Hack Hulens Wolverine Grow Cube til ISS: 5 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Vi er West Hollow mellemskole fra Long Island, NY. Vi er håbefulde ingeniører, der mødes en gang om ugen i en klub kaldet Hack the Hollow, hvor vi designer, koder og bygger en række makerprojekter. Du kan tjekke alle de projekter, vi arbejder på HER. Vores hovedfokus har været at studere fremtiden for fødevarer og miljørobotik. Vi har samlet og vedligeholdt en automatiseret vertikal hydroponisk gård bag på vores videnskabslaboratorium med vores lærer Mr. Regini. Vi har også deltaget i GBE -programmet i de sidste to år. Vi ved, at denne udfordring krævede gymnasieelever, men vi var for spændte til at vente to år mere med at introducere dig til Wolverine, opkaldt efter vores skolemaskot. Det er sådan noget vi gør!

I dette projekt finder du mange af de ting, vi elsker at bruge, herunder Arduino, Raspberry Pi og alle de elektroniske godbidder, der følger med. Vi nød også at bruge Fusion 360 som et skridt op fra TinkerCad til at designe terningen. Dette projekt var en perfekt mulighed for at skære tænder på nogle nye producentplatforme. Vi blev delt op i designteams, der hver især skulle fokusere på et aspekt af Grow Cube. Vi brød det ned i rammen, låget og bundpladen, belysning, vækstvægge, vand, ventilatorer og miljøsensorer. Vi har lavet links i vores forbrugsliste til alle de materialer, vi bruger, hvis du har brug for hjælp til at visualisere de dele, der diskuteres i de følgende trin. Vi håber du nyder det!

Forbrugsvarer

Ramme:

• 1 "80/20 aluminiumsprofiler
• Tee nødder
• Støttebeslag
• Hængsler
• T-kanal kompatible svævefly
• T-kanal kompatible rør og trådledere
• Magneter til at holde dørene lukkede
• 3 x magnetiske sivkontakter

Voks vægge:

• Farm Tech lavprofil NFT -kanaler
• NFT kanaldæksler
• Bølgepapirplader
• Magneter til at holde flytbare kanaler på plads

Låg:

• Bølgepapirplade
• 3D -printet LED Grow Light -armatur (Fusion 360)
• Plastikstandarder og hardware til elektronik

Belysning:

• Adresserbare neopixelstrimler fra Adafruit (60LED/m)
• Neopixel stik
• Neopixel klip
• 330uF, 35V afkoblingskondensator
• 1K ohm modstand
• Forsølvet HVAC aluminiumsfoliebånd
• Buck konverter

Vand: (Vores yndlingsfunktion):

• 2 x Nema 17 Stepmotorer
• Adafruit Stepper Shield til Arduino
• 3D -trykt lineær aktuatorsprøjtepumpe (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml sprøjter
• Slange med Luer lås forbindelser og tee/albue samlinger
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 skruer og møtrikker
• 2 x fløjkobling
• 2 x pudebæreblokke
• 4 x 300 mm x 8 mm lineære bevægelsesstangakselførere
• 4 x 8 mm LM8UU lineære lejer
• 4 x DF Robot kapacitive modstandsfugtighedssensorer til overvågning af jord og kontrol af sprøjtepumper

Luftcirkulation:

• 2 x 5 "12V blæsere
• 5 "ventilatorfilterdæksler
• 2 x TIP120 Darlington -transistorer og kølelegemer
• 12V strømforsyning
• Panelmonteret tøndejordforbindelsesadapter
• 2 x 1K ohm modstande
• 2 x flyback -dioder
• 2 x 330uF, 35V elektrolytiske afkoblingskondensatorer
• DHT22 temperatur- og fugtighedsføler m/ 4,7K ohm modstand

Elektronik:

• Raspberry Pi 3B+ m/ motorhue
• 8 GB SD -kort
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto brødbræt
• 2 x 20x4 i2C LCD'er
• 22AWG strandede forbindelsestråde
• Dupont stiksæt
• Adafruit SGP30 luftkvalitetssensor m/ eCO2

Værktøjer:

• Loddekolbe
• Loddesæt
• Hjælpende hænder
• Krympnings- og strippeværktøjer til ledninger
• Skruetrækkere
• Kaffe (til Mr. Regini)

Trin 1: Trin 1: Konstruktion af rammen

Rammen vil blive konstrueret ved hjælp af letvægts 1 80/20 t kanal aluminiumsprofiler. Det vil blive holdt sammen med albue samlinger og t møtrikker. Ud over at holde vægten nede, fungerer kanalerne som vejstier for vores vand ledninger og ledninger.

Terningen vil hvile på et sæt skinner udstyret med glideled, der gør det muligt for kuben at blive trukket ud fra en væg for ikke blot at eksponere dens forside, men også begge sider. Inspirationen til dette kom fra en af vores studerende, der tænkte på krydderieristen i hans køkkenskabe derhjemme.

Ved hjælp af enkle hængsler vil forsiden og siderne have døre, der kan svinge åbne, når terningen trækkes ud på skinnerne. De holdes på plads af magneter, når de lukkes. Alle 6 paneler i denne terning er aftagelige, da alle ansigter også holdes på plads af magneter. Formålet med dette designvalg var at give let adgang til alle overflader til såning, plantevedligeholdelse, dataindsamling, høst og rengøring/reparationer.

Du kan se vores design til panelerne i det næste trin.

Trin 2: Trin 2: Konstruktion af vækstvæggene

Det første element, vi tænkte på, var de materialer, der skulle bruges til selve væggene. Vi vidste, at de skulle være lette, men stærke nok til at understøtte planterne. Hvid bølgepap blev valgt frem for klar akryl, selvom vi elskede billederne af V. E. G. G. I. E, hvor vi kunne se planterne indeni. Grunden til denne beslutning var, fordi det meste af udsigten ville blive blokeret af plantens kanaler, og vi ønskede at reflektere så meget af lyset fra vores lysdioder som muligt. Denne logik kom fra inspektion af den enhed, vi blev sendt som en del af vores GBE -deltagelse. Som anført i det foregående trin holdes disse plader fast på aluminiumsrammen med magneter, så de let kan fjernes.

Til disse plader er knyttet tre kanaler med lavprofil NFT -skinner, som vi bruger i vores hydroponiklaboratorium. Vi kan godt lide dette valg, fordi de er konstrueret af tynd PVC med betræk, der let glider af for at implantere de voksende puder. Alle vækstmedier vil være indeholdt i specialdesignede puder, som vi så allerede bliver brugt på ISS, når vi læser DENNE ARTIKEL. Alle paneler mellem skinnerne vil være belagt med forsølvet HVAC -isoleringstape for at fremme refleksiviteten af vækstlysene.

Vores åbninger er 1 3/4 og med en afstand på 6 tommer på midten. Dette giver mulighed for 9 plantningssteder på hver af terningens fire paneler, der giver i alt 36 planter. Vi forsøgte at holde denne afstand i overensstemmelse med det, vi havde rødt om Outredgeous saluces. Kanalerne fræses med slots for at acceptere vores fugtfølere, der vil overvåge jordens fugtighed og kalde vand fra sprøjtepumperne. Hydration fordeles til hver enkelt plantepude gennem en medicinsk slange vandingsmanifold fastgjort til disse pumper. Denne sprøjtebaserede vandingsmetode er noget, vi har undersøgt som en bedste praksis til både præcisionsvanding og til at overvinde udfordringerne ved et miljø med nul/mikro-tyngdekraft. Slanger kommer ind i bunden af plantepuden for at fremme rodvækst mod ydersiden af terningen. Vi vil stole på kapillaritet for at hjælpe vandet med at sprede sig gennem vækstmediet.

Endelig ville vi finde en måde at bruge bundpladen på. Vi skabte en lille læbe på bundfladen, der ville acceptere en voksemåtte til at dyrke mikrogrøntsager. Mikrogrøntsager vides at have næsten 40 gange mere vitale næringsstoffer end deres modne modstykker. Disse kan vise sig meget gavnlige for astronauternes kost. Dette er en artikel, vores elever fandt om næringsværdien af mikrogrøntsager.

Trin 3: Trin 3: Vanding af planterne

Vi refererede til vores lineære aktuatorsprøjtepumper i det foregående trin. Dette er langt vores foretrukne del af dette byggeri. NEMA 17 steppermotorer kommer til at drive lineære aktuatorer, der trykker stemplet fra to 100cc-300cc sprøjter på låget på vækstterningen. Vi designede motorhuse, stempeldriver og styreskinne ved hjælp af Fusion 360 efter at have tjekket nogle gode open source -projekter på Hackaday. Vi fulgte denne vejledning på Adafruit's fantastiske websted for at lære at køre motorerne.

Vi ville finde en måde at frigøre astronauterne fra opgaven med at vande. Stepperne aktiveres, når planterne i systemet kræver deres eget vand. 4 kapacitive fugtfølere er tilsluttet plantepuderne forskellige steder i vækstterningen. Hvert plantested i systemet har en plads til at acceptere disse sensorer fræset i deres vækstkanaler. Dette gør det muligt for placeringen af disse sensorer at blive valgt og periodisk ændret af astronauterne. Ud over at maksimere effektiviteten, hvormed vand distribueres i systemet, vil det muliggøre visualisering af, hvordan hver plante forbruger sit vand. Fugtighedsgrænser kan indstilles af astronauterne, så vanding kan automatiseres i henhold til deres behov. Sprøjterne er fastgjort til hovedvandingsmanifolden med Luer -låseforbindelser for let påfyldning. Selve vækstpanelerne gør brug af en lignende forbindelsesprotokol til vandingsmanifolden, så de let kan fjernes fra terningen.

De data, der indsamles af sensorerne, kan læses lokalt på en 20x4 LCD -skærm fastgjort til låget eller eksternt, hvor de indsamles, vises og tegnes ved hjælp af systemets integration med enten Cayenne eller Adafruit IO IoT -platforme. Arduino sender sine data til den indbyggede Raspberry Pi ved hjælp af et USB -kabel, som derefter kommer til internettet ved hjælp af Pi's WiFi -kort. Der kan indstilles advarsler på disse platforme for at underrette astronauterne, når nogen af vores systemvariabler har forladt deres forudindstillede tærskelværdier.

Trin 4: Trin 4: Det smarte låg med belysning og ventilatorstyring

Låget på vores vækstterning fungerer som hjernen i hele operationen samt giver husene til kritiske voksende elementer. Strækker sig nedad fra undersiden af låget er et 3D -printet LED -hus, der giver lys til hver af de voksende vægplader samt topbelysning af mikrogrøntsagerne på bunden. Dette blev igen designet i Fusion 360 og printet på vores MakerBot. Hver lysrum indeholder 3 LED -strips, der er afskærmet med en konkav støtte. Denne understøtning er forsølvet med HVAC -isoleringstape for at maksimere dens refleksivitet. Ledningerne bevæger sig op ad en central hul søjle for at få adgang til strøm og data på toppen af låget. Størrelsen på dette hus blev valgt til at have et fodaftryk, der ville gøre det muligt for planterne, der vokser omkring det, at opnå en maksimal højde på 8 tommer. Dette tal viste sig at være en gennemsnitshøjde af modne Outredgeous salater, som vi dyrker i vores lodrette hydroponiske haver i vores laboratorium. De kan nå op til 12 tommer høje, men vi regnede med, at astronauter ville græsse på disse, når de vokser, hvilket gør dette til en skære-og-kom-igen-gro-terning.

De neopixel, vi bruger, kan adresseres individuelt, hvilket betyder, at vi kan styre det farvespektrum, de udsender. Dette kan bruges til at ændre lysspektrene, planterne modtager i forskellige vækststadier eller fra art til art. Skjoldene var beregnet til at give mulighed for forskellige lysforhold på hver af væggene, hvis det er nødvendigt. Vi forstår, at dette ikke er en perfekt opsætning, og at de lamper, vi bruger, ikke er teknisk vækstlys, men vi følte, at det var et godt bevis på konceptet.

Toppen af låget rummer to 5 tommer 12V køleblæsere, der normalt bruges til at styre temperaturen på computertårne. Vi designede det, så den ene skubber luft ind i systemet, mens den anden fungerer som luftudsugning. De er begge dækket med en finmasket skærm for at sikre, at intet snavs trækkes ud og ind i astronautens vejrtrækningsmiljø. Ventilatorerne lukkes, når en af de magnetiske rørkontakter, der er fastgjort til dørene, er åbne for at forhindre utilsigtet luftforurening. Ventilatorernes hastighed styres via PWM ved hjælp af motorhatten på Raspberry pi. Ventilatorer kan konditioneres hurtigere eller sænkes baseret på enten temperatur- eller fugtighedsværdier, der tilføres Pi af den indlejrede DHT22 -sensor i terningen. Disse aflæsninger kan igen ses lokalt på en LCD eller eksternt på det samme IoT -instrumentbræt som fugtsensorerne.

Når vi tænkte på fotosyntese, ønskede vi også at redegøre for CO2 -niveauerne og den samlede luftkvalitet i vækstterningen. Til dette formål inkluderede vi en SGP30 -sensor til overvågning af eCO2 samt total VOC. Også disse sendes til LCD'erne og IoT -dashboardet til visualisering.

Du vil også se, at vores par sprøjtepumper er monteret langs siden af låget. Deres rør er rettet ned ad de lodrette kanaler i aluminiumekstruderingsunderstøtningsrammen.

Trin 5: Luk tanker og fremtidige iterationer

Vi designede Wolverine ved hjælp af den viden, vi har erhvervet fra vores tid med at dyrke mad sammen. Vi har automatiseret vores haver i flere år, og dette var en så spændende mulighed for at anvende dette på en unik ingeniøropgave. Vi forstår, at vores design har en ydmyg begyndelse, men vi glæder os til at vokse sammen med det.

Et aspekt af bygningen, vi ikke kunne fuldføre før deadline var billedoptagelse. En af vores elever har eksperimenteret med Raspberry Pi -kameraet og OpenCV for at se, om vi kan automatisere påvisning af plantesundhed ved hjælp af maskinlæring. Vi ville i det mindste gerne have mulighed for at se planterne uden at skulle åbne dørene. Tanken var at inkludere en pan-tilt-mekanisme, der kunne rotere rundt på undersiden af det øverste panel for at tage billeder af hver voksevæg og derefter printe dem til Adafruit IO-instrumentbrættet til visualisering. Dette kan også give nogle virkelig fede tidsforløb for de voksende afgrøder. Vi formoder, at det bare er en del af den tekniske designproces. Der vil altid være arbejde, der skal udføres, og forbedringer skal foretages. Mange tak for muligheden for at deltage!