Arduino autonoma filtreringskärl: 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:40

I denna instruktionsbok kommer jag att visa dig hur jag utformade och gjorde min föreslagna lösning för det nuvarande problemet med röda alger i Gulf Coast -vattnet. För det här projektet ville jag designa ett helt autonomt och soldrivet fartyg som kunde navigera i vattenvägarna och med hjälp av ett inbyggt naturligt filtreringssystem, filtrera bort överflödiga näringsämnen och gifter från Dinoflagellates och Karena Brevis -alger. Denna design skapades för att visa hur teknik kan användas för att åtgärda några av våra nuvarande miljöfrågor. Tyvärr vann den inte några utmärkelser eller plats på min lokala småstadens vetenskapsmässa, men jag njöt fortfarande av lärandeupplevelsen och förhoppningsvis kan någon annan lära sig något av mitt projekt.

Steg 1: Forskning

Naturligtvis när som helst du ska lösa ett problem måste du göra lite research. Jag hade hört talas om detta problem genom en nyhetsartikel online och det fick mig att intressera mig för att utforma en lösning för det miljöproblemet. Jag började med att undersöka vad problemet exakt var och vad som orsakade det. Här är ett avsnitt i mitt forskningsarbete som visar vad jag hittade under min forskning.

The Red Tide är ett växande årligt problem för Floridas vatten. Red Tide är en vanlig term som används för en stor, koncentrerad grupp av alger som sporadiskt växer på grund av ökningen av tillgängliga näringsämnen. För närvarande har Florida stått inför en snabb ökning i storleken på röda tidvattnet, vilket orsakar en växande oro för säkerheten för vattenlevande djur i området, liksom alla individer som kan komma i kontakt med det. Rödvatten består oftast av en art av alger som kallas dinoflagellat Dinoflagellater är encelliga protister som producerar toxiner som brevetoxiner och ichthyotoxin, som är mycket giftiga för havs- och landliv som kommer i kontakt med dem. Dinoflagellater livnär sig på andra protister i vattnet som Chysophyta's, den vanligaste formen av giftfria alger. Dinoflagellater reproducerar också aseksuellt och får deras antal att växa snabbt när n alla näringsämnen introduceras.

Huvudorsaken till deras snabba ökning av mat beror på införandet av stora mängder näringsämnen som tvättas från gårdar under regnskurar och transporteras till havsstränderna från närliggande floder och vattendrag. På grund av det stora beroende av konstgjorda gödningsmedel för jordbruket är mängden tillgängliga näringsämnen i omgivande jordbruksmarker högre än någonsin. När det finns en regnskur i de flesta delar av det östra landet, skölj det regnet mycket av dessa gödningsmedel från den övre jorden och in i de omgivande bäckarna och vattendragen. Dessa strömmar samlas så småningom i floder och kombinerar alla sina insamlade näringsämnen till en stor grupp som dumpas i Mexikanska golfen. Denna stora samling av näringsämnen är inte en naturlig förekomst för de marina liv som finns, varför det resulterar i en okontrollerbar tillväxt av alger. Som dinoflagellaternas främsta matkälla ger den snabba ökningen av alger en stor matkälla för en snabbt växande livsform.

Dessa stora grupper av Dinoflagellater producerar giftiga kemikalier som är kända för att döda det mest vattenlevande livet som kommer i kontakt med dem. Enligt WUSF, en lokal nyhetsstation i Florida, fanns det under blomningen 2018 177 bekräftade dödsfall från manater från Red Tide samt ytterligare 122 dödsfall som misstänks ha samband. Av de 6 500 förväntade manaterna i Florida och Puerto Rico har detta en enorm inverkan på artens överlevnad, och det är bara effekten på en art. Red Tide har också varit känt för att orsaka andningsproblem för dem som har varit i närheten av någon av blommorna. Eftersom Red Tide växer i kanalerna i vissa strandstäder är detta en uppenbar säkerhetsrisk för alla som bor i dessa samhällen. Toxinet Dinophysis, producerat av Red Tides, har också varit känt för att vanligtvis infektera de lokala skaldjurspopulationerna vilket resulterar i diarréisk skaldjursförgiftning, eller DSP, hos dem som har ätit infekterade skaldjur. Tack och lov är det inte känt att det är dödligt, men det kan leda till matsmältningsproblem för offret. Ett annat toxin som produceras av vissa Red Tides, Gonyaulax eller Alexandrium, kan dock också infektera skaldjur i vatten som är förorenade med tidvattnet. Att äta skaldjur som är förorenat med dessa toxiner orsakar förlamning av skaldjur eller PSP som i värsta fall har resulterat i andningssvikt och död inom 12 timmar efter intag."

Steg 2: Min föreslagna lösning

Citat från mitt forskningsarbete

Min föreslagna lösning är att bygga ett helt autonomt soldrivet marinfartyg som har ett naturligt mikropartikelfiltreringssystem ombord. Hela systemet kommer att drivas av solpaneler ombord och drivas av två borstlösa, ledade motorer i en vektordriftsinställning. filtreringssystem kommer att användas för att filtrera överflödiga näringsämnen och dinoflagellater när det navigerar i vattenvägarna autonomt. Fartyget kommer också att användas som ett transportsystem för lokalsamhället. Jag började med att först undersöka problemet och hur detta problem hade börjat. Jag lärde mig att Störningarna i Red Tide orsakades av de stora mängderna näringsämnen, som kväve, i det lokala vattnet. När jag väl upptäckte vad som orsakade problemet kunde jag börja brainstorma en lösning som skulle kunna minska storleken på de årliga Red Tides.

Min idé var ett fartyg liknande i storlek och form som en pontonbåt. Detta kärl skulle ha en skimmer mellan de två pontonerna som skulle leda mötande vatten genom ett nätfilter för att ta bort stora partiklar och sedan genom ett permeabelt membranfilter som skulle ta bort närvarande kväve -mikropartiklar. Det filtrerade vattnet skulle sedan rinna ut bakom båten genom den motsatta skimmern. Jag ville också att det här fartyget skulle vara helt elektriskt, så det skulle vara tyst och säkerare, med mindre chans att läcka ut giftiga vätskor i omgivande vatten. Det skulle finnas flera solpaneler på fartyget samt en laddningsregulator med ett litiumjonpaket för att lagra eventuell överskottsström för senare användning. Mitt sista mål var att designa fartyget så att det kunde användas för kollektivtrafik för lokalsamhället. Med alla dessa designval i åtanke började jag skissa ut flera idéer på papper för att försöka lösa eventuella problem."

Steg 3: Desinging

När jag hade min forskning ur vägen hade jag en mycket bättre uppfattning om problemet och vad som orsakade det. Jag gick sedan över till brainstorming och design. Jag tillbringade flera dagar med att tänka på många olika sätt att lösa detta problem. När jag väl hade några bra idéer gick jag över till att skissa dem på papper för att försöka räkna ut några designfel innan jag flyttade till CAD. Efter ytterligare ett par dagars skissering skapade jag en lista över delar som jag ville använda för designen. Jag använde alla mina vinster från tidigare års science fair plus lite mer för att köpa de delar och glödtråd som jag behövde för att skapa prototypen. Jag slutade använda en Node MCU för mikrokontrollen, två 18V solpaneler för föreslagna strömkällor, två ultraljudssensorer för de autonoma funktionerna, 5 fotomotstånd för att bestämma omgivningsbelysningen, några 12V vita LED -remsor för inre belysning, 2 RGB LED remsor för riktningsbelysning, 3 reläer för styrning av lysdioder och borstlös motor, en 12V borstlös motor och ESC, en 12V nätaggregat för att driva prototypen och flera andra små delar.

När de flesta delarna kom fram fick jag arbeta med 3D -modellen. Jag använde Fusion 360 för att designa alla delar till den här båten. Jag började med att designa båtens skrov och flyttade sedan uppåt och designade varje del när jag gick. När jag hade designat de flesta delarna satte jag dem alla i en montering för att se till att de skulle passa ihop när de tillverkades. Efter flera dagars design och tweaking var det äntligen dags att börja skriva ut. Jag tryckte skrovet i 3 olika bitar på mina Prusa Mk3 och tryckte solfästena och skrovskydden på mina CR10. Efter flera dagar var alla delar färdiga att skriva ut och jag kunde äntligen börja sätta ihop det. Nedan är ett annat avsnitt i mitt forskningsarbete där jag pratar om att designa båten.

När jag väl hade en bra uppfattning om den slutliga konstruktionen gick jag vidare till Computer Aided Drafting eller CAD, vilket är en process som kan göras med många tillgängliga program idag. Jag använde programvaran Fusion 360 för att designa de delar jag skulle behöva tillverkade för min prototyp. Jag konstruerade alla delar för det här projektet först och monterade dem sedan i en virtuell miljö för att försöka lösa problem innan jag började skriva ut delarna. När jag hade en färdig 3D -montering flyttade jag på att designa de elektriska system som behövs för denna prototyp. Jag ville att min prototyp skulle kunna styras genom en specialdesignad app på min smartphone. För min första del valde jag Node MCU mikrokontroller. Noden MCU är en mikrokontroller byggd kring den populära ESP8266 Wifi -chip. Detta kort ger mig möjlighet att ansluta externa ingångs- och utgångsenheter till det som kan fjärrstyras via sitt Wifi -gränssnitt. Efter att ha hittat huvudkontrollen för min design gick jag vidare till att välja vilken annan pa rts skulle behövas för elsystemet. För att driva fartyget valde jag två arton volt solpaneler som senare skulle kopplas parallellt för att ge en effekt på arton volt tillsammans med dubbla strömmen för en enskild solcell på grund av att de kopplades parallellt. Utsignalen från solpanelerna går in i en laddningsregulator. Denna enhet tar den fluktuerande utspänningen från solpanelerna och jämnar ut den till en mer konstant tolv-volts utgång. Detta går sedan in i batterihanteringssystemet, eller BMS, för att ladda de 6, 18650 lipocellerna som är anslutna med två uppsättningar av tre celler parallellt kopplade, sedan serier. Denna konfiguration kombinerar 4,2 volt kapacitet för 18650 till ett 12,6 volt kapacitetspaket med tre celler. Genom att koppla in ytterligare tre celler parallellt med föregående förpackning fördubblas den totala kapaciteten vilket ger oss ett 12,6 volt batteri med en kapacitet på 6 500 mAh.

Detta batteri kan mata ut tolv volt för belysning och borstlösa motorer. Jag använde en omvandlare för att skapa en effekt på fem volt för elektronik med lägre effekt. Jag använde sedan tre reläer, ett för att slå på och av de inre lamporna, ett för att ändra färgen på de externa lamporna och ett för att slå på och av den borstlösa motorn. För avståndsmätningen använde jag två ultraljudssensorer, en för framsidan och en för baksidan. Varje sensor skickar ut en ultraljudspuls och kan avläsa hur lång tid det tar att få pulsen att återvända. Från detta kan vi räkna ut hur långt ett föremål är framför fartyget genom att beräkna fördröjningen i retursignalen. På toppen av kärlet hade jag fem fotoresistorer för att bestämma mängden ljus på himlen. Dessa sensorer ändrar sitt motstånd baserat på hur mycket ljus som finns. Från dessa data kan vi använda en enkel kod för att genomsnitta alla värden, och när sensorerna läser ett medelvärde för svagt ljus tänds de inre lamporna. Efter att ha kommit fram till vilken elektronik jag skulle använda började jag 3D -skriva ut delarna som jag tidigare hade designat. Jag skrev ut båtens skrov i tre delar så att den kunde passa på min huvudskrivare. Medan de skrev ut gick jag vidare till att skriva ut solfästena och däcket på en annan skrivare. Varje del tog ungefär en dag att skriva ut, så totalt var det cirka 10 dagar med rak 3D -utskrift för att få alla delar jag behövde. När de var klara med att skriva ut monterade jag ihop dem i mindre delar. Jag installerade sedan elektronik som solpaneler och lysdioder. När elektroniken var installerad kopplade jag ihop dem alla och färdigmonterade de tryckta delarna. Därefter gick jag vidare till att designa ett stativ för prototypen. Detta stativ var också designat i CAD och senare klippt av MDF -trä på min CNC -maskin. Med hjälp av CNC kunde jag klippa ut de nödvändiga slitsarna på frontpanelen för att fästa gardinelektronik. Jag monterade sedan prototypen på basen och den fysiska monteringen var klar. Nu när prototypen var färdigmonterad började jag arbeta med koden för NodeMCU. Denna kod används för att berätta för NodeMCU vilka delar som är anslutna till vilka ingångs- och utgångsstiften. Det berättar också för styrelsen vilken server som ska kontaktas och vilket Wifi -nätverk som ska anslutas till. Med den här koden kunde jag sedan styra vissa delar av prototypen från min telefon med en app. Detta liknar på ett sätt hur den slutliga konstruktionen skulle kunna kontakta dockningsstationen för att ta emot koordinaterna för nästa stopp, liksom annan information, till exempel var de andra fartygen är och det förväntade vädret för den dagen."

Steg 4: Montering (äntligen !!)

Ok så nu är vi på min favoritdel, församlingen. Jag älskar att bygga saker så att äntligen kunna sätta ihop alla delar och se de slutliga resultaten gjorde mig ganska upphetsad. Jag började med att sätta ihop alla de tryckta delarna och superlimmade dem. Jag installerade sedan elektroniken som lampor och solpaneler. Vid denna tidpunkt insåg jag att det inte skulle finnas något sätt att få plats med all min elektronik inuti den här saken. Det var då jag fick idén att CNC -stativ för båten för att få den att se lite bättre ut och ge mig en plats att gömma all elektronik. Jag designade stativet i CAD och klippte ut det sedan på mina Bobs CNC E3 i 13 mm MDF. Jag skruvade ihop det och gav det ett lager svart sprayfärg. Nu när jag hade en plats att stoppa all min elektronik på fortsatte jag med ledningarna. Jag kopplade upp allt och installerade Node MCU (ganska mycket en Arduino Nano med inbyggd WiFi) och såg till att allt var på. Efter det slog jag ihop monteringen och fick till och med använda mina skolors laserskärare för att klippa ut säkerhetsräcken med några häftiga graveringar, tack igen Mr. Z! Nu när vi hade en färdig fysisk prototyp var det nu dags att lägga till lite magi med kodning.

Steg 5: Kodningen (AKA den hårda delen)

För kodningen använde jag Arduino IDE för att skriva en ganska enkel kod. Jag använde den grundläggande Blynk -skissen som en förrätt så att jag senare skulle kunna styra några av delarna från Blynk -appen. Jag tittade på många YouTube -videor och läste massor av forum för att få det här att fungera. Till slut kunde jag inte räkna ut hur jag skulle styra den borstlösa motorn men fick allt annat att fungera. Från appen kan du byta farkostens riktning, som skulle byta färger på de röda/gröna lysdioderna, tända/stänga av de inre lamporna och få ett levande dataflöde från en av ultraljudssensorerna på displayens framsida. Jag släppte definitivt på den här delen och fick inte så mycket gjort på koden som jag ville, men det blev ändå en snygg funktion.

Steg 6: Slutprodukt

Det är klart! Jag fick ihop allt och fungerade knappt innan datumet för science fair. (Stereotypical procrastinator) Jag var ganska stolt över slutprodukten och kunde inte vänta med att dela den med domarna. Jag har inte mycket annat att säga här så jag låter mig förklara det bättre. Här är slutsatsen i mitt forskningsarbete.

När fartygen och dockningsstationerna skapats är lösningen på gång. Varje morgon skulle fartygen starta sina rutter genom vattenvägarna. Vissa kan gå genom kanalerna i städerna, medan andra reser i kärrlanden eller havslinjerna. Medan fartyget går genom sin rutt, kommer filtreringsskummaren att vara nere, så att filtren kan starta sitt arbete. Skummaren kommer att leda de flytande algerna och skräpet in i filtreringskanalen. Väl inne, körs vattnet först genom ett nätfilter för att ta bort större partiklar och skräp från vattnet. Det borttagna materialet kommer att hållas där tills kammaren är fylld. Efter att vattnet har kommit igenom det första filtret går det sedan genom det permeabla membranfiltret. Detta filter använder små, genomträngliga hål för att endast tillåta genomsläppligt vatten genom och lämnar ogenomträngliga material bakom. Det här filtret används för att extrahera det ogenomträngliga gödningsmedlet, samt överflödiga näringsämnen från algtillväxten. Det filtrerade vattnet r rinner sedan ut från båten bakåt i vattenvägen där kärlet filtrerar.

När ett fartyg når sin utsedda dockningsstation drar det in i kajen. Efter helt dockad kommer två armar att fästas på sidan av båten för att hålla den stadigt på plats. Därefter kommer ett rör automatiskt att stiga upp under båten och fästas vid varje avfallshanteringsport. När den är säkrad öppnas porten och en pump slås på och suger ut det insamlade materialet ur båten och in i dockningsstationen. Medan allt detta händer kommer passagerare att få gå ombord på fartyget och hitta sina platser. När alla är ombord och avfallsbehållarna har tömts kommer fartyget att släppas från stationen och starta på en annan rutt. Efter att avfallet har pumpats in i dockningsstationen så silas det igen för att ta bort stora skräp som pinnar eller skräp. Det borttagna skräpet kommer att lagras i behållare för senare återvinning. Resterande siktade alger kommer att tas till den centrala dockningsstationen för att bearbetas. När varje mindre dockningsstation fyller sin alglagring kommer en arbetare att transportera algerna till huvudstationen, där den förädlas till en biodiesel. Denna biodiesel är en förnybar bränslekälla och ett lönsamt sätt att återvinna de insamlade näringsämnena.

När båtarna fortsätter att filtrera vattnet kommer näringsinnehållet att minska. Denna minskning av den för stora mängden näringsämnen kommer att leda till mindre blomningar varje år. När näringsnivåerna fortsätter att sjunka kommer vattenkvaliteten att övervakas noggrant för att säkerställa att näringsämnena förblir på en konstant och hälsosam nivå som behövs för en blomstrande miljö. Under vintersäsongen när gödningsavrinningen inte är lika kraftfull som vår- och sommartiderna kommer båtarna att kunna kontrollera mängden vatten som filtreras för att säkerställa att det alltid finns en hälsosam mängd tillgängliga näringsämnen. När båtarna går genom rutterna kommer allt mer data att samlas in för att mer effektivt bestämma källorna till gödningsmedelsavrinningen och vilka tider som ska förberedas för högre näringsnivåer. Med hjälp av dessa data kan ett effektivt schema skapas för att förbereda de fluktuationer som jordbrukssäsongerna medför."