Produtor de plantas de microgravidade "Disco Ball": 13 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-13 06:58

Olá leitores, este projeto é uma inscrição profissional para o concurso Growing Beyond Earth Maker.

Este projeto é uma prova de conceito para um projeto de plantadeira em potencial que poderia ser usado para plantar em microgravidade.

Com base nas regras do concurso, listei os requisitos do sistema,

1. O sistema deve caber em uma área de 50 cm ^ 3.
2. O sistema deve aproveitar as vantagens da microgravidade.
3. O sistema pode ser orientado em qualquer posição
4. O sistema pode ser fonte de energia externamente dos trilhos de energia internos da ISS.
5. O sistema deve automatizar grande parte do processo de crescimento com o mínimo de interação dos astronautas.

com as suposições acima, comecei a projetar o sistema.

Etapa 1: Proposta de Projeto

Para começar, desenhei um esboço de como pensei que o sistema poderia ser, A ideia inicial que tive era uma esfera suspensa no centro do ambiente de cultivo com iluminação montada na moldura ao redor.

A base desta caixa abrigaria a água e os eletrônicos.

Nesta fase, comecei a listar a classificação dos componentes potenciais de tal sistema,

1. Quadro - seria necessário selecionar um material de quadro adequado
2. Iluminação - que tipo de iluminação seria melhor? Tiras de LED?
3. Sensores - para que o sistema seja automatizado, ele precisa ser capaz de detectar coisas como umidade e temperatura.
4. Controle - O usuário precisaria de uma maneira de interagir com o MCU

O objetivo deste projeto é produzir uma prova de conceito, com base nas lições aprendidas, farei uma lista de trabalhos e desenvolvimentos futuros necessários para levar essa ideia adiante.

Etapa 2: Prova de conceito - BOM

O BOM (Bill of Materials) para este projeto custará aproximadamente £ 130 para fazer o pedido de tudo o que for necessário, desse custo cerca de £ 100 serão usados para fazer uma única unidade de cultivo de planta.

É provável que você tenha uma boa parte dos componentes eletrônicos reduzindo drasticamente o código.

Etapa 3: Eletrônica - Design

Usei o Fritzing para planejar os eletrônicos necessários para este projeto, As conexões devem ser feitas da seguinte forma,

LCD 16x2 I2C

1. GND> GND
2. VCC> 5V
3. SDA> A4 (Arduino)
4. SCL> A5 (Arduino)

Codificador giratório (D3 e D2 foram selecionados porque são os pinos de interrupção do Arduino Uno)

1. GND> GND
2. +> 5V
3. SW> D5 (Arduino)
4. DT> D3 (Arduino)
5. CLK> D2 (Arduino)

Sensor de temperatura DS18B20

1. GND> GND
2. DQ> D4 (Arduino, com 5V pull up de 4k7)
3. VDD> 5V

Sensor de umidade do solo

1. A> A0 (Arduino)
2. -> GND
3. +> 5V

Módulo de relé duplo

1. VCC> 5V
2. INC2> D12 (Arduino)
3. INC1> D13 (Arduino)
4. GND> GND

para os outros links, consulte o diagrama acima.

Etapa 4: Eletrônica - Montagem

Montei os eletrônicos conforme descrito no diagrama da página anterior, Usei o protoboard para fazer um escudo para o Arduino Uno, Para fazer isso, quebrei a placa para aproximadamente o tamanho do Uno e, em seguida, adicionei pinos de cabeçalho machos que se alinhavam com os cabeçotes fêmeas do Uno.

Se as conexões corresponderem ao diagrama anterior, o sistema deve funcionar corretamente, pode ser uma boa ideia fazer o layout das conexões de maneira semelhante a mim para simplificar.

Etapa 5: Software - Plano

A ideia geral para a funcionalidade do software é que o sistema faça um loop contínuo lendo os valores do sensor. Em cada ciclo, os valores serão exibidos no LCD.

O usuário poderá acessar o menu mantendo a chave rotativa pressionada; assim que isso for detectado, a IU do menu será aberta. O usuário terá algumas páginas disponíveis,

1. Iniciar bomba de água
2. Alternar estado do LED (ligado / desligado)
3. Alterar modo do sistema (automático / manual)
4. Sair do Menu

Se o usuário tiver selecionado o modo Automático, o sistema verificará se os níveis de umidade estão dentro do valor limite; se não estiverem, bombeará água automaticamente, aguardará um atraso fixo e verificará novamente.

Este é um sistema de automação básico, mas funcionará como um ponto de partida para desenvolvimentos futuros.

Etapa 6: Software - Desenvolvimento

Bibliotecas necessárias

• DallasTemperature
• LiquidCrystal_I2C-master
• OneWire

Notas de software

Este código é o primeiro rascunho do código que fornece a funcionalidade básica do sistema, incluindo

Consulte o Nasa_Planter_Code_V0p6.ino em anexo para obter a versão mais recente do código do sistema, Leituras de temperatura e umidade no visor.

Modo automático e modo manual - o usuário pode fazer com que o sistema bombeie água automaticamente em um limite de umidade

Calibração do sensor de umidade - O cont int de AirValue e WaterValue precisa ser preenchido manualmente, pois cada sensor será ligeiramente diferente.

Interface do usuário para controlar o sistema.

Etapa 7: Mecânica - Projeto (CAD)

Para projetar este sistema eu usei o Fusion 360, a montagem final pode ser visualizada / baixada no link abaixo

a360.co/2NLnAQT

A montagem se encaixa na área de competição de 50cm ^ 3 e usou tubo de PVC para construir a moldura da caixa, com suporte impresso em 3D para as juntas dos cantos. Este quadro tem mais peças impressas em 3D que são usadas para montar as paredes do gabinete e iluminação LED.

No centro do recinto temos o plantador "Disco Orb" que é um conjunto de 4 partes (2 metades de orbe, 1 base de orbe, 1 tubo). Este possui recortes específicos para permitir que o tubo da bomba de água e o sensor capacitivo de umidade sejam inseridos na seção do solo.

Na base do design, você pode ver a caixa de controle, que abriga a eletrônica e dá rigidez ao quadro. Nesta seção, podemos ver a tela e os controles da interface do usuário.

Etapa 8: Mecânica - Peças impressas em 3D

A montagem mecânica requer várias peças impressas em 3D, Suportes da moldura de canto, suportes do painel lateral, dobradiça da porta, suportes de LED e suportes da caixa de controle, Essas peças devem totalizar aproximadamente 750g de peso e 44 horas de tempo de impressão.

As peças podem ser exportadas da montagem 3D vinculada na página anterior ou podem ser encontradas no thingiverse aqui, www.thingiverse.com/thing:4140191

Etapa 9: Mecânica - Montagem

Observe que em minha montagem eu pulei as partes da parede do gabinete, principalmente devido a limitações de tempo e custo, Primeiro, precisamos cortar o tubo de PVC em seções de 440 mm, precisaremos de 8 seções de tubo como este. 8 suportes de LED impressos e 4 suportes de canto de quadro.

Agora precisamos preparar as tiras de LED,

1. Corte as tiras nas marcas da tesoura em comprimentos de cerca de 15 cm, precisamos cortar 8 seções de tira de LED
2. Exponha as almofadas + e - removendo um pouco de borracha
3. Solde os conectores do coletor macho (corte seções de 3 e solde cada extremidade em uma almofada)
4. Remova o protetor adesivo na parte traseira de cada tira e prenda às peças da impressora 3D com montagem de LED.
5. Agora faça um cabo para ligar todos os pontos positivos e negativos de cada tira
6. Por fim, ligue-o e verifique se todos os LEDs estão funcionando

Etapa 10: Projeto - Progresso até agora

Até agora, isso é tudo que eu consegui através da montagem deste projeto, Pretendo continuar atualizando este guia à medida que o projeto se desenvolve,

O que falta fazer

• Montagem completa da caixa de controle
• Eletrônicos domésticos
• Teste o sistema de bombeamento de água
• Rever o progresso

Etapa 11: Lições Aprendidas

Mesmo que até agora o projeto não tenha sido concluído, eu ainda aprendi algumas coisas importantes ao pesquisar este projeto.

Dinâmica de fluidos na microgravidade

Este é um assunto incrivelmente complexo, que apresenta muitos problemas invisíveis para a dinâmica de fluidos baseada na gravidade padrão. Todos os nossos instintos naturais de como os fluidos agirão saem pela janela na microgravidade e a NASA teve que reinventar a roda para fazer sistemas baseados na Terra relativamente simples funcionarem.

Sensor de umidade

Aprenda sobre os diferentes métodos comumente usados para detecção de umidade (sensores volumétricos, tensiômetros e estado sólido, consulte este link para uma boa leitura sobre o tópico

Notas Menores

O tubo de PVC é excelente para construir estruturas rapidamente, Preciso de melhores ferramentas de marcenaria!

Planeje com antecedência seus projetos de hobby, segmente tarefas e estabeleça prazos exatamente como no trabalho!

Etapa 12: Trabalho Futuro

Depois de ler sobre como gerenciamos a dinâmica dos fluidos na microgravidade, estou muito interessado em projetar minha própria solução para o problema, Eu gostaria de levar esse design bruto mais longe, a ideia para este sistema é usar um tanque de fole com motores de passo que podem comprimir a área do contêiner para manter uma certa pressão do tubo.

Etapa 13: Conclusão

Obrigado pela leitura, espero que tenham gostado, se você tiver alguma dúvida ou quiser ajuda com qualquer coisa abordada neste projeto, fique à vontade para comentar!

Jack.