Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube voor het ISS - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Wij zijn de West Hollow middelbare school uit Long Island, NY. Wij zijn aspirant-ingenieurs die een keer per week bijeenkomen in een club genaamd Hack the Hollow, waarin we een aantal makerprojecten ontwerpen, coderen en bouwen. Bekijk HIER alle projecten waar we aan werken. Onze belangrijkste focus was het bestuderen van de toekomst van voedsel- en milieurobotica. We hebben samen met onze leraar, de heer Regini, een geautomatiseerde verticale hydrocultuurboerderij gebouwd en onderhouden achter in ons wetenschappelijk laboratorium. Ook hebben we de afgelopen twee jaar deelgenomen aan het GBE-programma. We weten dat deze uitdaging om middelbare scholieren vroeg, maar we waren te opgewonden om nog twee jaar te wachten om je kennis te laten maken met de Wolverine, genoemd naar onze schoolmascotte. Dit is een beetje wat we doen!

In dit project vind je veel van de dingen die we graag gebruiken, waaronder Arduino, Raspberry Pi en alle elektronische goodies die daarbij horen. We hebben ook genoten van het gebruik van Fusion 360 als een opstapje van TinkerCad om de kubus te ontwerpen. Dit project was een perfecte gelegenheid om onze tanden te zetten op een aantal nieuwe makerplatforms. We werden opgedeeld in ontwerpteams die zich elk moesten concentreren op één aspect van de Grow Cube. We hebben het opgedeeld in het frame, deksel en bodemplaat, verlichting, kweekmuren, water, ventilatoren en omgevingssensoren. We hebben in onze lijst met benodigdheden koppelingen gemaakt naar alle materialen die we gebruiken als je hulp nodig hebt bij het visualiseren van de onderdelen die in de volgende stappen worden besproken. We hopen dat je ervan gaat genieten!

Benodigdheden

Kader:

• 1 "80/20 aluminium extrusies
• T-stuk noten
• Steunbeugels
• Scharnieren
• T-kanaal compatibele glijgewrichten
• T-kanaal compatibele buis- en draadgeleiders
• Magneten om deuren gesloten te houden
• 3 x magnetische reed-schakelaars

Muren laten groeien:

• Farm Tech onopvallende NFT-kanalen
• NFT-kanaal covers
• Gegolfde plastic platen
• Magneten om verwijderbare kanalen op hun plaats te houden

Deksel:

• Gegolfde plastic plaat
• 3D geprinte LED kweeklamp (Fusion 360)
• Kunststof afstandhouders en hardware voor elektronica

Verlichting:

• Adresseerbare neopixelstrips van Adafruit (60LED/m)
• Neopixel-connectoren
• Neopixel-clips
• 330uF, 35V ontkoppelcondensator
• 1K ohm weerstand
• Verzilverde HVAC aluminiumfolie tape
• Buck-omzetter

Water: (Onze favoriete functie):

• 2 x Nema 17 Stappenmotoren
• Adafruit Stepper Shield voor Arduino
• 3D geprinte lineaire actuator spuitpomp (Fusion 360)
• 2 injectiespuiten van 100-300 ml
• Slangen met Luer lock-aansluitingen en T-/elleboogverbindingen
• 2 x 300 mm x 8 mm T8 loodschroeven en moeren
• 2 x gevlogen koppeling
• 2 x kussenlagerblokken
• 4 x 300 mm x 8 mm lineaire bewegingsstangasgeleiders
• 4 x 8 mm LM8UU lineaire lagers
• 4 x DF Robot capacitieve weerstandsvochtsensoren om de bodem te bewaken en spuitpompen te regelen

Luchtcirculatie:

• 2 x 5" 12V ventilatoren
• 5" ventilatorfilterkappen
• 2 x TIP120 Darlington-transistoren en koellichamen
• 12V voeding
• Paneelmontage barrel jack verbindingsadapter
• 2 x 1K ohm weerstanden
• 2 x flyback-diodes
• 2 x 330uF, 35V elektrolytische ontkoppelcondensatoren
• DHT22 temperatuur- en vochtigheidssensor met weerstand van 4,7K ohm

Elektronica:

• Raspberry Pi 3B+ met motor-HOED
• 8 GB SD-kaart
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 x 20x4 i2C LCD's
• 22AWG gevlochten aansluitdraden
• Dupont-connectorkit
• Adafruit SGP30 luchtkwaliteitssensor met eCO2

Gereedschap:

• Soldeerbout
• Soldeer kit
• Helpende handen
• Krimp- en stripgereedschap voor draden
• Schroevendraaiers
• Koffie (voor meneer Regini)

Stap 1: Stap 1: Het frame construeren

Het frame wordt geconstrueerd met lichtgewicht 1 80/20 t kanaal aluminium extrusies. Het zal bij elkaar worden gehouden met aluminium ellebooggewrichten en t moeren. Naast het laag houden van het gewicht, zullen de kanalen fungeren als geleidingspaden voor ons water lijnen en bedrading.

De kubus rust op een reeks rails die is uitgerust met glijdende verbindingen waarmee de kubus uit een muur kan worden gehaald om niet alleen de voorkant, maar ook beide zijkanten bloot te leggen. De inspiratie hiervoor kwam van een van onze studenten die nadacht over het kruidenrek in zijn keukenkastjes thuis.

Met behulp van eenvoudige scharnieren hebben de voor- en zijkanten deuren die open kunnen zwaaien wanneer de kubus op zijn rails wordt uitgetrokken. In gesloten toestand worden ze op hun plaats gehouden door magneten. Alle 6 panelen van deze kubus zijn verwijderbaar omdat alle vlakken ook door magneten op hun plaats worden gehouden. Het doel van deze ontwerpkeuze was om gemakkelijke toegang te bieden tot alle oppervlakken voor zaaien, plantonderhoud, gegevensverzameling, oogst en reiniging/reparaties.

U kunt ons ontwerp voor de panelen in de volgende stap bekijken.

Stap 2: Stap 2: De kweekmuren construeren

Het eerste element waar we aan dachten, waren de materialen die we voor de muren zelf moesten gebruiken. We wisten dat ze licht van gewicht moesten zijn, maar sterk genoeg om de planten te ondersteunen. Wit gegolfd plastic werd gekozen boven helder acryl, hoewel we dol waren op de foto's van V. E. G. G. I. E waar we de planten binnen konden zien. De reden voor deze beslissing was omdat het meeste zicht zou worden belemmerd door de plantkanalen, en we wilden zoveel mogelijk van het licht van onze LED's terugkaatsen. Deze logica kwam van het inspecteren van de eenheid die we kregen als onderdeel van onze GBE-deelname. Zoals vermeld in de vorige stap, worden deze platen met magneten aan het aluminium frame vastgehouden zodat ze gemakkelijk kunnen worden verwijderd.

Aan deze platen zijn drie kanalen met onopvallende NFT-groeirails bevestigd die we in ons hydrocultuurlab gebruiken. We houden van deze keuze omdat ze zijn gemaakt van dun PVC met hoezen die er gemakkelijk af kunnen schuiven voor het implanteren van de groeikussens. Alle groeimedia zitten in speciaal ontworpen kussens waarvan we zagen dat ze al in het ISS werden gebruikt toen we DIT ARTIKEL lazen. Alle panelen tussen de rails worden gecoat met verzilverde HVAC-isolatietape om de reflectiviteit van de kweeklampen te bevorderen.

Onze openingen zijn 1 3/4 en staan 6 inch uit elkaar in het midden. Dit zorgt voor 9 plantplaatsen op elk van de vier panelen van de kubus, wat een totaal van 36 planten oplevert. We hebben geprobeerd deze afstand zo consistent te houden met wat we rood hadden over Outredgeous sla. De kanalen zijn gefreesd met sleuven om onze vochtsensoren te accepteren die de bodemvochtigheid controleren en water uit de spuitpompen vragen. Hydratatie zal worden verdeeld over elk individueel plantkussen via een spruitstuk voor medische slangen dat aan deze pompen is bevestigd. Deze op een injectiespuit gebaseerde bewateringsmethode is iets dat we hebben onderzocht als een best practice voor zowel nauwkeurig water geven als het overwinnen van de uitdagingen van een omgeving met nul/microzwaartekracht. We zullen vertrouwen op capillariteit om het water te helpen verspreiden door het groeimedium.

Ten slotte wilden we een manier vinden om gebruik te maken van de grondplaat. We hebben een kleine lip aan de onderkant gemaakt waarop een kweekmat kan worden geplaatst om microgroenten te kweken. Van microgroenten is bekend dat ze bijna 40 keer meer essentiële voedingsstoffen bevatten dan hun volwassen tegenhangers. Deze zouden zeer gunstig kunnen zijn voor het dieet van de astronauten. Dit is een artikel dat onze studenten vonden over de voedingswaarde van microgroenten.

Stap 3: Stap 3: De planten water geven

We hebben in de vorige stap verwezen naar onze lineaire actuatorspuitpompen. Dit is verreweg ons favoriete onderdeel van deze build. NEMA 17-stappenmotoren gaan lineaire actuatoren aandrijven die de plunjer van twee 100cc-300cc-spuiten op het deksel van de kweekkubus indrukken. We hebben de motorbehuizingen, plunjeraandrijving en geleiderailinstallatie ontworpen met Fusion 360 na het bekijken van enkele geweldige open source-projecten op Hackaday. We volgden deze tutorial op de geweldige website van Adafruit om te leren hoe de motoren aan te drijven.

We wilden een manier vinden om de astronauten te bevrijden van de taak om water te geven. De steppers worden geactiveerd wanneer de planten binnen het systeem om hun eigen water vragen. Op verschillende plaatsen in de kweekkubus zijn 4 capacitieve vochtsensoren aangesloten op de plantenkussens. Elke plantplaats in het systeem heeft een gleuf om deze sensoren in hun kweekkanalen op te nemen. Hierdoor kan de plaatsing van deze sensoren door de astronauten worden gekozen en periodiek worden gewijzigd. Naast het maximaliseren van de efficiëntie waarmee water in het systeem wordt verdeeld, kan het ook visualiseren hoe elke plant zijn water verbruikt. Vochtdrempels kunnen door de astronauten worden ingesteld, zodat de bewatering naar behoefte kan worden geautomatiseerd. De spuiten zijn bevestigd aan het hoofdwaterverdeelstuk met Luer-lock-aansluitingen voor eenvoudig bijvullen. De kweekpanelen zelf maken gebruik van een soortgelijk verbindingsprotocol als de waterverdeler, zodat ze gemakkelijk van de kubus kunnen worden verwijderd.

De gegevens die door de sensoren worden verzameld, kunnen lokaal worden gelezen op een 20x4 LCD-scherm dat aan het deksel is bevestigd of op afstand waar ze worden verzameld, weergegeven en in een grafiek worden weergegeven door de systeemintegratie met Cayenne- of Adafruit IO IoT-platforms. De Arduino stuurt zijn gegevens naar de ingebouwde Raspberry Pi met behulp van een USB-kabel, die vervolgens zijn weg vindt naar internet met behulp van de WiFi-kaart van de Pi. Op deze platforms kunnen waarschuwingen worden ingesteld om de astronauten op de hoogte te stellen wanneer een van onze systeemvariabelen hun vooraf ingestelde drempelwaarden heeft verlaten.

Stap 4: Stap 4: het slimme deksel met verlichting en ventilatorregeling

Het deksel van onze kweekkubus fungeert als het brein van de hele operatie en biedt ook de behuizing voor kritieke kweekelementen. Vanaf de onderkant van het deksel strekt zich een 3D-geprinte LED-behuizing uit die licht geeft voor elk van de kweekwandplaten en de micro-groenmat op de bodem van boven verlicht. Dit is opnieuw ontworpen in Fusion 360 en afgedrukt op onze MakerBot. Elke lichtbaan bevat 3 LED-strips die worden afgeschermd door een holle steun. Deze steun is verzilverd met HVAC-isolatietape om de reflectiviteit te maximaliseren. De bedrading loopt door een centrale holle kolom om toegang te krijgen tot stroom en gegevens op de bovenkant van het deksel. De grootte van deze behuizing is gekozen om een voetafdruk te hebben waarmee de planten eromheen een maximale hoogte van 8 inch kunnen bereiken. Dit aantal bleek een gemiddelde hoogte te zijn van volwassen Outredgeous-sla die we kweken in onze verticale hydrocultuurtuinen in ons laboratorium. Ze kunnen wel 30 cm lang worden, maar we dachten dat astronauten hierop zouden grazen terwijl ze groeien, waardoor dit een groeikubus is die je er weer uit kunt halen.

De neopixels die we gebruiken zijn individueel adresseerbaar, wat betekent dat we het kleurenspectrum dat ze uitzenden kunnen regelen. Dit kan worden gebruikt om de lichtspectra te wijzigen die de planten ontvangen tijdens verschillende stadia van hun groei of van soort tot soort. De schilden waren bedoeld om indien nodig verschillende lichtomstandigheden op elk van de muren mogelijk te maken. We begrijpen dat dit geen perfecte opstelling is en dat de lampen die we gebruiken technisch gezien geen kweeklampen zijn, maar we vonden dat het een mooi proof of concept was.

De bovenkant van het deksel bevat twee 5 inch 12V-koelventilatoren die gewoonlijk worden gebruikt om de temperatuur van computertorens te regelen. We hebben het zo ontworpen dat de ene lucht in het systeem duwt terwijl de andere als luchtafzuiging fungeert. Ze zijn beide bedekt met een fijnmazig scherm om ervoor te zorgen dat er geen vuil naar buiten wordt getrokken en in de ademomgeving van de astronaut terechtkomt. De ventilatoren worden uitgeschakeld wanneer een van de magnetische reed-schakelaars die aan de deuren zijn bevestigd, open is om onbedoelde luchtverontreiniging te voorkomen. De snelheid van de ventilatoren wordt geregeld via PWM met behulp van de Motor HAT op de Raspberry pi. Ventilatoren kunnen voorwaardelijk worden versneld of vertraagd op basis van temperatuur- of vochtigheidswaarden die naar de Pi worden gevoerd door de ingebouwde DHT22-sensor in de kubus. Deze meetwaarden kunnen weer lokaal op een LCD of op afstand worden bekeken op hetzelfde IoT-dashboard als de vochtsensoren.

Bij het nadenken over fotosynthese wilden we ook rekening houden met de CO2-niveaus en de algehele luchtkwaliteit in de kweekkubus. Hiertoe hebben we een SGP30-sensor toegevoegd om zowel eCO2 als totale VOC's te controleren. Ook deze worden voor visualisatie naar de LCD's en het IoT-dashboard gestuurd.

U zult ook zien dat ons paar spuitpompen langs de zijkant van het deksel zijn gemonteerd. Hun buizen zijn naar beneden gericht langs de verticale kanalen van het aluminium extrusie-draagframe.

Stap 5: Afsluitende gedachten en toekomstige iteraties

We hebben Wolverine ontworpen met behulp van de kennis die we hebben opgedaan in onze tijd samen voedsel te verbouwen. We automatiseren onze tuinen al enkele jaren en dit was zo'n geweldige kans om dit toe te passen op een unieke technische taak. We begrijpen dat ons ontwerp een bescheiden begin heeft, maar we kijken ernaar uit om mee te groeien.

Een aspect van de build dat we niet voor de deadline konden voltooien, was het vastleggen van afbeeldingen. Een van onze studenten heeft geëxperimenteerd met de Raspberry Pi-camera en OpenCV om te kijken of we de detectie van plantgezondheid kunnen automatiseren door middel van machine learning. We wilden op zijn minst een manier hebben om de planten te zien zonder de deuren te hoeven openen. Het idee was om een pan-tilt-mechanisme op te nemen dat rond de onderkant van het bovenpaneel kon draaien om afbeeldingen van elke kweekmuur vast te leggen en deze vervolgens af te drukken naar het Adafruit IO-dashboard voor visualisatie. Dit zou ook kunnen zorgen voor een aantal echt coole time-lapses van de groeiende gewassen. We veronderstellen dat dit slechts een onderdeel is van het technische ontwerpproces. Er zal altijd werk aan de winkel zijn en verbeteringen mogelijk. Heel erg bedankt voor de mogelijkheid om deel te nemen!