Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube för ISS: 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

Vi är West Hollow mellanstadiet från Long Island, NY. Vi är blivande ingenjörer som träffas en gång i veckan i en klubb som heter Hack the Hollow där vi designar, kodar och bygger ett antal tillverkarprojekt. Du kan kolla in alla projekt vi arbetar med HÄR. Vårt huvudfokus har varit att studera framtiden för livsmedels- och miljörobotik. Vi har monterat och underhållit en automatiserad vertikal hydroponikgård på baksidan av vårt vetenskapslaboratorium med vår lärare Herr Regini. Vi har också deltagit i GBE -programmet under de senaste två åren. Vi vet att denna utmaning krävde gymnasieelever, men vi var för glada för att vänta ytterligare två år med att presentera dig för Wolverine, uppkallad efter vår skolmaskot. Det här är typ vad vi gör!

I det här projektet hittar du många saker vi älskar att använda, inklusive Arduino, Raspberry Pi och alla elektroniska godsaker som följer med dem. Vi njöt också av att använda Fusion 360 som ett steg upp från TinkerCad för att designa kuben. Detta projekt var ett perfekt tillfälle att skära tänderna på några nya tillverkarplattformar. Vi delades upp i designteam som var och en måste fokusera på en aspekt av Grow Cube. Vi bröt ner den i ramen, locket och bottenplattan, belysning, växtväggar, vatten, fläktar och miljösensorer. Vi har gjort länkar i vår leveranslista till allt material vi använder om du behöver hjälp med att visualisera de delar som diskuteras i stegen som följer. Vi hoppas att du trivs!

Tillbehör

Ram:

• 1 "80/20 aluminiumprofiler
• Tee nuts
• Stödfästen
• Gångjärn
• T-kanal kompatibla glidfogar
• T-kanal kompatibla rör- och trådledare
• Magneter för att hålla dörrarna stängda
• 3 x magnetiska vassströmställare

Växa väggar:

• Farm Tech lågprofil NFT -kanaler
• NFT -kanalöverdrag
• Korrugerade plåtar
• Magneter för att hålla flyttbara kanaler på plats

Lock:

• Korrugerad plastplåt
• 3D -tryckt LED -växelampa (Fusion 360)
• Plastavstånd och hårdvara för elektronik

Belysning:

• Adresserbara neopixelremsor från Adafruit (60LED/m)
• Neopixel -kontakter
• Neopixel klipp
• 330uF, 35V avkopplingskondensator
• 1K ohm motstånd
• Silverförsedd HVAC -tejp av aluminiumfolie
• Buck -omvandlare

Vatten: (vår favoritfunktion):

• 2 x Nema 17 Stegmotorer
• Adafruit Stepper Shield för Arduino
• 3D -tryckt linjär ställdonssprutpump (Fusion 360)
• 2 x 100-300 ml sprutor
• Slangar med Luer -låsanslutningar och tee/armbågsfogar
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 skruvar och muttrar
• 2 x flögkopplare
• 2 x kuddlagerblock
• 4 x 300 mm x 8 mm linjära rörstångsaxelstyrningar
• 4 x 8 mm LM8UU linjära lager
• 4 x DF Robot kapacitiva resistansfuktighetssensorer för att övervaka jord och kontrollera sprutpumpar

Luftcirkulation:

• 2 x 5 "12V fläktar
• 5 "fläktfilterlock
• 2 x TIP120 Darlington -transistorer och kylflänsar
• 12V strömförsörjning
• Adapter för panelmonterad fatuttag
• 2 x 1K ohm motstånd
• 2 x flyback -dioder
• 2 x 330uF, 35V elektrolytiska avkopplingskondensatorer
• DHT22 temperatur- och luftfuktighetssensor med 4,7K ohm motstånd

Elektronik:

• Raspberry Pi 3B+ med motorhatt
• 8 GB SD -kort
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto brödbräda
• 2 x 20x4 i2C LCD -skärmar
• 22AWG strandade anslutningskablar
• Dupont -anslutningssats
• Adafruit SGP30 luftkvalitetssensor m/ eCO2

Verktyg:

• Lödkolv
• Lödkit
• Hjälpande händer
• Pressnings- och avskalningsverktyg för trådar
• Skruvmejslar
• Kaffe (för Herr Regini)

Steg 1: Steg 1: Konstruera ramen

Ramen kommer att konstrueras med lättvikts 1 80/20 t kanal aluminiumprofiler. Den kommer att hållas ihop med armbågsfogar i aluminium och t muttrar. Förutom att hålla vikten nere, fungerar kanalerna som vägled för vårt vatten ledningar och ledningar.

Kuben kommer att vila på en uppsättning skenor utrustade med glidfogar som gör att kuben kan dras ut från en vägg för att inte bara avslöja dess framsida utan även på båda sidorna. Inspirationen till detta kom från att en av våra elever tänkte på kryddstället i hans köksskåp hemma.

Med enkla gångjärn kommer framsidan och sidorna att ha dörrar som kan svängas upp när kuben dras ut på rälsen. De hålls på plats av magneter när de är stängda. Alla 6 paneler i denna kub är avtagbara eftersom alla ytor hålls på plats av magneter också. Syftet med detta designval var att ge enkel åtkomst till alla ytor för sådd, växtunderhåll, datainsamling, skörd och rengöring/reparationer.

Du kan se vår design för panelerna i nästa steg.

Steg 2: Steg 2: Konstruera växtväggarna

Det första elementet vi tänkte på var materialen som skulle användas för själva väggarna. Vi visste att de behövde vara lätta, men tillräckligt starka för att stödja växterna. Vit korrugerad plast valdes framför klar akryl trots att vi älskade bilderna på V. E. G. G. I. E där vi kunde se växterna inuti. Anledningen till detta beslut var att det mesta av utsikten skulle hindras av växtkanalerna, och vi ville reflektera så mycket av ljuset från våra lysdioder som möjligt. Denna logik kom från inspektion av enheten vi skickades som en del av vårt GBE -deltagande. Som anges i föregående steg hålls dessa plattor vid aluminiumramen med magneter så att de enkelt kan tas bort.

Fäst på dessa plattor finns tre kanaler med lågprofilerade NFT -växelskenor som vi använder i vårt hydroponiska laboratorium. Vi gillar det här valet eftersom de är konstruerade av tunn PVC med lock som lätt glider av för att implantera de växande kuddarna. Alla växande medier kommer att finnas i specialdesignade kuddar som vi såg redan används på ISS när vi läser DENNA ARTIKEL. Alla paneler mellan skenorna kommer att beläggas med silverförsedd HVAC -isoleringstejp för att främja reflektionsförmågan hos växljusen.

Våra öppningar är 1 3/4 och åtskilda med 6 tum på mitten. Detta gör det möjligt för 9 planteringsplatser på var och en av kubens fyra paneler som ger totalt 36 växter. Vi försökte hålla detta avstånd i överensstämmelse med vad vi hade rött om outredgeous sallader. Kanalerna är frästa med slitsar för att acceptera våra fuktsensorer som kommer att övervaka jordfuktigheten och efterfråga vatten från sprutpumparna. Hydrering kommer att distribueras till varje enskild växtkudde genom ett medicinskt slangvattengrenrör som är anslutet till dessa pumpar. Denna sprutbaserade vattningsmetod är något vi undersökt som en bästa praxis för både precisionsbevattning och för att övervinna utmaningarna i en miljö med noll/mikro-tyngdkraft. Slangar kommer in i växtkudans bas för att främja rottillväxt mot kuben. Vi kommer att förlita oss på kapillaritet för att hjälpa vattnet att sprida sig genom odlingsmediet.

Slutligen ville vi hitta ett sätt att använda bottenplattan. Vi skapade en liten läpp på bottenytan som skulle acceptera en odlingsmatta för att odla mikrogröna. Mikrogröna är kända för att ha nästan 40 gånger mer vitala näringsämnen än sina mogna motsvarigheter. Dessa kan vara mycket fördelaktiga för astronauternas kost. Detta är en artikel som våra studenter hittade om näringsvärdet av mikrogrönsaker.

Steg 3: Steg 3: Vattna växterna

Vi hänvisade till våra linjära ställdonssprutpumpar i föregående steg. Det här är i särklass vår favoritdel i detta bygge. NEMA 17 stegmotorer kommer att driva linjära ställdon som kommer att trycka ned kolven på två 100cc-300cc sprutor på locket på odlingskuben. Vi konstruerade motorhusen, kolvdrivrutinen och styrskenan med Fusion 360 efter att ha kollat på några fantastiska projekt med öppen källkod på Hackaday. Vi följde denna handledning på Adafruits fantastiska webbplats för att lära dig hur du kör motorerna.

Vi ville hitta ett sätt att frigöra astronauterna från uppgiften att vattna. Stepparna aktiveras när plantorna i systemet kräver sitt eget vatten. 4 kapacitiva fuktsensorer är anslutna till växtkuddarna på olika platser i hela odlingskuben. Varje planteringsplats i systemet har en plats för att ta emot dessa sensorer frästa i deras odlingskanaler. Detta gör att placeringen av dessa sensorer kan väljas och periodiskt ändras av astronauterna. Förutom att maximera effektiviteten med vilken vatten distribueras i systemet, kommer det att möjliggöra visualisering av hur varje växt förbrukar sitt vatten. Fukttrösklar kan ställas in av astronauterna så att vattning kan automatiseras efter deras behov. Sprutor är fästa på huvudvattensgrenröret med Luer -låsanslutningar för enkel påfyllning. Växelpanelerna själva använder sig av ett liknande anslutningsprotokoll till vattningsgrenröret så att de enkelt kan tas bort från kuben.

Data som samlas in av sensorerna kan läsas lokalt på en 20x4 LCD -skärm som är fäst vid locket eller på distans där den samlas in, visas och graferas av systemets integration med antingen Cayenne eller Adafruit IO IoT -plattformar. Arduino skickar sin data till Raspberry Pi ombord med en USB -kabel som sedan tar sig till internet med Pi: s WiFi -kort. Varningar kan ställas in på dessa plattformar för att meddela astronauterna när någon av våra systemvariabler har gått ut från sina förinställda tröskelvärden.

Steg 4: Steg 4: det smarta locket med belysning och fläktstyrning

Locket på vår odlingsbit fungerar som hjärnan för hela operationen och ger höljen för kritiska växande element. Utifrån lockets undersida sträcker sig ett 3D -tryckt LED -hölje som ger ljus för var och en av växtplattorna, samt toppbelysning av mikrogrönmattorna på botten. Detta designades igen i Fusion 360 och trycktes på vår MakerBot. Varje ljusfack rymmer 3 LED -remsor som är skyddade av ett konkavt stöd. Detta stöd är försilvrat med HVAC -isoleringstejp för att maximera dess reflektivitet. Ledningarna går upp en central ihålig kolumn för att komma åt ström och data på lockets ovansida. Storleken på detta hus valdes för att ha ett fotavtryck som skulle göra det möjligt för växterna som växer runt det att uppnå en maximal höjd på 8 tum. Detta antal visade sig vara en genomsnittlig höjd av mogna outredgeous sallat som vi odlar i våra vertikala hydroponiska trädgårdar i vårt labb. De kan bli så stora som 12 tum långa, men vi tänkte att astronauter skulle beta på dem när de växer och gör detta till en klipp-och-kom-igen-kub.

De neopixlar vi använder är individuellt adresserbara vilket innebär att vi kan styra färgspektrumet som de avger. Detta kan användas för att modifiera de ljusspektra som växterna får under olika tillväxtstadier eller från art till art. Sköldarna var avsedda att möjliggöra olika ljusförhållanden på var och en av väggarna om det behövs. Vi förstår att detta inte är en perfekt installation och att lamporna vi använder inte är tekniskt växande lampor, men vi tyckte att det var ett bra bevis på konceptet.

Överst på locket finns två 5 tum 12V kylfläktar som vanligtvis används för att kontrollera temperaturen på datortorn. Vi utformade det så att den ena trycker in luft i systemet medan den andra fungerar som luftuttag. De är båda täckta med en finmaskig skärm för att säkerställa att inget skräp dras ut och in i astronautens andningsmiljö. Fläktarna stängs av när någon av de magnetiska vassomkopplare som är fästa vid dörrarna är öppna för att förhindra oavsiktlig luftförorening. Fläktarnas hastighet styrs via PWM med motorhatten på Raspberry pi. Fläktar kan snabbare eller långsammare sänkas baserat på antingen temperatur- eller fuktighetsvärden som matas till Pi med den inbäddade DHT22 -sensorn i kuben. Dessa avläsningar kan återigen ses lokalt på en LCD -skärm eller på distans på samma IoT -instrumentpanel som fuktsensorerna.

När vi tänkte på fotosyntes ville vi också redogöra för CO2 -halterna och den övergripande luftkvaliteten i odlingskuben. För detta ändamål inkluderade vi en SGP30 -sensor för att övervaka såväl eCO2 som totalt VOC. Även dessa skickas till LCD -skärmarna och IoT -instrumentpanelen för visualisering.

Du kommer också att se att våra par sprutpumpar är monterade längs sidan av locket. Deras rör är riktade nedåt de vertikala kanalerna på aluminiumramens extruderingsram.

Steg 5: Avslutande tankar och framtida iterationer

Vi designade Wolverine med hjälp av den kunskap vi har fått från vår tid att odla mat tillsammans. Vi har automatiserat våra trädgårdar i flera år och detta var ett så spännande tillfälle att tillämpa detta på en unik ingenjörsuppgift. Vi förstår att vår design har en ödmjuk början, men vi ser fram emot att växa tillsammans med den.

En aspekt av bygget som vi inte kunde slutföra innan deadline var bildtagning. En av våra elever har experimenterat med Raspberry Pi -kameran och OpenCV för att se om vi kan automatisera upptäckten av växtskydd genom maskininlärning. Vi ville åtminstone ha möjlighet att se plantorna utan att behöva öppna dörrarna. Tanken var att inkludera en pan-tilt-mekanism som kan rotera runt undersidan av den övre panelen för att ta bilder av varje växtvägg och sedan skriva ut dem på Adafruit IO-instrumentpanelen för visualisering. Detta kan också leda till riktigt häftiga tidsförlopp för de växande grödorna. Vi antar att det bara är en del av den tekniska designprocessen. Det kommer alltid att finnas arbete att göra och förbättringar som ska göras. Tack så mycket för möjligheten att delta!