Hacken Sie den Wolverine Grow Cube von Hollow für die ISS - Gunook

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

Wir sind die West Hollow Mittelschule aus Long Island, NY. Wir sind angehende Ingenieure, die sich einmal pro Woche in einem Club namens Hack the Hollow treffen, in dem wir eine Reihe von Maker-Projekten entwerfen, programmieren und bauen. Alle Projekte, an denen wir arbeiten, finden Sie HIER. Unser Hauptaugenmerk lag auf der Erforschung der Zukunft der Lebensmittel- und Umweltrobotik. Wir haben mit unserem Lehrer Herrn Regini eine automatisierte vertikale Hydroponik-Farm im hinteren Teil unseres Wissenschaftslabors aufgebaut und gewartet. Seit zwei Jahren nehmen wir auch am GBE-Programm teil. Wir wissen, dass diese Herausforderung für High-School-Schüler erforderlich war, aber wir waren zu aufgeregt, um noch zwei Jahre zu warten, um Ihnen den Wolverine vorzustellen, der nach unserem Schulmaskottchen benannt ist. So etwas machen wir!

In diesem Projekt finden Sie viele der Dinge, die wir gerne verwenden, einschließlich Arduino, Raspberry Pi und all die elektronischen Leckereien, die dazu gehören. Wir haben es auch genossen, Fusion 360 als einen Schritt von TinkerCad zu verwenden, um den Würfel zu entwerfen. Dieses Projekt war eine perfekte Gelegenheit, um einige neue Maker-Plattformen kennenzulernen. Wir wurden in Designteams aufgeteilt, die sich jeweils auf einen Aspekt des Grow Cubes konzentrieren mussten. Wir haben es in Rahmen, Deckel und Bodenplatte, Beleuchtung, Grow-Wände, Wasser, Lüfter und Umweltsensoren unterteilt. Wir haben in unserer Verbrauchsmaterialliste Links zu allen von uns verwendeten Materialien erstellt, wenn Sie Hilfe bei der Visualisierung der Teile benötigen, die in den folgenden Schritten besprochen werden. Wir hoffen es gefällt dir!

Lieferungen

Rahmen:

• 1" 80/20 Aluminiumprofile
• Tee-Nüsse
• Stützhalterungen
• Scharniere
• T-Kanal-kompatible Gleitergelenke
• T-Kanal-kompatible Rohr- und Drahtführungen
• Magnete, um Türen geschlossen zu halten
• 3 x magnetische Reedschalter

Wachsen Wände:

• Farm Tech NFT-Kanäle mit niedrigem Profil
• NFT-Kanalabdeckungen
• Gewellte Kunststoffplatten
• Magnete, um abnehmbare Kanäle an Ort und Stelle zu halten

Deckel:

• Wellpappe
• 3D-gedruckte LED-Grow-Leuchte (Fusion 360)
• Kunststoff-Abstandshalter und Hardware für die Elektronik

Beleuchtung:

• Adressierbare Neopixel-Strips von Adafruit (60LED/m)
• Neopixel-Anschlüsse
• Neopixel-Clips
• 330uF, 35V Entkopplungskondensator
• 1K Ohm Widerstand
• Versilbertes HLK-Aluminiumfolienband
• Abwärtswandler

Wasser: (Unser Lieblingsfeature):

• 2 x Nema 17 Schrittmotoren
• Adafruit Stepper Shield für Arduino
• 3D-gedruckte Spritzenpumpe mit Linearantrieb (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml Spritzen
• Schläuche mit Luer-Lock-Anschlüssen und T- / Winkelstücken
• 2 x 300 mm x 8 mm T8-Leitschrauben und Muttern
• 2 x Flugkoppler
• 2 x Stehlagerblöcke
• 4 x 300 mm x 8 mm Linearbewegungsstangenführungen
• 4 x 8mm LM8UU Linearlager
• 4 x DF Robot kapazitive Widerstands-Feuchtesensoren zur Überwachung des Bodens und zur Steuerung von Spritzenpumpen

Luftzirkulation:

• 2 x 5" 12V Lüfter
• 5" Lüfterfilterabdeckungen
• 2 x TIP120 Darlington-Transistoren und Kühlkörper
• 12V Netzteil
• Anschlussadapter für Schalttafeleinbaubuchsen
• 2 x 1K Ohm Widerstände
• 2 x Flyback-Dioden
• 2 x 330uF, 35V elektrolytische Entkopplungskondensatoren
• DHT22 Temperatur- und Feuchtigkeitssensor mit 4,7K Ohm Widerstand

Elektronik:

• Raspberry Pi 3B+ mit Motor-HAT
• 8GB SD-Karte
• Arduino Mega
• Adafruit Perma-Proto-Steckbrett
• 2 x 20x4 i2C-LCDs
• 22AWG verseilte Anschlussdrähte
• Dupont-Anschluss-Kit
• Adafruit SGP30 Luftqualitätssensor mit eCO2

Werkzeuge:

• Lötkolben
• Lötkit
• Helfende Hände
• Crimp- und Abisolierwerkzeuge für Drähte
• Schraubendreher
• Kaffee (für Herrn Regini)

Schritt 1: Schritt 1: Konstruieren des Rahmens

Der Rahmen wird aus leichten 1 80/20 t Kanal-Aluminium-Strangpressprofilen hergestellt. Er wird mit Aluminium-Ellbogengelenken und T-Muttern zusammengehalten. Die Kanäle halten nicht nur das Gewicht niedrig, sondern dienen auch als Führungswege für unser Wasser Leitungen und Kabel.

Der Würfel ruht auf einer Reihe von Schienen, die mit Gleitverbindungen ausgestattet sind, die es ermöglichen, den Würfel aus einer Wand herauszuziehen, um nicht nur seine Vorderseite, sondern auch beide Seiten freizulegen. Die Inspiration dazu kam von einem unserer Studenten, der über das Gewürzregal in seinen Küchenschränken zu Hause nachdachte.

Durch einfache Scharniere erhalten die Front und die Seiten Türen, die aufschwingen können, wenn der Würfel auf seinen Schienen herausgezogen wird. Im geschlossenen Zustand werden sie durch Magnete gehalten. Alle 6 Platten dieses Würfels sind abnehmbar, da alle Gesichter ebenfalls von Magneten gehalten werden. Der Zweck dieser Designwahl bestand darin, einen einfachen Zugang zu allen Oberflächen für die Aussaat, Pflanzenpflege, Datenerfassung, Ernte und Reinigung/Reparatur zu gewährleisten.

Unser Design für die Paneele sehen Sie im nächsten Schritt.

Schritt 2: Schritt 2: Aufbau der Grow Walls

Das erste Element, über das wir nachgedacht haben, waren die Materialien, die für die Wände selbst verwendet werden sollten. Wir wussten, dass sie leicht sein mussten, aber stark genug, um die Pflanzen zu unterstützen. Weißes Wellplastik wurde gegenüber klarem Acryl gewählt, obwohl wir die Bilder von V. E. G. G. I. E. liebten, auf denen wir die Pflanzen im Inneren sehen konnten. Der Grund für diese Entscheidung war, dass der größte Teil der Sicht durch die Pflanzenkanäle behindert würde und wir so viel Licht wie möglich von unseren LEDs zurückreflektieren wollten. Diese Logik ergab sich aus der Inspektion des Geräts, das uns im Rahmen unserer GBE-Teilnahme zugesandt wurde. Wie im vorherigen Schritt erwähnt, werden diese Platten mit Magneten am Aluminiumrahmen gehalten, sodass sie leicht entfernt werden können.

An diesen Platten sind drei Kanäle von NFT-Wachstumsschienen mit niedrigem Profil angebracht, die wir in unserem Hydrokulturlabor verwenden. Wir mögen diese Wahl, weil sie aus dünnem PVC mit Abdeckungen bestehen, die sich zum Einpflanzen der wachsenden Kissen leicht abziehen lassen. Alle Kultursubstrate befinden sich in speziell entwickelten Kissen, die wir bereits beim Lesen dieses ARTIKELS auf der ISS gesehen haben. Alle Verkleidungen zwischen den Schienen werden mit versilbertem HVAC-Isolierband beschichtet, um das Reflexionsvermögen der Pflanzenlampen zu fördern.

Unsere Öffnungen sind 1 3/4 groß und haben in der Mitte einen Abstand von 6 Zoll. Dies ermöglicht 9 Pflanzplätze auf jedem der vier Felder des Würfels, was insgesamt 36 Pflanzen ergibt. Wir haben versucht, diesen Abstand so zu halten, dass er mit dem übereinstimmt, was wir rot hatten über Outredgeous Salat. Die Kanäle sind mit Schlitzen gefräst, um unsere Feuchtigkeitssensoren aufzunehmen, die die Bodenfeuchtigkeit überwachen und Wasser aus den Spritzenpumpen anfordern. Die Flüssigkeitszufuhr wird über einen an diesen Pumpen angeschlossenen medizinischen Schlauchbewässerungsverteiler auf jedes einzelne Pflanzenkissen verteilt. Diese Bewässerungsmethode auf Spritzenbasis ist etwas, das wir als bewährte Methode sowohl für die Präzisionsbewässerung als auch für die Bewältigung der Herausforderungen einer Null-/Mikrogravitationsumgebung erforscht haben. Die Schläuche dringen in die Basis des Pflanzenkissens ein, um das Wurzelwachstum nach außen zu fördern Wir verlassen uns auf die Kapillarität, damit das Wasser durch das Wachstumsmedium diffundieren kann.

Schließlich wollten wir eine Möglichkeit finden, die Bodenplatte zu nutzen. Wir haben eine kleine Lippe auf der Unterseite geschaffen, die eine Wachstumsmatte aufnehmen würde, um Mikrogrüns zu züchten. Micro Greens sind dafür bekannt, dass sie fast 40-mal mehr lebenswichtige Nährstoffe haben als ihre reifen Gegenstücke. Diese könnten sich als sehr vorteilhaft für die Ernährung der Astronauten erweisen. Dies ist ein Artikel, den unsere Schüler über den Nährwert von Mikrogemüse gefunden haben.

Schritt 3: Schritt 3: Bewässerung der Pflanzen

Wir haben im vorherigen Schritt auf unsere Spritzenpumpen mit Linearantrieb verwiesen. Dies ist bei weitem unser Lieblingsteil dieses Builds. NEMA 17-Schrittmotoren werden Linearaktuatoren antreiben, die den Kolben von zwei 100cc-300cc-Spritzen auf dem Deckel des Wachstumswürfels niederdrücken. Wir haben die Motorgehäuse, den Kolbentreiber und das Führungsschienen-Rig mit Fusion 360 entworfen, nachdem wir uns einige großartige Open-Source-Projekte auf Hackaday angesehen hatten. Wir sind diesem Tutorial auf der erstaunlichen Website von Adafruit gefolgt, um zu lernen, wie man die Motoren antreibt.

Wir wollten einen Weg finden, die Astronauten vom Tränken zu befreien. Die Stepper werden aktiviert, wenn die Pflanzen innerhalb des Systems ihr eigenes Wasser benötigen. 4 kapazitive Feuchtigkeitssensoren sind an verschiedenen Stellen im Grow Cube in die Pflanzenkissen eingesteckt. Jede Pflanzstelle im System hat einen Schlitz, um diese in ihre Wachstumskanäle gefrästen Sensoren aufzunehmen. Dies ermöglicht es den Astronauten, die Platzierung dieser Sensoren auszuwählen und regelmäßig zu ändern. Neben der Maximierung der Effizienz, mit der das Wasser im System verteilt wird, ermöglicht es die Visualisierung des Wasserverbrauchs jeder Pflanze. Feuchtigkeitsgrenzwerte können von den Astronauten eingestellt werden, sodass die Bewässerung nach ihren Bedürfnissen automatisiert werden kann. Die Spritzen sind mit Luer-Lock-Anschlüssen am Hauptbewässerungsverteiler angebracht, um das Nachfüllen zu erleichtern. Die Grow Panels selbst verwenden ein ähnliches Verbindungsprotokoll wie der Bewässerungsverteiler, sodass sie leicht vom Cube entfernt werden können.

Die von den Sensoren gesammelten Daten können lokal auf einem am Deckel angebrachten 20x4-LCD-Bildschirm oder aus der Ferne gelesen werden, wo sie gesammelt, angezeigt und durch die Integration des Systems in die IoT-Plattformen Cayenne oder Adafruit IO grafisch dargestellt werden. Der Arduino sendet seine Daten über ein USB-Kabel an den integrierten Raspberry Pi, der dann über die WiFi-Karte des Pi ins Internet gelangt. Auf diesen Plattformen können Warnungen eingestellt werden, um die Astronauten zu benachrichtigen, wenn eine unserer Systemvariablen ihre voreingestellten Schwellenwerte verlassen hat.

Schritt 4: Schritt 4: Der Smart Lid mit Beleuchtungs- und Lüftersteuerung

Der Deckel unseres Growwürfels fungiert als Gehirn des gesamten Betriebes und bietet die Unterbringung für kritische Anbauelemente. Von der Unterseite des Deckels erstreckt sich ein 3D-gedrucktes LED-Gehäuse, das Licht für jede der Grow-Wall-Platten liefert und die Micro-Greens-Matte auf der Unterseite beleuchtet. Dieser wurde wiederum in Fusion 360 entworfen und auf unserem MakerBot gedruckt. Jeder Lichtschacht enthält 3 LED-Streifen, die von einer konkaven Halterung abgeschirmt werden. Dieser Träger ist mit HVAC-Isolierband versilbert, um sein Reflexionsvermögen zu maximieren. Die Verkabelung verläuft eine zentrale hohle Säule hinauf, um auf Strom und Daten auf der Oberseite des Deckels zuzugreifen. Die Größe dieses Gehäuses wurde so gewählt, dass es eine Grundfläche hat, die es den umliegenden Pflanzen ermöglicht, eine maximale Höhe von 8 Zoll zu erreichen. Es wurde festgestellt, dass diese Zahl eine durchschnittliche Höhe von reifen Outredgeous-Salaten ist, die wir in unseren vertikalen hydroponischen Gärten in unserem Labor anbauen. Sie können bis zu 12 Zoll groß werden, aber wir dachten, Astronauten würden darauf grasen, während sie wachsen, was dies zu einem Schnitt-und-wieder-Wachstumswürfel macht.

Die von uns verwendeten Neopixel sind einzeln adressierbar, was bedeutet, dass wir das von ihnen emittierte Farbspektrum steuern können. Dies kann verwendet werden, um die Lichtspektren zu modifizieren, die die Pflanzen während verschiedener Stadien ihres Wachstums oder von Art zu Art erhalten. Die Abschirmungen sollten bei Bedarf unterschiedliche Lichtverhältnisse an jeder der Wände ermöglichen. Wir verstehen, dass dies kein perfektes Setup ist und dass die von uns verwendeten Lampen technisch gesehen keine Wachstumslampen sind, aber wir fanden, dass dies ein guter Beweis für das Konzept war.

Auf der Oberseite des Deckels befinden sich zwei 5-Zoll-12-V-Lüfter, die normalerweise zur Temperaturregelung von Computertürmen verwendet werden. Wir haben es so konzipiert, dass einer Luft in das System drückt, während der andere als Luftabsaugung dient. Sie sind beide mit einem feinmaschigen Sieb bedeckt, um sicherzustellen, dass kein Schmutz herausgezogen wird und in die Atemumgebung des Astronauten gelangt. Die Ventilatoren werden abgeschaltet, wenn einer der an den Türen angebrachten magnetischen Reedschalter geöffnet ist, um eine unbeabsichtigte Luftverschmutzung zu verhindern. Die Geschwindigkeit der Lüfter wird über PWM mit dem Motor HAT auf dem Raspberry Pi gesteuert. Lüfter können bedingt beschleunigt oder verlangsamt werden, basierend auf den Temperatur- oder Feuchtigkeitswerten, die dem Pi vom eingebetteten DHT22-Sensor im Cube zugeführt werden. Diese Messwerte können wiederum lokal auf einem LCD oder aus der Ferne auf demselben IoT-Dashboard wie die Feuchtigkeitssensoren angezeigt werden.

Bei der Photosynthese wollten wir auch den CO2-Gehalt und die allgemeine Luftqualität im Grow-Cube berücksichtigen. Zu diesem Zweck haben wir einen SGP30-Sensor zur Überwachung von eCO2 sowie Gesamt-VOCs eingebaut. Auch diese werden zur Visualisierung an die LCDs und das IoT-Dashboard gesendet.

Sie werden auch sehen, dass unser Paar Spritzenpumpen seitlich am Deckel montiert ist. Ihre Rohre werden durch die vertikalen Kanäle des Aluminium-Strangpress-Tragrahmens geführt.

Schritt 5: Abschließende Gedanken und zukünftige Iterationen

Wir haben Wolverine mit dem Wissen entwickelt, das wir aus unserer Zeit beim gemeinsamen Anbau von Lebensmitteln erworben haben. Wir automatisieren unsere Gärten seit mehreren Jahren und dies war eine so spannende Gelegenheit, dies auf eine einzigartige Engineering-Aufgabe anzuwenden. Wir wissen, dass unser Design bescheidene Anfänge hat, aber wir freuen uns darauf, mit ihm zu wachsen.

Ein Aspekt des Builds, den wir vor Ablauf der Frist nicht abschließen konnten, war die Bildaufnahme. Einer unserer Studenten hat mit der Raspberry Pi-Kamera und OpenCV experimentiert, um zu sehen, ob wir die Erkennung der Pflanzengesundheit durch maschinelles Lernen automatisieren können. Wir wollten zumindest eine Möglichkeit haben, die Pflanzen zu sehen, ohne die Türen öffnen zu müssen. Der Gedanke war, einen Schwenk-Neige-Mechanismus einzubauen, der sich um die Unterseite des oberen Panels drehen kann, um Bilder jeder Grow-Wand aufzunehmen und sie dann zur Visualisierung auf das Adafruit IO-Dashboard zu drucken. Dies könnte auch für einige wirklich coole Zeitraffer der wachsenden Pflanzen sorgen. Wir gehen davon aus, dass dies nur ein Teil des Konstruktionsprozesses ist. Es wird immer Arbeit geben und Verbesserungen vorgenommen werden. Vielen Dank für die Möglichkeit zur Teilnahme!