Hackeie o Cubo de Crescimento de Wolverine do Hollow para a ISS: 5 etapas

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

Somos uma escola secundária de West Hollow de Long Island, NY. Somos aspirantes a engenheiros que nos encontramos uma vez por semana em um clube chamado Hack the Hollow, no qual projetamos, codificamos e construímos uma série de projetos Maker. Você pode conferir todos os projetos em que trabalhamos AQUI. Nosso foco principal tem sido estudar o futuro da robótica alimentar e ambiental. Montamos e mantivemos uma fazenda hidropônica vertical automatizada na parte de trás de nosso laboratório de ciências com nosso professor, Sr. Regini. Também participamos do programa GBE nos últimos dois anos. Sabemos que esse desafio envolvia alunos do ensino médio, mas estávamos muito animados para esperar mais dois anos para apresentá-los ao Wolverine, que leva o nome do mascote da nossa escola. Isso é o que fazemos!

Neste projeto, você encontrará muitas das coisas que adoramos usar, incluindo Arduino, Raspberry Pi e todos os itens eletrônicos que os acompanham. Também gostamos de usar o Fusion 360 como um avanço do TinkerCad para projetar o cubo. Este projeto foi uma oportunidade perfeita para abrir os dentes em algumas novas plataformas do fabricante. Fomos divididos em equipes de design, cada uma tendo que se concentrar em um aspecto do Grow Cube. Nós dividimos em moldura, tampa e placa de base, iluminação, paredes de cultivo, água, ventiladores e sensores ambientais. Fizemos links em nossa lista de suprimentos para todos os materiais que estamos usando, se você precisar de ajuda para visualizar as peças que são discutidas nas etapas a seguir. Esperamos que você goste!

Suprimentos

Quadro:

• 1 "extrusões de alumínio 80/20
• Tee porcas
• Suportes
• Dobradiças
• Articulações de planador compatíveis com o canal T
• Tubo compatível com canal T e guias de fio
• Ímãs para manter as portas fechadas
• 3 x chaves reed magnéticas

Crescer Paredes:

• Canais NFT de baixo perfil Farm Tech
• Capas de canal NFT
• Folhas de plástico ondulado
• Ímãs para manter os canais removíveis no lugar

Tampa:

• Folha de plástico ondulado
• Luminária fluorescente LED impressa em 3D (Fusion 360)
• Suportes de plástico e hardware para eletrônicos

Iluminação:

• Tiras de neopixel endereçáveis de Adafruit (60LED / m)
• Conectores neopixel
• Clipes de neopixel
• 330uF, capacitor de desacoplamento de 35V
• Resistor de 1K ohm
• Fita de folha de alumínio HVAC prateada
• Conversor Buck

Água: (nosso recurso favorito):

• 2 x motores de passo Nema 17
• Adafruit Stepper Shield para Arduino
• Bomba de seringa com atuador linear impresso em 3D (Fusion 360)
• 2 x seringas de 100-300mL
• Tubulação com conexões Luer lock e juntas em T / cotovelo
• 2 parafusos de chumbo T8 de 300 mm x 8 mm e porcas
• 2 x acoplador voado
• 2 x blocos de rolamento de almofada
• 4 x 300 mm x 8 mm guias de eixo de haste de movimento linear
• Rolamentos lineares 4 x 8 mm LM8UU
• 4 x sensores de umidade de resistência capacitiva DF Robot para monitorar bombas de seringa e solo

Circulação de ar:

• 2 x 5 "ventiladores de 12 V
• Tampas de filtro de ventoinha de 5"
• 2 x transistores Darlington TIP120 e dissipadores de calor
• Fonte de alimentação 12V
• Adaptador de conexão de conector cilíndrico de montagem em painel
• 2 resistores de 1K ohm
• 2 x diodos flyback
• 2 x 330uF, capacitores de desacoplamento eletrolítico de 35V
• Sensor de temperatura e umidade DHT22 com resistor de 4,7 K ohm

Eletrônicos:

• Raspberry Pi 3B + c / chapéu de motor
• Cartão SD de 8GB
• Arduino Mega
• Adafruit perma-proto breadboard
• 2 x 20x4 LCDs i2C
• Fios de conexão trançados 22AWG
• Kit de conectores Dupont
• Sensor de qualidade do ar Adafruit SGP30 com eCO2

Ferramentas:

• Ferro de solda
• Kit de solda
• Mãos que ajudam
• Ferramentas de crimpagem e decapagem para fios
• Chaves de fenda
• Café (para o Sr. Regini)

Etapa 1: Etapa 1: Construindo a Estrutura

A estrutura será construída com extrusões de alumínio leves de canal de 1 80/20 t. Será mantida em conjunto com juntas de cotovelo de alumínio e porcas t. Além de manter o peso baixo, os canais funcionarão como caminhos de guia para nossa água linhas e fiação.

O cubo ficará apoiado sobre um conjunto de calhas dotadas de juntas deslizantes que permitirão que o cubo seja extraído de uma parede para expor não só a sua face frontal, mas também ambas as suas faces. A inspiração para isso veio de um de nossos alunos pensando sobre a prateleira de temperos em seus armários de cozinha em casa.

Usando dobradiças simples, a frente e as laterais terão portas que podem se abrir quando o cubo é puxado para fora dos trilhos. Eles são mantidos no lugar por ímãs quando fechados. Todos os 6 painéis deste cubo são removíveis, já que todas as faces são mantidas no lugar por ímãs também. O objetivo desta escolha de projeto foi conceder acesso fácil a todas as superfícies para semeadura, manutenção da planta, coleta de dados, colheita e limpeza / reparos.

Você pode ver nosso design para os painéis na próxima etapa.

Etapa 2: Etapa 2: Construindo as paredes de cultivo

O primeiro elemento em que pensamos foram os materiais a serem usados nas próprias paredes. Sabíamos que eles precisavam ser leves, mas fortes o suficiente para suportar as plantas. O plástico corrugado branco foi escolhido em vez do acrílico transparente, embora tenhamos adorado as fotos de V. E. G. G. I. E, onde pudemos ver as plantas dentro. A razão para essa decisão foi porque a maior parte da visão seria obstruída pelos canais da planta e queríamos refletir de volta o máximo possível da luz de nossos LEDs. Essa lógica veio da inspeção da unidade que fomos enviados como parte da nossa participação no GBE. Conforme afirmado na etapa anterior, essas placas são presas à moldura de alumínio com ímãs para que possam ser facilmente removidas.

Ligados a essas placas estão três canais de trilhos de crescimento NFT de baixo perfil que usamos em nosso laboratório de hidroponia. Gostamos dessa escolha porque eles são construídos em PVC fino com capas que deslizam facilmente para a implantação das almofadas de crescimento. Todos os meios de cultivo estarão contidos em almofadas especialmente projetadas que vimos já estarem sendo usadas na ISS quando lemos ESTE ARTIGO. Todos os painéis entre os trilhos serão revestidos com fita isolante HVAC prateada para promover a refletividade das luzes de crescimento.

Nossas aberturas são de 1 3/4 e espaçadas por 6 polegadas no centro. Isso permite 9 locais de plantio em cada um dos quatro painéis do cubo, resultando em um total de 36 plantas. Tentamos manter esse espaçamento consistente com o que tínhamos em vermelho sobre alfaces outredgeous. Os canais são fresados com ranhuras para aceitar nossos sensores de umidade que monitorarão a umidade do solo e solicitarão água das bombas de seringa. A hidratação será distribuída para cada travesseiro de planta individual por meio de um coletor de irrigação de tubo médico conectado a essas bombas. Este método de rega com base em seringa é algo que pesquisamos como uma prática recomendada tanto para rega de precisão quanto para superar os desafios de um ambiente de zero / microgravidade. A tubulação entrará na base do travesseiro da planta para promover o crescimento da raiz em direção ao exterior de o cubo. Contaremos com a capilaridade para ajudar a difusão da água por todo o meio de cultivo.

Por fim, queríamos encontrar uma maneira de usar a placa de base. Criamos um pequeno lábio na face inferior que aceitaria um tapete de cultivo para cultivar micro-verdes. Micro-verdes são conhecidos por terem quase 40 vezes mais nutrientes vitais do que suas contrapartes maduras. Isso pode ser muito benéfico para a dieta dos astronautas. Este é um artigo que nossos alunos descobriram sobre o valor nutricional dos micrverduras.

Etapa 3: Etapa 3: Regar as plantas

Referenciamos nossas bombas de seringa com atuador linear na etapa anterior. Esta é de longe a nossa parte favorita desta construção. Os motores de passo NEMA 17 irão acionar atuadores lineares que irão pressionar o êmbolo de duas seringas 100cc-300cc na tampa do cubo de crescimento. Projetamos os alojamentos do motor, acionador de êmbolo e equipamento de trilho guia usando Fusion 360 depois de verificar alguns grandes projetos de código aberto no Hackaday. Seguimos este tutorial no incrível site da Adafruit para aprender como dirigir os motores.

Queríamos encontrar uma maneira de libertar os astronautas da tarefa de regar. Os steppers são ativados quando as plantas do sistema pedem sua própria água. 4 sensores capacitivos de umidade são plugados nas almofadas da planta em vários locais ao longo do cubo de cultivo. Cada local de plantio no sistema tem um slot para aceitar esses sensores fresados em seus canais de cultivo. Isso permite que a colocação desses sensores seja escolhida e trocada periodicamente pelos astronautas. Além de maximizar a eficiência com que a água é distribuída no sistema, permitirá a visualização de como cada planta está consumindo sua água. Os limites de umidade podem ser definidos pelos astronautas para que a rega possa ser automatizada de acordo com suas necessidades. As seringas são fixadas ao coletor de rega principal com conexões Luer lock para facilitar o reabastecimento. Os próprios painéis de cultivo usam um protocolo de conexão semelhante ao coletor de irrigação para que possam ser facilmente removidos do cubo.

Os dados coletados pelos sensores podem ser lidos localmente em uma tela LCD 20x4 acoplada à tampa ou remotamente, onde são coletados, exibidos e representados graficamente pela integração do sistema com as plataformas Cayenne ou Adafruit IO IoT. O Arduino envia seus dados para o Raspberry Pi a bordo usando um cabo USB que, em seguida, faz seu caminho para a Internet usando o cartão WiFi do Pi. Alertas podem ser configurados nessas plataformas para notificar os astronautas quando qualquer uma das variáveis do nosso sistema tiver saído de seus valores de limite predefinidos.

Etapa 4: Etapa 4: a tampa inteligente com iluminação e controle do ventilador

A tampa do nosso cubo de cultivo atua como o cérebro de toda a operação, além de fornecer as caixas para os elementos de cultivo críticos. Estendendo-se para baixo a partir da parte inferior da tampa, está uma caixa de LED impressa em 3D que fornece luz para cada uma das placas de parede de cultivo, bem como iluminando o tapete de micro-verdes na parte superior. Isso foi novamente projetado no Fusion 360 e impresso em nosso MakerBot. Cada baia de luz contém 3 faixas de LED que são protegidas por um suporte côncavo. Este suporte é prateado com fita isolante HVAC para maximizar sua refletividade. A fiação sobe por uma coluna central oca para acessar energia e dados na parte superior da tampa. O tamanho desta caixa foi escolhido para ter uma pegada que permitisse às plantas que crescem ao redor atingir uma altura máxima de 20 centímetros. Este número foi encontrado para ser uma altura média de alfaces Outredgeous maduras que nós cultivamos em nossos jardins hidropônicos verticais em nosso laboratório. Eles podem atingir até 30 centímetros de altura, mas imaginamos que os astronautas estariam pastando neles à medida que crescem, tornando-o um cubo de crescimento recortado.

Os neopixels que usamos são endereçáveis individualmente, o que significa que podemos controlar o espectro de cores que eles emitem. Isso pode ser usado para modificar os espectros de luz que as plantas estão recebendo durante os diferentes estágios de seu crescimento ou de espécie para espécie. Os escudos foram concebidos para permitir diferentes condições de iluminação em cada uma das paredes, se necessário. Entendemos que esta não é uma configuração perfeita e que as luzes que estamos usando não são tecnicamente luzes de crescimento, mas achamos que era uma boa prova de conceito.

A parte superior da tampa abriga dois ventiladores de resfriamento de 12 V de 5 polegadas normalmente usados para controlar a temperatura de torres de computador. Nós o projetamos de forma que um empurre o ar para o sistema enquanto o outro atue como extração de ar. Ambos são cobertos com uma tela de malha fina para garantir que nenhum resíduo seja puxado para fora e para o ambiente de respiração do astronauta. Os ventiladores são desligados quando qualquer uma das chaves magnéticas acopladas às portas é aberta para evitar a contaminação involuntária do ar. A velocidade dos ventiladores é controlada por PWM usando o Motor HAT no Raspberry pi. Os ventiladores podem ser condicionalmente acelerados ou desacelerados com base nos valores de temperatura ou umidade fornecidos ao Pi pelo sensor DHT22 embutido no cubo. Essas leituras podem ser vistas novamente localmente em um LCD ou remotamente no mesmo painel de IoT que os sensores de umidade.

Ao pensar sobre a fotossíntese, também queríamos levar em consideração os níveis de CO2 e a qualidade geral do ar no cubo de cultivo. Para este fim, incluímos um sensor SGP30 para monitorar o eCO2, bem como o total de VOCs. Eles também são enviados aos LCDs e ao painel IoT para visualização.

Você também verá que nosso par de bombas de seringa são montadas ao longo da lateral da tampa. Sua tubulação é direcionada para baixo nos canais verticais da estrutura de suporte de extrusão de alumínio.

Etapa 5: pensamentos finais e iterações futuras

Projetamos Wolverine usando o conhecimento que adquirimos em nosso tempo de cultivo de alimentos juntos. Há vários anos que automatizamos nossos jardins e esta foi uma excelente oportunidade de aplicar isso a uma tarefa única de engenharia. Entendemos que nosso design teve um começo humilde, mas estamos ansiosos para crescer junto com ele.

Um aspecto da construção que não pudemos concluir antes do prazo foi a captura de imagens. Um de nossos alunos está testando a câmera Raspberry Pi e o OpenCV para ver se podemos automatizar a detecção da saúde da planta por meio do aprendizado de máquina. Queríamos, no mínimo, ter uma maneira de ver as plantas sem ter que abrir as portas. O pensamento era incluir um mecanismo pan-tilt que pudesse girar ao redor da parte inferior do painel superior para capturar imagens de cada parede de cultivo e depois imprimi-las no painel do Adafruit IO para visualização. Isso poderia causar alguns lapsos de tempo muito legais para as safras em crescimento também. Supomos que isso seja apenas parte do processo de projeto de engenharia. Sempre haverá trabalho a ser feito e melhorias a serem feitas. Muito obrigado pela oportunidade de participar!