Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube لمحطة الفضاء الدولية: 5 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

نحن مدرسة West Hollow الإعدادية من Long Island ، NY. نحن مهندسون طموحون نجتمع مرة واحدة في الأسبوع في نادٍ يسمى Hack the Hollow حيث نصمم ونرمز ونبني عددًا من مشاريع الصانعين. يمكنك التحقق من جميع المشاريع التي نعمل عليها هنا. كان تركيزنا الرئيسي هو دراسة مستقبل الروبوتات الغذائية والبيئية. لقد قمنا بتجميع وصيانة مزرعة مائية رأسية آلية في الجزء الخلفي من مختبر العلوم لدينا مع مدرسنا السيد ريجيني. لقد شاركنا أيضًا في برنامج GBE خلال العامين الماضيين. نعلم أن هذا التحدي استدعى طلاب المدارس الثانوية ، لكننا كنا متحمسين جدًا للانتظار لمدة عامين آخرين لتقديمك إلى ولفيرين ، الذي سمي على اسم تميمة مدرستنا. هذا نوع من ما نقوم به!

في هذا المشروع ، ستجد الكثير من الأشياء التي نحب استخدامها بما في ذلك Arduino و Raspberry Pi وجميع الأشياء الجيدة الإلكترونية التي تأتي معها. استمتعنا أيضًا باستخدام Fusion 360 كخطوة من TinkerCad لتصميم المكعب. كان هذا المشروع فرصة مثالية لقطع أسناننا على بعض منصات التصنيع الجديدة. تم تقسيمنا إلى فرق تصميم كان على كل منها التركيز على جانب واحد من Grow Cube. قمنا بتقسيمه إلى الإطار والغطاء واللوحة الأساسية والإضاءة ونمو الجدران والمياه والمراوح وأجهزة الاستشعار البيئية. لقد أنشأنا روابط في قائمة المستلزمات الخاصة بنا لجميع المواد التي نستخدمها إذا كنت بحاجة إلى مساعدة في تصور الأجزاء التي تمت مناقشتها في الخطوات التالية. نتمنى لك الاستمتاع!

اللوازم

إطار:

• 1 "80/20 سحب من الألومنيوم
• الجوز المحملة
• أقواس الدعم
• مفصلات
• وصلات طائرة شراعية متوافقة مع قناة T
• الأنبوب المتوافق مع قناة T وموجهات الأسلاك
• مغناطيس لإغلاق الأبواب
• 3 × مفاتيح القصب المغناطيسي

تنمو الجدران:

• قنوات NFT منخفضة المستوى من Farm Tech
• يغطي قناة NFT
• صفائح بلاستيكية مموجة
• مغناطيس لتثبيت القنوات القابلة للإزالة في مكانها

جفن العين:

• صفائح بلاستيكية مموجة
• تركيبات إضاءة LED مطبوعة ثلاثية الأبعاد (Fusion 360)
• المواجهات البلاستيكية والأجهزة الإلكترونية

إضاءة:

• شرائط نيوبكسل معنونة من Adafruit (60LED / م)
• موصلات Neopixel
• مقاطع Neopixel
• 330 فائق التوهج ، مكثف فصل 35 فولت
• 1 كيلو أوم المقاوم
• شريط رقائق ألومنيوم HVAC مطلي بالفضة
• محول باك

الماء: (ميزتنا المفضلة):

• عدد 2 نيما 17 موتور متدرج
• Adafruit Stepper Shield لأردوينو
• مضخة الحقن الخطية المطبوعة ثلاثية الأبعاد (Fusion 360)
• 2 × 100-300 مل محاقن
• الأنابيب مع وصلات قفل Luer ومفاصل الإنطلاق / الكوع
• 2 × 300 مم × 8 مم T8 مسامير وصواميل الرصاص
• 2 × طار المقرنة
• 2 × كتل تحمل وسادة
• 4 × 300 مم × 8 مم أدلة عمود الحركة الخطية
• 4 × 8 مم LM8UU محامل خطية
• 4 × DF Robot مستشعرات رطوبة مقاومة بالسعة لمراقبة التربة والتحكم في مضخات الحقن

دوران الهواء:

• 2 × 5 "مراوح 12 فولت
• أغطية فلتر المروحة مقاس 5 بوصات
• 2 × TIP120 دارلينجتون الترانزستورات والمشتتات الحرارية
• 12 فولت امدادات الطاقة
• محول توصيل مقبس أسطواني مثبت على اللوحة
• مقاومات 2 × 1 كيلو أوم
• 2 × الثنائيات فلايباك
• 2 × 330 فائق التوهج ، 35 فولت كهربائيا المكثفات
• مستشعر درجة الحرارة والرطوبة DHT22 ث / 4.7 كيلو أوم المقاوم

الإلكترونيات:

• Raspberry Pi 3B + w / Motor HAT
• بطاقة SD سعة 8 جيجا بايت
• اردوينو ميجا
• Adafruit perma-proto لوح التجارب
• 2 x 20x4 i2C شاشات الكريستال السائل
• أسلاك توصيل مجدولة 22AWG
• طقم موصل دوبونت
• مستشعر جودة الهواء Adafruit SGP30 ث / eCO2

أدوات:

• لحام حديد
• طقم اللحام
• يد العون او يد المساعده
• أدوات الكشط والتجريد للأسلاك
• المفكات
• قهوة (للسيد ريجيني)

الخطوة 1: الخطوة 1: بناء الإطار

سيتم إنشاء الإطار باستخدام سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن بقناة 1 80/20 t. سيتم تثبيته مع مفاصل كوع من الألومنيوم وصواميل t. بالإضافة إلى الحفاظ على الوزن منخفضًا ، ستعمل القنوات كمسارات إرشادية لمياهنا الخطوط والأسلاك.

سوف يرتكز المكعب على مجموعة من القضبان المزودة بمفاصل منزلقة تسمح باستخراج المكعب من الحائط ليس فقط لفضح وجهه الأمامي ، بل وكشف جانبيه أيضًا. جاء الإلهام لهذا من أحد طلابنا الذي يفكر في رف التوابل في خزائن مطبخه في المنزل.

باستخدام مفصلات بسيطة ، سيكون للواجهة والجوانب أبواب يمكن أن تتأرجح عندما يتم سحب المكعب على قضبانه. يتم تثبيتها في مكانها بواسطة المغناطيس عند إغلاقها. جميع الألواح الستة لهذا المكعب قابلة للإزالة حيث يتم تثبيت جميع الوجوه في مكانها بواسطة المغناطيس أيضًا. كان الغرض من اختيار التصميم هذا هو منح سهولة الوصول إلى جميع الأسطح للبذر وصيانة المصنع وجمع البيانات والحصاد والتنظيف / الإصلاح.

يمكنك رؤية تصميمنا للألواح في الخطوة التالية.

الخطوة 2: الخطوة 2: بناء جدران Grow

كان العنصر الأول الذي فكرنا فيه هو المواد التي يجب استخدامها للجدران نفسها. كنا نعلم أنها بحاجة إلى أن تكون خفيفة الوزن ، لكنها قوية بما يكفي لدعم النباتات. تم اختيار البلاستيك المموج الأبيض على الأكريليك الشفاف على الرغم من أننا أحببنا صور V. E. G. G. I. E حيث يمكننا رؤية النباتات بالداخل. كان سبب هذا القرار هو أن قنوات المصنع قد تعرقلت معظم العرض ، وأردنا عكس أكبر قدر ممكن من الضوء من مصابيح LED الخاصة بنا. جاء هذا المنطق من فحص الوحدة التي تم إرسالها إلينا كجزء من مشاركتنا في GBE. كما هو مذكور في الخطوة السابقة ، يتم تثبيت هذه الألواح على إطار الألمنيوم باستخدام مغناطيس حتى يمكن إزالتها بسهولة.

يتم إرفاق ثلاث قنوات من قضبان NFT المتنامية منخفضة الارتفاع التي نستخدمها في مختبر الزراعة المائية لدينا. نحن نحب هذا الاختيار لأنها مصنوعة من بولي كلوريد الفينيل الرقيق مع أغطية تنزلق بسهولة لزرع الوسائد المتنامية. سيتم احتواء جميع الوسائط المتنامية داخل وسائد مصممة خصيصًا والتي رأيناها تُستخدم بالفعل في محطة الفضاء الدولية عندما نقرأ هذه المقالة. سيتم طلاء جميع الألواح بين القضبان بشريط عازل HVAC مطلي بالفضة لتعزيز انعكاس أضواء النمو.

تبلغ الفتحات الخاصة بنا 1 3/4 بوصة ومتباعدة بمقدار 6 بوصات في المركز. وهذا يسمح لـ 9 مواقع زراعة على كل لوحة من الألواح الأربعة للمكعب ينتج عنها إجمالي 36 نبتة. لقد حاولنا الحفاظ على هذا التباعد متسقًا مع ما كان لدينا باللون الأحمر حول الخس الهائل. يتم طحن القنوات بفتحات لقبول مستشعرات الرطوبة الخاصة بنا والتي ستراقب رطوبة التربة وتطلب الماء من مضخات الحقن. سيتم توزيع الماء على كل وسادة نبات على حدة من خلال مشعب سقي أنابيب طبي متصل بهذه المضخات. طريقة الري القائمة على المحاقن هي شيء بحثناه كأفضل ممارسة لكل من الري الدقيق وكذلك التغلب على تحديات بيئة انعدام الجاذبية / الجاذبية الصغرى. ستدخل الأنابيب قاعدة وسادة النبات لتعزيز نمو الجذر باتجاه الخارج المكعب سوف نعتمد على الشعيرات الدموية لمساعدة الماء على الانتشار في جميع أنحاء وسط النمو.

أخيرًا ، أردنا إيجاد طريقة للاستفادة من لوحة القاعدة. أنشأنا شفة صغيرة على الوجه السفلي تقبل بساط نمو لتنمو الخضر الصغيرة. من المعروف أن الخضر الصغيرة تحتوي على ما يقرب من 40 مرة من العناصر الغذائية الحيوية أكثر من نظيراتها الناضجة. يمكن أن تكون هذه مفيدة للغاية للنظام الغذائي لرواد الفضاء. هذه إحدى المقالات التي وجدها طلابنا حول القيمة الغذائية للخضراوات الصغيرة.

الخطوة 3: الخطوة 3: سقي النباتات

أشرنا إلى مضخات الحقن الخطية في الخطوة السابقة. هذا هو إلى حد بعيد الجزء المفضل لدينا من هذا البناء. ستعمل محركات السائر NEMA 17 على تشغيل مشغلات خطية من شأنها أن تخفض مكبس حقنتين 100cc-300cc على غطاء مكعب النمو. لقد صممنا أغطية المحرك وسائق المكبس وحفار التوجيه باستخدام Fusion 360 بعد التحقق من بعض المشاريع الرائعة مفتوحة المصدر على Hackaday. تابعنا هذا البرنامج التعليمي على موقع Adafruit المذهل لمعرفة كيفية قيادة المحركات.

أردنا إيجاد طريقة لتحرير رواد الفضاء من مهمة الري. يتم تنشيط السائر عندما تطلب النباتات داخل النظام المياه الخاصة بها. يتم توصيل 4 مستشعرات رطوبة سعوية في وسائد النبات في مواقع مختلفة في جميع أنحاء مكعب النمو. يحتوي كل موقع زراعة في النظام على فتحة لقبول هذه المستشعرات التي يتم طحنها في قنوات النمو الخاصة بها. هذا يسمح لرواد الفضاء باختيار موضع هذه المستشعرات وتغييرها بشكل دوري. بالإضافة إلى تعظيم الكفاءة التي يتم من خلالها توزيع المياه داخل النظام ، فإنه سيسمح بتصور كيفية استهلاك كل مصنع للمياه الخاصة به. يمكن لرواد الفضاء تحديد حدود الرطوبة بحيث يمكن أتمتة الري وفقًا لاحتياجاتهم. يتم توصيل المحاقن بمشعب الري الرئيسي بوصلات قفل Luer لسهولة إعادة التعبئة. تستفيد ألواح النمو نفسها من بروتوكول اتصال مشابه لمشعب الري حتى يمكن إزالتها بسهولة من المكعب.

يمكن قراءة البيانات التي تم جمعها بواسطة المستشعرات محليًا على شاشة LCD مقاس 20 × 4 متصلة بالغطاء أو عن بُعد حيث يتم جمعها وعرضها ورسمها بيانيًا من خلال تكامل النظام مع منصات كايين أو Adafruit IO IoT. يرسل Arduino بياناته إلى Raspberry Pi الموجود على متن الطائرة باستخدام كابل USB الذي يشق طريقه بعد ذلك إلى الإنترنت باستخدام بطاقة WiFi WiFi. يمكن ضبط التنبيهات على هذه الأنظمة الأساسية لإعلام رواد الفضاء عندما يخرج أي من متغيرات النظام لدينا من قيم العتبة المحددة مسبقًا.

الخطوة 4: الخطوة 4: الغطاء الذكي المزود بالإضاءة والتحكم في المروحة

يعمل غطاء مكعب النمو الخاص بنا كعقل للعملية بأكملها بالإضافة إلى توفير العلب لعناصر النمو الهامة. يمتد إلى أسفل من الجانب السفلي للغطاء عبارة عن مبيت LED مطبوع ثلاثي الأبعاد يوفر الضوء لكل من لوحات الحائط الكبيرة بالإضافة إلى الإضاءة العلوية للحصيرة الخضراء الصغيرة في الأسفل. تم تصميم هذا مرة أخرى في Fusion 360 وطباعته على MakerBot. تحتوي كل فتحة إضاءة على 3 شرائط LED محمية بدعامة مقعرة. هذا الدعم مغطى بشريط عازل HVAC لزيادة انعكاسه. تنتقل الأسلاك إلى عمود مجوف مركزي للوصول إلى الطاقة والبيانات الموجودة أعلى الغطاء. تم اختيار حجم هذا السكن ليكون له بصمة تسمح للنباتات بالنمو حوله لتحقيق أقصى ارتفاع يبلغ 8 بوصات. تم العثور على هذا الرقم ليكون متوسط ارتفاع الخس Outredgeous الناضج الذي نزرعه في حدائق الزراعة المائية العمودية في مختبرنا. يمكن أن يصل طولها إلى 12 بوصة ، لكننا اكتشفنا أن رواد الفضاء سوف يرعون عليها أثناء نموهم مما يجعل هذا المكعب ينمو مرة أخرى.

يمكن معالجة النيوبكسلات التي نستخدمها بشكل فردي مما يعني أنه يمكننا التحكم في طيف الألوان الذي تنبعث منه. يمكن استخدام هذا لتعديل أطياف الضوء التي تتلقاها النباتات خلال مراحل مختلفة من نموها أو من نوع إلى نوع. تم تصميم الدروع للسماح بظروف إضاءة مختلفة على كل جدار إذا لزم الأمر. نحن نتفهم أن هذا ليس إعدادًا مثاليًا وأن الأضواء التي نستخدمها ليست من الناحية الفنية تنمو الأضواء ، لكننا شعرنا أنها كانت دليلًا رائعًا على المفهوم.

يحتوي الجزء العلوي من الغطاء على مروحتين للتبريد مقاس 5 بوصات بجهد 12 فولت تستخدم عادة للتحكم في درجة حرارة أبراج الكمبيوتر. لقد صممناه بحيث يقوم أحدهما بدفع الهواء إلى النظام بينما يعمل الآخر بمثابة استخراج للهواء. كلاهما مغطى بحاجز شبكي دقيق لضمان عدم سحب أي حطام إلى بيئة تنفس رائد الفضاء. يتم إيقاف تشغيل المراوح عند فتح أي من مفاتيح القصب المغناطيسية المتصلة بالأبواب لمنع تلوث الهواء غير المقصود. يتم التحكم في سرعة المراوح من خلال PWM باستخدام Motor HAT على Raspberry pi. يمكن تسريع المراوح أو إبطائها بشكل مشروط بناءً على قيم درجة الحرارة أو الرطوبة التي يتم تغذيتها إلى Pi بواسطة مستشعر DHT22 المضمن داخل المكعب. يمكن مرة أخرى عرض هذه القراءات محليًا على شاشة LCD أو عن بُعد على نفس لوحة أجهزة القياس الخاصة بإنترنت الأشياء مثل مستشعرات الرطوبة.

عند التفكير في عملية التمثيل الضوئي ، أردنا أيضًا حساب مستويات ثاني أكسيد الكربون وجودة الهواء بشكل عام في مكعب النمو. تحقيقا لهذه الغاية ، قمنا بتضمين مستشعر SGP30 لمراقبة eCO2 وكذلك إجمالي المركبات العضوية المتطايرة. يتم إرسال هذه أيضًا إلى شاشات الكريستال السائل ولوحة معلومات إنترنت الأشياء من أجل التصور.

سترى أيضًا أن زوج مضخات الحقن الخاصة بنا مثبتة على طول جانب الغطاء. يتم توجيه الأنابيب الخاصة بهم إلى أسفل القنوات الرأسية لإطار دعم بثق الألومنيوم.

الخطوة 5: ختام الأفكار والتكرارات المستقبلية

لقد صممنا ولفيرين باستخدام المعرفة التي اكتسبناها من وقتنا في زراعة الطعام معًا. لقد قمنا بأتمتة حدائقنا لعدة سنوات وكانت هذه فرصة مثيرة لتطبيق ذلك على مهمة هندسية فريدة. نحن نتفهم أن تصميمنا له بدايات متواضعة ، لكننا نتطلع إلى النمو معه.

أحد جوانب التصميم التي لم نتمكن من إكمالها قبل الموعد النهائي هو التقاط الصور. قام أحد طلابنا بتجربة كاميرا Raspberry Pi و OpenCV لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا أتمتة اكتشاف صحة النبات عن طريق التعلم الآلي. أردنا على الأقل أن يكون لدينا طريقة لرؤية النباتات دون الحاجة إلى فتح الأبواب. كانت الفكرة هي تضمين آلية إمالة شاملة يمكن أن تدور حول الجانب السفلي من اللوحة العلوية لالتقاط صور لكل جدار نمو ثم طباعتها على لوحة معلومات Adafruit IO للتصور. يمكن أن يؤدي هذا إلى فترات زمنية رائعة حقًا للمحاصيل النامية أيضًا. نفترض أن هذا مجرد جزء من عملية التصميم الهندسي. سيكون هناك دائمًا عمل يتعين القيام به وإدخال تحسينات. شكرا جزيلا على إتاحة الفرصة لك للمشاركة!