Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube per la ISS: 5 passaggi

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

Siamo la scuola media di West Hollow di Long Island, New York. Siamo aspiranti ingegneri che si incontrano una volta alla settimana in un club chiamato Hack the Hollow in cui progettiamo, codifichiamo e realizziamo una serie di progetti maker. Puoi controllare tutti i progetti su cui lavoriamo QUI. Il nostro obiettivo principale è stato quello di studiare il futuro della robotica alimentare e ambientale. Abbiamo assemblato e mantenuto una fattoria idroponica verticale automatizzata nel retro del nostro laboratorio di scienze con il nostro insegnante Sig. Regini. Abbiamo anche partecipato al programma GBE negli ultimi due anni. Sappiamo che questa sfida richiedeva studenti delle scuole superiori, ma eravamo troppo eccitati per aspettare altri due anni per presentarti il Wolverine, che prende il nome dalla nostra mascotte della scuola. Questo è un po' quello che facciamo!

In questo progetto troverai molte delle cose che amiamo usare, inclusi Arduino, Raspberry Pi e tutti i gadget elettronici che li accompagnano. Ci è piaciuto anche usare Fusion 360 come un passo avanti rispetto a TinkerCad per progettare il cubo. Questo progetto è stata un'occasione perfetta per farci le ossa su alcune nuove piattaforme di maker. Eravamo divisi in team di progettazione che dovevano concentrarsi su un aspetto del Grow Cube. Lo abbiamo suddiviso in telaio, coperchio e piastra di base, illuminazione, pareti di crescita, acqua, ventole e sensori ambientali. Abbiamo creato collegamenti nel nostro elenco di forniture a tutti i materiali che stiamo utilizzando se hai bisogno di aiuto per visualizzare le parti discusse nei passaggi che seguono. Ci auguriamo che ti piaccia!

Forniture

Portafoto:

• Profilati in alluminio da 1" 80/20
• Dadi a T
• Staffe di supporto
• cerniere
• Giunti di scorrimento compatibili con canale a T
• Tubi e guide filo compatibili con canale a T
• Magneti per tenere chiuse le porte
• 3 x interruttori magnetici reed

Cresci muri:

• Canali NFT a basso profilo Farm Tech
• Coperture dei canali NFT
• Fogli di plastica ondulati
• Magneti per tenere in posizione i canali rimovibili

Coperchio:

• Foglio di plastica ondulato
• Lampada da coltivazione a LED stampata in 3D (Fusion 360)
• Distanziatori in plastica e hardware per l'elettronica

Illuminazione:

• Strisce neopixel indirizzabili di Adafruit (60LED/m)
• Connettori Neopixel
• Clip in neopixel
• Condensatore di disaccoppiamento 330uF, 35V
• Resistore da 1K ohm
• Nastro in alluminio HVAC argentato
• Convertitore buck

Acqua: (La nostra caratteristica preferita):

• 2 motori passo-passo Nema 17
• Scudo passo-passo Adafruit per Arduino
• Pompa a siringa con attuatore lineare stampato in 3D (Fusion 360)
• 2 siringhe da 100-300 ml
• Tubi con connessioni Luer lock e giunti a T/gomito
• Viti e dadi T8 2 x 300 mm x 8 mm
• 2 x accoppiatori volanti
• 2 x cuscinetti per cuscinetti
• 4 x 300 mm x 8 mm guide per asta a movimento lineare
• Cuscinetti lineari LM8UU 4 x 8 mm
• 4 x DF Robot sensori di umidità a resistenza capacitiva per monitorare il suolo e controllare le pompe a siringa

Circolazione d'aria:

• 2 ventole da 5" 12V
• Coperchi del filtro della ventola da 5"
• 2 x TIP120 transistor Darlington e dissipatori di calore
• Alimentazione 12V
• Adattatore di connessione jack a cilindro per montaggio a pannello
• 2 resistenze da 1K ohm
• 2 x diodi flyback
• Condensatori di disaccoppiamento elettrolitico 2 x 330uF, 35V
• Sensore di temperatura e umidità DHT22 con resistenza da 4,7 K ohm

Elettronica:

• Raspberry Pi 3B+ con motore HAT
• Scheda SD da 8 GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 x 20x4 LCD i2C
• Cavi di collegamento a trefoli 22AWG
• Kit connettore Dupont
• Sensore di qualità dell'aria Adafruit SGP30 con eCO2

Utensili:

• Saldatore
• Kit di saldatura
• Aiutare le mani
• Strumenti di crimpatura e spelatura per fili
• cacciaviti
• Caffè (per il Sig. Regini)

Passaggio 1: Passaggio 1: Costruzione del telaio

Il telaio sarà costruito utilizzando estrusi in alluminio leggero da 1 80/20 t. Sarà tenuto insieme con giunti a gomito in alluminio e dadi a T. Oltre a contenere il peso, i canali fungeranno da percorsi guida per la nostra acqua linee e cablaggi.

Il cubo poggerà su una serie di binari dotati di giunti scorrevoli che consentiranno di estrarre il cubo da una parete per esporre non solo la sua faccia anteriore, ma anche entrambi i suoi lati. L'ispirazione per questo è venuta da uno dei nostri studenti che pensava al portaspezie nei suoi mobili da cucina a casa.

Utilizzando semplici cerniere, la parte anteriore e i lati avranno porte che possono aprirsi quando il cubo viene estratto sui binari. Sono tenuti in posizione da magneti quando sono chiusi. Tutti e 6 i pannelli di questo cubo sono rimovibili poiché anche tutte le facce sono tenute in posizione da magneti. Lo scopo di questa scelta progettuale è stato quello di garantire un facile accesso a tutte le superfici per la semina, la manutenzione delle piante, la raccolta dei dati, la raccolta e la pulizia/riparazione.

Puoi vedere il nostro design per i pannelli nel passaggio successivo.

Passaggio 2: Passaggio 2: Costruzione dei muri di coltivazione

Il primo elemento a cui abbiamo pensato sono stati i materiali da utilizzare per le pareti stesse. Sapevamo che dovevano essere leggeri, ma abbastanza forti da sostenere le piante. La plastica ondulata bianca è stata scelta rispetto all'acrilico trasparente anche se abbiamo adorato le immagini di V. E. G. G. I. E dove potevamo vedere le piante all'interno. Il motivo di questa decisione era che la maggior parte della visuale sarebbe stata ostruita dai canali dell'impianto e volevamo riflettere quanta più luce possibile dai nostri LED. Questa logica è nata dall'ispezione dell'unità che ci è stata inviata come parte della nostra partecipazione GBE. Come affermato nel passaggio precedente, queste piastre sono fissate al telaio in alluminio con magneti in modo che possano essere facilmente rimosse.

Attaccati a queste piastre ci sono tre canali di binari di coltivazione NFT a basso profilo che utilizziamo nel nostro laboratorio di coltura idroponica. Ci piace questa scelta perché sono costruiti in PVC sottile con coperture che scivolano facilmente per l'impianto dei cuscini in crescita. Tutti i substrati di coltivazione saranno contenuti all'interno di cuscini appositamente progettati che abbiamo visto essere già utilizzati sulla ISS quando leggeremo QUESTO ARTICOLO. Tutti i pannelli tra i binari saranno rivestiti con nastro isolante HVAC argentato per promuovere la riflettività delle luci di coltivazione.

Le nostre aperture sono 1 3/4 e distanziate di 6 pollici al centro. Ciò consente 9 siti di piantagione su ciascuno dei quattro pannelli del cubo per un totale di 36 piante. Abbiamo cercato di mantenere questa distanza coerente con ciò che avevamo rosso su Lattughe Outredgeous. I canali sono fresati con fessure per accettare i nostri sensori di umidità che monitoreranno l'umidità del suolo e richiederanno acqua dalle pompe a siringa. L'idratazione sarà distribuita a ogni singolo cuscino della pianta attraverso un collettore di irrigazione del tubo medico collegato a queste pompe. Questo metodo di irrigazione basato su siringa è qualcosa che abbiamo studiato come una migliore pratica sia per l'irrigazione di precisione sia per superare le sfide di un ambiente a gravità zero/microgravità. Il tubo entrerà alla base del cuscino della pianta per promuovere la crescita delle radici verso l'esterno di il cubo Faremo affidamento sulla capillarità per aiutare l'acqua a diffondersi attraverso il terreno di coltura.

Infine, volevamo trovare un modo per utilizzare la piastra di base. Abbiamo creato un piccolo labbro sulla faccia inferiore che avrebbe accettato un tappetino per coltivare micro verdi. È noto che i micro green hanno quasi 40 volte più nutrienti vitali rispetto alle loro controparti mature. Questi potrebbero rivelarsi molto benefici per la dieta degli astronauti. Questo è un articolo che i nostri studenti hanno trovato sul valore nutrizionale delle micro verdure.

Passaggio 3: Passaggio 3: innaffiare le piante

Abbiamo fatto riferimento alle nostre pompe a siringa con attuatore lineare nel passaggio precedente. Questa è di gran lunga la nostra parte preferita di questa build. I motori passo-passo NEMA 17 azionano attuatori lineari che comprimeranno lo stantuffo di due siringhe da 100 cc-300 cc sul coperchio del cubo di coltivazione. Abbiamo progettato gli alloggiamenti del motore, il driver dello stantuffo e l'attrezzatura per binari di guida utilizzando Fusion 360 dopo aver verificato alcuni fantastici progetti open source su Hackaday. Abbiamo seguito questo tutorial sul fantastico sito Web di Adafruit per imparare a guidare i motori.

Volevamo trovare un modo per liberare gli astronauti dal compito di abbeverare. Gli stepper si attivano quando le piante all'interno dell'impianto richiedono la propria acqua. 4 sensori di umidità capacitivi sono collegati ai cuscini delle piante in vari punti del cubo di coltivazione. Ogni sito di piantagione nel sistema ha uno slot per accettare questi sensori fresati nei loro canali di crescita. Ciò consente agli astronauti di scegliere e modificare periodicamente il posizionamento di questi sensori. Oltre a massimizzare l'efficienza con cui l'acqua viene distribuita all'interno del sistema, consentirà la visualizzazione di come ogni pianta sta consumando la propria acqua. Le soglie di umidità possono essere impostate dagli astronauti in modo che l'irrigazione possa essere automatizzata in base alle loro esigenze. Le siringhe sono collegate al collettore di irrigazione principale con connessioni Luer Lock per un facile riempimento. Gli stessi pannelli di coltivazione utilizzano un protocollo di connessione simile al collettore di irrigazione in modo che possano essere facilmente rimossi dal cubo.

I dati raccolti dai sensori possono essere letti localmente su uno schermo LCD 20x4 attaccato al coperchio o in remoto dove vengono raccolti, visualizzati e rappresentati graficamente dall'integrazione del sistema con le piattaforme IoT Cayenne o Adafruit IO. L'Arduino invia i suoi dati al Raspberry Pi integrato utilizzando un cavo USB che poi si dirige a Internet utilizzando la scheda WiFi del Pi. Gli avvisi possono essere impostati su queste piattaforme per informare gli astronauti quando una qualsiasi delle nostre variabili di sistema ha superato i valori di soglia preimpostati.

Passaggio 4: Passaggio 4: il coperchio intelligente con illuminazione e controllo della ventola

Il coperchio del nostro cubo di coltivazione funge da cervello dell'intera operazione e fornisce gli alloggiamenti per gli elementi di crescita critici. Estendendosi verso il basso dalla parte inferiore del coperchio c'è un alloggiamento a LED stampato in 3D che fornisce luce per ciascuna delle piastre da parete di coltivazione e illumina dall'alto il tappetino micro green sul fondo. Questo è stato nuovamente progettato in Fusion 360 e stampato sul nostro MakerBot. Ogni vano luce contiene 3 strisce LED schermate da un supporto concavo. Questo supporto è argentato con nastro isolante HVAC per massimizzare la sua riflettività. Il cablaggio viaggia su una colonna cava centrale per accedere all'alimentazione e ai dati sulla parte superiore del coperchio. La dimensione di questo alloggiamento è stata scelta per avere un ingombro che consentisse alle piante che crescono intorno ad esso di raggiungere un'altezza massima di 8 pollici. Questo numero è risultato essere un'altezza media delle lattughe Outredgeous mature che coltiviamo nei nostri giardini idroponici verticali nel nostro laboratorio. Possono raggiungere un'altezza di 12 pollici, ma abbiamo pensato che gli astronauti avrebbero pascolato su questi mentre crescono, rendendo questo un cubo di crescita.

I neopixel che stiamo utilizzando sono indirizzabili individualmente, il che significa che possiamo controllare lo spettro dei colori che emettono. Questo può essere usato per modificare gli spettri di luce che le piante stanno ricevendo durante le diverse fasi della loro crescita o da specie a specie. Gli schermi dovevano consentire diverse condizioni di illuminazione su ciascuna delle pareti, se necessario. Comprendiamo che questa non è una configurazione perfetta e che le luci che stiamo utilizzando non sono tecnicamente luci di crescita, ma abbiamo ritenuto che fosse una bella prova di concetto.

La parte superiore del coperchio ospita due ventole di raffreddamento da 12 V da 5 pollici solitamente utilizzate per controllare la temperatura delle torri dei computer. L'abbiamo progettato in modo che uno spinga l'aria nel sistema mentre l'altro funge da estrazione dell'aria. Sono entrambi ricoperti da uno schermo a maglia fine per garantire che nessun detrito venga tirato fuori nell'ambiente di respirazione dell'astronauta. Le ventole vengono spente quando uno qualsiasi degli interruttori magnetici collegati alle porte è aperto per prevenire la contaminazione involontaria dell'aria. La velocità delle ventole è controllata tramite PWM utilizzando il Motor HAT sul Raspberry pi. I ventilatori possono essere accelerati o rallentati in modo condizionale in base ai valori di temperatura o umidità forniti al Pi dal sensore DHT22 incorporato all'interno del cubo. Queste letture possono essere nuovamente visualizzate localmente su un LCD o in remoto sulla stessa dashboard IoT dei sensori di umidità.

Pensando alla fotosintesi, volevamo anche tenere conto dei livelli di CO2 e della qualità complessiva dell'aria nel cubo di coltivazione. A tal fine, abbiamo incluso un sensore SGP30 per monitorare l'eCO2 e i COV totali. Anche questi vengono inviati agli LCD e al dashboard IoT per la visualizzazione.

Vedrai anche che la nostra coppia di pompe a siringa è montata lungo il lato del coperchio. Il loro tubo è diretto lungo i canali verticali del telaio di supporto dell'estrusione di alluminio.

Passaggio 5: pensieri conclusivi e iterazioni future

Abbiamo progettato Wolverine utilizzando le conoscenze che abbiamo acquisito dal nostro tempo coltivando insieme il cibo. Abbiamo automatizzato i nostri giardini per diversi anni e questa è stata un'opportunità così entusiasmante per applicarla a un compito ingegneristico unico. Comprendiamo che il nostro design ha origini umili, ma non vediamo l'ora di crescere insieme a esso.

Un aspetto della costruzione che non siamo riusciti a completare prima della scadenza era l'acquisizione delle immagini. Uno dei nostri studenti ha sperimentato la fotocamera Raspberry Pi e OpenCV per vedere se è possibile automatizzare il rilevamento della salute delle piante tramite l'apprendimento automatico. Volevamo almeno avere un modo per vedere le piante senza dover aprire le porte. L'idea era di includere un meccanismo pan-tilt che potesse ruotare attorno alla parte inferiore del pannello superiore per acquisire immagini di ogni parete di coltivazione e quindi stamparle sul dashboard di Adafruit IO per la visualizzazione. Questo potrebbe creare anche dei time-lapse davvero interessanti delle colture in crescita. Supponiamo che sia solo una parte del processo di progettazione ingegneristica. Ci sarà sempre lavoro da fare e miglioramenti da apportare. Grazie mille per l'opportunità di partecipare!