Arduino autonomes Filtergefäß - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

In diesem Instructable werde ich Ihnen zeigen, wie ich meine vorgeschlagene Lösung für das aktuelle Rotalgenproblem in den Gewässern der Golfküste entworfen und hergestellt habe. Für dieses Projekt wollte ich ein vollständig autonomes und solarbetriebenes Boot entwerfen, das die Wasserwege navigieren und mit einem natürlichen Filtersystem an Bord die überschüssigen Nährstoffe und Giftstoffe aus den Dinoflagellaten und Karena Brevis-Algen herausfiltern kann. Dieses Design wurde erstellt, um zu zeigen, wie Technologie verwendet werden kann, um einige unserer aktuellen Umweltprobleme zu beheben. Leider hat es weder Auszeichnungen noch einen Platz bei meiner örtlichen Kleinstadt-Wissenschaftsmesse gewonnen, aber ich habe die Lernerfahrung trotzdem genossen und hoffe, dass jemand anderes etwas von meinem Projekt lernen kann.

Schritt 1: Recherche

Natürlich müssen Sie jedes Mal, wenn Sie ein Problem lösen möchten, etwas recherchieren. Ich hatte durch einen Online-Nachrichtenartikel von diesem Problem gehört und das hat mein Interesse geweckt, eine Lösung für dieses Umweltproblem zu entwickeln. Ich begann damit, zu recherchieren, was genau das Problem war und was es verursachte. Hier ist ein Abschnitt meiner Forschungsarbeit, der zeigt, was ich während meiner Recherche gefunden habe.

Die Red Tide ist ein wachsendes jährliches Problem für die Gewässer Floridas. Red Tide ist ein gebräuchlicher Begriff für eine große, konzentrierte Algengruppe, die aufgrund der Zunahme der verfügbaren Nährstoffe sporadisch wächst. Derzeit ist Florida mit einem schnellen Anstieg konfrontiert in der Größe der Roten Flut, was eine wachsende Besorgnis hinsichtlich der Sicherheit der Wassertiere in der Region sowie aller Personen, die damit in Kontakt kommen könnten, auslöst Algen, die als Dinoflagellaten bekannt sind. Dinoflagellaten sind einzellige Protisten, die Toxine wie Brevetoxine und Ichthyotoxin produzieren, die hochgiftig für Meeres- und Landleben sind, die mit ihnen in Kontakt kommen. Dinoflagellaten vermehren sich ungeschlechtlich durch Mitose, die Aufspaltung einer Zelle, die eine exakte Kopie erzeugt Dinoflagellaten ernähren sich von anderen Protisten im Wasser wie Chysophyta, der häufigsten Form von ungiftigen Algen. Dinoflagellaten vermehren sich auch ungeschlechtlich, wodurch ihre Zahl schnell anwächst, wenn n Neue Nährstoffe werden eingeführt.

Die Hauptursache für ihren rasanten Anstieg der Nahrungsmenge ist die Einführung großer Mengen von Nährstoffen, die bei Regenfällen von Farmen gewaschen und aus nahe gelegenen Flüssen und Bächen in die Meeresküsten transportiert werden. Aufgrund der hohen Abhängigkeit von künstlichen Düngemitteln für die Landwirtschaft ist die Menge an verfügbaren Nährstoffen in den umliegenden Ackerflächen höher als je zuvor. Wenn es in den meisten Teilen des östlichen Landes regnet, wäscht dieser Regen viele dieser Düngemittel aus dem Oberboden und in die umliegenden Bäche und Bäche. Diese Bäche sammeln sich schließlich in Flüssen, die alle ihre gesammelten Nährstoffe zu einer großen Gruppe vereinen, die in den Golf von Mexiko geworfen wird. Diese große Ansammlung von Nährstoffen ist für die vorhandenen Meereslebewesen nicht selbstverständlich, weshalb sie zu einem unkontrollierbaren Algenwachstum führt. Als Hauptnahrungsquelle der Dinoflagellaten bietet die schnelle Zunahme der Algen eine große Nahrungsquelle für eine schnell wachsende Lebensform.

Diese großen Gruppen von Dinoflagellaten produzieren giftige Chemikalien, von denen bekannt ist, dass sie die meisten Wasserlebewesen töten, die mit ihnen in Kontakt kommen. Laut WUSF, einem lokalen Nachrichtensender aus Florida, gab es in der Blütezeit des Jahres 2018 177 bestätigte Todesfälle bei Seekühen durch die Rote Flut sowie weitere 122 Todesfälle, bei denen ein Zusammenhang vermutet wurde. Von den 6.500 erwarteten Seekühen in den Gewässern Floridas und Puerto Ricos hat dies einen großen Einfluss auf das Überleben dieser Art, und das ist nur die Auswirkung auf eine Art. Red Tide ist auch dafür bekannt, Atemprobleme bei denen zu verursachen, die sich in unmittelbarer Nähe einer der Blüten aufgehalten haben. Da Red Tide in den Kanälen einiger Strandstädte wächst, ist dies ein offensichtliches Sicherheitsrisiko für jeden, der in diesen Gemeinden lebt. Es ist auch bekannt, dass das Toxin Dinophysis, das von den Red Tides produziert wird, häufig die lokalen Schalentierpopulationen infiziert, was bei denen, die infizierte Schalentiere gegessen haben, zu einer durchfallartigen Schalentiervergiftung oder DSP führt. Zum Glück ist nicht bekannt, dass es tödlich ist, aber es kann zu Verdauungsproblemen für das Opfer führen. Ein anderes Toxin, das von einigen Red Tides, Gonyaulax oder Alexandrium, produziert wird, kann jedoch auch Schalentiere in mit den Gezeiten kontaminierten Gewässern infizieren. Der Verzehr von Schalentieren, die mit diesen Toxinen kontaminiert sind, führt zu einer paralytischen Schalentiervergiftung oder PSP, die im schlimmsten Fall zu Atemversagen und zum Tod innerhalb von 12 Stunden nach der Einnahme geführt hat."

Schritt 2: Mein Lösungsvorschlag

Zitat aus meiner Forschungsarbeit

„Meine vorgeschlagene Lösung besteht darin, ein vollständig autonomes solarbetriebenes Schiff zu bauen, das über ein natürliches Mikropartikel-Filtersystem an Bord verfügt. Das gesamte System wird von an Bord befindlichen Sonnenkollektoren angetrieben und von zwei bürstenlosen, kanalisierten Motoren in einem Schubvektor-Setup angetrieben Filtersystem wird verwendet, um überschüssige Nährstoffe und Dinoflagellaten zu filtern, während es autonom durch die Wasserstraßen navigiert. Das Schiff wird auch als Shuttle-System für die lokale Gemeinschaft verwendet. Ich begann mit der Untersuchung des Problems und wie dieses Problem entstanden war. Ich habe das gelernt Die Fluten der Red Tide wurden durch die großen Mengen an Nährstoffen, wie Stickstoff, in den lokalen Gewässern verursacht. Als ich die Ursache des Problems entdeckte, konnte ich mit einem Brainstorming beginnen, um eine Lösung zu finden, die dazu beitragen könnte, die jährliche Red Tides zu verringern.

Meine Idee war ein Schiff, das in Größe und Form einem Pontonboot ähnelt. Dieses Gefäß würde einen Skimmer zwischen den beiden Pontons haben, der ankommendes Wasser durch einen Maschenfilter leitet, um große Partikel zu entfernen, und dann durch einen durchlässigen Membranfilter, der die vorhandenen Stickstoffmikropartikel entfernt. Das gefilterte Wasser würde dann durch den gegenüberliegenden Skimmer aus dem Heck des Bootes fließen. Ich wollte auch, dass dieses Schiff vollelektrisch ist, damit es sowohl leise als auch sicherer ist und weniger Gefahr besteht, dass giftige Flüssigkeiten in die umliegenden Gewässer gelangen. Auf dem Schiff befinden sich mehrere Sonnenkollektoren sowie ein Laderegler mit einem Lithium-Ionen-Akku, um überschüssigen Strom für die spätere Verwendung zu speichern. Mein letztes Ziel war es, das Schiff so zu konzipieren, dass es für den öffentlichen Verkehr der örtlichen Gemeinde genutzt werden kann. Mit all diesen Designentscheidungen im Hinterkopf begann ich, mehrere Ideen auf Papier zu skizzieren, um mögliche Probleme zu lösen."

Schritt 3: Entwerfen

Nachdem ich meine Recherchen erledigt hatte, hatte ich eine viel bessere Vorstellung von dem Problem und seiner Ursache. Dann wechselte ich zum Brainstorming und zum Gestalten. Ich verbrachte mehrere Tage damit, über viele verschiedene Möglichkeiten nachzudenken, dieses Problem zu lösen. Nachdem ich einige anständige Ideen hatte, begann ich, sie auf Papier zu skizzieren, um einige Konstruktionsfehler auszuarbeiten, bevor ich zu CAD wechselte. Nach ein paar Tagen des Skizzierens erstellte ich eine Liste von Teilen, die ich für das Design verwenden wollte. Ich habe alle meine Preisgelder von der Wissenschaftsmesse des Vorjahres plus ein wenig mehr verwendet, um die Teile und das Filament zu kaufen, die ich für die Herstellung des Prototyps benötigte. Am Ende habe ich eine Node-MCU für den Mikrocontroller verwendet, zwei 18-V-Solarmodule für die vorgeschlagenen Stromquellen, zwei Ultraschallsensoren für die autonomen Funktionen, 5 Fotowiderstände zur Bestimmung der Umgebungsbeleuchtung, einige weiße 12-V-LED-Streifen für die Innenbeleuchtung, 2 RGB-LEDs Streifen für die gerichtete Beleuchtung, 3 Relais zur Steuerung der LEDs und des bürstenlosen Motors, ein bürstenloser 12-V-Motor und ESC, ein 12-V-Netzteil zur Stromversorgung des Prototyps und einige andere Kleinteile.

Nachdem die meisten Teile angekommen waren, machte ich mich an das 3D-Modell. Ich habe Fusion 360 verwendet, um alle Teile für dieses Boot zu entwerfen. Ich begann mit dem Entwerfen des Rumpfes des Bootes und bewegte mich dann nach oben, um jedes Teil zu entwerfen, während ich fortfuhr. Nachdem ich die meisten Teile entworfen hatte, fügte ich sie alle in eine Baugruppe ein, um sicherzustellen, dass sie nach der Herstellung zusammenpassen. Nach mehreren Tagen des Entwerfens und Optimierens war es endlich an der Zeit, mit dem Drucken zu beginnen. Ich habe den Rumpf in 3 verschiedenen Teilen auf meinen Prusa Mk3 gedruckt und die Solarhalterungen und Rumpfabdeckungen auf meinen CR10 gedruckt. Nach einigen weiteren Tagen waren alle Teile fertig gedruckt und ich konnte endlich mit dem Zusammenbauen beginnen. Unten ist ein weiterer Abschnitt meiner Forschungsarbeit, in dem ich über das Design des Bootes spreche.

Nachdem ich eine gute Vorstellung vom endgültigen Design hatte, wechselte ich zu Computer Aided Drafting oder CAD, einem Prozess, der heute mit vielen verfügbaren Softwares durchgeführt werden kann. Ich habe die Software Fusion 360 verwendet, um die Teile zu entwerfen, die ich brauchte Herstellung für meinen Prototypen. Ich habe zuerst alle Teile für dieses Projekt entworfen und sie dann in einer virtuellen Umgebung zusammengebaut, um alle Probleme zu lösen, bevor ich mit dem Drucken der Teile begann. Als ich eine fertige 3D-Montage hatte, zog ich um weiter zum Entwerfen der elektrischen Systeme, die für diesen Prototyp benötigt werden. Ich wollte, dass mein Prototyp über eine speziell entwickelte App auf meinem Smartphone steuerbar ist. Für meinen ersten Teil habe ich mich für den Node MCU-Mikrocontroller entschieden. Der Node MCU ist ein Mikrocontroller, der auf dem beliebten ESP8266 basiert Wifi-Chip. Dieses Board gibt mir die Möglichkeit, externe Ein- und Ausgabegeräte anzuschließen, die über die Wifi-Schnittstelle ferngesteuert werden können. Nachdem ich den Hauptcontroller für mein Design gefunden hatte, ging ich zu der Auswahl anderer Pa. über rts würde für das elektrische System benötigt werden. Um das Schiff mit Strom zu versorgen, wählte ich zwei 18-Volt-Solarmodule, die später parallel verdrahtet wurden, um eine Leistung von 18 Volt zusammen mit dem doppelten Strom einer einzelnen Solarzelle aufgrund der Parallelverdrahtung bereitzustellen. Der Ausgang der Sonnenkollektoren geht in einen Laderegler. Dieses Gerät nimmt die schwankende Ausgangsspannung der Solarmodule auf und glättet sie auf einen konstanteren Zwölf-Volt-Ausgang. Dies geht dann in das Batteriemanagementsystem oder BMS, um die 6, 18650 Lipo-Zellen zu laden, die mit zwei Sätzen von drei parallel verdrahteten Zellen und dann in Reihe geschaltet sind. Diese Konfiguration kombiniert die 4,2-Volt-Kapazität des 18650 zu einem 12,6-Volt-Kapazitätspack mit drei Zellen. Durch die Parallelschaltung von drei weiteren Zellen zum vorherigen Pack wird die Gesamtkapazität verdoppelt und wir erhalten einen 12,6-Volt-Akku mit einer Kapazität von 6.500 mAh.

Dieser Akku kann zwölf Volt für die Beleuchtung und die bürstenlosen Motoren ausgeben. Ich habe einen Abwärts-Inverter verwendet, um einen Ausgang von fünf Volt für den unteren Leistungssatz der Elektronik zu erzeugen. Ich habe dann drei Relais verwendet, eines zum Ein- und Ausschalten der Innenbeleuchtung, eines zum Ändern der Farbe der Außenbeleuchtung und eines zum Ein- und Ausschalten des bürstenlosen Motors. Für die Entfernungsmessung habe ich zwei Ultraschallsensoren verwendet, einen für die Vorderseite und einen für die Rückseite. Jeder Sensor sendet einen Ultraschallimpuls aus und kann ablesen, wie lange es dauert, bis dieser Impuls zurückkehrt. Daraus können wir ermitteln, wie weit sich ein Objekt vor dem Schiff befindet, indem wir die Verzögerung des Rücksignals berechnen. Auf der Oberseite des Gefäßes hatte ich fünf Fotowiderstände, um die am Himmel vorhandene Lichtmenge zu bestimmen. Diese Sensoren ändern ihren Widerstand je nach vorhandener Lichtmenge. Aus diesen Daten können wir einen einfachen Code verwenden, um alle Werte zu mitteln, und wenn die Sensoren einen Durchschnittswert für schwaches Licht lesen, wird die Innenbeleuchtung eingeschaltet. Nachdem ich herausgefunden hatte, welche Elektronik ich verwenden würde, begann ich mit dem 3D-Drucken der Teile, die ich zuvor entworfen hatte. Ich habe den Rumpf des Bootes in drei Teilen gedruckt, damit er auf meinen Hauptdrucker passt. Während diese druckten, ging ich zum Drucken der Solarhalterungen und des Decks auf einem anderen Drucker über. Jedes Teil dauerte ungefähr einen Tag, um zu drucken, also waren es insgesamt ungefähr 10 Tage 3D-Druck, um alle Teile zu bekommen, die ich brauchte. Nachdem sie alle gedruckt waren, habe ich sie in kleineren Teilen zusammengebaut. Ich habe dann Elektronik wie Solarpanels und LEDs installiert. Sobald die Elektronik installiert war, habe ich sie alle verdrahtet und die gedruckten Teile fertig montiert. Als nächstes habe ich einen Stand für den Prototypen entworfen. Dieser Ständer wurde auch in CAD entworfen und später auf meiner CNC-Maschine aus MDF-Holz geschnitten. Mit der CNC konnte ich die erforderlichen Schlitze an der Frontplatte zum Anbringen der Vorhangelektronik ausschneiden. Dann montierte ich den Prototyp auf die Basis und die physische Montage war abgeschlossen. Nachdem der Prototyp nun fertig zusammengebaut war, begann ich mit der Arbeit am Code für die NodeMCU. Dieser Code wird verwendet, um der NodeMCU mitzuteilen, welche Teile an welche Eingangs- und Ausgangspins angeschlossen sind. Es teilt dem Board auch mit, welcher Server kontaktiert werden soll und mit welchem Wifi-Netzwerk eine Verbindung hergestellt werden soll. Mit diesem Code konnte ich dann mit einer App bestimmte Teile des Prototyps von meinem Handy aus steuern. Dies ist in gewisser Weise ähnlich wie das endgültige Design in der Lage wäre, die Haupt-Andockstation zu kontaktieren, um die Koordinaten für seinen nächsten Halt sowie andere Informationen zu erhalten, z. B. wo sich die anderen Schiffe befinden und das erwartete Wetter für diesen Tag.

Schritt 4: Montage (Endlich!!)

Okay, jetzt sind wir bei meinem Lieblingsteil, der Montage. Ich liebe es, Dinge zu bauen, daher hat es mich ziemlich aufgeregt, endlich alle Teile zusammenbauen und die Endergebnisse sehen zu können. Ich begann damit, alle gedruckten Teile zusammenzusetzen und sie zusammenzukleben. Ich habe dann die Elektronik wie Lichter und Sonnenkollektoren installiert. An diesem Punkt wurde mir klar, dass ich auf keinen Fall all meine Elektronik in dieses Ding einbauen könnte. Das war, als ich die Idee hatte, einen Ständer für das Boot zu CNC-Maschinen, damit es ein wenig besser aussieht und mir einen Platz gibt, um die gesamte Elektronik zu verstecken. Ich habe den Ständer in CAD entworfen und dann auf meiner Bobs CNC E3 in 13mm MDF ausgeschnitten. Ich schraubte es dann zusammen und gab ihm eine Schicht schwarzer Sprühfarbe. Jetzt, wo ich einen Platz hatte, um meine gesamte Elektronik zu stopfen, fuhr ich mit der Verkabelung fort. Ich habe alles verkabelt und die Node-MCU (ziemlich ein Arduino Nano mit eingebautem WiFi) installiert und sichergestellt, dass alles eingeschaltet ist. Danach habe ich die Montage abgeschlossen und konnte sogar mit meinem Schullaserschneider die Sicherheitsgeländer mit einigen coolen Gravuren ausschneiden, danke nochmal Mr. Z! Nachdem wir nun einen fertigen physischen Prototyp hatten, war es nun an der Zeit, der Codierung etwas Magie hinzuzufügen.

Schritt 5: Die Codierung (AKA der harte Teil)

Für die Codierung habe ich die Arduino IDE verwendet, um einen ziemlich einfachen Code zu schreiben. Ich habe die grundlegende Blynk-Skizze als Starter verwendet, damit ich später einige der Teile über die Blynk-App steuern kann. Ich habe mir viele YouTube-Videos angesehen und viele Foren gelesen, um dieses Ding zum Laufen zu bringen. Am Ende konnte ich nicht herausfinden, wie man den bürstenlosen Motor steuert, aber alles andere funktionierte. Über die App können Sie die Richtung des Fahrzeugs ändern, wodurch die Farben der roten/grünen LEDs geändert, die Innenbeleuchtung ein- und ausgeschaltet und ein Live-Datenfeed von einem der Ultraschallsensoren auf der Vorderseite des Displays abgerufen werden kann. Ich habe in diesem Teil definitiv nachgelassen und nicht annähernd so viel mit dem Code gemacht, wie ich wollte, aber es war immer noch ein nettes Feature.

Schritt 6: Endprodukt

Es ist vollbracht! Ich habe alles kurz vor den Science-Messe-Terminen zusammengebaut und funktioniert. (Stereotypischer Zauderer) Ich war ziemlich stolz auf das Endprodukt und konnte es kaum erwarten, es mit der Jury zu teilen. Ich habe hier nicht viel mehr zu sagen, also werde ich es mir besser erklären lassen. Hier ist der Schlussteil meiner Forschungsarbeit.

„Sobald die Schiffe und Andockstationen erstellt sind, ist die Lösung im Gange. Jeden Morgen würden die Schiffe ihre Routen durch die Wasserstraßen beginnen. Einige könnten durch die Kanäle in den Städten fahren, während andere durch die Sumpfgebiete oder Ozeanlinien fahren durchläuft, wird der Filterabschäumer heruntergefahren, damit die Filter ihre Arbeit aufnehmen können. Der Abschäumer leitet die Schwebealgen und Schmutz in den Filterkanal. Im Inneren wird das Wasser zuerst durch einen Maschenfilter geleitet, um größere Partikel und Schmutz aus dem Wasser. Das entfernte Material wird dort gehalten, bis die Kammer gefüllt ist. Nachdem das Wasser den ersten Filter passiert hat, geht es durch den durchlässigen Membranfilter. Dieser Filter verwendet kleine, durchlässige Löcher, um nur durchlässiges Wasser durch und hinterlässt undurchlässige Materialien. Dieser Filter wird verwendet, um das undurchlässige Düngematerial sowie überschüssige Nährstoffe aus dem Algenwachstum herauszufiltern. Das gefilterte Wasser r fließt dann aus dem Heck des Bootes zurück in die Wasserstraße, wo das Schiff filtert.

Wenn ein Schiff seine vorgesehene Andockstation erreicht, fährt es in den Liegeplatz ein. Nach dem vollständigen Andocken werden zwei Arme an der Seite des Bootes befestigt, um es stabil zu halten. Als nächstes hebt sich automatisch ein Rohr unter dem Boot hervor und wird an jedem Abfallentsorgungsanschluss befestigt. Nach der Sicherung öffnet sich der Port und eine Pumpe schaltet sich ein, die das gesammelte Material aus dem Boot und in die Dockingstation saugt. Während all dies geschieht, können die Passagiere an Bord des Schiffes gehen und ihre Plätze finden. Sobald alle an Bord sind und die Abfallbehälter geleert sind, wird das Fahrzeug aus der Station entlassen und startet auf einer anderen Route. Nachdem der Abfall in die Dockingstation gepumpt wurde, wird er erneut gesiebt, um grobe Ablagerungen wie Stöcke oder Müll zu entfernen. Der entfernte Schutt wird in Containern zum späteren Recycling gelagert. Die restlichen gesiebten Algen werden zur Verarbeitung in die zentrale Dockingstation gebracht. Wenn jede kleinere Andockstation ihr Algenlager auffüllt, kommt ein Arbeiter, um die Algen zum Hauptbahnhof zu transportieren, wo sie zu Biodiesel veredelt werden. Dieser Biodiesel ist eine erneuerbare Kraftstoffquelle sowie eine profitable Möglichkeit, die gesammelten Nährstoffe zu recyceln.

Während die Boote das Wasser weiter filtern, wird der Nährstoffgehalt reduziert. Diese Reduzierung der übermäßigen Nährstoffmenge führt jedes Jahr zu kleineren Blüten. Da der Nährstoffgehalt weiter sinkt, wird die Wasserqualität umfassend überwacht, um sicherzustellen, dass die Nährstoffe auf einem konstanten und gesunden Niveau bleiben, das für eine blühende Umwelt erforderlich ist. Während der Wintersaison, wenn der Düngerabfluss nicht so stark ist wie im Frühjahr und Sommer, können die Boote die gefilterte Wassermenge kontrollieren, um sicherzustellen, dass immer eine gesunde Menge an verfügbaren Nährstoffen zur Verfügung steht. Während die Boote durch die Routen fahren, werden immer mehr Daten gesammelt, um die Quellen des Düngemittelabflusses effizienter zu bestimmen und zu welchen Zeiten sich auf höhere Nährstoffgehalte vorbereiten müssen. Anhand dieser Daten kann ein effizienter Zeitplan erstellt werden, um sich auf die Schwankungen durch die landwirtschaftlichen Jahreszeiten vorzubereiten."