Navio de filtragem autônomo Arduino: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Neste Instructable, estarei mostrando a vocês como projetei e fiz minha proposta de solução para o problema atual das Algas Vermelhas nas águas da Costa do Golfo. Para este projeto, eu queria projetar uma nave totalmente autônoma e movida a energia solar que pudesse navegar pelos cursos d'água e, usando um sistema de filtragem natural a bordo, pudesse filtrar o excesso de nutrientes e toxinas das algas Dinoflagelados e Karena Brevis. Este projeto foi criado para mostrar como a tecnologia pode ser usada para ajudar a corrigir alguns de nossos problemas ambientais atuais. Infelizmente, ele não ganhou nenhum prêmio ou vaga na feira de ciências de minha pequena cidade local, mas ainda assim gostei da experiência de aprendizado e espero que outra pessoa possa aprender algo com meu projeto.

Etapa 1: Pesquisa

É claro que, a qualquer momento que você vai resolver um problema, você precisa fazer alguma pesquisa. Eu tinha ouvido falar sobre este problema através de uma notícia online e isso me interessou em projetar uma solução para aquele problema ambiental. Comecei pesquisando exatamente o que era o problema e o que o estava causando. Aqui está uma seção do meu artigo de pesquisa mostrando o que descobri durante minha pesquisa.

A Maré Vermelha é um problema anual crescente para as águas da Flórida. Maré Vermelha é um termo comum usado para um grupo grande e concentrado de algas que cresce esporadicamente devido ao aumento dos nutrientes disponíveis. Atualmente, a Flórida está enfrentando um rápido aumento no tamanho da Maré Vermelha, o que está causando uma preocupação crescente com a segurança da fauna aquática da área, bem como de quaisquer indivíduos que possam entrar em contato com ela. A Maré Vermelha é mais comumente composta por uma espécie de algas conhecidas como dinoflagelados. Os dinoflagelados são protistas unicelulares que produzem toxinas como brevetoxinas e ictiotoxinas, altamente tóxicas para a vida marinha e terrestre que entram em contato com elas. Os dinoflagelados se reproduzem assexuadamente por meio da mitose, a divisão de uma célula produzindo uma cópia exata. Os dinoflagelados se alimentam de outros protistas na água como o de Chysophyta, a forma mais comum de algas não tóxicas. Os dinoflagelados também se reproduzem assexuadamente, fazendo com que seu número cresça rapidamente quando n novos nutrientes são introduzidos.

A principal causa de seu rápido aumento de alimentos é devido à introdução de grandes quantidades de nutrientes que são lavados das fazendas durante as tempestades e carregados para a costa do oceano por rios e riachos próximos. Devido à alta dependência de fertilizantes feitos pelo homem para a agricultura, a quantidade de nutrientes disponíveis nas fazendas vizinhas é maior do que nunca. Sempre que há uma tempestade na maior parte do país oriental, essa chuva lava muitos desses fertilizantes da superfície do solo e os leva para os riachos e riachos circundantes. Esses riachos eventualmente são coletados em rios combinando todos os nutrientes coletados em um grande grupo que é despejado no Golfo do México. Esta grande coleção de nutrientes não é uma ocorrência natural para a vida marinha presente, razão pela qual resulta em um crescimento incontrolável de algas. Como a principal fonte de alimento dos dinoflagelados, o rápido aumento de algas fornece uma grande fonte de alimento para uma forma de vida de rápido crescimento.

Esses grandes grupos de dinoflagelados produzem produtos químicos tóxicos conhecidos por matar a maioria da vida aquática que entra em contato com eles. De acordo com a WUSF, uma estação de notícias local da Flórida, na florada de 2018 havia 177 mortes confirmadas de peixes-boi na Maré Vermelha, bem como outras 122 mortes suspeitas de estarem relacionadas. Dos 6.500 peixes-boi esperados nas águas da Flórida e de Porto Rico, este é um grande impacto na sobrevivência desta espécie, e esse é apenas o impacto em uma espécie. O Red Tide também é conhecido por causar problemas respiratórios para aqueles que estiveram nas proximidades de qualquer uma das flores. Como a Maré Vermelha cresce nos canais de algumas cidades litorâneas, esse é um risco de segurança óbvio para quem vive nessas comunidades. A toxina Dinophysis, produzida pelas Marés Vermelhas, também é conhecida por infectar comumente as populações locais de moluscos, resultando em envenenamento diarrético de moluscos, ou DSP, naqueles que comeram moluscos infectados. Felizmente, não é conhecido por ser fatal, mas pode resultar em problemas digestivos para a vítima. No entanto, outra toxina produzida por algumas Marés Vermelhas, Gonyaulax ou Alexandrium, também pode infectar moluscos em águas contaminadas com as marés. Comer moluscos contaminados com essas toxinas causa envenenamento paralítico de moluscos, ou PSP, que nos piores casos resultou em insuficiência respiratória e morte dentro de 12 horas após a ingestão."

Etapa 2: Minha solução proposta

Citação do meu artigo de pesquisa

Minha solução proposta é construir um navio marinho totalmente autônomo movido a energia solar que apresenta um sistema de filtração natural de micropartículas a bordo. Todo o sistema será alimentado por painéis solares a bordo e impulsionado por dois motores dutos sem escovas em uma configuração de vetorização de empuxo. O sistema de filtração será usado para filtrar o excesso de nutrientes e dinoflagelados à medida que navega autonomamente nas hidrovias. A embarcação também será usada como um sistema de transporte para a comunidade local. Comecei pesquisando o problema e como esse problema começou. Aprendi que as ondas de maré vermelha foram causadas por grandes quantidades de nutrientes, como nitrogênio, nas águas locais. Depois que descobri o que estava causando o problema, pude começar a pensar em uma solução que pudesse ajudar a diminuir o tamanho das marés vermelhas anuais.

Minha ideia era uma embarcação semelhante em tamanho e forma a um pontão. Este vaso teria um skimmer entre os dois pontões que levaria a água que entrava através de um filtro de malha para remover partículas grandes e, em seguida, através de um filtro de membrana permeável que removeria as micropartículas de nitrogênio presentes. A água filtrada então fluiria para fora da parte traseira do barco através do skimmer oposto. Eu também queria que este navio fosse totalmente elétrico, para que fosse silencioso, além de mais seguro, com menos chance de vazar qualquer líquido tóxico nas águas circundantes. Haveria vários painéis solares no navio, bem como um controlador de carga com um pacote de íons de lítio para armazenar qualquer excesso de energia para uso posterior. Meu último objetivo era projetar a embarcação de forma que pudesse ser usada para transporte público para a comunidade local. Com todas essas opções de design em mente, comecei a esboçar várias idéias no papel para tentar resolver quaisquer problemas em potencial."

Etapa 3: Desinging

Assim que tirei minha pesquisa do caminho, tive uma ideia muito melhor do problema e do que o estava causando. Em seguida, passei para o brainstorming e o design. Passei vários dias pensando em várias maneiras diferentes de resolver esse problema. Depois de ter algumas ideias decentes, passei a esboçá-las no papel para tentar resolver algumas falhas de design antes de passar para o CAD. Depois de mais alguns dias de rascunho, criei uma lista de peças que queria usar no design. Usei todos os meus prêmios ganhos na feira de ciências dos anos anteriores e um pouco mais para comprar as peças e os filamentos de que precisava para criar o protótipo. Acabei usando um Node MCU para o microcontrolador, dois painéis solares de 18 V para as fontes de energia propostas, dois sensores ultrassônicos para os recursos autônomos, 5 resistores de foto para determinar a iluminação ambiente, algumas faixas de LED branco de 12 V para iluminação interior, 2 LED RGB tiras para iluminação direcional, 3 relés para controlar LEDS e o motor brushless, um motor brushless 12V e ESC, uma fonte de alimentação 12V para alimentar o protótipo e várias outras peças pequenas.

Assim que a maioria das peças chegou, comecei a trabalhar no modelo 3D. Usei o Fusion 360 para projetar todas as peças deste barco. Comecei projetando o casco do barco e depois fui para cima, projetando cada parte à medida que avançava. Depois de projetar a maioria das peças, coloquei todas em uma montagem para ter certeza de que se encaixariam uma vez que fossem fabricadas. Após vários dias de design e ajustes, finalmente chegou a hora de começar a imprimir. Imprimi o casco em 3 peças diferentes no meu Prusa Mk3s e imprimi os suportes solares e as capas do casco nos meus CR10s. Depois de mais alguns dias, todas as peças foram impressas e eu pude finalmente começar a montá-las. Abaixo está outra seção do meu artigo de pesquisa, onde falo sobre o projeto do barco.

“Assim que tive uma boa ideia do design final, passei para o Desenho Assistido por Computador ou CAD, que é um processo que pode ser feito usando muitos softwares disponíveis hoje. Usei o software Fusion 360 para projetar as peças que precisaria fabricar para o meu protótipo. Eu projetei todas as peças para este projeto primeiro e, em seguida, montei-as em um ambiente virtual para tentar resolver quaisquer problemas antes de começar a imprimir as peças. Depois de ter uma montagem 3D finalizada, mudei para projetar os sistemas elétricos necessários para este protótipo. Eu queria que meu protótipo fosse controlável por meio de um aplicativo personalizado no meu smartphone. Para minha primeira parte, escolhi o microcontrolador Node MCU. O Node MCU é um microcontrolador construído em torno do popular ESP8266 Chip Wifi. Esta placa me dá a capacidade de conectar dispositivos externos de entrada e saída a ela que podem ser controlados remotamente por meio de sua interface Wifi. Depois de encontrar o controlador principal para o meu projeto, passei a escolher o outro pa rts seriam necessários para o sistema elétrico. Para alimentar a embarcação, escolhi dois painéis solares de 18 volts que mais tarde seriam ligados em paralelo para fornecer uma saída de 18 volts junto com o dobro da corrente de uma célula solar individual devido à fiação em paralelo. A saída dos painéis solares vai para um controlador de carregamento. Este dispositivo pega a voltagem de saída flutuante dos painéis solares e a suaviza para uma saída de 12 volts mais constante. Isso então vai para o sistema de gerenciamento de bateria, ou BMS, para carregar as 6.18650 células lipo conectadas com dois conjuntos de três células conectadas em paralelo e, em seguida, em série. Esta configuração combina a capacidade de 4,2 volts do 18650 em um pacote de capacidade de 12,6 volts com três células. Com a fiação de outras três células em paralelo com o pacote anterior, a capacidade total é duplicada, dando-nos uma bateria de 12,6 volts com capacidade de 6,500 mAh.

Este pacote de bateria pode produzir doze volts para a iluminação e motores sem escovas. Usei um inversor redutor para criar uma saída de cinco volts para o conjunto eletrônico de baixa potência. Usei então três relés, um para ligar e desligar as luzes internas, um para mudar a cor das luzes externas e outro para ligar e desligar o motor brushless. Para a medição de distância, usei dois sensores ultrassônicos, um frontal e outro traseiro. Cada sensor envia um pulso ultrassônico e pode ler quanto tempo leva para o pulso retornar. A partir disso, podemos descobrir a que distância um objeto está à frente da embarcação, calculando o atraso no sinal de retorno. No topo do navio eu tinha cinco fotoresistores para determinar a quantidade de luz presente no céu. Esses sensores mudam sua resistência com base na quantidade de luz presente. A partir desses dados, podemos usar um código simples para calcular a média de todos os valores e, quando os sensores lerem um valor médio de luz baixa, as luzes internas serão acesas. Depois de descobrir quais eletrônicos eu usaria, comecei a imprimir em 3D as peças que havia projetado anteriormente. Imprimi o casco do barco em três peças para caber na minha impressora principal. Enquanto eles estavam imprimindo, passei a imprimir os suportes solares e o deck em outra impressora. Cada peça demorou cerca de um dia para imprimir, então, no total, foram cerca de 10 dias de impressão 3D direta para obter todas as peças de que eu precisava. Depois de terminar a impressão, montei-os em partes menores. Em seguida, instalei componentes eletrônicos, como painéis solares e LEDs. Depois que os componentes eletrônicos foram instalados, liguei todos eles e terminei de montar as peças impressas. Em seguida, passei a projetar um suporte para o protótipo. Este suporte também foi projetado em CAD e posteriormente cortado em madeira MDF na minha máquina CNC. Usando o CNC, consegui cortar as ranhuras necessárias no painel frontal para conectar os componentes eletrônicos da cortina. Em seguida, montei o protótipo na base e a montagem física foi concluída. Agora que o protótipo foi totalmente montado, comecei a trabalhar no código para o NodeMCU. Este código é usado para informar ao NodeMCU quais partes estão conectadas a quais pinos de entrada e saída. Ele também informa à placa com qual servidor entrar em contato e a qual rede Wifi se conectar. Com esse código, consegui controlar certas partes do protótipo do meu telefone usando um aplicativo. Isso se assemelha a como o projeto final seria capaz de contatar a docking station principal para receber as coordenadas de sua próxima parada, além de outras informações, como a localização das outras embarcações e a previsão do tempo para aquele dia”.

Etapa 4: montagem (finalmente !!)

Ok, agora estamos na minha parte favorita, a montagem. Eu amo construir coisas, então finalmente ser capaz de colocar todas as partes juntas e ver os resultados finais me deixou muito animado. Comecei juntando todas as peças impressas e colei-as com super cola. Em seguida, instalei os componentes eletrônicos, como luzes e painéis solares. Nesse ponto, percebi que não haveria nenhuma maneira de colocar todos os meus aparelhos eletrônicos dentro dessa coisa. Foi então que tive a ideia de fazer CNC um suporte para o barco para deixá-lo um pouco melhor e também para me dar um local para esconder toda a eletrônica. Desenhei o suporte em CAD e recortei-o no meu Bobs CNC E3 em MDF de 13 mm. Em seguida, aparafusei e apliquei uma camada de tinta spray preta. Agora que eu tinha um lugar para colocar todos os meus aparelhos eletrônicos, continuei com a fiação. Eu conectei tudo e instalei o Node MCU (praticamente um Arduino Nano com WiFi integrado) e certifiquei-me de que tudo estava ligado. Depois disso, embrulhei a montagem e até usei o cortador a laser da minha escola para cortar as grades de segurança com algumas gravações legais, obrigado novamente Mr. Z! Agora que tínhamos um protótipo físico acabado, era hora de adicionar um pouco de mágica com a codificação.

Etapa 5: a codificação (também conhecida como a parte difícil)

Para a codificação, usei o IDE do Arduino para escrever um código bem simples. Usei o esboço básico do Blynk como um iniciador para, mais tarde, ser capaz de controlar algumas das partes do aplicativo Blynk. Assisti a muitos vídeos no YouTube e li muitos fóruns para fazer isso funcionar. No final, não consegui descobrir como controlar o motor brushless, mas fiz todo o resto funcionar. No aplicativo, você poderia mudar a direção da nave, o que mudaria as cores dos LEDS vermelho / verde, ligaria / desligaria as luzes internas e obteria uma alimentação de dados ao vivo de um dos sensores ultrassônicos na frente da tela. Eu definitivamente relaxei nessa parte e não fiz tanto no código quanto eu queria, mas ainda acabou sendo um recurso interessante.

Etapa 6: Produto Final

Está feito! Eu tenho tudo montado e funcionando um pouco antes das datas da feira de ciências. (Procrastinador estereotipado) Fiquei muito orgulhoso do produto final e mal podia esperar para compartilhá-lo com os jurados. Eu não tenho muito mais a dizer aqui, então vou deixar que eu explique melhor. Aqui está a seção de conclusão do meu artigo de pesquisa.

“Depois de criadas as embarcações e as estações de atracação, a solução está em andamento. A cada manhã, as embarcações iniciavam suas rotas pelos cursos d'água. Algumas podem passar pelos canais das cidades, enquanto outras percorrem os pântanos ou linhas do oceano. Enquanto as embarcações está passando por seu percurso, o skimmer de filtragem ficará para baixo, permitindo que os filtros comecem seu trabalho. O skimmer irá direcionar as algas flutuantes e os detritos para o canal de filtragem. Uma vez lá dentro, a água é primeiro passada por um filtro de malha para remover partículas e detritos da água. O material removido será mantido lá até que a câmara seja preenchida. Após a água passar pelo primeiro filtro, ela passa pelo filtro de membrana permeável. Este filtro usa pequenos orifícios permeáveis para permitir apenas água permeável, deixando para trás materiais impermeáveis. Este filtro é usado para extrair o material fertilizante impermeável, bem como o excesso de nutrientes do crescimento de algas. A água filtrada r então flui pela parte de trás do barco de volta ao curso d'água onde o barco está sendo filtrado.

Quando um navio chega à sua estação de atracação designada, ele puxa para o cais. Depois de totalmente ancorado, dois braços se prenderão à lateral do barco para mantê-lo firmemente no lugar. Em seguida, um tubo subirá automaticamente sob o barco e se conectará a cada porta de descarte de resíduos. Uma vez presa, a porta será aberta e uma bomba será ligada, sugando o material coletado para fora do barco e para a estação de ancoragem. Enquanto tudo isso acontece, os passageiros terão permissão para embarcar no navio e encontrar seus assentos. Assim que todos estiverem a bordo e os recipientes de lixo esvaziados, a embarcação será liberada da estação e partirá em outra rota. Após o lixo ter sido bombeado para a estação de acoplamento, ele será peneirado novamente para remover grandes detritos como gravetos ou lixo. Os entulhos removidos serão armazenados em contêineres para posterior reciclagem. As demais algas peneiradas serão levadas para a estação central de atracação para serem processadas. Quando cada docking station menor encher seu armazenamento de algas, um trabalhador virá para transportar as algas para a estação principal, onde será refinado em um biodiesel. Este biodiesel é uma fonte renovável de combustível e também uma forma lucrativa de reciclar os nutrientes coletados.

À medida que os barcos continuam a filtrar a água, o conteúdo de nutrientes será reduzido. Essa redução na quantidade excessiva de nutrientes levará a florações menores a cada ano. À medida que os níveis de nutrientes continuam caindo, a qualidade da água será monitorada extensivamente para garantir que os nutrientes permaneçam em um nível constante e saudável, necessário para um ambiente próspero. Durante o inverno, quando o escoamento do fertilizante não é tão potente quanto na primavera e no verão, os barcos serão capazes de controlar a quantidade de água que está sendo filtrada para garantir que haja sempre uma quantidade saudável de nutrientes disponíveis. Conforme os barcos percorrem as rotas, mais e mais dados serão coletados para determinar com mais eficiência as fontes de escoamento de fertilizantes e os horários de preparação para níveis mais elevados de nutrientes. Usando esses dados, um cronograma eficiente pode ser criado para se preparar para a flutuação provocada pelas estações agrícolas."