Arduino autonome filtreringsfartøy: 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

I denne instruksen skal jeg vise deg hvordan jeg designet og laget den foreslåtte løsningen for det nåværende problemet med rødalger i Gulf Coast -farvannet. For dette prosjektet ønsket jeg å designe et helt autonomt og soldrevet fartøy som kunne navigere i vannveiene, og ved hjelp av et innebygd naturlig filtreringssystem, kunne filtrere ut overflødige næringsstoffer og giftstoffer fra Dinoflagellates og Karena Brevis -alger. Denne designen ble laget for å vise hvordan teknologi kan brukes til å fikse noen av våre nåværende miljøproblemer. Dessverre vant den ingen priser eller plass på min lokale vitenskapsmesse i min lille by, men jeg likte fortsatt læringsopplevelsen og forhåpentligvis kan noen andre lære noe av prosjektet mitt.

Trinn 1: Forskning

Selvfølgelig må du gjøre noen undersøkelser når du skal løse et problem. Jeg hadde hørt om dette problemet gjennom en nyhetsartikkel på nettet, og det fikk meg til å interessere meg for å designe en løsning for det miljøproblemet. Jeg begynte med å undersøke hva problemet var, og hva som forårsaket det. Her er en del av forskningsoppgaven min som viser hva jeg fant under min forskning.

The Red Tide er et voksende årlig problem for vannet i Florida. Red Tide er et vanlig begrep som brukes for en stor, konsentrert gruppe alger som sporadisk vokser på grunn av økningen i tilgjengelige næringsstoffer. For tiden har Florida stått overfor en rask økning i størrelsen på Red Tide, som forårsaker en økende bekymring for sikkerheten til akvatiske dyreliv i området, så vel som alle personer som kan komme i kontakt med det. Red Tide består oftest av en art av alger kjent som et Dinoflagellat. Dinoflagellater er encellede protister som produserer giftstoffer som brevetoksiner og ichthyotoxin, som er svært giftige for liv i sjø og land. Dinoflagellater lever av andre protister i vannet som Chysophyta's, den vanligste formen for giftfrie alger. Dinoflagellater reproduserer også aseksuelt og får antallet til å vokse raskt når n alle næringsstoffer blir introdusert.

Hovedårsaken til deres raske økning i mat skyldes introduksjonen av store mengder næringsstoffer som vaskes fra gårder under regnvær og føres inn i havkystene fra elver og bekker i nærheten. På grunn av den store avhengigheten av kunstgjødsel for landbruk, er mengden tilgjengelige næringsstoffer i omkringliggende jordbruksområder høyere enn den noen gang har vært. Når det er regnvær i de fleste deler av det østlige landet, vasker det mye av gjødselen ut av den øverste jorda og inn i de omkringliggende bekkene og bekkene. Disse bekkene samles til slutt i elver som kombinerer alle de innsamlede næringsstoffene til en stor gruppe som blir dumpet i Mexicogolfen. Denne store samlingen av næringsstoffer er ikke en naturlig forekomst for de marine livene som er tilstede, og derfor resulterer det i en ukontrollerbar vekst av alger. Som Dinoflagellates viktigste matkilde gir den raske økningen i alger en stor matkilde for en raskt voksende livsform.

Disse store gruppene Dinoflagellater produserer giftige kjemikalier som er kjent for å drepe de fleste vannlevende organismer som kommer i kontakt med dem. I følge WUSF, en lokal nyhetsstasjon i Florida, var det i blomstring av 2018 177 bekreftede dødsfall fra Manatee fra Red Tide, i tillegg til ytterligere 122 dødsfall som mistenkes å ha sammenheng. Av de 6 500 forventede manater i Florida og Puerto Rico farvann, er dette en stor innvirkning på denne artens overlevelse, og det er bare virkningen på en art. Red Tide har også vært kjent for å forårsake luftveisproblemer for de som har vært i nærheten av noen av blomstene. Siden Red Tide vokser i kanalene i noen strandbyer, er dette en åpenbar sikkerhetsrisiko for alle som bor i disse samfunnene. Giftstoffet Dinophysis, produsert av Red Tides, har også vært kjent for å ofte infisere de lokale skalldyrpopulasjonene som resulterer i diarettisk skalldyrforgiftning, eller DSP, hos de som har spist infisert skalldyr. Heldigvis er det ikke kjent for å være dødelig, men det kan føre til fordøyelsesproblemer for offeret. Imidlertid kan et annet giftstoff produsert av noen Red Tides, Gonyaulax eller Alexandrium, også infisere skalldyr i vann som er forurenset med tidevannet. Å spise skalldyr som er forurenset med disse toksinene forårsaker paralytisk skalldyrforgiftning, eller PSP som i de verste tilfellene har resultert i respirasjonssvikt og død innen 12 timer etter inntak."

Trinn 2: Min foreslåtte løsning

Sitat fra forskningsoppgaven min

Min foreslåtte løsning er å bygge et helt autonomt soldrevet marinefartøy som har et naturlig mikropartikelfiltreringssystem ombord. Hele systemet vil bli drevet av ombord solcellepaneler og drevet av to børsteløse, kanaliserte motorer i et vektoroppsett for skyvekraft. filtreringssystem vil bli brukt til å filtrere overflødige næringsstoffer og dinoflagellater mens det navigerer i vannveiene autonomt. Fartøyet vil også bli brukt som et skyttelsystem for lokalsamfunnet. Jeg begynte med å først undersøke problemet og hvordan dette problemet hadde startet. Jeg lærte at oversvømmelsene i Red Tide ble forårsaket av de store mengder næringsstoffer, som nitrogen, i det lokale vannet. Da jeg oppdaget hva som forårsaket problemet, kunne jeg begynne å brainstorme en løsning som kan bidra til å redusere størrelsen på de årlige Red Tides.

Ideen min var et fartøy som var i størrelse og form lik en pontongbåt. Dette fartøyet ville ha en skimmer mellom de to pontongene som ville lede møtende vann gjennom et maskefilter for å fjerne store partikler, og deretter gjennom et permeabelt membranfilter som ville fjerne nitrogenmikropartiklene som er tilstede. Det filtrerte vannet renner deretter ut på baksiden av båten gjennom den motsatte skimmeren. Jeg ønsket også at dette fartøyet skulle være fullt elektrisk, så det ville være stille så vel som å være tryggere, med mindre sjanse for å lekke giftige væsker ut i det omkringliggende vannet. Det ville være flere solcellepaneler på fartøyet, så vel som en ladestyring med en litiumionpakke for å lagre overflødig strøm for senere bruk. Mitt siste mål var å designe fartøyet slik at det kunne brukes til offentlig transport for lokalsamfunnet. Med tanke på alle disse designvalgene, begynte jeg å skissere flere ideer på papir for å prøve å løse eventuelle problemer."

Trinn 3: Desinging

Når jeg hadde min forskning ute av veien, hadde jeg en mye bedre ide om problemet og hva som forårsaket det. Jeg gikk deretter til idémyldring og design. Jeg brukte flere dager på å tenke på mange forskjellige måter å løse dette problemet på. Når jeg hadde noen anstendige ideer, flyttet jeg til å skissere dem ut på papir for å prøve å finne ut noen designfeil før jeg flyttet til CAD. Etter ytterligere et par dager med skissering laget jeg en liste over deler jeg ønsket å bruke til designet. Jeg brukte all min premieinntekt fra de foregående års science fair pluss litt mer til å kjøpe delene og filamentet jeg trengte for å lage prototypen. Jeg endte opp med å bruke en Node MCU for mikrokontrolleren, to 18V solcellepaneler for foreslåtte strømkilder, to ultralydsensorer for de autonome funksjonene, 5 fotomotstander for å bestemme omgivelsesbelysningen, noen 12V hvite LED -strips for innvendig belysning, 2 RGB LED strimler for retningsbelysning, 3 reléer for styring av lysdioder og børsteløs motor, en 12V børsteløs motor og ESC, en 12V PSU for å drive prototypen, og flere andre små deler.

Når de fleste delene kom, begynte jeg å jobbe med 3d -modellen. Jeg brukte Fusion 360 til å designe alle delene til denne båten. Jeg begynte med å designe skroget på båten og flyttet deretter oppover for å designe hver del mens jeg gikk. Når jeg hadde designet de fleste delene, satte jeg dem alle i en samling for å sikre at de ville passe sammen når de ble produsert. Etter flere dager med design og tilpasninger var det endelig på tide å begynne å skrive ut. Jeg trykte skroget i 3 forskjellige stykker på Prusa Mk3s og trykte solfester og skrogdeksler på CR10 -ene mine. Etter flere dager var alle delene ferdig med å skrive ut, og jeg kunne endelig begynne å sette den sammen. Nedenfor er en annen del av forskningsoppgaven min der jeg snakker om å designe båten.

Når jeg hadde en god idé om den endelige designen, gikk jeg videre til Computer Aided Drafting eller CAD, som er en prosess som kan utføres med mange tilgjengelige programvarer i dag. Jeg brukte programvaren Fusion 360 til å designe delene jeg ville trenge Jeg designet alle delene til dette prosjektet først, og monterte dem deretter i et virtuelt miljø for å prøve å løse eventuelle problemer før jeg begynte å skrive ut delene. Når jeg hadde en ferdig 3D -samling, flyttet jeg videre til å designe de elektriske systemene som trengs for denne prototypen. Jeg ønsket at prototypen min skulle kunne kontrolleres gjennom en spesialdesignet app på smarttelefonen min. For min første del valgte jeg Node MCU mikrokontroller. Node MCU er en mikrokontroller bygget rundt den populære ESP8266 Wifi -brikke. Dette kortet gir meg muligheten til å koble eksterne inngangs- og utgangsenheter til den som kan fjernstyres via Wifi -grensesnittet. Etter å ha funnet hovedkontrollen for designet, fortsatte jeg med å velge hvilken annen pa rts ville være nødvendig for det elektriske systemet. For å drive fartøyet valgte jeg to atten volt solcellepaneler som senere skulle kobles parallelt for å gi en effekt på atten volt sammen med dobbel strøm av en individuell solcelle på grunn av parallellkopling. Utgangen fra solcellepanelene går til en ladestyring. Denne enheten tar den svingende utgangsspenningen fra solcellepanelene og jevner den ut til en mer konstant utgang på tolv volt. Dette går deretter inn i batteristyringssystemet, eller BMS, for å lade de 6, 18650 lipocellene som er tilkoblet med to sett med tre celler parallelt, deretter serier. Denne konfigurasjonen kombinerer 4,2 volt kapasitet på 18650 til en 12,6 volt kapasitetspakke med tre celler. Ved å koble til ytterligere tre celler satt parallelt med den forrige pakken, dobles den totale kapasiteten og gir oss et 12,6 volt batteri med en kapasitet på 6 500 mAh.

Denne batteripakken kan levere tolv volt for belysning og børsteløse motorer. Jeg brukte en trinnvis inverter for å lage en effekt på fem volt for det lavere settet med elektronikk. Jeg brukte deretter tre reléer, ett for å slå på og av innvendig lys, ett for å endre fargen på de eksterne lysene, og et annet for å slå på og av den børsteløse motoren. Til avstandsmåling brukte jeg to ultralydsensorer, en foran og en bak. Hver sensor sender ut en ultralydspuls og kan lese hvor lang tid det tar den pulsen å komme tilbake. Fra dette kan vi finne ut hvor langt et objekt er foran fartøyet ved å beregne forsinkelsen i retursignalet. På toppen av fartøyet hadde jeg fem fotoresistorer for å bestemme mengden lys som er tilstede på himmelen. Disse sensorene endrer motstanden basert på hvor mye lys som er tilstede. Fra disse dataene kan vi bruke en enkel kode for å gjennomsnittliggjøre alle verdiene, og når sensorene leser en gjennomsnittlig verdi for lite lys, vil de innvendige lysene slås på. Etter å ha funnet ut hvilken elektronikk jeg ville bruke, begynte jeg 3D -utskrift av delene jeg tidligere hadde designet. Jeg trykket skroget på båten i tre deler slik at den kunne passe på hovedskriveren min. Mens de skrev ut, fortsatte jeg med å skrive ut solfester og dekk på en annen skriver. Hver del tok omtrent en dag å skrive ut, så totalt var det omtrent 10 dager med rett 3D -utskrift for å få alle delene jeg trengte. Etter at de var ferdig med å skrive ut, samlet jeg dem sammen i mindre deler. Jeg installerte deretter elektronikk som solcellepaneler og lysdioder. Når elektronikken var installert, koblet jeg dem alle sammen og ferdig med å montere de trykte delene. Deretter gikk jeg videre til å designe et stativ for prototypen. Dette stativet ble også designet i CAD og senere kuttet ut av MDF -tre på min CNC -maskin. Ved hjelp av CNC klarte jeg å kutte ut de nødvendige sporene på frontpanelet for å feste gardinelektronikk. Jeg monterte deretter prototypen på basen, og den fysiske monteringen var fullført. Nå som prototypen var ferdig montert, begynte jeg å jobbe med koden for NodeMCU. Denne koden brukes til å fortelle NodeMCU hvilke deler som er koblet til hvilke inngangs- og utgangspinner. Det forteller også styret hvilken server du skal kontakte og hvilket Wifi -nettverk du skal koble til. Med denne koden kunne jeg deretter kontrollere visse deler av prototypen fra telefonen min ved hjelp av en app. Dette ligner på en måte hvordan den endelige konstruksjonen ville kunne kontakte hovedstasjonen for å motta koordinatene for neste stopp, samt annen informasjon, for eksempel hvor de andre fartøyene er og forventet vær for den dagen."

Trinn 4: Montering (endelig !!)

Ok, så nå er vi på min favorittdel, forsamlingen. Jeg elsker å bygge ting, så endelig kunne jeg sette sammen alle delene og se de endelige resultatene. Jeg begynte med å sette sammen alle de trykte delene og limte dem sammen. Jeg installerte deretter elektronikken som lys og solcellepaneler. På dette tidspunktet innså jeg at det ikke ville være mulig å få plass til all elektronikken min inne i denne tingen. Det var da jeg fikk ideen om å CNC et stativ for båten for å få den til å se litt bedre ut, samt gi meg et sted å skjule all elektronikken. Jeg designet stativet i CAD og klippet det ut på min Bobs CNC E3 i 13 mm MDF. Jeg skrudde den deretter sammen og ga den et strøk svart spraymaling. Nå som jeg hadde et sted å fylle all elektronikken min, fortsatte jeg med ledningene. Jeg koblet alt sammen og installerte Node MCU (ganske mye en Arduino Nano med innebygd WiFi) og sørget for at alt var slått på. Etter det pakket jeg sammen forsamlingen og fikk til og med bruke laserskjærene til skolene mine for å kutte ut sikkerhetsrekkverkene med noen kule graveringer, takk igjen Mr. Z! Nå som vi hadde en ferdig fysisk prototype, var det nå på tide å legge til litt magi med koding.

Trinn 5: Kodingen (AKA den harde delen)

For kodingen brukte jeg Arduino IDE til å skrive en ganske enkel kode. Jeg brukte den grunnleggende Blynk -skissen som en startpakke, så jeg senere kunne kontrollere noen av delene fra Blynk -appen. Jeg så mange YouTube -videoer og leste mange forum for å få denne tingen til å fungere. Til slutt klarte jeg ikke å finne ut hvordan jeg skulle kontrollere den børsteløse motoren, men fikk alt annet til å fungere. Fra appen kan du bytte fartøyets retning, som vil bytte farger på de røde/grønne lysdiodene, slå på/av innvendig lys og få en live datastrøm fra en av ultralydsensorene foran på skjermen. Jeg slappet definitivt av på denne delen og fikk ikke så mye gjort på koden som jeg ønsket, men det endte fortsatt med å være en fin funksjon.

Trinn 6: Sluttprodukt

Det er gjort! Jeg fikk alt til å fungere like knapt før datoen for science fair. (Stereotypical procrastinator) Jeg var ganske stolt av det endelige produktet og kunne ikke vente med å dele det med dommerne. Jeg har ikke så mye annet å si her, så jeg lar meg forklare det bedre. Her er konklusjonen i forskningsoppgaven min.

Når fartøyene og dokkingstasjonene er opprettet, er løsningen i gang. Hver morgen ville fartøyene starte sine ruter gjennom vannveiene. Noen kan gå gjennom kanalene i byene, mens andre reiser i myrlandene eller havlinjene. Mens fartøyet går gjennom ruten, vil filtreringsskimmeren være nede, slik at filtrene kan starte arbeidet. Skimmeren vil lede de flytende alger og rusk inn i filtreringskanalen. Når den er inne, blir vannet først ført gjennom et maskefilter for å fjerne større partikler og rusk fra vannet. Det fjernede materialet vil bli holdt der til kammeret er fylt. Etter at vannet har passert det første filteret, går det deretter gjennom det permeable membranfilteret. Dette filteret bruker små, gjennomtrengelige hull for å bare tillate gjennomtrengelig vann gjennom og etterlater ugjennomtrengelige materialer. Dette filteret brukes til å trekke ut det ugjennomtrengelige gjødselmaterialet, samt overflødige næringsstoffer fra algevekstene. Det filtrerte vannet r renner deretter ut på baksiden av båten tilbake til vannveien der fartøyet filtrerer.

Når et fartøy når den utpekte dokkingstasjonen, trekker det seg inn i køyen. Etter fullstendig dokking vil to armer festes til siden av båten for å holde den jevnt på plass. Deretter vil et rør automatisk stige opp under båten og festes til hver avfallshåndteringsport. Når den er sikret, åpnes porten og en pumpe slås på og suger det innsamlede materialet ut av båten og inn i dokkingstasjonen. Mens alt dette skjer, vil passasjerer få lov til å gå ombord på fartøyet og finne plassene sine. Når alle er ombord og avfallsbeholderne er tømt, slippes båten fra stasjonen og starter på en annen rute. Etter at avfallet er pumpet inn i dokkingstasjonen, vil det bli siktet igjen for å fjerne store rusk som pinner eller søppel. De fjernede ruskene vil bli lagret i beholdere for senere resirkulering. De resterende siktede alger vil bli ført til den sentrale dokkingstasjonen for å bli behandlet. Når hver mindre dokkingstasjon fyller opp algelageret, vil en arbeider komme for å transportere algen til sentralstasjonen, hvor den blir raffinert til en biodiesel. Denne biodiesel er en fornybar kilde til drivstoff, så vel som en lønnsom måte å resirkulere de innsamlede næringsstoffene på.

Etter hvert som båtene fortsetter å filtrere vannet, vil næringsinnholdet reduseres. Denne reduksjonen i den store mengden næringsstoffer vil føre til mindre blomster hvert år. Etter hvert som næringsnivået fortsetter å falle, vil vannkvaliteten bli overvåket grundig for å sikre at næringsstoffene forblir på et konstant og sunt nivå som trengs for et blomstrende miljø. I vintersesongen når gjødselavrenningen ikke er like sterk som vår- og sommertidene, vil båtene kunne kontrollere mengden vann som filtreres for å sikre at det alltid er en sunn mengde tilgjengelige næringsstoffer. Etter hvert som båtene går gjennom rutene, vil flere og flere data bli samlet inn for mer effektivt å bestemme kildene til gjødselavrenningen og hvilke tider de skal forberede seg på høyere næringsnivåer. Ved å bruke disse dataene kan det opprettes en effektiv tidsplan for å forberede svingningene som oppdrettstidene medfører."