Arduino Autonomous Filtering Vessel - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

In deze Instructable ga ik je laten zien hoe ik mijn voorgestelde oplossing voor het huidige rode algenprobleem in de wateren van de Gulf Coast heb ontworpen en gemaakt. Voor dit project wilde ik een volledig autonoom en op zonne-energie aangedreven vaartuig ontwerpen dat door de waterwegen kon navigeren en met behulp van een natuurlijk filtratiesysteem aan boord de overtollige voedingsstoffen en gifstoffen uit de Dinoflagellaten en Karena Brevis-algen zou kunnen filteren. Dit ontwerp is gemaakt om te laten zien hoe technologie kan worden gebruikt om een aantal van onze huidige milieuproblemen op te lossen. Helaas won het geen prijzen of plaats op mijn plaatselijke wetenschapsbeurs in een kleine stad, maar ik heb nog steeds genoten van de leerervaring en hopelijk kan iemand anders iets van mijn project leren.

Stap 1: Onderzoek

Natuurlijk moet je altijd wat onderzoek doen als je een probleem gaat oplossen. Ik had via een online nieuwsartikel over dit probleem gehoord en daardoor raakte ik geïnteresseerd in het ontwerpen van een oplossing voor dat milieuprobleem. Ik begon met te onderzoeken wat het probleem precies was en wat het veroorzaakte. Hier is een gedeelte van mijn onderzoekspaper dat laat zien wat ik tijdens mijn onderzoek heb gevonden.

The Red Tide is een groeiend jaarlijks probleem voor de wateren van Florida. Red Tide is een veel voorkomende term die wordt gebruikt voor een grote, geconcentreerde groep algen die sporadisch groeit als gevolg van de toename van beschikbare voedingsstoffen. Momenteel wordt Florida geconfronteerd met een snelle toename in de grootte van de Red Tide, die een groeiende bezorgdheid veroorzaakt over de veiligheid van de waterdieren in het gebied, evenals alle individuen die ermee in contact kunnen komen. The Red Tide bestaat meestal uit een soort van algen bekend als een dinoflagellaat Dinoflagellaten zijn eencellige protisten die toxines produceren zoals brevetoxinen en ichthyotoxine, die zeer giftig zijn voor het zee- en landleven dat ermee in contact komt Dinoflagellaten reproduceren zich ongeslachtelijk door mitose, de splitsing van een cel die een exacte kopie produceert. Dinoflagellaten voeden zich met andere protisten in het water zoals Chysophyta's, de meest voorkomende vorm van niet-giftige algen. Dinoflagellaten planten zich ook ongeslachtelijk voort, waardoor hun aantal snel groeit wanneer n nieuwe voedingsstoffen worden geïntroduceerd.

De belangrijkste oorzaak van hun snelle toename van voedsel is te wijten aan de introductie van grote hoeveelheden voedingsstoffen die tijdens regenbuien van boerderijen worden weggespoeld en van nabijgelegen rivieren en beken naar de oceaankusten worden vervoerd. Vanwege de grote afhankelijkheid van door de mens gemaakte meststoffen voor de landbouw, is de hoeveelheid beschikbare voedingsstoffen in de omliggende landbouwgronden groter dan ooit. Wanneer er in de meeste delen van het oostelijke land een regenbui is, spoelt die regen veel van die meststoffen uit de bovenste grond en in de omliggende kreken en beken. Die stromen verzamelen zich uiteindelijk in rivieren, waarbij al hun verzamelde voedingsstoffen worden gecombineerd tot één grote groep die in de Golf van Mexico wordt gedumpt. Deze grote verzameling nutriënten is geen natuurlijk verschijnsel voor het aanwezige zeeleven en resulteert daarom in een oncontroleerbare groei van algen. Als de belangrijkste voedselbron van de dinoflagellaten, vormt de snelle toename van algen een grote voedselbron voor een snelgroeiende levensvorm.

Deze grote groepen dinoflagellaten produceren giftige chemicaliën waarvan bekend is dat ze het meeste waterleven dat ermee in contact komt, doden. Volgens WUSF, een lokaal nieuwsstation in Florida, waren er in de bloei van 2018 177 bevestigde sterfgevallen door lamantijnen door de rode vloed, evenals nog eens 122 sterfgevallen waarvan werd vermoed dat ze verband hielden. Van de 6.500 verwachte zeekoeien in de wateren van Florida en Puerto Rico, is dit een enorme impact op het voortbestaan van deze soort, en dat is slechts de impact op één soort. Van Red Tide is ook bekend dat het ademhalingsproblemen veroorzaakt voor degenen die in de buurt van een van de bloemen zijn geweest. Aangezien Red Tide in de grachten van sommige badplaatsen groeit, is dit een duidelijk veiligheidsrisico voor iedereen die in die gemeenschappen woont. Het is ook bekend dat het toxine Dinophysis, geproduceerd door de Red Tides, de lokale schelpdierpopulaties vaak infecteert, wat resulteert in diarree-vergiftiging door schaaldieren, of DSP, bij degenen die geïnfecteerde schelpdieren hebben gegeten. Gelukkig is het niet bekend dat het dodelijk is, maar het kan leiden tot spijsverteringsproblemen voor het slachtoffer. Een ander toxine dat wordt geproduceerd door sommige Red Tides, Gonyaulax of Alexandrium, kan echter ook schelpdieren infecteren in wateren die verontreinigd zijn door de getijden. Het eten van met deze gifstoffen besmette schelpdieren veroorzaakt paralytische schelpdiervergiftiging, of PSP, wat in het ergste geval heeft geleid tot ademhalingsfalen en de dood binnen 12 uur na inname."

Stap 2: Mijn voorgestelde oplossing

Citaat uit mijn onderzoekspaper

Mijn voorgestelde oplossing is om een volledig autonoom door zonne-energie aangedreven zeeschip te bouwen met een natuurlijk filtersysteem voor microdeeltjes aan boord. Het hele systeem wordt aangedreven door zonnepanelen aan boord en aangedreven door twee borstelloze, geleide motoren in een stuwkrachtregeling. filtersysteem zal worden gebruikt om overtollige voedingsstoffen en dinoflagellaten te filteren terwijl het autonoom over de waterwegen navigeert. Het schip zal ook worden gebruikt als een shuttlesysteem voor de lokale gemeenschap. Ik begon met eerst het probleem te onderzoeken en hoe dit probleem was ontstaan. Ik heb geleerd dat de golven van Red Tide werden veroorzaakt door de grote hoeveelheden voedingsstoffen, zoals stikstof, in de lokale wateren. Toen ik eenmaal ontdekte wat het probleem veroorzaakte, kon ik beginnen te brainstormen over een oplossing die zou kunnen helpen de omvang van de jaarlijkse Red Tides te verminderen.

Mijn idee was een schip dat qua grootte en vorm vergelijkbaar was met een pontonboot. Dit schip zou een skimmer hebben tussen de twee pontons die aankomend water door een gaasfilter zou leiden om grote deeltjes te verwijderen, en vervolgens door een permeabel membraanfilter dat de aanwezige stikstofmicrodeeltjes zou verwijderen. Het gefilterde water zou dan via de tegenoverliggende skimmer uit de achterkant van de boot stromen. Ik wilde ook dat dit schip volledig elektrisch zou zijn, zodat het zowel stil als veiliger zou zijn, met minder kans op het lekken van giftige vloeistoffen in de omringende wateren. Er zouden verschillende zonnepanelen op het schip zijn, evenals een laadregelaar met een lithium-ionenpakket om overtollig vermogen op te slaan voor later gebruik. Mijn laatste doel was om het schip zo te ontwerpen dat het gebruikt kan worden voor openbaar vervoer voor de lokale gemeenschap. Met al deze ontwerpkeuzes in gedachten, begon ik verschillende ideeën op papier te schetsen om te proberen eventuele problemen op te lossen."

Stap 3: Ontwerpen

Toen ik mijn onderzoek uit de weg had geruimd, had ik een veel beter idee van het probleem en wat het veroorzaakte. Daarna ben ik gaan brainstormen en ontwerpen. Ik heb meerdere dagen nagedacht over veel verschillende manieren om dit probleem op te lossen. Toen ik eenmaal wat fatsoenlijke ideeën had, ging ik ze op papier schetsen om te proberen een aantal ontwerpfouten uit te werken voordat ik naar CAD overstapte. Na nog een paar dagen schetsen maakte ik een lijst met onderdelen die ik voor het ontwerp wilde gebruiken. Ik gebruikte al mijn prijsinkomsten van de wetenschapsbeurs van de voorgaande jaren plus een beetje meer om de onderdelen en het filament te kopen die ik nodig had om het prototype te maken. Ik heb uiteindelijk een Node MCU gebruikt voor de microcontroller, twee 18V-zonnepanelen voor voorgestelde stroombronnen, twee ultrasone sensoren voor de autonome functies, 5 fotoweerstanden om de omgevingsverlichting te bepalen, enkele 12V witte LED-strips voor binnenverlichting, 2 RGB LED strips voor gerichte verlichting, 3 relais voor het aansturen van LEDS en de borstelloze motor, een 12V borstelloze motor en ESC, een 12V PSU voor het voeden van het prototype, en verschillende andere kleine onderdelen.

Toen de meeste onderdelen binnen waren, ging ik aan de slag met het 3D-model. Ik heb Fusion 360 gebruikt om alle onderdelen voor deze boot te ontwerpen. Ik begon met het ontwerpen van de romp van de boot en ging toen naar boven om elk onderdeel te ontwerpen terwijl ik verder ging. Nadat ik de meeste onderdelen had ontworpen, heb ik ze allemaal in een assemblage geplaatst om er zeker van te zijn dat ze in elkaar zouden passen zodra ze waren vervaardigd. Na een aantal dagen ontwerpen en tweaken was het eindelijk tijd om te gaan printen. Ik heb de romp in 3 verschillende stukken afgedrukt op mijn Prusa Mk3's en de zonne-bevestigingen en rompafdekkingen op mijn CR10's afgedrukt. Na nog een paar dagen waren alle onderdelen klaar met printen en kon ik eindelijk beginnen met het in elkaar zetten. Hieronder is een ander gedeelte van mijn onderzoekspaper waar ik praat over het ontwerpen van de boot.

Toen ik eenmaal een goed idee had van het definitieve ontwerp, ging ik verder met Computer Aided Drafting of CAD, een proces dat tegenwoordig met veel beschikbare software kan worden uitgevoerd. Ik gebruikte de software Fusion 360 om de onderdelen te ontwerpen die ik nodig zou hebben fabricage voor mijn prototype. Ik heb eerst alle onderdelen voor dit project ontworpen en ze vervolgens in een virtuele omgeving geassembleerd om eventuele problemen op te lossen voordat ik begon met het afdrukken van de onderdelen. Toen ik eenmaal een definitieve 3D-assemblage had, verhuisde ik aan het ontwerpen van de elektrische systemen die nodig zijn voor dit prototype. Ik wilde dat mijn prototype bestuurbaar was via een speciaal ontworpen app op mijn smartphone. Voor mijn eerste deel koos ik voor de Node MCU-microcontroller. De Node MCU is een microcontroller die is gebouwd rond de populaire ESP8266 Wifi-chip. Met dit bord kan ik externe invoer- en uitvoerapparaten aansluiten die op afstand kunnen worden bestuurd via de wifi-interface. Nadat ik de hoofdcontroller voor mijn ontwerp had gevonden, ging ik verder met het kiezen van welke andere pa rts nodig zou zijn voor het elektrische systeem. Om het schip van stroom te voorzien, koos ik twee zonnepanelen van achttien volt die later parallel zouden worden geschakeld om een output van achttien volt te leveren, samen met het dubbele van de stroom van een individuele zonnecel vanwege de parallelle bedrading. De output van de zonnepanelen gaat naar een laadregelaar. Dit apparaat neemt de fluctuerende uitgangsspanning van de zonnepanelen en egaliseert deze naar een meer constante twaalf volt uitgang. Dit gaat vervolgens naar het batterijbeheersysteem, of BMS, om de 6, 18650 lipocellen op te laden die zijn bedraad met twee sets van drie parallel geschakelde cellen en vervolgens in serie. Deze configuratie combineert de 4,2 volt-capaciteit van de 18650 tot een 12,6 volt-capaciteitspakket met drie cellen. Door nog eens drie cellen parallel aan het vorige pakket te bedraden, wordt de totale capaciteit verdubbeld, waardoor we een batterij van 12,6 volt hebben met een capaciteit van 6.500 mAh.

Dit accupakket kan twaalf volt leveren voor de verlichting en borstelloze motoren. Ik heb een step-down omvormer gebruikt om een output van vijf volt te creëren voor de lagere vermogensset van elektronica. Ik heb toen drie relais gebruikt, een om de binnenverlichting in en uit te schakelen, een om de kleur van de buitenverlichting te veranderen en een andere om de borstelloze motor in en uit te schakelen. Voor de afstandsmeting heb ik twee ultrasone sensoren gebruikt, één voor de voorkant en één voor de achterkant. Elke sensor zendt een ultrasone puls uit en kan aflezen hoe lang het duurt voordat die puls terugkeert. Hieruit kunnen we achterhalen hoe ver een object zich voor het schip bevindt door de vertraging in het retoursignaal te berekenen. Op de bovenkant van het vat had ik vijf fotoweerstanden om de hoeveelheid licht in de lucht te bepalen. Deze sensoren veranderen hun weerstand op basis van hoeveel licht er aanwezig is. Op basis van deze gegevens kunnen we een eenvoudige code gebruiken om het gemiddelde van alle waarden te berekenen, en wanneer de sensoren een gemiddelde waarde van weinig licht aflezen, gaan de binnenverlichting aan. Nadat ik had uitgezocht welke elektronica ik zou gebruiken, begon ik de onderdelen die ik eerder had ontworpen te 3D-printen. Ik heb de romp van de boot in drie stukken afgedrukt, zodat hij op mijn hoofdprinter zou passen. Terwijl die aan het printen waren, ging ik verder met het printen van de solar mounts en het deck op een andere printer. Elk onderdeel kostte ongeveer een dag om te printen, dus in totaal waren er ongeveer 10 dagen van rechtstreeks 3D-printen om alle onderdelen te krijgen die ik nodig had. Nadat ze allemaal klaar waren met afdrukken, heb ik ze in kleinere delen samengevoegd. Ik heb toen elektronica geïnstalleerd zoals zonnepanelen en leds. Nadat de elektronica was geïnstalleerd, heb ik ze allemaal aangesloten en ben ik klaar met het monteren van de afgedrukte onderdelen. Vervolgens ging ik verder met het ontwerpen van een standaard voor het prototype. Deze standaard is ook ontworpen in CAD en later uit MDF-hout gesneden op mijn CNC-machine. Met behulp van de CNC kon ik de vereiste sleuven op het voorpaneel uitsnijden voor het bevestigen van gordijnelektronica. Ik heb toen het prototype op de basis gemonteerd en de fysieke montage was voltooid. Nu het prototype volledig geassembleerd was, begon ik te werken aan de code voor de NodeMCU. Deze code wordt gebruikt om de NodeMCU te vertellen welke onderdelen zijn aangesloten op welke invoer- en uitvoerpinnen. Het vertelt het bord ook met welke server contact moet worden opgenomen en met welk wifi-netwerk verbinding moet worden gemaakt. Met deze code kon ik vervolgens bepaalde delen van het prototype vanaf mijn telefoon bedienen met een app. Dit is vergelijkbaar met hoe het definitieve ontwerp contact zou kunnen opnemen met het hoofddokstation om de coördinaten voor de volgende stop te ontvangen, evenals andere informatie, zoals waar de andere schepen zijn en het verwachte weer voor die dag."

Stap 4: Montage (eindelijk!!)

Oké, nu zijn we bij mijn favoriete onderdeel, de montage. Ik hou ervan om dingen te bouwen, dus toen ik eindelijk alle onderdelen in elkaar kon zetten en de uiteindelijke resultaten kon zien, werd ik behoorlijk opgewonden. Ik begon met het in elkaar zetten van alle geprinte delen en superlijmde ze aan elkaar. Ik installeerde toen de elektronica zoals verlichting en zonnepanelen. Op dat moment realiseerde ik me dat ik op geen enkele manier al mijn elektronica in dit ding zou kunnen passen. Toen kreeg ik het idee om een standaard voor de boot te CNCen om het er een beetje beter uit te laten zien en om me een plek te geven om alle elektronica te verbergen. Ik ontwierp de standaard in CAD en knipte hem vervolgens uit op mijn Bobs CNC E3 in 13 mm MDF. Ik heb het toen in elkaar geschroefd en een laag zwarte spuitverf gegeven. Nu ik een plek had om al mijn elektronica te proppen, ging ik verder met de bedrading. Ik heb alles aangesloten en de Node MCU geïnstalleerd (vrijwel een Arduino Nano met ingebouwde WiFi) en zorgde ervoor dat alles aan stond. Daarna heb ik de montage ingepakt en zelfs mijn schoollasersnijder mogen gebruiken om de veiligheidsleuningen uit te snijden met een aantal coole gravures, nogmaals bedankt meneer Z! Nu we een voltooid fysiek prototype hadden, was het nu tijd om wat magie toe te voegen met codering.

Stap 5: De codering (ook bekend als het harde deel)

Voor de codering heb ik de Arduino IDE gebruikt om een aantal vrij eenvoudige code te schrijven. Ik gebruikte de basis Blynk-schets als starter, zodat ik later enkele onderdelen van de Blynk-app zou kunnen bedienen. Ik heb veel YouTube-video's bekeken en veel forums gelezen om dit ding te laten werken. Uiteindelijk kon ik er niet achter komen hoe ik de borstelloze motor moest bedienen, maar kreeg al het andere werkend. Vanuit de app kon je de richting van het vaartuig veranderen, die de kleuren van de rood/groene LEDS zou veranderen, de binnenverlichting zou in-/uitschakelen en een live datafeed zou krijgen van een van de ultrasone sensoren aan de voorkant van het scherm. Ik verslapte absoluut op dit onderdeel en kreeg lang niet zoveel gedaan aan de code als ik wilde, maar het werd nog steeds een leuke functie.

Stap 6: Eindproduct

Het is gebeurd! Ik heb alles in elkaar gezet en werkend net voor de data van de wetenschapsbeurs. (Stereotypische uitsteller) Ik was behoorlijk trots op het eindproduct en kon niet wachten om het met de jury te delen. Ik heb hier niet veel anders te zeggen, dus ik zal het beter uitleggen. Hier is het conclusiegedeelte van mijn onderzoekspaper.

Zodra de schepen en aanlegstations zijn gemaakt, is de oplossing onderweg. Elke ochtend zouden de schepen hun routes door de waterwegen beginnen. Sommigen gaan misschien door de kanalen in de steden, terwijl anderen het moerasland of oceaanlijnen bevaren. Terwijl het vaartuig zijn route doorloopt, zal de filterende skimmer naar beneden zijn, zodat de filters hun werk kunnen doen. De skimmer zal de zweefalgen en het vuil in het filterkanaal leiden. Eenmaal binnen wordt het water eerst door een gaasfilter geleid om grotere deeltjes en vuil uit het water. Het verwijderde materiaal wordt daar vastgehouden totdat de kamer is gevuld. Nadat het water door het eerste filter is gegaan, gaat het door het permeabele membraanfilter. Dit filter gebruikt kleine, permeabele gaatjes om alleen doorlatend water door, waardoor ondoordringbare materialen achterblijven. Dit filter wordt gebruikt om de ondoordringbare meststof, evenals overtollige voedingsstoffen uit de algengroei te halen. Het gefilterde water r stroomt dan via de achterkant van de boot terug in de waterweg waar het schip aan het filteren is.

Wanneer een schip zijn aangewezen dokstation bereikt, trekt het de ligplaats binnen. Nadat de boot volledig is aangemeerd, worden er twee armen aan de zijkant van de boot bevestigd om hem stevig op zijn plaats te houden. Vervolgens komt er automatisch een pijp onder de boot vandaan die aan elke afvalverwerkingspoort wordt bevestigd. Eenmaal vastgezet, gaat de poort open en wordt een pomp ingeschakeld, die het verzamelde materiaal uit de boot en in het dokstation zuigt. Terwijl dit allemaal gebeurt, mogen passagiers aan boord van het schip en vinden hun zitplaatsen. Zodra iedereen aan boord is en de afvalcontainers zijn geleegd, wordt het vaartuig van het station gelost en vertrekt het op een andere route. Nadat het afval in het dockingstation is gepompt, wordt het opnieuw gezeefd om groot vuil zoals stokken of afval te verwijderen. Het verwijderde afval wordt opgeslagen in containers voor latere recycling. De resterende gezeefde algen worden naar het centrale dockingstation gebracht om te worden verwerkt. Wanneer elk kleiner dockingstation zijn algenopslag vult, komt er een arbeider om de algen naar het hoofdstation te transporteren, waar het wordt geraffineerd tot biodiesel. Deze biodiesel is een hernieuwbare brandstofbron en een winstgevende manier om de verzamelde voedingsstoffen te recyclen.

Naarmate de boten het water blijven filteren, zal de nutriënteninhoud afnemen. Deze vermindering van de overmatige hoeveelheid voedingsstoffen zal elk jaar leiden tot kleinere bloemen. Naarmate de nutriëntenniveaus blijven dalen, zal de waterkwaliteit uitgebreid worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de voedingsstoffen op een constant en gezond niveau blijven dat nodig is voor een bloeiend milieu. Tijdens de winterseizoenen, wanneer de mestafvoer niet zo krachtig is als de lente- en zomertijden, kunnen de boten de hoeveelheid water die wordt gefilterd regelen om ervoor te zorgen dat er altijd een gezonde hoeveelheid beschikbare voedingsstoffen is. Naarmate de boten over de routes varen, zullen er steeds meer gegevens worden verzameld om efficiënter te kunnen bepalen waar de mest terechtkomt en op welke tijden voorbereidingen moeten worden getroffen voor hogere nutriëntenniveaus. Met behulp van deze gegevens kan een efficiënte planning worden gemaakt om ons voor te bereiden op de fluctuatie die de landbouwseizoenen met zich meebrengen."