Contenitore di filtraggio autonomo Arduino: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

In questo Instructable ti mostrerò come ho progettato e realizzato la mia soluzione proposta per l'attuale problema delle alghe rosse nelle acque della costa del Golfo. Per questo progetto volevo progettare un'imbarcazione completamente autonoma e alimentata a energia solare che potesse navigare nei corsi d'acqua e, utilizzando un sistema di filtraggio naturale a bordo, potesse filtrare i nutrienti e le tossine in eccesso dalle alghe Dinoflagellate e Karena Brevis. Questo design è stato creato per mostrare come la tecnologia può essere utilizzata per aiutare a risolvere alcuni dei nostri attuali problemi ambientali. Sfortunatamente non ha vinto alcun premio o posto nella mia piccola fiera della scienza locale, ma ho comunque apprezzato l'esperienza di apprendimento e spero che qualcun altro possa imparare qualcosa dal mio progetto.

Passaggio 1: ricerca

Ovviamente ogni volta che stai per risolvere un problema devi fare qualche ricerca. Avevo sentito parlare di questo problema attraverso un articolo di notizie online e questo mi ha interessato a progettare una soluzione per quel problema ambientale. Ho iniziato a ricercare quale fosse esattamente il problema e cosa lo stesse causando. Ecco una sezione del mio documento di ricerca che mostra ciò che ho trovato durante la mia ricerca.

La marea rossa è un problema annuale in crescita per le acque della Florida. Marea rossa è un termine comune usato per un grande gruppo concentrato di alghe che cresce sporadicamente a causa dell'aumento dei nutrienti disponibili. Attualmente, la Florida sta affrontando un rapido aumento delle dimensioni della Marea Rossa, che sta causando una crescente preoccupazione per la sicurezza della fauna acquatica della zona, nonché di eventuali individui che potrebbero venire a contatto con essa. La Marea Rossa è più comunemente costituita da una specie di alghe note come dinoflagellate. I dinoflagellati sono protisti unicellulari che producono tossine come brevetossine e ittiotossine, che sono altamente tossiche per la vita marina e terrestre che entrano in contatto con loro. I dinoflagellati si riproducono asessualmente attraverso la mitosi, la scissione di una cellula che produce una copia esatta. I dinoflagellati si nutrono di altri protisti nell'acqua come Chysophyta's, la forma più comune di alghe non tossiche. I dinoflagellati si riproducono anche asessualmente facendo crescere rapidamente il loro numero quando n vengono introdotti nuovi nutrienti.

La causa principale del loro rapido aumento di cibo è dovuta all'introduzione di grandi quantità di nutrienti che vengono lavati dalle fattorie durante i temporali e trasportati nelle rive oceaniche dai fiumi e torrenti vicini. A causa dell'elevata dipendenza dai fertilizzanti artificiali per l'agricoltura, la quantità di nutrienti disponibili nei terreni agricoli circostanti è più alta di quanto non sia mai stata. Ogni volta che c'è un temporale nella maggior parte del paese orientale, quella pioggia lava molti di quei fertilizzanti dal terreno più superficiale e nei torrenti e ruscelli circostanti. Quei flussi alla fine si raccolgono nei fiumi che combinano tutti i loro nutrienti raccolti in un grande gruppo che viene scaricato nel Golfo del Messico. Questa grande raccolta di nutrienti non è un evento naturale per la vita marina presente, motivo per cui si traduce in una crescita incontrollabile di alghe. Essendo la principale fonte di cibo dei Dinoflagellati, il rapido aumento delle alghe fornisce una grande fonte di cibo per una forma di vita in rapida crescita.

Questi grandi gruppi di Dinoflagellati producono sostanze chimiche tossiche note per uccidere la maggior parte della vita acquatica che viene a contatto con loro. Secondo WUSF, una stazione di notizie locale della Florida, nella fioritura del 2018 ci sono stati 177 morti di lamantini confermati dalla marea rossa e altri 122 decessi sospettati di essere collegati. Dei 6.500 lamantini previsti nelle acque della Florida e di Porto Rico, questo è un enorme impatto sulla sopravvivenza di questa specie, e questo è solo l'impatto su una specie. La marea rossa è anche nota per causare problemi respiratori a coloro che sono stati in prossimità di una qualsiasi delle fioriture. Poiché Red Tide cresce nei canali di alcune località balneari, questo è un ovvio pericolo per la sicurezza per chiunque viva in quelle comunità. La tossina Dinophysis, prodotta dalle Maree Rosse, è anche nota per infettare comunemente le popolazioni locali di crostacei con conseguente avvelenamento da crostacei diarroici, o DSP, in coloro che hanno mangiato crostacei infetti. Per fortuna, non è noto per essere fatale, ma può causare problemi digestivi alla vittima. Tuttavia, un'altra tossina prodotta da alcune maree rosse, Gonyaulax o Alexandrium, può anche infettare i crostacei nelle acque contaminate dalle maree. Mangiare crostacei contaminati da queste tossine provoca avvelenamento da crostacei paralitici, o PSP, che nei casi peggiori ha provocato insufficienza respiratoria e morte entro 12 ore dall'ingestione.

Passaggio 2: la soluzione proposta

Citazione dal mio documento di ricerca

La mia soluzione proposta è quella di costruire una nave marina completamente autonoma a energia solare che disponga di un sistema di filtrazione naturale delle microparticelle a bordo. L'intero sistema sarà alimentato da pannelli solari di bordo e azionato da due motori intubati senza spazzole in una configurazione di spinta vettoriale. il sistema di filtrazione verrà utilizzato per filtrare i nutrienti in eccesso e i dinoflagellati mentre naviga autonomamente nei corsi d'acqua. La nave verrà utilizzata anche come sistema navetta per la comunità locale. Ho iniziato facendo ricerche sul problema e come era iniziato questo problema. Ho imparato che le ondate di marea rossa sono state causate dalle grandi quantità di sostanze nutritive, come l'azoto, nelle acque locali. Una volta scoperto la causa del problema, sono stato in grado di iniziare a pensare a una soluzione che potrebbe aiutare a ridurre le dimensioni delle maree rosse annuali.

La mia idea era una nave simile per dimensioni e forma a un pontone. Questa nave avrebbe uno skimmer tra i due pontoni che porterebbe l'acqua in arrivo attraverso un filtro a rete per rimuovere le particelle di grandi dimensioni, e quindi attraverso un filtro a membrana permeabile che rimuoverebbe le microparticelle di azoto presenti. L'acqua filtrata uscirebbe quindi dalla parte posteriore della barca attraverso lo skimmer opposto. Volevo anche che questa nave fosse completamente elettrica, quindi sarebbe stata silenziosa oltre ad essere più sicura, con meno possibilità di perdite di liquidi tossici nelle acque circostanti. Ci sarebbero diversi pannelli solari sulla nave e un controller di carica con un pacco di ioni di litio per immagazzinare l'energia in eccesso per un uso successivo. Il mio ultimo obiettivo era progettare la nave in modo che potesse essere utilizzata per il trasporto pubblico della comunità locale. Con tutte queste scelte di design in mente, ho iniziato a abbozzare diverse idee su carta per cercare di risolvere eventuali problemi.

Passaggio 3: progettazione

Una volta terminata la mia ricerca, ho avuto un'idea molto migliore del problema e di cosa lo stava causando. Poi sono passato al brainstorming e alla progettazione. Ho passato diversi giorni a pensare a molti modi diversi per risolvere questo problema. Una volta che ho avuto alcune idee decenti, sono passato a abbozzarle su carta per cercare di risolvere alcuni difetti di progettazione prima di passare al CAD. Dopo un altro paio di giorni di schizzi, ho creato un elenco di parti che volevo utilizzare per il design. Ho usato tutti i miei guadagni del premio della fiera della scienza degli anni precedenti più un po' di più per acquistare le parti e il filamento di cui avevo bisogno per creare il prototipo. Ho finito per utilizzare un MCU Node per il micro controller, due pannelli solari da 18V per le fonti di alimentazione proposte, due sensori a ultrasuoni per le funzioni autonome, 5 fotoresistenze per determinare l'illuminazione ambientale, alcune strisce LED bianche da 12V per l'illuminazione interna, 2 LED RGB strisce per l'illuminazione direzionale, 3 relè per il controllo dei LED e del motore brushless, un motore brushless da 12V ed ESC, un alimentatore da 12V per l'alimentazione del prototipo e diverse altre piccole parti.

Una volta che la maggior parte delle parti è arrivata, ho iniziato a lavorare sul modello 3d. Ho usato Fusion 360 per progettare tutte le parti di questa barca. Ho iniziato progettando lo scafo della barca e poi sono passato verso l'alto progettando ogni parte man mano che procedevo. Una volta che ho progettato la maggior parte delle parti, le ho messe tutte in un assieme per assicurarmi che si adattassero insieme una volta prodotte. Dopo diversi giorni di progettazione e messa a punto, era finalmente giunto il momento di iniziare a stampare. Ho stampato lo scafo in 3 pezzi diversi sui miei Prusa Mk3 e ho stampato i supporti solari e le coperture dello scafo sui miei CR10. Dopo diversi giorni, tutte le parti sono state stampate e ho potuto finalmente iniziare a montarle. Di seguito è riportata un'altra sezione del mio documento di ricerca in cui parlo della progettazione della barca.

Una volta che ho avuto una buona idea del progetto finale, sono passato a Computer Aided Drafting o CAD, che è un processo che può essere eseguito utilizzando molti software disponibili oggi. Ho utilizzato il software Fusion 360 per progettare le parti di cui avrei bisogno fabbricazione per il mio prototipo. Ho progettato prima tutte le parti per questo progetto, quindi le ho assemblate in un ambiente virtuale per cercare di risolvere eventuali problemi prima di iniziare a stampare le parti. Una volta completato l'assemblaggio 3D, mi sono trasferito sulla progettazione dei sistemi elettrici necessari per questo prototipo. Volevo che il mio prototipo fosse controllabile tramite un'app progettata su misura sul mio smartphone. Per la mia prima parte, ho scelto il microcontrollore Node MCU. Il Node MCU è un microcontrollore costruito attorno al popolare ESP8266 Chip Wifi. Questa scheda mi dà la possibilità di collegare dispositivi di input e output esterni che possono essere controllati in remoto tramite la sua interfaccia Wifi. Dopo aver trovato il controller principale per il mio progetto, sono passato alla scelta di quali altri pa rts sarebbe necessario per l'impianto elettrico. Per alimentare la nave, ho scelto due pannelli solari da diciotto volt che sarebbero poi stati collegati in parallelo per fornire un'uscita di diciotto volt insieme al doppio della corrente di una singola cella solare a causa del cablaggio in parallelo. L'uscita dai pannelli solari va in un regolatore di carica. Questo dispositivo prende la tensione di uscita fluttuante dai pannelli solari e la riduce a un'uscita più costante di dodici volt. Questo va quindi nel sistema di gestione della batteria, o BMS, per caricare le 6, 18650 celle lipo cablate con due set di tre celle cablate in parallelo, quindi in serie. Questa configurazione combina la capacità di 4,2 volt del 18650 in un pacco di capacità di 12,6 volt con tre celle. Cablando altre tre celle poste in parallelo con il pacco precedente, la capacità totale viene raddoppiata dandoci una batteria da 12,6 volt con una capacità di 6.500 mAh.

Questo pacco batteria può erogare dodici volt per l'illuminazione e i motori brushless. Ho usato un inverter step-down per creare un'uscita di cinque volt per l'elettronica a bassa potenza. Ho quindi utilizzato tre relè, uno per accendere e spegnere le luci interne, uno per cambiare il colore delle luci esterne, e un altro per accendere e spegnere il motore brushless. Per la misurazione della distanza ho utilizzato due sensori a ultrasuoni, uno per la parte anteriore e uno per la parte posteriore. Ogni sensore invia un impulso ultrasonico e può leggere quanto tempo impiega quell'impulso per tornare. Da questo, possiamo capire quanto è lontano un oggetto davanti all'imbarcazione calcolando il ritardo nel segnale di ritorno. Sulla parte superiore della nave avevo cinque fotoresistenze per determinare la quantità di luce presente nel cielo. Questi sensori cambiano la loro resistenza in base a quanta luce è presente. Da questi dati, possiamo usare un semplice codice per fare la media di tutti i valori e quando i sensori leggono un valore medio di scarsa luminosità, le luci interne si accendono. Dopo aver capito quale elettronica avrei usato, ho iniziato a stampare in 3D le parti che avevo progettato in precedenza. Ho stampato lo scafo della barca in tre pezzi in modo che potesse adattarsi alla mia stampante principale. Mentre venivano stampati, sono passato alla stampa dei supporti solari e del ponte su un'altra stampante. Ogni parte ha richiesto circa un giorno per la stampa, quindi in totale ci sono stati circa 10 giorni di stampa 3D diretta per ottenere tutte le parti di cui avevo bisogno. Dopo aver finito di stampare, li ho assemblati insieme in parti più piccole. Ho quindi installato l'elettronica come pannelli solari e LED. Una volta installata l'elettronica, li ho cablati e ho finito di assemblare le parti stampate. Successivamente, sono passato alla progettazione di uno stand per il prototipo. Anche questo supporto è stato progettato in CAD e successivamente ritagliato dal legno MDF sulla mia macchina CNC. Usando il CNC, sono stato in grado di ritagliare le fessure necessarie sul pannello frontale per il fissaggio dell'elettronica della tenda. Ho quindi montato il prototipo sulla base e l'assemblaggio fisico è stato completato. Ora che il prototipo era completamente assemblato, ho iniziato a lavorare sul codice per NodeMCU. Questo codice viene utilizzato per indicare al NodeMCU quali parti sono collegate a quali pin di input e output. Indica anche alla scheda quale server contattare e a quale rete Wifi connettersi. Con questo codice, sono stato quindi in grado di controllare alcune parti del prototipo dal mio telefono utilizzando un'app. Questo è simile al modo in cui il progetto finale sarebbe in grado di contattare la stazione di attracco principale per ricevere le coordinate per la sua prossima fermata, nonché altre informazioni, come dove si trovano le altre navi e il tempo previsto per quel giorno.

Passaggio 4: montaggio (finalmente!!)

Ok, ora siamo alla mia parte preferita, l'assemblea. Adoro costruire cose, quindi finalmente essere in grado di mettere insieme tutte le parti e vedere i risultati finali mi ha entusiasmato. Ho iniziato mettendo insieme tutte le parti stampate e incollandole insieme. Ho quindi installato l'elettronica come luci e pannelli solari. A questo punto mi sono reso conto che non avrei mai potuto inserire tutta la mia elettronica all'interno di questa cosa. È stato allora che ho avuto l'idea di realizzare un supporto CNC per la barca per farla sembrare un po' migliore e per darmi un posto dove nascondere tutta l'elettronica. Ho progettato il supporto in CAD e poi l'ho ritagliato sulla mia Bobs CNC E3 in MDF da 13 mm. Quindi l'ho avvitato insieme e gli ho dato una mano di vernice spray nera. Ora che avevo un posto dove riempire tutta la mia elettronica, ho continuato con il cablaggio. Ho cablato tutto e installato l'MCU Node (praticamente un Arduino Nano con WiFi integrato) e mi sono assicurato che tutto si accendesse. Dopodiché ho concluso l'assemblaggio e ho persino usato il laser cutter della mia scuola per ritagliare le ringhiere di sicurezza con alcune incisioni fantastiche, grazie ancora Mr. Z! Ora che avevamo un prototipo fisico finito, era giunto il momento di aggiungere un po' di magia con la codifica.

Passaggio 5: la codifica (alias la parte difficile)

Per la codifica ho usato l'IDE di Arduino per scrivere del codice piuttosto semplice. Ho usato lo schizzo Blynk di base come punto di partenza in modo da poter in seguito controllare alcune parti dall'app Blynk. Ho guardato molti video di YouTube e letto molti forum per far funzionare questa cosa. Alla fine non sono riuscito a capire come controllare il motore brushless ma ho fatto funzionare tutto il resto. Dall'app è possibile cambiare la direzione del velivolo, che cambierà i colori dei LED rosso/verde, accenderà/spegnerà le luci interne e riceverà un feed di dati in tempo reale da uno dei sensori a ultrasuoni sulla parte anteriore del display. Ho decisamente rallentato su questa parte e non ho fatto tanto sul codice quanto avrei voluto, ma alla fine è stata comunque una caratteristica accurata.

Passaggio 6: prodotto finale

È fatta! Ho messo tutto assemblato e funzionante appena prima delle date della fiera della scienza. (Procrastinatore stereotipato) Ero piuttosto orgoglioso del prodotto finale e non vedevo l'ora di condividerlo con i giudici. Non ho molto altro da dire qui, quindi lascerò che il passato me lo spieghi meglio. Ecco la sezione conclusiva del mio articolo di ricerca.

Una volta create le navi e le stazioni di attracco, la soluzione è in corso. Ogni mattina le navi iniziano il loro percorso attraverso i corsi d'acqua. Alcune potrebbero attraversare i canali nelle città, mentre altre percorrono le paludi o le linee oceaniche. Mentre l'imbarcazione sta attraversando il suo percorso, lo schiumatoio filtrante sarà abbassato, consentendo ai filtri di iniziare il loro lavoro. Lo schiumatoio dirigerà le alghe galleggianti e i detriti nel canale filtrante. Una volta all'interno, l'acqua viene prima fatta passare attraverso un filtro a rete per rimuovere i particelle e detriti dall'acqua. Il materiale rimosso verrà trattenuto lì fino al riempimento della camera. Dopo che l'acqua è passata attraverso il primo filtro, passa poi attraverso il filtro a membrana permeabile. Questo filtro utilizza piccoli fori permeabili per consentire solo acqua permeabile, lasciando dietro di sé materiali impermeabili. Questo filtro viene utilizzato per estrarre il materiale fertilizzante impermeabile, nonché le sostanze nutritive in eccesso dalle crescite di alghe. r quindi fluisce dalla parte posteriore dell'imbarcazione nella via d'acqua in cui l'imbarcazione sta filtrando.

Quando un'imbarcazione raggiunge la stazione di attracco designata, attracca all'ormeggio. Dopo essere completamente attraccato, due bracci si attaccheranno al lato dell'imbarcazione per tenerla saldamente in posizione. Successivamente, un tubo si alzerà automaticamente da sotto la barca e si collegherà a ciascuna porta di smaltimento dei rifiuti. Una volta fissata, la porta si aprirà e si accenderà una pompa, aspirando il materiale raccolto fuori dalla barca e nella stazione di attracco. Mentre tutto questo sta accadendo, i passeggeri potranno salire a bordo della nave e trovare i loro posti. Una volta che tutti saranno a bordo e i contenitori dei rifiuti saranno stati svuotati, l'imbarcazione verrà rilasciata dalla stazione e partirà su un'altra rotta. Dopo che i rifiuti sono stati pompati nella docking station, verranno setacciati di nuovo per rimuovere detriti di grandi dimensioni come bastoncini o spazzatura. I detriti rimossi verranno conservati in contenitori per il successivo riciclaggio. Le restanti alghe setacciate verranno portate alla docking station centrale per essere processate. Quando ogni stazione di attracco più piccola riempie il suo deposito di alghe, un lavoratore verrà a trasportare le alghe alla stazione principale, dove verrà raffinato in un biodiesel. Questo biodiesel è una fonte rinnovabile di carburante nonché un modo redditizio per riciclare i nutrienti raccolti.

Man mano che le barche continuano a filtrare l'acqua, il contenuto di nutrienti sarà ridotto. Questa riduzione della quantità eccessiva di nutrienti porterà a fioriture più piccole ogni anno. Man mano che i livelli di nutrienti continuano a diminuire, la qualità dell'acqua sarà ampiamente monitorata per garantire che i nutrienti rimangano a un livello costante e sano necessario per un ambiente prospero. Durante le stagioni invernali, quando il deflusso dei fertilizzanti non è così potente come la primavera e l'estate, le barche saranno in grado di controllare la quantità di acqua che viene filtrata per garantire che ci sia sempre una buona quantità di nutrienti disponibili. Man mano che le barche percorrono le rotte, verranno raccolti sempre più dati per determinare in modo più efficiente le fonti del deflusso del fertilizzante e in quali tempi prepararsi per livelli di nutrienti più elevati. Utilizzando questi dati, è possibile creare un programma efficiente per prepararsi alle fluttuazioni causate dalle stagioni agricole.