Hack die Hollow's Wolverine Grow Cube vir die ISS: 5 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Ons is West Hollow middelbare skool van Long Island, NY. Ons is voornemende ingenieurs wat een keer per week bymekaarkom in 'n klub genaamd Hack the Hollow waarin ons 'n aantal vervaardigerprojekte ontwerp, kodeer en bou. U kan HIER na al die projekte kyk waaraan ons werk. Ons belangrikste fokus was om die toekoms van voedsel- en omgewingsrobotika te bestudeer. Ons het 'n outomatiese vertikale hidroponika -boerdery agter ons wetenskaplaboratorium saamgestel en onderhou saam met ons onderwyser, mnr. Regini. Ons het ook die afgelope twee jaar aan die GBE -program deelgeneem. Ons weet dat hierdie uitdaging hoërskoolleerlinge gevra het, maar ons was te opgewonde om nog twee jaar te wag om u voor te stel aan die Wolverine, vernoem na ons skool gelukbringer. Dit is soort van wat ons doen!

In hierdie projek vind u baie van die dinge wat ons graag gebruik, insluitend Arduino, Raspberry Pi en al die elektroniese lekkernye wat daarmee gepaard gaan. Ons het dit ook geniet om Fusion 360 te gebruik as 'n stap van TinkerCad om die kubus te ontwerp. Hierdie projek was 'n ideale geleentheid om ons tande op 'n paar nuwe vervaardigerplatforms te sny. Ons is opgebreek in ontwerpspanne wat elkeen op een aspek van die Grow Cube moes fokus. Ons het dit afgebreek in die raam, deksel en basisplaat, beligting, kweekmure, water, waaiers en omgewingsensors. Ons het in ons voorraadlys skakels gemaak na al die materiaal wat ons gebruik as u hulp nodig het om die dele wat in die volgende stappe bespreek word, te visualiseer. Ons hoop jy geniet dit!

Voorrade

Raam:

• 1 "80/20 aluminium extrusies
• Tee neute
• Steunhakies
• Skarniere
• T-kanaal versoenbare sweeftuie
• T-kanaal versoenbare buis- en draadgeleiers
• Magnete om deure toe te hou
• 3 x magnetiese rietskakelaars

Groeimure:

• Farm Tech lae profiel NFT -kanale
• NFT -kanaaldeksels
• Golfplate
• Magnete om verwyderbare kanale in plek te hou

Deksel:

• Geriffelde plastiekplaat
• 3D -gedrukte LED -kweeklig (Fusion 360)
• Plastiese afwykings en hardeware vir elektronika

Beligting:

• Adresseerbare neopixelstroke van Adafruit (60LED/m)
• Neopixel verbindings
• Neopixel snitte
• 330uF, 35V ontkoppelingskondensator
• 1K ohm weerstand
• Verzilverde HVAC aluminiumfoelieband
• Bok -omskakelaar

Water: (Ons gunsteling funksie):

• 2 x Nema 17 Stepper motors
• Adafruit Stepper Shield vir Arduino
• 3D gedrukte lineêre aktuatorspuitpomp (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml spuite
• Buise met Luer -slotverbindings en tee/elmboogverbindings
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 loodskroewe en moere
• 2 x vliegkoppelaar
• 2 x kussingsdraende blokke
• 4 x 300 mm x 8 mm lineêre bewegingsstaafgidse
• 4 x 8 mm LM8UU lineêre laers
• 4 x DF Robot kapasitiewe weerstand vog sensore om grond te monitor en spuitpompe te beheer

Lug sirkulasie:

• 2 x 5 "12V waaiers
• 5 "waaierfilterdeksels
• 2 x TIP120 Darlington -transistors en hittebakke
• 12V kragtoevoer
• Verbindingsadapter vir paneelmontering
• 2 x 1K ohm weerstande
• 2 x terugdraaidiodes
• 2 x 330uF, 35V elektrolitiese ontkoppelingskondenseerders
• DHT22 temperatuur- en humiditeitsensor met 'n weerstand van 4.7K ohm

Elektronika:

• Framboos Pi 3B+ met motorhoed
• 8 GB SD kaart
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto broodbord
• 2 x 20x4 i2C LCD's
• 22AWG gestrande verbindingsdrade
• Dupont -aansluitkit
• Adafruit SGP30 luggehalte sensor met eCO2

Gereedskap:

• Soldeerbout
• Soldeerset
• Helpende hande
• Krimp- en stroopgereedskap vir drade
• Skroewedraaiers
• Koffie (vir meneer Regini)

Stap 1: Stap 1: Konstruksie van die raam

Die raam word gebou met 'n ligte aluminium -ekstrudering van 1 80/20 t -kanaal. Dit word saam met aluminium -elmboogverbindings en moere gehou. Benewens die gewig, hou die kanale ook leidings vir ons water. lyne en bedrading.

Die kubus sal rus op 'n stel relings wat toegerus is met glyverbindings waarmee die kubus uit 'n muur gehaal kan word om nie net die voorkant nie, maar ook albei sye bloot te stel. Die inspirasie hiervoor het gekom deur een van ons studente wat aan die speseryrak in sy kombuiskaste tuis dink.

Deur gebruik te maak van eenvoudige skarniere, het die voorkant en sye deure wat oop kan swaai as die kubus op sy relings getrek word. Hulle word deur magnete op hul plek gehou wanneer dit gesluit is. Al 6 panele van hierdie kubus kan verwyder word, aangesien al die vlakke ook deur magnete op hul plek gehou word. Die doel van hierdie ontwerpkeuse was om maklike toegang tot alle oppervlaktes te gee vir saai, plantonderhoud, data -insameling, oes en skoonmaak/herstelwerk.

U kan ons ontwerp vir die panele in die volgende stap sien.

Stap 2: Stap 2: Bou die groeimure

Die eerste element waaraan ons gedink het, was die materiaal om vir die mure self te gebruik. Ons het geweet dat hulle lig moet wees, maar sterk genoeg om die plante te ondersteun. Wit golfplastiek is gekies bo helder akriel, alhoewel ons van die foto's van V. E. G. G. I. E gehou het, waar ons die plante binne kon sien. Die rede vir hierdie besluit was omdat die grootste deel van die uitsig deur die plantkanale belemmer sou word, en ons wou soveel moontlik van die lig van ons LED's weerkaats. Hierdie logika kom uit die ondersoek van die eenheid wat ons gestuur is as deel van ons GBE -deelname. Soos in die vorige stap gesê, word hierdie plate met magnete aan die aluminium raam vasgehou sodat hulle maklik verwyder kan word.

Drie kanale van lae profiel NFT -groeiende relings wat ons in ons hidroponika -laboratorium gebruik, is aan hierdie plate geheg. Ons hou van hierdie keuse, want dit is gemaak van dun PVC met bedekkings wat maklik kan wegskuif vir die inplanting van die groeiende kussings. Alle teeltmediums sal vervat wees in spesiaal ontwerpte kussings wat ons gesien het, word reeds op die ISS gebruik wanneer ons HIERDIE ARTIKEL lees. Alle panele tussen die relings word bedek met silwer HVAC -isolasieband om die weerkaatsing van die kweekligte te bevorder.

Ons openinge is 1 3/4 en met 'n afstand van 6 duim in die middel. Dit maak voorsiening vir 9 plantplekke op elk van die kubus se vier panele, wat altesaam 36 plante oplewer. Ons het probeer om hierdie spasiëring in ooreenstemming te hou met wat ons rooi gehad het. oor outredgeous blaarslaai. Die kanale word met gleuwe gemaal om ons vogsensors te aanvaar wat die humiditeit van die grond sal monitor en water uit die spuitpompe sal benodig. Hierdie spuitgebaseerde besproeiingsmetode is iets wat ons ondersoek het as 'n beste praktyk vir presiese besproeiing en om die uitdagings van 'n nul-/mikro-swaartekragomgewing te oorkom. Buise sal die basis van die kussing binnedring om wortelgroei na buite Ons sal staatmaak op kapillariteit om die water deur die groeimedium te laat versprei.

Uiteindelik wou ons 'n manier vind om die basisplaat te gebruik. Ons het 'n klein lip op die onderkant geskep, wat 'n kweekmat sou aanvaar vir mikrogroente. Dit is bekend dat mikroblare byna 40 keer meer belangrike voedingstowwe bevat as hul volwasse eweknieë. Dit kan baie voordelig wees vir die dieet van die ruimtevaarders. Dit is 'n artikel wat ons studente gevind het oor die voedingswaarde van mikrogroente.

Stap 3: Stap 3: Maak die plante nat

Ons het in die vorige stap na ons lineêre aktuatorspuitpompe verwys. Dit is verreweg ons gunsteling deel van hierdie gebou. NEMA 17-stapmotors gaan lineêre aandrywers aandryf wat die suier van twee 100cc-300cc spuite op die deksel van die kubus sal druk. Ons het die motorhuise, plunjerbestuurder en geleidingsrail met Fusion 360 ontwerp nadat ons 'n paar groot open source -projekte op Hackaday nagegaan het. Ons het hierdie tutoriaal op Adafruit se wonderlike webwerf gevolg om te leer hoe om die motors te bestuur.

Ons wou 'n manier vind om die ruimtevaarders te bevry van die taak om te water. Die steppers word geaktiveer wanneer die plante binne die stelsel hul eie water benodig. 4 kapasitiewe vogsensors word op verskillende plekke in die kubus op die plantkussings ingeprop. Elke plantplek in die stelsel het 'n gleuf om hierdie sensors wat in hul groeikanale gemaal is, te aanvaar. Dit stel die ruimtevaarders in staat om die plasing van hierdie sensors te kies en periodiek te verander. Benewens die maksimalisering van die doeltreffendheid waarmee water binne die stelsel versprei word, kan dit ook visualiseer hoe elke plant sy water verbruik. Die ruimtevaarders kan deur die ruimtevaarders vasgestel word, sodat water volgens hul behoeftes outomaties kan wees. Die spuite word aan die hoofspruitstuk met Luer -sluitverbindings vasgemaak om dit maklik te hervul. Die kweekpanele self maak gebruik van 'n soortgelyke verbindingsprotokol as die spruitstuk sodat hulle maklik uit die kubus verwyder kan word.

Die data wat deur die sensors ingesamel word, kan plaaslik gelees word op 'n 20x4 LCD -skerm wat aan die deksel geheg is, of op afstand waar dit versamel, vertoon en grafies word deur die stelsel se integrasie met Cayenne of Adafruit IO IoT platforms. Die Arduino stuur sy data na die boord van die Raspberry Pi met behulp van 'n USB -kabel wat dan via die WiFi -kaart van die Pi na die internet gaan. Op hierdie platforms kan waarskuwings ingestel word om die ruimtevaarders in kennis te stel wanneer een van ons stelselveranderlikes hul voorafbepaalde drempelwaardes verlaat het.

Stap 4: Stap 4: die slim deksel met beligting en waaierbeheer

Die deksel van ons kubus dien as die brein van die hele operasie, en bied ook die huis vir kritiese groeiende elemente. Aan die onderkant van die deksel strek 'n 3D -gedrukte LED -behuising wat lig bied vir elk van die groeiende muurplate, sowel as die boonste beligting van die mikrogroentemat aan die onderkant. Dit is weer ontwerp in Fusion 360 en gedruk op ons MakerBot. Elke ligbaai bevat 3 LED -stroke wat deur 'n konkawe steun beskerm word. Hierdie ondersteuning is versier met HVAC -isolasieband om die reflektiwiteit daarvan te maksimeer. Die bedrading loop deur 'n sentrale hol kolom om toegang tot krag en data aan die bokant van die deksel te verkry. Die grootte van hierdie behuising is gekies om 'n voetspoor te hê waarmee die plante wat rondom dit groei, 'n maksimum hoogte van 8 duim kan bereik. Hierdie getal is 'n gemiddelde hoogte van volwasse outredgeous blaarslaai wat ons in ons vertikale hidroponiese tuine in ons laboratorium verbou. Hulle kan tot 12 sentimeter lank word, maar ons het gedink ruimtevaarders sal hier wei terwyl hulle groei, wat 'n sny-en-kom-weer-kubus maak.

Die neopixels wat ons gebruik, kan individueel aangespreek word, wat beteken dat ons die kleurspektrum wat hulle uitstraal, kan beheer. Dit kan gebruik word om die spektra van lig wat die plante ontvang tydens die verskillende stadia van hul groei of van spesie tot spesie, te verander. Die skilde was bedoel om, indien nodig, verskillende beligtingstoestande op elk van die mure moontlik te maak. Ons verstaan dat dit nie 'n perfekte opset is nie en dat die ligte wat ons gebruik, nie tegnies gloeilampe is nie, maar ons het gedink dit was 'n goeie bewys van die konsep.

Die bokant van die deksel bevat twee 5 duim 12V -waaiers wat gewoonlik gebruik word om die temperatuur van rekenaartorings te beheer. Ons het dit so ontwerp dat die een lug in die stelsel stoot terwyl die ander as lugontginning dien. Hulle is albei bedek met 'n fyn gaasskerm om te verseker dat geen puin uit die asemhalingsomgewing van die ruimtevaarder kom nie. Die waaiers word afgeskakel wanneer enige van die magnetiese rietskakelaars wat aan die deure vasgemaak is, oop is om onbedoelde lugbesmetting te voorkom. Die spoed van die waaiers word deur PWM beheer met behulp van die motorhoed op die Framboos -pi. Waaiers kan voorwaardelik versnel of vertraag word op grond van temperatuur- of humiditeitswaardes wat deur die ingebedde DHT22 -sensor in die kubus aan die Pi gevoer word. Hierdie lesings kan weer plaaslik op 'n LCD of op afstand op dieselfde IoT -dashboard as die vogsensors besigtig word.

Deur na te dink oor fotosintese, wou ons ook rekening hou met die CO2 -vlakke en die algehele luggehalte in die kubus. Vir hierdie doel het ons 'n SGP30 -sensor ingesluit om te monitor vir eCO2 sowel as totale VOC's. Ook hierdie word na die LCD's en IoT -dashboard gestuur vir visualisering.

U sal ook sien dat ons paar spuitpompe aan die kant van die deksel gemonteer is. Hul buise is langs die vertikale kanale van die aluminium -ekstruderingsondersteuningsraam gerig.

Stap 5: Afsluiting van gedagtes en toekomstige herhalings

Ons het Wolverine ontwerp met behulp van die kennis wat ons opgedoen het uit ons tyd om voedsel saam te kweek. Ons outomatiseer ons tuine al etlike jare, en dit was 'n opwindende geleentheid om dit toe te pas op 'n unieke ingenieurswese taak. Ons verstaan dat ons ontwerp 'n nederige begin het, maar ons sien uit daarna om daarmee saam te groei.

Een aspek van die konstruksie wat ons nie voor die sperdatum kon voltooi nie, was beeldopname. Een van ons studente het met die Raspberry Pi -kamera en OpenCV eksperimenteer om te kyk of ons die opsporing van plantgesondheid kan outomatiseer deur middel van masjienleer. Ons wou ten minste 'n manier hê om die plante te sien sonder om die deure oop te maak. Die gedagte was om 'n pan-kantelmeganisme in te sluit wat om die onderkant van die boonste paneel kan draai om beelde van elke groeimuur te neem en dit dan na die Adafruit IO-dashboard te druk om dit te visualiseer. Dit kan ook 'n baie goeie tydsverloop van die groeiende gewasse veroorsaak. Ons veronderstel dat dit slegs deel is van die ingenieursontwerpproses. Daar sal altyd werk en verbeterings aangebring moet word. Baie dankie vir die geleentheid om deel te neem!