Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube for ISS: 5 trinn

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

Vi er West Hollow ungdomsskole fra Long Island, NY. Vi er håpefulle ingeniører som møtes en gang i uken i en klubb som heter Hack the Hollow, der vi designer, koder og bygger en rekke makerprosjekter. Du kan sjekke ut alle prosjektene vi jobber med HER. Vårt hovedfokus har vært å studere fremtiden for mat og miljørobotikk. Vi har satt sammen og vedlikeholdt en automatisert vertikal hydroponisk gård på baksiden av vitenskapslaboratoriet sammen med læreren vår, Regini. Vi har også deltatt i GBE -programmet de siste to årene. Vi vet at denne utfordringen krevde videregående elever, men vi var for glade for å vente to år til med å presentere deg for Wolverine, oppkalt etter skolemaskoten vår. Dette er litt av det vi gjør!

I dette prosjektet finner du mange ting vi liker å bruke, inkludert Arduino, Raspberry Pi og alle de elektroniske godbitene som følger med. Vi likte også å bruke Fusion 360 som et steg opp fra TinkerCad for å designe kuben. Dette prosjektet var en perfekt mulighet til å skjære tennene på noen nye produsentplattformer. Vi ble delt opp i designteam som hver måtte fokusere på ett aspekt av Grow Cube. Vi brøt det ned i rammen, lokket og bunnplaten, belysning, vegger, vann, vifter og miljøsensorer. Vi har laget lenker i vår forsyningsliste til alt materialet vi bruker hvis du trenger hjelp til å visualisere delene som diskuteres i trinnene som følger. Vi håper du liker det!

Rekvisita

Ramme:

• 1 "80/20 aluminiumsprofiler
• Tee nøtter
• Støttebraketter
• Hengsler
• T-kanal kompatible seilfly
• T-kanal kompatible rør- og ledningsførere
• Magneter for å holde dørene lukket
• 3 x magnetiske sivbrytere

Voks vegger:

• Farm Tech lavprofil NFT -kanaler
• NFT -kanaldeksler
• Bølgepapp
• Magneter for å holde flyttbare kanaler på plass

Lokk:

• Bølgepapp
• 3D -trykt LED vokse lysarmatur (Fusion 360)
• Plastavstand og maskinvare for elektronikk

Belysning:

• Adresserbare neopikselstrimler fra Adafruit (60LED/m)
• Neopixel -kontakter
• Neopixel klipp
• 330uF, 35V frakoblingskondensator
• 1K ohm motstand
• Forsølvet HVAC aluminiumsfolie tape
• Buck -omformer

Vann: (vår favorittfunksjon):

• 2 x Nema 17 Steppermotorer
• Adafruit Stepper Shield for Arduino
• 3D -trykt lineær aktuatorsprøytepumpe (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml sprøyter
• Slange med Luer -låsetilkoblinger og tee/albueledd
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 blyskruer og muttere
• 2 x flue kobler
• 2 x putebærer
• 4 x 300 mm x 8 mm lineære bevegelsesstangakselførere
• 4 x 8 mm LM8UU lineære lagre
• 4 x DF Robot kapasitive motstand fuktighetssensorer for å overvåke jord og kontrollere sprøytepumper

Luftsirkulasjon:

• 2 x 5 "12V vifter
• 5 "viftefilterdeksler
• 2 x TIP120 Darlington -transistorer og kjøleribber
• 12V strømforsyning
• Panelmontert fatkontaktadapter
• 2 x 1K ohm motstander
• 2 x flyback -dioder
• 2 x 330uF, 35V elektrolytiske frakoblingskondensatorer
• DHT22 temperatur- og fuktighetssensor m/ 4,7K ohm motstand

Elektronikk:

• Raspberry Pi 3B+ m/ motorhatt
• 8 GB SD -kort
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto brødbrett
• 2 x 20x4 i2C LCD -skjermer
• 22AWG -tilkoblede ledninger
• Dupont -koblingssett
• Adafruit SGP30 luftkvalitetssensor m/ eCO2

Verktøy:

• Loddejern
• Loddesett
• Hjelpende hender
• Crimping og stripping verktøy for ledninger
• Skrutrekkere
• Kaffe (for Mr. Regini)

Trinn 1: Trinn 1: Konstruere rammen

Rammen skal konstrueres ved hjelp av lette 1 80/20 t kanal aluminiumsekstruderinger. Den vil holdes sammen med albueledd og t muttere. I tillegg til å holde vekten nede, fungerer kanalene som ledestier for vannet vårt ledninger og ledninger.

Kuben vil hvile på et sett med skinner utstyrt med glideforbindelser som gjør at kuben kan trekkes ut fra en vegg for å avsløre ikke bare forsiden, men også begge sidene. Inspirasjonen til dette kom fra en av våre studenter som tenkte på krydderhyllen i kjøkkenskapene hans hjemme.

Ved hjelp av enkle hengsler vil fronten og sidene ha dører som kan svinge åpne når terningen trekkes ut på skinnene. De holdes på plass av magneter når de er lukket. Alle 6 panelene i denne kuben er avtagbare ettersom alle ansiktene også holdes på plass av magneter. Formålet med dette designvalget var å gi enkel tilgang til alle overflater for såing, plantevedlikehold, datainnsamling, høsting og rengjøring/reparasjoner.

Du kan se designet for panelene i neste trinn.

Trinn 2: Trinn 2: Konstruere vokseveggene

Det første elementet vi tenkte på var materialene som skulle brukes til selve veggene. Vi visste at de måtte være lette, men sterke nok til å støtte plantene. Hvit bølgepapp ble valgt fremfor klar akryl selv om vi elsket bildene av V. E. G. G. I. E hvor vi kunne se plantene inne. Grunnen til denne avgjørelsen var fordi det meste av utsikten ville bli hindret av anleggskanalene, og vi ønsket å reflektere så mye av lyset fra våre LED -er som mulig. Denne logikken kom fra å inspisere enheten vi ble sendt som en del av vår GBE -deltakelse. Som nevnt i forrige trinn, holdes disse platene fast på aluminiumsrammen med magneter, slik at de enkelt kan fjernes.

Festet til disse platene er tre kanaler med lavprofil NFT -vekstskinner som vi bruker i vårt hydroponiske laboratorium. Vi liker dette valget fordi de er konstruert av tynn PVC med deksler som lett glir av for implantering av de voksende putene. Alle voksende medier vil være inneholdt i spesialdesignede puter som vi så allerede blir brukt på ISS når vi leser denne artikkelen. Alle paneler mellom skinnene vil være belagt med sølvfarget HVAC -isolasjonstape for å fremme refleksjonsevne til vokslampene.

Våre åpninger er 1 3/4 og med en avstand på 6 tommer på midten. Dette gir mulighet for 9 plantingssteder på hver av terningens fire paneler og gir totalt 36 planter. Vi prøvde å holde denne avstanden i samsvar med det vi hadde rødt om Outredgeous salat. Kanalene freses med spor for å akseptere våre fuktighetssensorer som vil overvåke jordfuktighet og kalle etter vann fra sprøytepumpene. Hydrering vil bli distribuert til hver enkelt plantepute gjennom en medisinsk slange vanningsmanifold festet til disse pumpene. Denne sprøytebaserte vanningsmetoden er noe vi forsket på som en god praksis for både presisjonsvanning og for å overvinne utfordringene i et miljø med null/mikro-tyngdekraft. terningen. Vi vil stole på kapillaritet for å hjelpe vannet med å spre seg gjennom vekstmediet.

Til slutt ønsket vi å finne en måte å bruke bunnplaten på. Vi laget en liten leppe på bunnen av ansiktet som ville godta en voksematte for å dyrke mikrogrønt. Mikrogrønt er kjent for å ha nesten 40 ganger mer vitale næringsstoffer enn sine modne kolleger. Disse kan vise seg svært fordelaktige for kostholdet til astronautene. Dette er en artikkel våre studenter fant om næringsverdien av mikrogrønt.

Trinn 3: Trinn 3: Vanning av plantene

Vi refererte til våre lineære aktuatorsprøytepumper i forrige trinn. Dette er uten tvil vår favorittdel av denne bygningen. NEMA 17-steppermotorer kommer til å drive lineære aktuatorer som trykker stemplet til to 100cc-300cc sprøyter på lokket på voksenterningen. Vi designet motorhusene, stempeldriveren og føringsskinnriggen ved hjelp av Fusion 360 etter å ha sjekket ut noen flotte open source -prosjekter på Hackaday. Vi fulgte denne opplæringen på Adafruits fantastiske nettsted for å lære å kjøre motorene.

Vi ønsket å finne en måte å frigjøre astronautene fra vannet. Stepperne aktiveres når plantene i systemet krever sitt eget vann. 4 kapasitive fuktighetssensorer er koblet til planteputer på forskjellige steder i vekstterningen. Hvert plantested i systemet har et spor for å ta imot disse sensorene som er frest inn i deres vekstkanaler. Dette gjør at plassering av disse sensorene kan velges og endres med jevne mellomrom av astronautene. I tillegg til å maksimere effektiviteten som vann distribueres med i systemet, vil det muliggjøre visualisering av hvordan hver plante bruker sitt vann. Fuktterskler kan settes av astronautene slik at vanning kan automatiseres i henhold til deres behov. Sprøyter er festet til hovedvannsmanifolden med Luer -låsekoblinger for enkel påfylling. Selve dyrkingspanelene bruker en lignende tilkoblingsprotokoll til vanningsmanifolden, slik at de enkelt kan fjernes fra terningen.

Dataene som samles inn av sensorene kan leses lokalt på en 20x4 LCD -skjerm festet til lokket eller eksternt der den samles, vises og grafiseres av systemets integrasjon med enten Cayenne eller Adafruit IO IoT -plattformer. Arduino sender dataene sine til den innebygde Raspberry Pi ved hjelp av en USB -kabel som deretter tar seg til internett ved hjelp av Pi's WiFi -kort. Det kan settes varsler på disse plattformene for å varsle astronautene når noen av systemvariablene våre har forlatt sine forhåndsinnstilte terskelverdier.

Trinn 4: Trinn 4: Smartlokket med belysning og viftekontroll

Lokket på vår vekstterning fungerer som hjernen til hele operasjonen, og gir hus for kritiske voksende elementer. Utover ned fra undersiden av lokket er et 3D -trykt LED -hus som gir lys til hver av vokseveggplatene samt toppbelysning av mikrogrønnsmattene på bunnen. Dette ble igjen designet i Fusion 360 og skrevet ut på vår MakerBot. Hver lysrom inneholder 3 LED -strips som er skjermet av en konkav støtte. Denne støtten er forsølvet med HVAC -isolasjonstape for å maksimere refleksjonsevnen. Ledningene går opp en sentral hul søyle for å få tilgang til strøm og data på toppen av lokket. Størrelsen på dette huset ble valgt for å ha et fotavtrykk som ville tillate plantene som vokste rundt det å oppnå en maksimal høyde på 8 tommer. Dette tallet ble funnet å være en gjennomsnittlig høyde på modne Outredgeous salater som vi dyrker i våre vertikale hydroponiske hager i laboratoriet vårt. De kan nå så store som 12 tommer høye, men vi skjønte at astronauter ville beite på disse når de vokser, noe som gjør dette til en kutt-og-kom-igjen-kube.

Neopikslene vi bruker er individuelt adresserbare, noe som betyr at vi kan kontrollere fargespekteret de sender ut. Dette kan brukes til å modifisere lysspektrene plantene mottar i forskjellige vekststadier eller fra art til art. Skjoldene var ment å tillate forskjellige lysforhold på hver av veggene om nødvendig. Vi forstår at dette ikke er et perfekt oppsett, og at lysene vi bruker ikke teknisk sett er vokselys, men vi følte at det var et godt bevis på konseptet.

Toppen av lokket inneholder to 5 tommers 12V kjølevifter som vanligvis brukes til å kontrollere temperaturen på datatårn. Vi designet det slik at den ene skyver luft inn i systemet mens den andre fungerer som luftuttak. De er begge dekket med en finmasket skjerm for å sikre at ingen rusk trekkes ut og inn i astronautens pustemiljø. Viftene slås av når noen av de magnetiske sivbryterne som er festet til dørene er åpne for å forhindre utilsiktet luftforurensning. Hastigheten til viftene styres gjennom PWM ved å bruke motorhatten på Raspberry pi. Vifter kan konditioneres eller reduseres betinget basert på enten temperatur- eller fuktighetsverdier som mates til Pi av den innebygde DHT22 -sensoren i kuben. Disse avlesningene kan igjen vises lokalt på en LCD -skjerm eller eksternt på samme IoT -dashbord som fuktighetssensorene.

Når vi tenkte på fotosyntese, ønsket vi også å redegjøre for CO2 -nivåene og den generelle luftkvaliteten i vekstterningen. For dette formål inkluderte vi en SGP30 -sensor for å overvåke for eCO2 samt totalt VOC. Også disse blir sendt til LCD -skjermene og IoT -dashbordet for visualisering.

Du vil også se at vårt par sprøytepumper er montert langs siden av lokket. Røret deres er rettet nedover de vertikale kanalene i aluminiumsekstruderingsstøtterammen.

Trinn 5: Avslutte tanker og fremtidige iterasjoner

Vi designet Wolverine ved å bruke kunnskapen vi har tilegnet oss fra vår tid med å dyrke mat sammen. Vi har automatisert hagene våre i flere år, og dette var en så spennende mulighet til å bruke dette på en unik ingeniøroppgave. Vi forstår at designet har en ydmyk begynnelse, men vi gleder oss til å vokse sammen med det.

Et aspekt av bygget vi ikke kunne fullføre før fristen var å ta bilder. En av våre studenter har eksperimentert med Raspberry Pi -kameraet og OpenCV for å se om vi kan automatisere påvisning av plantehelse ved hjelp av maskinlæring. Vi ønsket i det minste å ha en måte å se plantene på uten å måtte åpne dørene. Tanken var å inkludere en pan-tilt-mekanisme som kan rotere rundt undersiden av toppanelet for å ta bilder av hver voksevegg og deretter skrive dem ut på Adafruit IO-dashbordet for visualisering. Dette kan også gi noen veldig kule tidsforløp for avlingene som vokser. Vi antar at det bare er en del av prosjekteringsprosessen. Det vil alltid være arbeid å gjøre og forbedringer som må gjøres. Tusen takk for muligheten til å delta!