנו משתמשים במעבדת ההידרופוניקה שלנו. אנו אוהבים את הבחירה הזו מכיוון שהם בנויים מ- PVC דק עם מכסים הניתנים להחלקה בקלות להשתלת הכריות הגדלות. כל אמצעי הגדילה יכללו בכריות שתוכננו במיוחד שראינו כבר בשימוש ב- ISS כשקראנו את המאמר הזה. כל החיפוי בין המסילות יצופה בקלטת בידוד HVAC כסופה בכדי לקדם את רפלקטיביות של אורות הגדילה.

הפתחים שלנו הם 1 3/4 ומרווחים זה מזה בגובה 6 אינץ 'במרכז. הדבר מאפשר 9 אתרי שתילה בכל אחד מארבעת הלוחות של הקובייה ומניבים בסך הכל 36 צמחים. ניסינו לשמור על המרווח הזה תואם את מה שהיה לנו אדום אודות חסות אדירות. התעלות נטחנות בחריצים כדי לקבל את חיישני הלחות שלנו שיעקבו אחר לחות הקרקע ויקראו מים ממשאבות המזרק. לחלוקה לחלוקה לכל כרית צמח בודדת באמצעות סעפת השקיית צינורות רפואית המחוברת למשאבות אלו. שיטת השקיה זו מבוססת מזרק היא דבר שחקרנו כפרקטיקה מומלצת הן להשקיה מדויקת והן להתגבר על האתגרים של סביבה אפס/מיקרו-כוח כבידה. הצינורות ייכנסו לבסיס כרית הצמח כדי לקדם את צמיחת השורשים כלפי חוץ אנו נסתמך על נימיות שתסייע למים להתפזר בכל אמצעי הגידול.

לבסוף, רצינו למצוא דרך להשתמש בצלחת הבסיס. יצרנו שפה קטנה על הפנים התחתונות, שתקבל מחצלת גידול לגידול מיקרו ירוקים. ידוע שלמיקרו ירוקים יש כמעט פי 40 חומרים מזינים חיוניים יותר מאשר עמיתיהם הבוגרים. אלה יכולים להיות מועילים מאוד לתזונה של האסטרונאוטים. זהו מאמר אחד שהתלמידים שלנו מצאו על הערך התזונתי של מיקרו ירוקים.

שלב 3: שלב 3: השקיית הצמחים

התייחסנו לשאבות מזרק המפעיל הלינאריות שלנו בשלב הקודם. זהו ללא ספק החלק המועדף עלינו במבנה זה. מנועי צעד NEMA 17 יניעו מפעילים ליניאריים שידכאו את הבוכנה של שני מזרקים של 100 סמ"ק-300 סמ"ק על המכסה של קוביית הגדילה. עיצבנו את בתי המנוע, נהג הבוכנה ואת אסדת המסילות באמצעות Fusion 360 לאחר שבדקנו כמה פרויקטים נהדרים של קוד פתוח בהאקדיי. עקבנו אחר הדרכה זו באתר המדהים של Adafruit כדי ללמוד כיצד להניע את המנועים.

רצינו למצוא דרך לשחרר את האסטרונאוטים ממשימת ההשקיה. הצעדים מופעלים כאשר הצמחים בתוך המערכת דורשים את המים שלהם. 4 חיישני רטיבות קיבולית מחוברים לכריות הצמח במקומות שונים ברחבי קוביית הגידול. לכל אתר שתילה במערכת יש חריץ לקבל חיישנים אלה הטחונים לתוך תעלות הגידול שלהם. זה מאפשר את מיקום החיישנים האלה להיבחר ולשנות מעת לעת על ידי האסטרונאוטים. בנוסף למיקסום היעילות שבה מפיצים מים בתוך המערכת, היא תאפשר ויזואליזציה של האופן שבו כל צמח צורך את המים שלו. האסטרונאוטים יכולים להגדיר ספי לחות כך שניתן יהיה להפוך את השקיה לאוטומטית בהתאם לצרכיהם. המזרקים מוצמדים אל סעפת ההשקיה הראשית עם חיבורי נעילת Luer למילוי קל. לוחות הגידול עצמם עושים שימוש בפרוטוקול חיבור דומה לסעפת ההשקיה, כך שניתן להסיר אותם בקלות מהקובייה.

ניתן לקרוא את הנתונים שנאספו על ידי החיישנים באופן מקומי על מסך LCD בגודל 20x4 המחובר למכסה או מרחוק היכן שהוא נאסף, מוצג ומתורגם על ידי שילוב המערכת עם פלטפורמות IoT IoT של קאיין או Adafruit. ה- Arduino שולח את הנתונים שלו ל- Raspberry Pi המשולב באמצעות כבל USB, ולאחר מכן עושה את דרכו לאינטרנט באמצעות כרטיס ה- WiFi של ה- Pi. ניתן להגדיר התראות בפלטפורמות אלה כדי להודיע לאסטרונאוטים כאשר כל אחד ממשתני המערכת שלנו ירד מערכי הסף שנקבעו מראש.

שלב 4: שלב 4: המכסה החכם עם תאורה ובקרת מאוורר

המכסה של קוביית הגדילה שלנו משמש את המוח של כל הפעולה, כמו גם מספק את הבית למרכיבי גידול קריטיים. משתרע כלפי מטה מחלקו התחתון של המכסה הוא בית LED המודפס בתלת -ממד המספק אור לכל אחת מלוחות הקיר לגדול, כמו גם תאורה עליונה של מחצלת הירוקים המיקרו בתחתית. זה תוכנן שוב ב- Fusion 360 והודפס ב- MakerBot שלנו. כל תא אור מכיל 3 פסי LED המוגנים על ידי תמיכה קעורה. תמיכה זו מכוסה בסרט בידוד HVAC כדי למקסם את הרפלקטיביות שלו. החיווט עובר בעמודה חלולה מרכזית כדי לגשת לחשמל ולנתונים בחלק העליון של המכסה. לגודל של דיור זה נבחר טביעת רגל שתאפשר לצמחים הגדלים סביבו להגיע לגובה מרבי של 8 אינץ '. מספר זה נמצא בגובה ממוצע של חסה בוגרת שאנו מגדלים בגינות ההידרופוניות האנכיות שלנו במעבדה שלנו. הם יכולים להגיע לגובה של עד 12 סנטימטרים, אבל חשבנו שאסטרונאוטים ירעהו אותם כשיגדלו ויהפוך את זה לקובייה שתגדל ותבוא שוב.

הפיקסלים בהם אנו משתמשים ניתנים להתייחסות בנפרד, מה שאומר שנוכל לשלוט על ספקטרום הצבעים שהם פולטים. בעזרתו ניתן לשנות את ספקטרום האור שהצמחים מקבלים בשלבים שונים של צמיחתם או ממינים למינים. המגנים נועדו לאפשר תנאי תאורה שונים על כל אחד מהקירות במידת הצורך. אנו מבינים כי זו אינה התקנה מושלמת וכי האורות שבהם אנו משתמשים אינם אורות לגדול מבחינה טכנית, אך הרגשנו כי זו הוכחה טובה לרעיון.

בחלקו העליון של המכסה נמצאים שני מאווררי קירור בגודל 12 אינץ 'המשמשים בדרך כלל לשליטה על הטמפרטורה של מגדלי מחשבים. תכננו את זה כך שאחד דוחף אוויר למערכת ואילו השני פועל כחילוץ אוויר. שניהם מכוסים במסך דק כדי להבטיח שלא יישלף פסולת אל סביבת הנשימה של האסטרונאוט. המאווררים נכבים כאשר כל אחד מבוררי הקנים המגנטיים המחוברים לדלתות פתוחים כדי למנוע זיהום אוויר לא מכוון. מהירות המאווררים נשלטת באמצעות PWM באמצעות כובע המנוע על פי הפטל. ניתן להאיץ או להאט מאווררים מותנים בהתבסס על ערכי טמפרטורה או לחות שהוזנו ל- Pi על ידי חיישן ה- DHT22 המוטבע בתוך הקוביה. ניתן לצפות בקריאות אלה שוב באופן מקומי על LCD או מרחוק על אותו לוח מחוונים של IoT כמו חיישני הלחות.

במחשבה על פוטוסינתזה, רצינו גם להסביר את רמות CO2 ואיכות האוויר הכוללת בקוביית הגידול. לשם כך, כללנו חיישן SGP30 לפיקוח על eCO2 כמו גם סך VOCs. גם אלה נשלחים למסכי ה- LCD ולוח המחוונים של IoT להדמיה.

תוכלו גם לראות כי זוג משאבות המזרקים שלנו מותקנות לאורך הצד של המכסה. הצינורות שלהם מופנים במורד התעלות האנכיות של מסגרת התמיכה בחולית האלומיניום.

שלב 5: סגירת מחשבות ואיטרציות עתידיות

עיצבנו את וולברין תוך שימוש בידע שרכשנו מהזמן שלנו בגידול מזון ביחד. אנו מבצעים אוטומציה של הגינות שלנו במשך מספר שנים וזו הייתה הזדמנות מרגשת ליישם זאת במשימה הנדסית ייחודית. אנו מבינים שלעיצוב שלנו יש התחלות צנועות, אך אנו מצפים לצמוח יחד איתו.

היבט אחד של המבנה שלא יכולנו להשלים לפני המועד האחרון היה לכידת תמונות. אחד התלמידים שלנו התנסה במצלמת Raspberry Pi וב- OpenCV כדי לבדוק אם אנו יכולים להפוך את זיהוי בריאות הצמחים לאוטומטיים באמצעות למידת מכונה. לכל הפחות רצינו שתהיה לנו דרך לראות את הצמחים מבלי לפתוח את הדלתות. המחשבה הייתה לכלול מנגנון הטיית פאן שיכול להסתובב סביב החלק התחתון של הלוח העליון כדי לצלם תמונות של כל קיר צומח ולאחר מכן להדפיס אותן ללוח המחוונים של Adafruit IO להדמיה. זה יכול לגרום לחלופות זמן ממש מגניבות של הגידולים הגדלים גם כן. אנו מניחים שזה רק חלק מתהליך העיצוב ההנדסי. תמיד תהיה עבודה שיש לבצע ושיפורים. תודה רבה על ההזדמנות להשתתף!