Arduino autonoomne filtreerimislaev: 6 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Selles juhendis näitan teile, kuidas ma kavandasin ja pakkusin välja oma pakutud lahenduse praegusele punavetikate probleemile Pärsia lahe rannikuvetes. Selle projekti jaoks tahtsin kavandada täielikult autonoomse ja päikeseenergial töötava veesõiduki, mis oskaks veeteedel navigeerida ja kasutades pardal asuvat looduslikku filtreerimissüsteemi, suudaks Dinoflagellates ja Karena Brevis vetikate liigsed toitained ja toksiinid välja filtreerida. See disain loodi selleks, et näidata, kuidas saab tehnoloogiat kasutada mõne meie praeguse keskkonnaprobleemi lahendamiseks. Kahjuks ei võitnud see ühtegi auhinda ega kohta minu kohalikus väikelinna teadusmessil, kuid mulle meeldis siiski õpikogemus ja loodetavasti saab keegi teine minu projektist midagi õppida.

Samm: uurige

Loomulikult peate igal ajal probleemi lahendama, uurima. Olin sellest probleemist kuulnud veebiuudiste kaudu ja see pani mind huvi selle keskkonnaprobleemi lahenduse väljatöötamise vastu. Alustuseks uurisin, milles probleem täpselt seisneb ja mis seda põhjustab. Siin on osa minu uurimistööst, mis näitab, mida ma oma uurimistöö käigus leidsin.

Punane tõusulaine on Florida vete jaoks kasvav iga -aastane probleem. Punane tõusulaine on levinud mõiste, mida kasutatakse suure kontsentreeritud vetikarühma kohta, mis kasvab aeg -ajalt tänu saadaolevate toitainete suurenemisele. Praegu on Floridas kiire kasv Punase tõusulaine suurus, mis tekitab üha suuremat muret piirkonna eluslooduse ohutuse pärast, samuti kõigi üksikisikute pärast, kes võivad sellega kokku puutuda. Punane tõusulaine koosneb enamasti Dinoflagellate. Dinoflagellaadid on üherakulised protistid, mis toodavad nendega kokkupuutuvaid mere- ja maismaaelule väga mürgiseid toksiine, nagu brevetoksiinid ja ihtüotoksiin. Dinoflagellates toituvad teistest protistidest vees, nagu Chysophyta, mis on kõige levinum mittetoksiliste vetikate vorm. Dinoflagellates paljunevad ka aseksuaalselt, põhjustades nende arvu kiiret kasvu, kui tuuakse sisse uusi toitaineid.

Nende toidu kiire kasvu peamine põhjus on suures koguses toitainete sissetoomine, mis pestakse taludest vihmahoogude ajal ja kantakse ookeani kallastele lähedalasuvatest jõgedest ja ojadest. Kuna inimtekkeliste väetiste kasutamine põllumajanduses on suur, on ümbritsevate põllumaade olemasolevate toitainete hulk suurem kui kunagi varem. Alati, kui enamikus idapoolsetes osades on vihmahoog, peseb see vihm palju neid väetisi ülemisest pinnasest ümbritsevatesse ojadesse ja ojadesse. Need ojad kogunevad lõpuks jõgedesse, ühendades kõik kogutud toitained üheks suureks rühmaks, mis visatakse Mehhiko lahte. See suur toitainete kogum ei ole praeguste mereelustike jaoks loomulik, mistõttu põhjustab see vetikate kontrollimatut kasvu. Dinoflagellate'i peamise toiduallikana annab vetikate kiire kasv suure toiduallika kiiresti kasvavale eluvormile.

Need suured Dinoflagellaatide rühmad toodavad mürgiseid kemikaale, mis teadaolevalt tapavad enamiku nendega kokkupuutuvatest vee -elustikest. Kohaliku Florida uudistejaama WUSF andmetel oli 2018. aasta õitsengul Punase tõusulaine ajal kinnitatud 177 manatee surma ning veel 122 surmajuhtumit. Florida ja Puerto Rico vetes 6 500 oodatavast manaatist mõjutab see tohutult selle liigi ellujäämist ja see on ainult mõju ühele liigile. Samuti on teada, et Red Tide põhjustab hingamisprobleeme neile, kes on mõne õitsemise vahetus läheduses olnud. Kuna Red Tide kasvab mõnede rannalinnade kanalites, on see ilmne ohutus kõigile, kes elavad nendes kogukondades. Samuti on teada, et punaste loodete poolt toodetud toksiin Dinophysis nakatab tavaliselt kohalikke karpide populatsioone, põhjustades kõhulahtisust põhjustavaid karpide mürgistust (DSP) neil, kes on söönud nakatunud karpide karpide. Õnneks ei ole see teadaolevalt surmav, kuid see võib ohvrile põhjustada seedeprobleeme. Kuid mõni punaste loodete tekitatud toksiin, Gonyaulax või Alexandrium, võib loodetega saastunud vetes ka karpide nakatada. Nende toksiinidega saastunud karpide söömine põhjustab paralüütilist karpide mürgistust või PSP -d, mis halvimal juhul on põhjustanud hingamispuudulikkuse ja surma 12 tunni jooksul pärast allaneelamist."

2. samm: minu pakutud lahendus

Tsitaat minu uurimistööst

Minu pakutud lahendus on ehitada täielikult autonoomne päikeseenergial töötav merelaev, mille pardal on mikroosakeste loomulik filtreerimissüsteem. Kogu süsteemi toidavad pardal asuvad päikesepaneelid ja tõukejõu vektoriseerimisel töötavad kaks harjadeta kanaliga mootorit. filtreerimissüsteemi kasutatakse liigsete toitainete ja dinoflagellaatide filtreerimiseks, kuna see navigeerib veeteedel autonoomselt. Laeva kasutatakse ka kohaliku kogukonna transpordisüsteemina. Alustuseks uurisin kõigepealt probleemi ja selle probleemi algust. Sain teada, et Red Tide'i tõusu põhjustasid toitainete, näiteks lämmastiku, suured kogused kohalikes vetes. Kui avastasin, mis probleemi põhjustab, sain alustada ajurünnakuga lahenduse leidmiseks, mis aitaks vähendada iga -aastaste punaste loodete suurust.

Minu idee oli laev, mille suurus ja kuju sarnanes pontoonpaadiga. Sellel anumal oleks kahe pontooni vahel koorija, mis juhiks vastutuleva vee läbi võrgufiltri, et eemaldada suured osakesed, ja seejärel läbi läbilaskva membraanfiltri, mis eemaldaks olemasolevad lämmastiku mikroosakesed. Filtreeritud vesi voolab seejärel paadi tagaosast läbi vastaskülgseadme. Tahtsin ka, et see laev oleks täielikult elektriline, nii et see oleks vaikne ja turvalisem ning vähem võimalusi mürgiste vedelike lekkimiseks ümbritsevatesse vetesse. Laeval oleks mitu päikesepaneeli ja liitiumioonipakendiga laadimiskontroller, et salvestada liigne energia hilisemaks kasutamiseks. Minu viimane eesmärk oli kujundada laev nii, et seda saaks kasutada kohaliku kogukonna ühistranspordiks. Kõiki neid disainivalikuid silmas pidades hakkasin visandama paberile mitmeid ideid, et proovida võimalikke probleeme lahendada."

3. samm: kujundamine

Kui olin oma uurimistöö ära teinud, oli mul probleemist ja selle põhjustest palju parem ettekujutus. Seejärel liikusin ajurünnakute ja disainimisega. Mõtlesin mitu päeva selle probleemi lahendamiseks palju erinevaid viise. Kui mul olid korralikud ideed, hakkasin neid paberile visandama, et proovida enne CAD -i kolimist mõningaid disainivigu. Pärast veel paar päeva visandamist koostasin nimekirja osadest, mida tahtsin disaini jaoks kasutada. Kasutasin kogu oma eelmiste aastate teadusmessi auhinnalaekumist pluss veel natuke prototüübi loomiseks vajalike osade ja hõõgniidi ostmiseks. Ma kasutasin mikrokontrolleri jaoks sõlme MCU -d, kahte 18 V päikesepaneeli kavandatud toiteallikate jaoks, kahte ultraheli andurit autonoomsete funktsioonide jaoks, 5 fototakistit ümbritseva valgustuse määramiseks, mõned 12 V valged LED -ribad sisevalgustuseks, 2 RGB LED -i ribad suunavalgustuseks, 3 releed LED -ide ja harjadeta mootori juhtimiseks, 12 V harjadeta mootor ja ESC, 12 V toiteallikas prototüübi toitmiseks ja mitmed muud väikesed osad.

Kui enamik osi saabus, hakkasin 3D -mudeli kallal töötama. Kasutasin selle paadi kõigi osade kujundamiseks Fusion 360. Alustasin paadi kere kujundamisega ja liikusin seejärel ülespoole, kujundades iga osa. Kui olin enamiku osi kavandanud, panin need kõik kokku, et veenduda, kas need pärast tootmist kokku sobivad. Pärast mitmepäevast kujundamist ja muutmist oli lõpuks aeg printima hakata. Prindisin kere oma Prusa Mk3s 3 erinevas tükis ning päikesekinnitused ja kerekatted oma CR10 -dele. Veel mitme päeva pärast lõpetasid kõik osad printimise ja sain lõpuks seda kokku panna. Allpool on veel üks osa minu uurimistööst, kus räägin paadi kujundamisest.

Kui mul oli lõplikust kujundusest hea ettekujutus, läksin edasi arvutipõhise joonistamise või CAD -i juurde, mis on protsess, mida saab teha paljude olemasolevate tarkvarade abil täna. Kasutasin tarkvara Fusion 360, et kujundada vajalikke osi tootsin oma prototüübi jaoks. Esmalt kavandasin selle projekti jaoks kõik osad ja seejärel panin need virtuaalsesse keskkonda kokku, et enne osade välja printimist probleeme lahendada. Kui olin valmis 3D -komplekti, kolisin selle prototüübi jaoks vajalike elektrisüsteemide projekteerimisel. Tahtsin, et minu prototüüpi saaks juhtida nutitelefoni kohandatud rakenduse kaudu. Esimeseks osaks valisin Node MCU mikrokontrolleri. Node MCU on populaarse ESP8266 ümber ehitatud mikrokontroller Wifi -kiip. See plaat annab mulle võimaluse ühendada sellega väliseid sisend- ja väljundseadmeid, mida saab Wifi -liidese kaudu kaugjuhtida. Pärast oma disaini jaoks peamise kontrolleri leidmist liikusin edasi teise valiku juurde rts oleks elektrisüsteemi jaoks vajalik. Laeva toiteks valisin kaks kaheksateist -voldist päikesepaneeli, mis hiljem ühendati paralleelselt, et tagada kaheksateistkümne volti väljund ja kahekordne vool üksikutes päikesepatareides, kuna need ühendati paralleelselt. Päikesepaneelide väljund läheb laadimisregulaatorisse. See seade võtab kõikuva väljundpinge päikesepaneelidelt ja silub selle püsivamale 12-voldisele väljundile. Seejärel läheb see akuhaldussüsteemi või BMS -i, et laadida 6, 18650 lipoelementi, mis on ühendatud kahe paralleelselt ühendatud kolme elemendiga, seejärel seeria. See konfiguratsioon ühendab 18650 4,2 -voldise võimsuse 12,6 -voldiseks kolmeelemendiliseks pakiks. Juhtmestades veel kolm elementi, mis on paralleelselt eelmise pakendiga, kahekordistub kogumaht, saades 12,6 -voldise aku mahuga 6 500 mAh.

See aku võib valgustus- ja harjadeta mootorite jaoks väljastada 12 volti. Kasutasin astmelist inverterit, et luua elektroonika väiksema võimsusega komplekti jaoks viie volti väljund. Seejärel kasutasin kolme releed, ühte sisevalgustite sisse- ja väljalülitamiseks, ühte väliste tulede värvi muutmiseks ja teist harjadeta mootori sisse- ja väljalülitamiseks. Kauguse mõõtmiseks kasutasin kahte ultraheli andurit, ühte ees ja teist taga. Iga andur saadab välja ultraheli impulsi ja saab lugeda, kui kaua kulub selle impulsi tagasitulek. Selle põhjal saame tagasiside signaali viivituse arvutamisel välja selgitada, kui kaugel on objekt laeva ees. Laeva ülaosas oli mul viis fototakisti, et määrata taevas oleva valguse hulk. Need andurid muudavad oma takistust sõltuvalt sellest, kui palju valgust on. Nende andmete põhjal saame kõigi väärtuste keskmistamiseks kasutada lihtsat koodi ja kui andurid loevad vähese valguse keskmist väärtust, lülituvad sisse sisevalgustid. Olles välja mõelnud, millist elektroonikat ma kasutama hakkan, alustasin varem kavandatud osade 3D -printimist. Trükkisin paadi kere kolmeks osaks, et see mahuks minu põhiprinterile. Nende printimise ajal liikusin edasi päikesepaneelide ja teki teisele printerile printimiseks. Iga osa printimiseks kulus umbes üks päev, nii et kõigi vajalike osade hankimiseks kulus umbes 10 päeva sirget 3D -printimist. Pärast seda, kui nad kõik olid printinud, panin need väiksemateks osadeks kokku. Seejärel paigaldasin elektroonikat, näiteks päikesepaneele ja LED -e. Kui elektroonika oli paigaldatud, ühendasin need kõik kokku ja lõpetasin trükitud osade kokkupanemise. Edasi liikusin prototüübi jaoks aluse kujundamise juurde. See stend oli ka CAD -vormingus ja hiljem lõigatud minu CNC -masinast MDF -puidust välja. CNC abil suutsin esipaneelil kardinaelektroonika kinnitamiseks vajalikud pilud välja lõigata. Seejärel paigaldasin prototüübi alusele ja füüsiline kokkupanek oli valmis. Nüüd, kui prototüüp oli täielikult kokku pandud, hakkasin töötama NodeMCU koodi kallal. Seda koodi kasutatakse NodeMCU -le teatamiseks, millised osad millise sisend- ja väljundpistikuga on ühendatud. Samuti ütleb tahvlile, millise serveriga ühendust võtta ja millise Wifi -võrguga ühenduse luua. Selle koodi abil sain siis rakenduse abil oma telefonist prototüübi teatud osi juhtida. See on mõnes mõttes sarnane sellega, kuidas lõplik disain saaks ühendust võtta peamise dokkimisjaamaga, et saada järgmise peatuse koordinaadid ja muud teavet, näiteks teiste laevade asukoht ja selle päeva eeldatav ilm."

Samm: kokkupanek (lõpuks !!)

Ok, nüüd olemegi minu lemmikosas, kokkupanekul. Mulle meeldib asju ehitada, nii et lõpuks sain kõik osad kokku panna ja näha lõpptulemusi, mis tekitas minus suurt elevust. Alustasin kõigi trükitud osade kokkupanemisest ja liimisin need super kokku. Seejärel paigaldasin elektroonika nagu tuled ja päikesepaneelid. Siinkohal mõistsin, et ma ei saaks kuidagi oma elektroonikat selle asja sisse mahutada. Siis tekkis mul idee paadi CNC -stendile, et see näeks natuke parem välja ja annaks mulle koha kogu elektroonika peitmiseks. Kujundasin aluse CAD -vormingus ja lõikasin selle välja oma Bobs CNC E3 13 mm MDF -st. Seejärel keerasin selle kokku ja andsin musta kihi pihustusvärvi. Nüüd, kui mul oli koht kogu oma elektroonika täitmiseks, jätkasin juhtmestikuga. Ma ühendasin kõik juhtmed ja installisin Node MCU (peaaegu Arduino Nano koos sisseehitatud WiFi -ga) ja veendusin, et kõik on sisse lülitatud. Pärast seda pakkisin kokkupaneku kokku ja sain isegi oma koolide laserlõikuri abil turvapiirded mõne laheda graveeringuga välja lõigata, aitäh veel kord Mr. Z! Nüüd, kui meil oli valmis füüsiline prototüüp, oli nüüd aeg lisada kodeerimisega maagiat.

5. samm: kodeerimine (AKA raske osa)

Kodeerimiseks kasutasin üsna lihtsa koodi kirjutamiseks Arduino IDE -d. Kasutasin lähteainena põhilist Blynk -visandit, et saaksin hiljem mõnda osa Blynk -rakendusest juhtida. Vaatasin palju YouTube'i videoid ja lugesin palju foorumeid, et see asi toimiks. Lõpuks ei suutnud ma välja mõelda, kuidas harjadeta mootorit juhtida, kuid sain kõik muu toimima. Rakendusest saate vahetada veesõiduki suunda, mis vahetaks punaste/roheliste LED -ide värve, lülitaks sisse/välja sisevalgustid ja saaks reaalajas andmevoo ühelt ekraani esiküljel asuvalt ultraheliandurilt. Ma kindlasti lõdvendasin seda osa ja ei saanud koodiga peaaegu nii palju tööd, kui soovisin, kuid see oli siiski puhas funktsioon.

6. etapp: lõpptoode

See on tehtud! Sain kõik kokku ja töötasin vaevalt enne teadusmessi kuupäevi. (Stereotüüpiline viivitaja) Olin lõpptoote üle päris uhke ja ei jõudnud ära oodata, millal seda kohtunikega jagada. Mul pole siin palju muud öelda, nii et lasen end paremini selgitada. Siin on minu uurimistöö kokkuvõtteosa.

Kui laevad ja dokkimisjaamad on loodud, on lahendus käimas. Igal hommikul alustavad laevad oma marsruute läbi veeteede. Mõned võivad läbida linnades asuvaid kanaleid, teised aga reisida soodega või ookeanijoontega. läbib oma marsruudi, on filtreeriv koorija maas, võimaldades filtritel oma tööd alustada. Skimmer suunab hõljuvad vetikad ja prahi filtreerimiskanalisse. Sisse laskmisel lastakse vesi esmalt läbi võrgusilma, et eemaldada suurem osakesed ja praht veest. Eemaldatud materjali hoitakse seal, kuni kamber on täidetud. Pärast seda, kui vesi on läbi esimese filtri läbinud, läbib see seejärel läbilaskva membraanfiltri. See filter kasutab väikesi, läbilaskvaid auke läbilaskev vesi, jättes maha mitteläbilaskvad materjalid. Seda filtrit kasutatakse veekindlate väetismaterjalide ja vetikate kasvust toitainete väljatõmbamiseks. Filtreeritud vesi r voolab seejärel paadi tagaosast tagasi veeteesse, kus anum filtreerib.

Kui laev jõuab määratud dokkimisjaama, tõmbub see kai äärde. Pärast täielikku dokkimist kinnitatakse paadi külje külge kaks kätt, et seda kindlalt paigal hoida. Seejärel tõuseb paadi alt automaatselt toru ja kinnitub iga jäätmekäitlusporti. Kui see on kinnitatud, avaneb sadam ja pump lülitub sisse, imedes kogutud materjali paadist välja ja dokkimisjaama. Kui see kõik toimub, lubatakse reisijatel laevale istuda ja oma kohad üles leida. Kui kõik on pardal ja jäätmemahutid on tühjendatud, vabastatakse veesõiduk jaamast ja alustatakse teisel marsruudil. Pärast jäätmete dokkimisjaama pumpamist sõelutakse need uuesti, et eemaldada suured prahid, nagu pulgad või prügi. Eemaldatud praht hoitakse konteinerites hilisemaks ringlussevõtuks. Ülejäänud sõelutud vetikad viiakse keskdokki töötlema. Kui iga väiksem dokkimisjaam täidab oma vetikahoidla, tuleb töötaja, kes veab vetikad põhijaama, kus see rafineeritakse biodiisliks. See biodiislikütus on taastuv kütuseallikas ja ka tulus viis kogutud toitainete ringlussevõtuks.

Kui paadid jätkavad vee filtreerimist, väheneb toitainete sisaldus. See toitainete liigse hulga vähenemine toob igal aastal kaasa väiksema õitsemise. Kuna toitainete tase langeb jätkuvalt, jälgitakse põhjalikult vee kvaliteeti, et tagada toitainete püsimine õitsval keskkonnal vajalikul püsival ja tervislikul tasemel. Talveperioodidel, mil väetiste äravool ei ole nii tugev kui kevad- ja suveaegadel, saavad paadid kontrollida filtreeritava vee kogust, et tagada alati tervislik kogus saadaolevaid toitaineid. Kui paadid marsruute läbivad, kogutakse üha rohkem andmeid, et tõhusamalt määrata väetise äravoolu allikad ja mis aegadel valmistuda kõrgemaks toitainete tasemeks. Neid andmeid kasutades saab koostada tõhusa ajakava, et valmistuda põlluhooaegade kõikumisteks."