Arduino outonome filtreervaartuig: 6 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

In hierdie instruksies gaan ek jou wys hoe ek my voorgestelde oplossing vir die huidige rooi alge -probleem in die Golfkuswater ontwerp en gemaak het. Vir hierdie projek wou ek 'n ten volle outonome en sonkragvaartuig ontwerp wat deur die waterweë kon navigeer, en met behulp van 'n ingeboude natuurlike filtrasiestelsel die oortollige voedingstowwe en gifstowwe uit die Dinoflagellates en Karena Brevis -alge kon uitfilter. Hierdie ontwerp is ontwerp om aan te toon hoe tegnologie gebruik kan word om sommige van ons huidige omgewingskwessies op te los. Ongelukkig het dit geen toekennings of plek in my plaaslike wetenskaplike beurs in die plaaslike stad gewen nie, maar ek het steeds die leerervaring geniet en hopelik kan iemand anders iets uit my projek leer.

Stap 1: Navorsing

Natuurlik, as u 'n probleem gaan oplos, moet u ondersoek instel. Ek het gehoor van hierdie probleem deur middel van 'n nuusartikel aanlyn, en dit het my geïnteresseerd in die ontwerp van 'n oplossing vir die omgewingsprobleem. Ek het begin deur te ondersoek wat die probleem presies is en wat dit veroorsaak het. Hier is 'n gedeelte van my navorsingsdokument wat wys wat ek tydens my navorsing gevind het.

The Red Tide is 'n groeiende jaarlikse probleem vir die waters van Florida. Red Tide is 'n algemene term wat gebruik word vir 'n groot, gekonsentreerde groep alge wat sporadies groei as gevolg van die toename in beskikbare voedingstowwe. Tans staar Florida 'n vinnige toename in die gesig. in die grootte van die Rooigety, wat 'n toenemende kommer wek vir die veiligheid van die waterlewe in die omgewing, asook vir alle individue wat daarmee in aanraking kan kom. Die Rooigety bestaan meestal uit 'n spesie alge bekend as 'n Dinoflagellaat Dinoflagellate is eensellige protiste wat gifstowwe soos brevetoksiene en ichthyotoxin produseer, wat baie giftig is vir die lewe in die see en op die land wat daarmee in aanraking kom. Dinoflagellate voed op ander protiste in die water soos Chysophyta s'n, die algemeenste vorm van nie -giftige alge. Dinoflagellate reproduseer ook aseksueel, wat veroorsaak dat hul getalle vinnig groei wanneer n ew voedingstowwe word ingebring.

Die belangrikste oorsaak van hul vinnige toename in voedsel is die gevolg van die bekendstelling van groot hoeveelhede voedingstowwe wat tydens reënstorms van plase afgespoel word en van die nabygeleë riviere en strome na die seestrand vervoer word. As gevolg van die groot vertroue in kunsmisstowwe vir die landbou, is die hoeveelheid beskikbare voedingstowwe in omliggende landerye hoër as wat dit ooit was. Elke keer as daar 'n reënbui in die meeste dele van die oostelike land kom, spoel die reën baie van die kunsmis uit die boonste grond en in die omliggende spruite en strome. Daardie strome versamel uiteindelik in riviere en kombineer al hul versamelde voedingstowwe in een groot groep wat in die Golf van Mexiko gestort word. Hierdie groot versameling voedingstowwe is nie 'n natuurlike verskynsel vir die huidige mariene lewens nie, daarom lei dit tot 'n onbeheerbare groei van alge. As die belangrikste voedselbron van die Dinoflagellate, bied die vinnige toename in alge 'n groot voedselbron vir 'n vinnig groeiende lewensvorm.

Hierdie groot groepe Dinoflagellate produseer giftige chemikalieë wat die meeste waterlewe wat daarmee in aanraking kom, doodmaak. Volgens WUSF, 'n plaaslike nuusstasie in Florida, was daar in die bloeityd van 2018 177 bevestigde seekoei -sterftes as gevolg van die Red Tide, asook nog 122 sterftes wat vermoedelik verband hou. Van die 6 500 verwagte seekoeie in die Florida- en Puerto Rico -waters is dit 'n groot impak op die voortbestaan van hierdie spesie, en dit is slegs die impak op een spesie. Dit is ook bekend dat Red Tide respiratoriese probleme veroorsaak vir diegene wat naby die blomtyd was. Aangesien Red Tide in sommige stranddorpe in die kanale groei, is dit 'n duidelike veiligheidsgevaar vir almal wat in die gemeenskappe woon. Dit is ook bekend dat die gifstof Dinophysis, wat deur die Red Tides geproduseer word, die plaaslike skulpvispopulasies algemeen besmet, wat lei tot diarree -skulpvisvergiftiging, of DSP, by diegene wat besmette skulpvis geëet het. Gelukkig is dit nie dodelik nie, maar dit kan spysverteringsprobleme vir die slagoffer tot gevolg hê. 'N Ander gifstof wat deur sommige rooigetye, Gonyaulax of Alexandrium, geproduseer word, kan egter ook skulpvis besmet in waters wat met die getye besmet is. Die eet van skulpvis wat met hierdie gifstowwe besmet is, veroorsaak lamlike skulpvisvergiftiging, of PSP, wat in die ergste gevalle tot asemhalingsversaking en die dood gelei het binne 12 uur na inname."

Stap 2: My voorgestelde oplossing

Aanhaling uit my navorsingsartikel

My voorgestelde oplossing is om 'n volledig outonome seevaartuig met sonkrag te bou wat 'n natuurlike filtreerstelsel aan boord bevat. Die hele stelsel word aangedryf deur sonpanele aan boord en word aangedryf deur twee borsellose, geleide motors in 'n stuwingsvektoropstelling. 'n filtreerstelsel sal gebruik word om oortollige voedingstowwe en dinoflagellate te filtreer terwyl dit outonoom deur die waterweë beweeg. Die vaartuig sal ook gebruik word as 'n pendelstelsel vir die plaaslike gemeenskap. die golwe van Red Tide is veroorsaak deur die groot hoeveelhede voedingstowwe, soos stikstof, in die plaaslike waters.

My idee was 'n vaartuig wat soortgelyk was in grootte en vorm as 'n pontonboot. Hierdie vaartuig het 'n skimmer tussen die twee pontons, wat deur die gaasfilter aankomende water sal lei om groot deeltjies te verwyder, en dan deur 'n deurlaatbare membraanfilter wat die teenwoordige stikstofmikrodeeltjies verwyder. Die gefiltreerde water vloei dan deur die agterkant van die boot uit die agterkant van die boot. Ek wou ook hê dat hierdie vaartuig volledig elektries sou wees, so dit sou stil wees, maar ook veiliger wees, met minder kans om giftige vloeistowwe in die omliggende waters te lek. Daar sal verskeie sonpanele op die vaartuig wees, sowel as 'n laaibestuurder met 'n litiumioonpakket om oortollige krag vir later gebruik te stoor. My laaste doel was om die vaartuig so te ontwerp dat dit vir openbare vervoer vir die plaaslike gemeenskap gebruik kan word. Met al hierdie ontwerpkeuses in gedagte, het ek verskeie idees op papier begin skets om moontlike probleme te probeer deurwerk."

Stap 3: Ontwerp

Sodra ek my navorsing uit die weg geruim het, het ek 'n baie beter idee gehad van die probleem en wat dit veroorsaak. Ek het toe oorgegaan na dinkskrum en ontwerp. Ek het 'n paar dae lank aan baie verskillende maniere gedink om hierdie probleem op te los. Toe ek 'n paar goeie idees gehad het, het ek dit op papier gaan skets om 'n paar ontwerpfoute uit te werk voordat ek na CAD oorgegaan het. Na nog 'n paar dae se skets het ek 'n lys gemaak van dele wat ek vir die ontwerp wou gebruik. Ek het al my prysverdienste van die vorige jaar se wetenskaplike beurs plus nog 'n bietjie gebruik om die onderdele en filamente wat ek nodig gehad het om die prototipe te skep, aan te skaf. Uiteindelik gebruik ek 'n Node MCU vir die mikrobeheerder, twee 18V sonpanele vir voorgestelde kragbronne, twee ultrasoniese sensors vir die outonome funksies, 5 foto -weerstande om die omringende beligting te bepaal, 'n paar 12V wit LED -stroke vir binne -beligting, 2 RGB LED stroke vir rigtingbeligting, 3 relais vir die bestuur van LED's en die borsellose motor, 'n 12V -borsellose motor en ESC, 'n 12V PSU om die prototipe aan te dryf, en verskeie ander klein onderdele.

Toe die meeste dele kom, het ek aan die 3D -model begin werk. Ek het Fusion 360 gebruik om al die onderdele vir hierdie boot te ontwerp. Ek het begin met die ontwerp van die romp van die boot en toe opwaarts beweeg terwyl ek elke onderdeel ontwerp het. Nadat ek die meeste onderdele laat ontwerp het, het ek hulle almal in 'n samestelling geplaas om seker te maak dat hulle bymekaar pas sodra hulle vervaardig is. Na 'n paar dae se ontwerp en aanpassing was dit uiteindelik tyd om te begin druk. Ek het die romp in drie verskillende stukke op my Prusa Mk3s gedruk en die sonsteun en rompbedekkings op my CR10's gedruk. Na nog 'n paar dae was al die dele klaar, en ek kon dit uiteindelik aanmekaar sit. Hieronder is nog 'n gedeelte van my navorsingsartikel waar ek praat oor die ontwerp van die boot.

Nadat ek 'n goeie idee gehad het van die finale ontwerp, het ek oorgegaan na Computer Aided Drafting of CAD, wat 'n proses is wat vandag met baie beskikbare sagteware gedoen kan word. Ek het die sagteware Fusion 360 gebruik om die onderdele te ontwerp wat ek nodig sou hê vervaardig vir my prototipe. Ek het eers al die onderdele vir hierdie projek ontwerp en dit dan in 'n virtuele omgewing bymekaargemaak om probleme te probeer oplos voordat ek die dele begin uitdruk het. Nadat ek 'n afgehandelde 3D -samestelling gehad het, het ek verhuis oor die ontwerp van die elektriese stelsels wat nodig is vir hierdie prototipe. Ek wou hê dat my prototipe beheer kan word deur 'n pasgemaakte app op my slimfoon. Vir my eerste deel het ek die Node MCU -mikrobeheerder gekies. Die Node MCU is 'n mikrobeheerder gebou rondom die gewilde ESP8266 Wifi -chip. Met hierdie bord kan ek eksterne invoer- en afvoertoestelle daaraan koppel wat op afstand via die Wifi -koppelvlak beheer kan word. Nadat ek die hoofbeheerder vir my ontwerp gevind het, het ek verder gegaan met die keuse van watter ander pa rts sal nodig wees vir die elektriese stelsel. Om die vaartuig aan te dryf, het ek twee agtien volt sonpanele gekies wat later parallel bedraad sou word om 'n uitset van agtien volt te lewer, sowel as die dubbele stroom van 'n individuele sonsel as gevolg van parallelle bedrading. Die uitset van die sonpanele gaan na 'n laaibestuurder. Hierdie toestel neem die wisselende uitsetspanning van die sonpanele af en maak dit gladder tot 'n meer konstante uitset van twaalf volt. Dit gaan dan in die batterybestuurstelsel, of BMS, om die 6, 18650 liposelle wat bedraad is met twee stelle van drie selle wat parallel bedraad is, dan serie te laai. Hierdie konfigurasie kombineer die 4,2 volt kapasiteit van die 18650 in 'n 12,6 volt kapasiteitspak met drie selle. Deur nog drie selle wat parallel met die vorige verpakking gekoppel is, te verdubbel, word die totale kapasiteit verdubbel, wat ons 'n 12,6 volt battery met 'n kapasiteit van 6 500 mAh bied.

Hierdie battery kan twaalf volt lewer vir die beligting en borsellose motors. Ek het 'n afwaartse omskakelaar gebruik om 'n uitset van vyf volt te skep vir die elektronika met 'n laer krag. Ek gebruik toe drie aflosse, een om die binneligte aan en uit te skakel, een om die kleur van die buiteligte te verander en 'n ander om die motor sonder borsel aan en af te skakel. Vir die afstandmeting het ek twee ultrasoniese sensors gebruik, een voor en een agter. Elke sensor stuur 'n ultraklankpuls uit en kan lees hoe lank die pols neem om terug te keer. Hieruit kan ons uitvind hoe ver 'n voorwerp voor die vaartuig is deur die vertraging in die retoersein te bereken. Bo -op die vaartuig het ek vyf fotoresistors gehad om die hoeveelheid lig in die lug te bepaal. Hierdie sensors verander hul weerstand op grond van hoeveel lig daar is. Uit hierdie data kan ons 'n eenvoudige kode gebruik om al die waardes te gemiddelde, en as die sensors 'n gemiddelde waarde van swak lig lees, sal die binneligte aanskakel. Nadat ek agtergekom het watter elektronika ek sou gebruik, het ek begin om die dele wat ek voorheen ontwerp het, 3D te druk. Ek het die romp van die boot in drie stukke gedruk sodat dit op my hoofdrukker kon pas. Terwyl dit besig was om te druk, het ek die sonhouers en die dek op 'n ander drukker gaan druk. Elke deel het ongeveer een dag geneem om af te druk, so in totaal was daar ongeveer 10 dae reguit 3D -druk om al die onderdele wat ek nodig het, te kry. Nadat hulle klaar gedruk het, het ek dit in kleiner dele bymekaargemaak. Ek installeer toe elektronika soos sonpanele en LED's. Sodra die elektronika geïnstalleer is, het ek hulle almal bedraad en die gedrukte dele klaar gemonteer. Daarna het ek verder gegaan met die ontwerp van 'n standaard vir die prototipe. Hierdie staander is ook ontwerp in CAD en is later op my CNC -masjien uit MDF -hout gesny. Met die CNC kon ek die vereiste gleuwe op die voorpaneel sny om gordynelektronika aan te heg. Daarna het ek die prototipe op die basis aangebring en die fisiese samestelling was voltooi. Noudat die prototipe volledig saamgestel is, het ek begin werk aan die kode vir die NodeMCU. Hierdie kode word gebruik om die NodeMCU te vertel watter dele aan die ingangs- en uitvoerpenne gekoppel is. Dit vertel ook die bord met watter bediener om te skakel en met watter Wifi -netwerk om aan te sluit. Met hierdie kode kon ek sekere dele van die prototipe vanaf my telefoon met 'n app beheer. Dit is soortgelyk aan die manier waarop die finale ontwerp die hoofstasie sou kon kontak om die koördinate vir die volgende stop te ontvang, asook ander inligting, soos waar die ander vaartuie is en die verwagte weer vir daardie dag."

Stap 4: Vergadering (uiteindelik !!)

Ok, nou is ons by my gunsteling deel, die vergadering. Ek is mal daaroor om dinge te bou, sodat ek uiteindelik al die dele bymekaar kan sit en die eindresultate kan sien, wat my baie opgewonde gemaak het. Ek het begin deur al die gedrukte dele bymekaar te maak en dit aan mekaar vas te plak. Ek installeer toe die elektronika soos ligte en sonpanele. Op hierdie stadium het ek besef dat daar geen manier is waarop ek al my elektronika in hierdie ding kan pas nie. Toe kry ek die idee om 'n staander vir die boot te CNC om dit 'n bietjie beter te laat lyk, en om my ook die elektronika te verberg. Ek het die standaard in CAD ontwerp en dit op my Bobs CNC E3 in 13 mm MDF uitgesny. Ek het dit toe vasgeskroef en 'n laag swart spuitverf gegee. Noudat ek 'n plek kon kry om al my elektronika op te sit, het ek voortgegaan met die bedrading. Ek het alles opgestel en die Node MCU geïnstalleer (amper 'n Arduino Nano met ingeboude WiFi) en seker gemaak dat alles aangeskakel is. Daarna het ek die vergadering toegedraai en selfs die lasersnyer van my skole gebruik om die veiligheidsreling met 'n paar goeie gravures uit te sny, nogmaals dankie, Z! Noudat ons 'n voltooide fisiese prototipe gehad het, was dit tyd om 'n bietjie towerkuns by te voeg met kodering.

Stap 5: Die kodering (ook bekend as die harde deel)

Vir die kodering het ek die Arduino IDE gebruik om 'n redelik eenvoudige kode te skryf. Ek het die basiese Blynk -skets as voorgereg gebruik, sodat ek later die dele van die Blynk -app kon beheer. Ek het baie YouTube -video's gekyk en baie forums gelees om hierdie ding aan die gang te kry. Uiteindelik kon ek nie uitvind hoe om die motor sonder borsel te beheer nie, maar ek het al die ander dinge laat werk. Vanuit die app kan u die rigting van die vaartuig verander, wat die kleure van die rooi/groen LED's sal skakel, die binneligte aan/uit kan skakel en 'n lewendige datatoevoer kan kry van een van die ultrasoniese sensors aan die voorkant van die skerm. Ek het beslis verslap met hierdie gedeelte en nie naastenby soveel gedoen met die kode as wat ek wou nie, maar dit was steeds 'n netjiese funksie.

Stap 6: Finale produk

Dit is gedoen! Ek het alles bymekaar gekry en werk net skaars voor die datum van die wetenskaplike beurs. (Stereotipiese uitstel) Ek was baie trots op die finale produk en kon nie wag om dit met die beoordelaars te deel nie. Ek het nie veel meer hier te sê nie, so ek sal dit langs my laat verduidelik. Hier is die slotgedeelte van my navorsingsartikel.

Sodra die vaartuie en aanlegstasies geskep is, is die oplossing aan die gang. Elke oggend sou die vaartuie hul roetes deur die waterweë begin. Sommige gaan deur die kanale in die stede, terwyl ander deur die moeraslande of seelyne reis. Terwyl die vaartuig As dit deur die roete gaan, sal die filterskimmer af wees, sodat die filters kan begin werk. Die skimmer sal die drywende alge en puin na die filterkanaal lei. Sodra dit binne is, word die water eers deur 'n maasfilter gelei om groter te verwyder deeltjies en puin uit die water. Die verwyderde materiaal word daar gehou totdat die kamer gevul is. Nadat die water deur die eerste filter gekom het, gaan dit deur die deurlaatbare membraanfilter. Hierdie filter gebruik klein, deurlaatbare gate om slegs toe te laat deurlaatbare water deur, wat ondeurdringbare materiale agterlaat. Hierdie filter word gebruik om die ondeurdringbare kunsmismateriaal, sowel as oortollige voedingstowwe uit die alge -groei te onttrek. r vloei dan uit die agterkant van die boot terug in die waterweg waar die vaartuig filter.

As 'n vaartuig die aangewese dokstasie bereik, trek dit in die kooi. Nadat dit heeltemal vasgemaak is, sal twee arms aan die kant van die boot vasgemaak word om dit stewig vas te hou. Vervolgens sal 'n pyp outomaties onder die boot uitkom en aan elke afvalhavenhek vasmaak. Sodra dit vasgemaak is, sal die poort oopgaan en 'n pomp sal aanskakel wat die opgevangde materiaal uit die boot suig en in die dokstasie. Terwyl dit alles gebeur, sal passasiers toegelaat word om op die vaartuig te klim en hul sitplekke te vind. Sodra almal aan boord is en die vullishouers leeggemaak is, sal die vaartuig van die stasie losgemaak word en op 'n ander roete begin. Nadat die afval in die dokstasie gepomp is, word dit weer gesif om groot puin soos stokke of asblik te verwyder. Die puin wat verwyder word, word in houers gebêre vir latere herwinning. Die oorblywende gesifte alge sal na die sentrale dokstasie geneem word om verwerk te word. As elke kleiner aanlegstasie sy alge -opberging vol maak, kom 'n werker om die alge na die hoofstasie te vervoer, waar dit tot 'n biodiesel verfyn word. Hierdie biodiesel is 'n hernubare bron van brandstof, sowel as 'n winsgewende manier om die versamelde voedingstowwe te herwin.

Namate die bote voortgaan om die water te filter, sal die voedingsinhoud verminder word. Hierdie afname in die oormatige hoeveelheid voedingstowwe sal elke jaar tot kleiner blomme lei. Namate die voedingsvlakke daal, word die waterkwaliteit deeglik gemonitor om te verseker dat die voedingstowwe op 'n konstante en gesonde vlak bly wat nodig is vir 'n bloeiende omgewing. Gedurende die winterseisoene, wanneer die afloop van kunsmis nie so sterk is as die lente- en somertyd nie, kan die bote die hoeveelheid water wat gefiltreer word, beheer om te verseker dat daar altyd 'n gesonde hoeveelheid beskikbare voedingstowwe is. Namate die bote deur die roetes loop, sal meer en meer data versamel word om die bronne van die afloop van kunsmis doeltreffender te bepaal en hoe om voor te berei op hoër voedingsvlakke. Met behulp van hierdie data kan 'n doeltreffende skedule opgestel word om voor te berei op die skommelinge wat die boerdery seisoene meebring."