Microgravity Plant Grower "Disco Ball": 13 passaggi

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

Salve lettori, questo progetto è un contributo professionale al concorso Growing Beyond Earth Maker.

Questo progetto è una prova di concetto per un potenziale progetto di fioriera che potrebbe essere utilizzato per coltivare un piano in microgravità.

Sulla base delle regole del concorso ho elencato il requisito del sistema,

1. Il sistema deve rientrare in un'area di 50 cm^3.
2. Il sistema deve sfruttare la microgravità.
3. Il sistema può essere orientato in qualsiasi posizione
4. Il sistema può essere alimentato esternamente dai binari di alimentazione interni della ISS.
5. Il sistema deve automatizzare gran parte del processo di crescita con un'interazione minima da parte degli astronauti.

con i presupposti di cui sopra ho iniziato a progettare il sistema.

Fase 1: Proposta di progetto

Per iniziare ho disegnato una bozza di come pensavo potesse essere il sistema, L'idea iniziale che ho avuto era un globo sospeso al centro dell'ambiente in crescita con l'illuminazione montata sulla cornice circostante.

La base di questa scatola ospiterebbe l'acqua e l'elettronica.

A questo punto ho iniziato a elencare il tipo di componenti potenziali di un tale sistema,

1. Telaio: sarebbe necessario selezionare un materiale del telaio adatto
2. Illuminazione - Che tipo di illuminazione sarebbe la migliore? strisce led?
3. Sensori - Affinché il sistema sia automatizzato, dovrebbe essere in grado di rilevare elementi di umidità come umidità e temperatura.
4. Controllo: l'utente avrebbe bisogno di un modo per interagire con l'MCU

L'obiettivo di questo progetto è produrre una prova del concetto, sulla base delle lezioni apprese farò un elenco di lavori e sviluppi futuri necessari per portare avanti questa idea.

Passaggio 2: prova di concetto - Distinta materiali

La BOM (Bill of Materials) per questo progetto costerà circa £ 130 per ordinare tutto il necessario, di cui circa £ 100 verranno utilizzate per realizzare una singola unità di coltivatore di piante.

È probabile che una buona parte dei componenti elettronici riduca drasticamente il codice.

Fase 3: Elettronica - Progettazione

Ho usato Fritzing per pianificare l'elettronica necessaria per questo progetto, I collegamenti dovrebbero andare come segue,

LCD 16x2 I2C

1. GND > GND
2. VCC > 5V
3. SDA > A4 (Arduino)
4. SCL > A5 (Arduino)

Encoder rotativo (D3 e D2 sono stati selezionati in quanto sono i pin di Arduino Uno Interupt)

1. GND > GND
2. + > 5V
3. SW > D5 (Arduino)
4. DT > D3 (Arduino)
5. CLK > D2 (Arduino)

Sensore di temperatura DS18B20

1. GND > GND
2. DQ > D4 (Arduino, con 5V pull up di 4k7)
3. VDD > 5V

Sensore di umidità del suolo

1. A > A0 (Arduino)
2. -> GND
3. + > 5V

Modulo doppio relè

1. VCC > 5V
2. INC2 > D12 (Arduino)
3. INC1 > D13 (Arduino)
4. GND > GND

per gli altri collegamenti si prega di guardare lo schema sopra.

Fase 4: Elettronica - Assemblaggio

Ho assemblato l'elettronica come descritto nello schema della pagina precedente, Ho usato la scheda prototipi per creare uno scudo per Arduino Uno, Per fare ciò, ho rotto la scheda all'incirca delle dimensioni dell'Uno, quindi ho aggiunto i pin dell'intestazione maschio allineati con le intestazioni femminili sull'Uno.

Se le connessioni corrispondono allo schema precedente, il sistema dovrebbe funzionare correttamente, potrebbe essere una buona idea disporre le connessioni in modo simile al mio per semplicità.

Passaggio 5: Software - Piano

L'idea generale per la funzionalità del software è che il sistema continui continuamente a leggere i valori del sensore. Ad ogni ciclo i valori verranno visualizzati sul display LCD.

L'utente potrà accedere al menu tenendo premuto il selettore rotativo, una volta rilevato questo si aprirà l'interfaccia utente del menu. L'utente avrà a disposizione alcune pagine,

1. Avvia la pompa dell'acqua
2. Attiva/disattiva lo stato del LED (acceso/spento)
3. Modifica modalità sistema (automatico/manuale)
4. Esci dal menu

Se l'utente ha selezionato la modalità Automatica il sistema verificherà se i livelli di umidità sono entro il valore di soglia, in caso contrario pomperà automaticamente l'acqua attendendo un ritardo fisso e ricontrollando.

Questo è un sistema di automazione di base, ma funzionerà come punto di partenza per sviluppi futuri.

Passaggio 6: Software - Sviluppo

Librerie richieste

• Dallas Temperatura
• LiquidCrystal_I2C-master
• OneWire

Note sul software

Questo codice è la prima bozza di codice che fornisce le funzionalità di base del sistema, include

Vedere l'allegato Nasa_Planter_Code_V0p6.ino per l'ultima build del codice di sistema, Letture di temperatura e umidità sul display.

Modalità automatica e modalità manuale: l'utente può fare in modo che il sistema pompa automaticamente l'acqua a una soglia di umidità

Calibrazione del sensore di umidità - AirValue e WaterValue cont devono essere riempiti manualmente poiché ogni sensore sarà leggermente diverso.

Interfaccia utente per il controllo del sistema.

Passaggio 7: Meccanico - Progettazione (CAD)

Per progettare questo sistema ho usato Fusion 360, l'assieme finale può essere visualizzato/scaricato dal link sottostante

a360.co/2NLnAQT

L'assemblaggio si inserisce nell'area di gara di 50 cm^3 e ha utilizzato tubi in PVC per costruire il telaio della scatola, con staffa stampata in 3D per i giunti angolari. Questo telaio ha più parti stampate in 3D che vengono utilizzate per montare le pareti dell'involucro e l'illuminazione a LED.

Al centro del recinto abbiamo la fioriera "Disco Orb" che è un assemblaggio di 4 parti, (2 metà di orb, 1 base di orb, 1 tubo). Questo ha ritagli specifici per consentire l'inserimento del tubo della pompa dell'acqua e del sensore di umidità capacitivo nella sezione del terreno.

Alla base del design è possibile vedere la scatola di controllo, che ospita l'elettronica e conferisce rigidità al telaio. In questa sezione possiamo vedere il display e i controlli dell'interfaccia utente.

Passaggio 8: meccanica - Parti stampate in 3D

L'assemblaggio meccanico richiede varie parti stampate in 3D, Staffe per telaio angolare, supporti per pannello laterale, cerniera per porta, supporti per LED e staffe per scatola di controllo, Queste parti dovrebbero ammontare a circa 750 g di peso e 44 ore di tempo di stampa.

Le parti possono essere esportate dall'assieme 3D collegato nella pagina precedente o possono essere trovate su whativerse qui, www.thingiverse.com/thing:4140191

Passaggio 9: Meccanico - Assemblaggio

Si noti che nel mio assemblaggio ho saltato le parti della parete dell'armadio, principalmente a causa di limiti di tempo e costi, Prima di tutto, dobbiamo ridurre il tubo in PVC fino a sezioni di 440 mm, avremo bisogno di 8 sezioni di tubo come questa. 8 supporti LED stampati e 4 staffe angolari per telaio.

Ora dobbiamo preparare le strisce LED,

1. Tagliare le strisce in corrispondenza dei segni delle forbici a una lunghezza di circa 15 cm, è necessario tagliare 8 sezioni di striscia LED
2. Esporre i pad + e - rimuovendo un po' di gomma
3. Saldare i connettori dell'intestazione maschio (tagliare sezioni di 3 e saldare ciascuna estremità a un pad)
4. Rimuovere la protezione adesiva sul retro di ciascuna striscia e fissarla alle parti della stampante 3D con montaggio a LED.
5. Ora crea un cavo per collegare tutti i positivi e i negativi di ogni striscia
6. Infine accendilo e controlla che tutti i LED funzionino

Fase 10: Progetto - Progressi fino ad ora

Finora questo è quanto ho ottenuto attraverso l'assemblaggio di questo progetto, Ho intenzione di continuare ad aggiornare questa guida man mano che il progetto si sviluppa,

Cosa resta da fare

• Assemblaggio completo della scatola di controllo
• Elettronica per la casa
• Testare il sistema di pompaggio dell'acqua
• Esamina i progressi

Passaggio 11: lezioni apprese

Anche se per ora il progetto non è stato completato, ho ancora imparato alcune cose importanti dalla ricerca di questo progetto.

Fluidodinamica in Microgravità

Questo è un argomento sorprendentemente complesso, che introduce molti problemi invisibili per la fluidodinamica standard basata sulla gravità. Tutti i nostri istinti naturali su come agiranno i fluidi escono dalla finestra in condizioni di microgravità e la NASA ha dovuto reinventare la ruota per far funzionare i sistemi basati sulla terra relativamente semplici.

Rilevamento dell'umidità

Scopri i diversi metodi comunemente usati per il rilevamento dell'umidità (sensori volumetrici, tensiometri e stato solido, vedi questo link per una buona lettura sull'argomento

Note minori

Il tubo in PVC è eccellente per la costruzione rapida di telai, Ho bisogno di strumenti migliori per la lavorazione del legno!

Pianifica in anticipo i progetti per hobby, segmenta le attività e fissa le scadenze proprio come al lavoro!

Passaggio 12: lavoro futuro

Dopo aver letto come gestiamo la fluidodinamica in microgravità, sono molto interessato a progettare la mia soluzione per il problema, Vorrei approfondire questo progetto approssimativo, l'idea per questo sistema è di utilizzare un serbatoio a soffietto con motori passo-passo che possono comprimere l'area del contenitore per mantenere una certa pressione del tubo.

Passaggio 13: Conclusione

Grazie per la lettura, spero che ti sia piaciuto, se hai domande o desideri aiuto con qualsiasi cosa trattata in questo progetto non esitare a commentare!

Jack.