Arduino autonome filtreringsfartøj: 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

I denne instruks vil jeg vise dig, hvordan jeg designede og lavede min foreslåede løsning på det nuværende problem med røde alger i Gulf Coast -farvandet. Til dette projekt ønskede jeg at designe et fuldt autonomt og soldrevet fartøj, der kunne navigere i vandveje og ved hjælp af et indbygget naturligt filtreringssystem kunne filtrere overskydende næringsstoffer og toksiner fra Dinoflagellater og Karena Brevis -alger. Dette design blev skabt for at vise, hvordan teknologi kan bruges til at hjælpe med at løse nogle af vores nuværende miljøproblemer. Desværre vandt det ikke nogen priser eller plads på min lokale videnskabsmesse i lille by, men jeg nød stadig læringsoplevelsen og forhåbentlig kan en anden lære noget af mit projekt.

Trin 1: Forskning

Selvfølgelig skal du undersøge hver gang du skal løse et problem. Jeg havde hørt om dette problem gennem en nyhedsartikel online, og det fik mig til at interessere mig for at designe en løsning på det miljøproblem. Jeg startede med at undersøge, hvad problemet præcist var, og hvad der forårsagede det. Her er et afsnit af mit forskningspapir, der viser, hvad jeg fandt under min forskning.

The Red Tide er et voksende årligt problem for Floridas farvande. Red Tide er et almindeligt begreb, der bruges til en stor, koncentreret gruppe af alger, der sporadisk vokser på grund af stigningen i tilgængelige næringsstoffer. I øjeblikket har Florida været udsat for en hurtig stigning i størrelsen på Red Tide, hvilket forårsager en stigende bekymring for sikkerheden for det akvatiske dyreliv i området samt alle personer, der kunne komme i kontakt med det. Red Tide består oftest af en art af alger kendt som dinoflagellat Dinoflagellater er encellede protister, der producerer toksiner som brevetoxiner og ichthyotoxin, som er meget giftige for hav- og landliv, der kommer i kontakt med dem. Dinoflagellater lever af andre protister i vandet som Chysophyta's, den mest almindelige form for ikke -toksiske alger. Dinoflagellater formerer sig også aseksuelt, hvilket får deres antal til at vokse hurtigt, når n alle næringsstoffer indføres.

Hovedårsagen til deres hurtige stigning i mad skyldes introduktionen af store mængder næringsstoffer, der vaskes fra gårde under regnvejr og føres ind i havets kyster fra nærliggende floder og vandløb. På grund af den store afhængighed af kunstgødning til landbruget er mængden af tilgængelige næringsstoffer i de omkringliggende landbrugsjord højere end den nogensinde har været. Når der er regnvejr i de fleste dele af det østlige land, skyller regnen mange af disse gødninger ud af den øverste jord og ind i de omkringliggende åer og vandløb. Disse vandløb samler sig til sidst i floder, der kombinerer alle deres indsamlede næringsstoffer til en stor gruppe, der bliver dumpet i Den Mexicanske Golf. Denne store samling af næringsstoffer er ikke en naturlig forekomst for de tilstedeværende marine liv, hvorfor det resulterer i en ukontrollabel vækst af alger. Som dinoflagellaternes vigtigste fødekilde giver den hurtige stigning i alger en stor fødekilde til en hurtigt voksende livsform.

Disse store grupper af Dinoflagellater producerer giftige kemikalier, der vides at dræbe det meste vand, der kommer i kontakt med dem. Ifølge WUSF, en lokal nyhedsstation i Florida, var der i blomstring af 2018 177 bekræftede manateedødsfald fra Red Tide samt yderligere 122 dødsfald, der mistænkes for at være relateret. Af de 6, 500 forventede manater i Florida og Puerto Rico farvande, har dette en enorm indflydelse på denne arts overlevelse, og det er kun virkningen på en art. Red Tide har også været kendt for at forårsage åndedrætsproblemer for dem, der har været i nærheden af nogen af blomsterne. Da Red Tide vokser i kanalerne i nogle strandbyer, er dette en oplagt sikkerhedsrisiko for alle, der bor i disse samfund. Toksinet Dinophysis, produceret af Red Tides, har også været kendt for ofte at inficere de lokale skaldyrspopulationer, hvilket resulterer i diarréisk forgiftning af skaldyr, eller DSP, hos dem, der har spist inficerede skaldyr. Heldigvis vides det ikke at være dødeligt, men det kan resultere i fordøjelsesproblemer for offeret. Imidlertid kan et andet toksin produceret af nogle Red Tides, Gonyaulax eller Alexandrium, også inficere skaldyr i farvande, der er forurenet med tidevandet. At spise skaldyr, der er forurenet med disse toksiner, forårsager paralytisk skaldyrsforgiftning eller PSP, som i værste tilfælde har resulteret i respirationssvigt og død inden for 12 timer efter indtagelse."

Trin 2: Min foreslåede løsning

Citat fra mit research paper

Min foreslåede løsning er at bygge et fuldt autonomt soldrevet marinefartøj, der har et naturligt mikropartikelfiltreringssystem ombord. Hele systemet vil blive drevet af indbyggede solpaneler og fremdrives af to børsteløse, kanaliserede motorer i et vektordrevet setup. filtreringssystem vil blive brugt til at filtrere overskydende næringsstoffer og dinoflagellater, mens det navigerer vandvejene autonomt. Fartøjet vil også blive brugt som et shuttle -system til lokalsamfundet. Jeg startede med først at undersøge problemet, og hvordan dette problem var startet. Jeg lærte, at Stødet i Red Tide blev forårsaget af de store mængder næringsstoffer, som nitrogen, i de lokale farvande. Da jeg opdagede, hvad der forårsagede problemet, kunne jeg begynde at brainstorme en løsning, der kunne hjælpe med at formindske størrelsen af de årlige Red Tides.

Min idé var et fartøj, der i størrelse og form lignede en pontonbåd. Dette fartøj ville have en skimmer mellem de to pontoner, der ville føre modkørende vand gennem et netfilter for at fjerne store partikler og derefter gennem et permeabelt membranfilter, der ville fjerne de tilstedeværende nitrogenmikropartikler. Det filtrerede vand ville derefter strømme ud bag på båden gennem den modsatte skimmer. Jeg ville også have, at dette fartøj skulle være fuldt elektrisk, så det ville være stille såvel som at være mere sikkert, med mindre chance for at lække giftige væsker ud i det omkringliggende farvand. Der ville være flere solpaneler på fartøjet samt en ladestyring med en lithiumionpakke til at gemme overskydende strøm til senere brug. Mit sidste mål var at designe skibet på en måde, så det kunne bruges til offentlig transport for lokalsamfundet. Med alle disse designvalg i tankerne begyndte jeg at skitsere flere ideer på papir for at prøve at løse eventuelle problemer."

Trin 3: Desinging

Når jeg havde min forskning ude af vejen, havde jeg en meget bedre idé om problemet, og hvad der forårsagede det. Jeg gik derefter til brainstorming og design. Jeg brugte flere dage på at tænke på mange forskellige måder at løse dette problem på. Når jeg havde nogle anstændige ideer, flyttede jeg til at skitsere dem ud på papir for at prøve at udarbejde nogle designfejl, før jeg flyttede til CAD. Efter endnu et par dages skitsering lavede jeg en liste over dele, jeg ville bruge til designet. Jeg brugte alle mine præmieindtægter fra de foregående års science fair plus lidt mere til at købe de dele og filament, jeg havde brug for for at lave prototypen. Jeg endte med at bruge en Node MCU til mikrokontrolleren, to 18V solpaneler til foreslåede strømkilder, to ultralydssensorer til de autonome funktioner, 5 fotomodstande til at bestemme den omgivende belysning, nogle 12V hvide LED -strimler til indvendig belysning, 2 RGB LED strimler til retningsbelysning, 3 relæer til styring af LED'er og den børsteløse motor, en 12V børsteløs motor og ESC, en 12V PSU til at drive prototypen og flere andre små dele.

Da de fleste dele ankom, kom jeg i gang med 3D -modellen. Jeg brugte Fusion 360 til at designe alle delene til denne båd. Jeg startede med at designe bådens skrog og bevægede mig derefter opad for at designe hver del, mens jeg gik. Da jeg havde designet de fleste dele, lagde jeg dem alle sammen i en samling for at sikre, at de ville passe sammen, når de blev fremstillet. Efter flere dages design og tilpasning var det endelig tid til at begynde at trykke. Jeg printede skroget i 3 forskellige stykker på mine Prusa Mk3'er og printede solmonteringer og skrogdæksler på mine CR10'er. Efter flere dage var alle delene færdige med at udskrive, og jeg kunne endelig begynde at sammensætte det. Nedenfor er et andet afsnit af mit forskningsoplæg, hvor jeg taler om at designe båden.

Når jeg havde en god idé om det endelige design, gik jeg videre til Computer Aided Drafting eller CAD, som er en proces, der kan udføres ved hjælp af mange tilgængelige software i dag. Jeg brugte softwaren Fusion 360 til at designe de dele, jeg skulle bruge fremstilling til min prototype. Jeg designede først alle delene til dette projekt og derefter samlet dem i et virtuelt miljø for at prøve at løse eventuelle problemer, før jeg begyndte at udskrive delene. Når jeg havde en færdiggjort 3D -samling, flyttede jeg videre til at designe de elektriske systemer, der er nødvendige for denne prototype. Jeg ville have, at min prototype skulle kunne styres via en specialdesignet app på min smartphone. For min første del valgte jeg Node MCU mikrokontroller. Node MCU er en mikrokontroller bygget op omkring den populære ESP8266 Wifi -chip. Dette kort giver mig mulighed for at tilslutte eksterne input- og outputenheder til det, der kan fjernstyres via dets Wifi -interface. Efter at have fundet hovedcontrolleren til mit design, gik jeg videre til at vælge, hvilken anden pa rts ville være nødvendig for det elektriske system. For at drive fartøjet valgte jeg to atten volt solpaneler, der senere ville blive kablet parallelt for at give en effekt på atten volt sammen med dobbelt strømmen af en individuel solcelle på grund af kabelføring parallelt. Outputtet fra solpanelerne går til en ladestyring. Denne enhed tager den svingende udgangsspænding fra solpanelerne og udjævner den til en mere konstant tolv volt udgang. Dette går derefter ind i batteristyringssystemet eller BMS for at oplade de 6, 18650 lipoceller, der er forbundet med to sæt af tre celler, der er forbundet parallelt og derefter serier. Denne konfiguration kombinerer 4,2 volt kapacitet på 18650 til en 12,6 volt kapacitet med tre celler. Ved at tilslutte yderligere tre celler, der er sat parallelt med den forrige pakke, fordobles den samlede kapacitet, hvilket giver os et 12,6 volt batteri med en kapacitet på 6, 500 mAh.

Denne batteripakke kan levere tolv volt til belysning og børsteløse motorer. Jeg brugte en nedadgående inverter til at oprette en udgang på fem volt til det lavere elektroniske sæt. Jeg brugte derefter tre relæer, et til at tænde og slukke for de indvendige lamper, et til at ændre farven på de eksterne lamper og et andet til at tænde og slukke for den børsteløse motor. Til afstandsmåling brugte jeg to ultralydssensorer, en til fronten og en til bagsiden. Hver sensor sender en ultralydspuls ud og kan aflæse, hvor lang tid det tager den puls at vende tilbage. Ud fra dette kan vi finde ud af, hvor langt et objekt er foran fartøjet ved at beregne forsinkelsen i retursignalet. På toppen af fartøjet havde jeg fem fotoresistorer til at bestemme mængden af lys på himlen. Disse sensorer ændrer deres modstand baseret på, hvor meget lys der er til stede. Fra disse data kan vi bruge en simpel kode til at gennemsnitlige alle værdierne, og når sensorerne læser en gennemsnitlig værdi for svagt lys, tændes de indvendige lys. Efter at have fundet ud af, hvilken elektronik jeg ville bruge, begyndte jeg at 3D -udskrive de dele, jeg tidligere havde designet. Jeg printede bådens skrog i tre stykker, så den kunne passe på min hovedprinter. Mens de var ved at udskrive, gik jeg videre til at udskrive solbeslagene og dækket på en anden printer. Hver del tog cirka en dag at udskrive, så i alt var der cirka 10 dage med lige 3D -udskrivning for at få alle de dele, jeg havde brug for. Da de alle var færdige med at udskrive, samlede jeg dem sammen i mindre dele. Jeg installerede derefter elektronik såsom solpaneler og lysdioder. Da elektronikken var installeret, koblet jeg dem alle sammen og var færdig med at samle de udskrevne dele. Dernæst gik jeg videre til at designe et stativ til prototypen. Dette stativ blev også designet i CAD og senere skåret ud af MDF -træ på min CNC -maskine. Ved hjælp af CNC kunne jeg afskære de nødvendige slots på frontpanelet til fastgørelse af gardinelektronik. Jeg monterede derefter prototypen på basen, og den fysiske samling var fuldført. Nu hvor prototypen var fuldstændig samlet, begyndte jeg at arbejde med koden til NodeMCU. Denne kode bruges til at fortælle NodeMCU, hvilke dele der er tilsluttet hvilke input- og outputstifter. Det fortæller også bestyrelsen, hvilken server der skal kontaktes, og hvilket Wifi -netværk der skal oprettes forbindelse til. Med denne kode kunne jeg derefter styre visse dele af prototypen fra min telefon ved hjælp af en app. Dette ligner på en måde den måde, hvorpå det endelige design ville være i stand til at kontakte hoveddockingstationen for at modtage koordinaterne for dets næste stop samt andre oplysninger, f.eks. Hvor de andre fartøjer er og det forventede vejr for den dag."

Trin 4: Montering (endelig !!)

Ok, så nu er vi på min yndlingsdel, forsamlingen. Jeg elsker at bygge ting, så endelig kunne jeg sætte alle delene sammen og se de endelige resultater, der gjorde mig ret begejstret. Jeg startede med at sammensætte alle de udskrevne dele og superlimede dem sammen. Jeg installerede derefter elektronikken som lys og solpaneler. På dette tidspunkt indså jeg, at der ikke ville være nogen måde, hvorpå jeg kunne passe al min elektronik inde i denne ting. Det var da jeg fik ideen til at CNC et stativ til båden for at få den til at se lidt bedre ud samt give mig et sted at skjule al elektronikken. Jeg designede stativet i CAD og skar det derefter ud på min Bobs CNC E3 i 13 mm MDF. Jeg skruede det derefter sammen og gav det et lag sort spraymaling. Nu hvor jeg havde et sted at proppe al min elektronik, fortsatte jeg med ledningerne. Jeg tilsluttede alt og installerede Node MCU (stort set en Arduino Nano med indbygget WiFi) og sørgede for, at alt var tændt. Derefter pakkede jeg forsamlingen op og fik endda brugt mine skoles laserskærer til at skære sikkerhedsrækværkerne ud med nogle fede graveringer, tak igen Mr. Z! Nu hvor vi havde en færdig fysisk prototype, var det nu tid til at tilføje noget magi med kodning.

Trin 5: Kodningen (AKA den hårde del)

Til kodningen brugte jeg Arduino IDE til at skrive en ret simpel kode. Jeg brugte den grundlæggende Blynk -skitse som en starter, så jeg senere kunne styre nogle af delene fra Blynk -appen. Jeg så mange YouTube -videoer og læste masser af fora for at få denne ting til at fungere. Til sidst kunne jeg ikke finde ud af at styre den børsteløse motor, men fik alt det andet til at fungere. Fra appen kunne du skifte fartøjets retning, som ville skifte farverne på de røde/grønne lysdioder, tænde/slukke for de indvendige lamper og få et live datafeed fra en af de ultralydssensorer på forsiden af displayet. Jeg slap bestemt af på denne del og fik ikke nær så meget gjort på koden, som jeg ville, men det endte stadig med at være en pæn funktion.

Trin 6: Slutprodukt

Det er gjort! Jeg fik alt samlet og fungeret lige knap før science fair -datoerne. (Stereotypisk udsættelse) Jeg var temmelig stolt over det endelige produkt og kunne ikke vente med at dele det med dommerne. Jeg har ikke meget andet at sige her, så jeg vil lade forbi mig forklare det bedre. Her er konklusionsafsnittet i mit forskningspapir.

Når skibene og dockingstationer er oprettet, er løsningen i gang. Hver morgen ville fartøjerne starte deres ruter gennem vandveje. Nogle kan gå gennem kanalerne i byerne, mens andre rejser i marsken eller havlinjer. Mens fartøjet går gennem sin rute, vil filtreringsskummeren være nede, så filtrene kan starte deres arbejde. Skimmeren vil lede de flydende alger og snavs ind i filtreringskanalen. Når den er inde, føres vandet først gennem et netfilter for at fjerne større partikler og affald fra vandet. Det fjernede materiale vil blive holdt der, indtil kammeret er fyldt. Efter at vandet har passeret det første filter, går det derefter gennem det permeable membranfilter. Dette filter bruger små, gennemtrængelige huller til kun at tillade gennemtrængeligt vand igennem og efterlader uigennemtrængelige materialer. Dette filter bruges til at udtrække det uigennemtrængelige gødningsmateriale, samt overskydende næringsstoffer fra algevæksterne. Det filtrerede vand r flyder derefter ud af bådens bagside tilbage i vandvejen, hvor fartøjet filtrerer.

Når et fartøj når sin udpegede dockingstation, trækker det ind i kajen. Efter fuldt dokket vil to arme blive fastgjort til siden af båden for at holde den støt på plads. Dernæst vil et rør automatisk stige op under båden og fastgøre til hver affaldsbortskaffelsesport. Når den er sikret, åbnes porten, og en pumpe tændes og suger det opsamlede materiale ud af båden og ind i dockingstationen. Mens alt dette sker, får passagerer lov til at stige ombord på skibet og finde deres sæder. Når alle er ombord, og affaldscontainerne er tømt, frigives fartøjet fra stationen og starter på en anden rute. Efter at affaldet er blevet pumpet ind i dockingstationen, vil det blive sigtet igen for at fjerne store snavs som pinde eller skrald. Det fjernede affald gemmes i beholdere til senere genbrug. De resterende sigtede alger vil blive ført til den centrale dockingstation for at blive behandlet. Når hver mindre dockingstation fylder sin algeopbevaring, kommer en arbejdstager til at transportere algerne til hovedstationen, hvor den vil blive raffineret til en biodiesel. Denne biodiesel er en vedvarende kilde til brændstof samt en rentabel måde at genbruge de indsamlede næringsstoffer på.

Når bådene fortsætter med at filtrere vandet, reduceres næringsindholdet. Denne reduktion i den for store mængde næringsstoffer vil føre til mindre blomster hvert år. Da næringsstofindholdet fortsat falder, vil vandkvaliteten blive overvåget omfattende for at sikre, at næringsstofferne forbliver på et konstant og sundt niveau, der er nødvendigt for et blomstrende miljø. I vintersæsonerne, hvor gødningsafstrømningen ikke er så stærk som forår- og sommertid, vil bådene være i stand til at kontrollere mængden af vand, der filtreres for at sikre, at der altid er en sund mængde tilgængelige næringsstoffer. Efterhånden som bådene kører gennem ruterne, vil der blive indsamlet flere og flere data for mere effektivt at bestemme kilderne til gødningsafstrømningen, og hvilke tidspunkter der skal forberedes på højere næringsindhold. Ved hjælp af disse data kan der oprettes en effektiv tidsplan for at forberede de udsving, som landbrugssæsonerne medfører."