แฮ็ก Wolverine Grow Cube ของ Hollow สำหรับ ISS: 5 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

เราคือโรงเรียนมัธยม West Hollow จาก Long Island, NY เราเป็นวิศวกรที่ใฝ่ฝันที่จะพบปะกันสัปดาห์ละครั้งในคลับชื่อ Hack the Hollow ซึ่งเราออกแบบ เขียนโค้ด และสร้างโปรเจ็กต์ของผู้สร้างจำนวนหนึ่ง คุณสามารถตรวจสอบโครงการทั้งหมดที่เราทำงานได้ที่นี่ เป้าหมายหลักของเราคือการศึกษาอนาคตของหุ่นยนต์อาหารและสิ่งแวดล้อม เราได้ประกอบและบำรุงรักษาฟาร์มไฮโดรโปนิกส์แนวตั้งอัตโนมัติที่ด้านหลังห้องทดลองวิทยาศาสตร์กับครูของเรา คุณเรจินี เรายังได้เข้าร่วมในโปรแกรม GBE ในช่วงสองปีที่ผ่านมา เราทราบดีว่าความท้าทายนี้เรียกหานักเรียนมัธยม แต่เราตื่นเต้นเกินกว่าจะรออีกสองปีเพื่อแนะนำให้คุณรู้จักกับวูล์ฟเวอรีน ซึ่งตั้งชื่อตามมาสคอตของโรงเรียนของเรา นี่คือสิ่งที่เราทำ!

ในโครงการนี้ คุณจะได้พบกับสิ่งต่างๆ มากมายที่เราชอบใช้ รวมทั้ง Arduino, Raspberry Pi และสินค้าอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดที่เข้ากันได้ เรายังสนุกกับการใช้ Fusion 360 เป็นอีกขั้นจาก TinkerCad ในการออกแบบลูกบาศก์ โปรเจ็กต์นี้เป็นโอกาสอันยอดเยี่ยมในการหยุดพัฒนาแพลตฟอร์มผู้ผลิตรายใหม่ เราถูกแบ่งออกเป็นทีมออกแบบซึ่งแต่ละคนต้องให้ความสำคัญกับแง่มุมหนึ่งของ Grow Cube เราแยกมันออกเป็นเฟรม ฝาและแผ่นฐาน ไฟ เติบโตผนัง น้ำ พัดลม และเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อม เราได้ทำลิงก์ในรายการวัสดุสิ้นเปลืองของเราไปยังวัสดุทั้งหมดที่เราใช้อยู่ หากคุณต้องการความช่วยเหลือในการแสดงภาพชิ้นส่วนที่กล่าวถึงในขั้นตอนที่ตามมา เราหวังว่าคุณจะสนุก!

เสบียง

กรอบ:

• 1" 80/20 อะลูมิเนียมอัดขึ้นรูป
• ตี๋ถั่ว
• วงเล็บรองรับ
• บานพับ
• ข้อต่อเครื่องร่อนที่รองรับ T-channel
• ไกด์ท่อและสายไฟที่รองรับ T-channel
• แม่เหล็กสำหรับปิดประตู
• 3 x สวิตช์กกแม่เหล็ก

เติบโตกำแพง:

• ช่อง NFT รายละเอียดต่ำของ Farm Tech
• ครอบคลุมช่อง NFT
• แผ่นพลาสติกลูกฟูก
• แม่เหล็กสำหรับยึดช่องที่ถอดออกได้เข้าที่

ฝา:

• แผ่นพลาสติกลูกฟูก
• ไฟ LED ที่พิมพ์ 3 มิติเติบโต (Fusion 360)
• ชิ้นส่วนพลาสติกและฮาร์ดแวร์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

แสงสว่าง:

• แถบนีโอพิกเซลแอดเดรสจาก Adafruit (60LED/m)
• ขั้วต่อ Neopixel
• คลิปนีโอพิกเซล
• 330uF, ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน 35V
• ตัวต้านทาน 1K โอห์ม
• เทปฟอยล์อลูมิเนียม HVAC สีเงิน
• ตัวแปลงบั๊ก

น้ำ: (คุณสมบัติที่เราโปรดปราน):

• 2 x Nema 17 สเต็ปเปอร์มอเตอร์
• Adafruit Stepper Shield สำหรับ Arduino
• ปั๊มเข็มฉีดยาตัวกระตุ้นเชิงเส้นที่พิมพ์ 3 มิติ (Fusion 360)
• กระบอกฉีดยา 2 x 100-300 มล.
• ท่อที่มีข้อต่อล็อค Luer และข้อต่อที/ศอก
• 2 x 300 มม. x 8 มม. T8 ลีดสกรูและน็อต
• 2 x ข้อต่อบิน
• 2 x บล็อกแบริ่งหมอน
• 4 x 300 มม. x 8 มม. แกนนำแกนเคลื่อนที่เชิงเส้น
• ตลับลูกปืนเชิงเส้น LM8UU 4 x 8 มม
• 4 x DF Robot capacitive resistance moisture sensors เพื่อตรวจสอบดินและควบคุมปั๊มกระบอกฉีดยา

การไหลเวียนของอากาศ:

• พัดลม 12V 2 x 5"
• ฝาครอบกรองพัดลม 5"
• 2 x TIP120 ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตันและฮีตซิงก์
• แหล่งจ่ายไฟ 12V
• อะแดปเตอร์เชื่อมต่อแจ็คบาร์เรลแบบติดตั้งบนแผง
• ตัวต้านทาน 2 x 1K โอห์ม
• 2 x ฟลายแบ็คไดโอด
• 2 x 330uF, 35V ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนด้วยไฟฟ้า
• เซ็นเซอร์อุณหภูมิและความชื้น DHT22 พร้อมตัวต้านทาน 4.7K โอห์ม

อิเล็กทรอนิกส์:

• Raspberry Pi 3B+ พร้อมมอเตอร์ HAT
• การ์ด SD 8GB
• Arduino Mega
• เขียงหั่นขนม Adafruit perma-proto
• จอแอลซีดี i2C 2 x 20x4
• สายเชื่อมต่อแบบเกลียว 22AWG
• ชุดขั้วต่อดูปองท์
• Adafruit SGP30 เซ็นเซอร์คุณภาพอากาศพร้อม eCO2

เครื่องมือ:

• หัวแร้ง
• ชุดบัดกรี
• ตัวช่วย
• เครื่องมือย้ำและปอกสายไฟ
• ไขควง
• กาแฟ (สำหรับนายเรจินี)

ขั้นตอนที่ 1: ขั้นตอนที่ 1: การสร้างเฟรม

เฟรมจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้การอัดขึ้นรูปอลูมิเนียมช่อง 80/20 t ช่องน้ำหนักเบา โดยจะยึดพร้อมกับข้อต่อข้อศอกอลูมิเนียมและน็อต t นอกจากการลดน้ำหนัก ช่องจะทำหน้าที่เป็นเส้นทางสำหรับน้ำของเรา เส้นและสายไฟ

ลูกบาศก์จะวางอยู่บนชุดรางที่ติดตั้งข้อต่อแบบร่อน ซึ่งจะทำให้สามารถดึงลูกบาศก์ออกจากผนังเพื่อให้เห็นไม่เฉพาะด้านหน้าเท่านั้น แต่ทั้งสองด้านด้วย แรงบันดาลใจสำหรับสิ่งนี้มาจากนักเรียนคนหนึ่งของเราที่นึกถึงชั้นวางเครื่องเทศในตู้ครัวที่บ้าน

ด้วยบานพับที่เรียบง่าย ด้านหน้าและด้านข้างจะมีประตูที่สามารถแกว่งเปิดได้เมื่อดึงลูกบาศก์ออกมาบนราง พวกมันถูกยึดด้วยแม่เหล็กเมื่อปิด แผงทั้ง 6 ชิ้นของลูกบาศก์นี้สามารถถอดออกได้เนื่องจากใบหน้าทั้งหมดยึดเข้าที่ด้วยแม่เหล็กเช่นกัน จุดประสงค์ของตัวเลือกการออกแบบนี้คือเพื่อให้เข้าถึงพื้นผิวทั้งหมดได้ง่ายสำหรับการเพาะ การบำรุงรักษาโรงงาน การเก็บรวบรวมข้อมูล การเก็บเกี่ยว และการทำความสะอาด/ซ่อมแซม

คุณสามารถดูการออกแบบของเราสำหรับแผงในขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนที่ 2: ขั้นตอนที่ 2: การสร้าง Grow Walls

องค์ประกอบแรกที่เรานึกถึงคือวัสดุที่ใช้ทำผนังเอง เรารู้ว่าพวกมันต้องการน้ำหนักเบา แต่แข็งแรงพอที่จะรองรับต้นไม้ได้ พลาสติกลูกฟูกสีขาวเลือกใช้อะครีลิคใส แม้ว่าเราจะชอบรูปภาพของ V. E. G. G. I. E ที่ซึ่งเราสามารถมองเห็นต้นไม้ข้างในได้ เหตุผลในการตัดสินใจครั้งนี้เป็นเพราะมุมมองส่วนใหญ่จะถูกบดบังด้วยช่องทางต้นไม้ และเราต้องการสะท้อนแสงจาก LED ของเรากลับมาให้ได้มากที่สุด ตรรกะนี้มาจากการตรวจสอบหน่วยที่เราส่งไปซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการมีส่วนร่วมของ GBE ตามที่ระบุไว้ในขั้นตอนที่แล้ว เพลตเหล่านี้ถูกยึดไว้กับโครงอะลูมิเนียมพร้อมแม่เหล็กเพื่อให้สามารถถอดออกได้ง่าย

สิ่งที่แนบมากับเพลตเหล่านี้คือรางปลูก NFT โปรไฟล์ต่ำสามช่องที่เราใช้ในห้องปฏิบัติการไฮโดรโปนิกส์ของเรา เราชอบตัวเลือกนี้เพราะพวกมันสร้างจากพีวีซีแบบบางพร้อมฝาปิดที่เลื่อนออกได้ง่ายเพื่อฝังหมอนที่กำลังเติบโต สื่อปลูกผักทั้งหมดจะบรรจุอยู่ภายในหมอนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งเราเห็นว่ามีการใช้แล้วในสถานีอวกาศนานาชาติเมื่อเราอ่านบทความนี้ แผงทั้งหมดระหว่างรางจะเคลือบด้วยเทปฉนวน HVAC สีเงินเพื่อส่งเสริมการสะท้อนแสงของไฟเติบโต

ช่องเปิดของเราคือ 1 3/4 และเว้นระยะห่างจากจุดศูนย์กลาง 6 นิ้ว ซึ่งช่วยให้มีพื้นที่ปลูก 9 แห่งบนแผงสี่ช่องของลูกบาศก์แต่ละอันให้ผลผลิตทั้งหมด 36 ต้น เราพยายามรักษาระยะห่างนี้ให้สอดคล้องกับสิ่งที่เรามีสีแดง เกี่ยวกับผักกาดหอม Outredgeous ช่องต่างๆ จะถูกสีด้วยสล็อตเพื่อรับเซ็นเซอร์ความชื้นของเราที่จะตรวจสอบความชื้นในดินและเรียกน้ำจากปั๊มหลอดฉีดยา Hydration จะกระจายไปยังหมอนพืชแต่ละใบผ่านท่อร่วมการรดน้ำทางการแพทย์ที่ติดอยู่กับปั๊มเหล่านี้ วิธีการให้น้ำโดยใช้หลอดฉีดยานี้เป็นสิ่งที่เราค้นคว้าเพื่อเป็นแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการให้น้ำที่แม่นยำและการเอาชนะความท้าทายของสภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์/ไมโคร ท่อจะเข้าสู่ฐานของหมอนพืชเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของรากไปทางด้านนอกของ ลูกบาศก์ เราจะอาศัยเส้นเลือดฝอยเพื่อช่วยให้น้ำกระจายไปทั่วตัวกลางที่กำลังเติบโต

สุดท้าย เราต้องการหาวิธีใช้ประโยชน์จากแผ่นฐาน เราสร้างริมฝีปากเล็กๆ ที่ใบหน้าด้านล่าง โดยจะยอมรับเสื่อปลูกเพื่อปลูกไมโครกรีน เป็นที่ทราบกันดีว่าไมโครกรีนมีสารอาหารที่สำคัญมากกว่าผักที่โตเต็มที่เกือบ 40 เท่า สิ่งเหล่านี้สามารถพิสูจน์ได้ว่าเป็นประโยชน์อย่างมากต่ออาหารของนักบินอวกาศ นี่เป็นบทความหนึ่งที่นักเรียนของเราค้นพบเกี่ยวกับคุณค่าทางโภชนาการของผักไมโครกรีน

ขั้นตอนที่ 3: ขั้นตอนที่ 3: รดน้ำต้นไม้

เราอ้างอิงปั๊มหลอดฉีดยาแอคชูเอเตอร์เชิงเส้นของเราในขั้นตอนก่อนหน้า นี่เป็นส่วนที่เราชอบที่สุดในงานสร้างนี้ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ NEMA 17 จะขับเคลื่อนแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นที่จะกดลูกสูบของหลอดฉีดยา 100cc-300cc สองตัวบนฝาของลูกบาศก์โต เราออกแบบตัวเรือนมอเตอร์ ตัวขับลูกสูบ และอุปกรณ์รางนำทางโดยใช้ Fusion 360 หลังจากตรวจสอบโครงการโอเพนซอร์สที่ยอดเยี่ยมบน Hackaday เราติดตามบทช่วยสอนนี้ในเว็บไซต์อันน่าทึ่งของ Adafruit เพื่อเรียนรู้วิธีขับเคลื่อนมอเตอร์

เราต้องการหาวิธีทำให้นักบินอวกาศเป็นอิสระจากการรดน้ำ สเต็ปเปอร์จะทำงานเมื่อพืชในระบบเรียกหาน้ำของตัวเอง เสียบเซ็นเซอร์วัดความชื้นแบบคาปาซิทีฟ 4 ตัวเข้ากับหมอนพืชในตำแหน่งต่างๆ ทั่วทั้งก้อนโต พื้นที่ปลูกทุกแห่งในระบบมีช่องสำหรับรับเซ็นเซอร์เหล่านี้ซึ่งถูกบดเป็นช่องทางปลูก ซึ่งช่วยให้นักบินอวกาศเลือกและเปลี่ยนตำแหน่งของเซ็นเซอร์เหล่านี้ได้เป็นระยะ นอกจากการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในการกระจายน้ำภายในระบบแล้ว ยังช่วยให้เห็นภาพว่าพืชแต่ละชนิดใช้น้ำอย่างไร นักบินอวกาศสามารถกำหนดเกณฑ์ความชื้นเพื่อให้การรดน้ำอัตโนมัติตามความต้องการของพวกเขา กระบอกฉีดยาติดอยู่กับท่อร่วมรดน้ำหลักพร้อมการเชื่อมต่อล็อค Luer เพื่อให้เติมได้ง่าย แผงปลูกเองใช้โปรโตคอลการเชื่อมต่อที่คล้ายคลึงกันกับท่อร่วมรดน้ำเพื่อให้สามารถถอดออกจากลูกบาศก์ได้อย่างง่ายดาย

ข้อมูลที่เก็บรวบรวมโดยเซ็นเซอร์สามารถอ่านได้ในพื้นที่บนหน้าจอ LCD ขนาด 20x4 ที่ติดอยู่กับฝาปิดหรือจากระยะไกลที่เก็บรวบรวม แสดง และสร้างกราฟโดยการผสานรวมของระบบกับแพลตฟอร์ม IoT IO ของ Cayenne หรือ Adafruit Arduino ส่งข้อมูลไปยังออนบอร์ด Raspberry Pi โดยใช้สาย USB จากนั้นจึงเข้าสู่อินเทอร์เน็ตโดยใช้การ์ด WiFi ของ Pi สามารถตั้งค่าการแจ้งเตือนบนแพลตฟอร์มเหล่านี้เพื่อแจ้งนักบินอวกาศเมื่อตัวแปรระบบของเราออกจากค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

ขั้นตอนที่ 4: ขั้นตอนที่ 4: ฝาปิดอัจฉริยะพร้อมไฟส่องสว่างและระบบควบคุมพัดลม

ฝาของลูกบาศก์เติบโตของเราทำหน้าที่เป็นสมองของการดำเนินการทั้งหมดรวมทั้งให้ที่อยู่อาศัยสำหรับองค์ประกอบการเจริญเติบโตที่สำคัญ การขยายลงจากด้านล่างของฝาปิดเป็นที่อยู่อาศัย LED ที่พิมพ์ 3 มิติซึ่งให้แสงสว่างสำหรับแผ่นผนังแต่ละแผ่นรวมถึงการส่องสว่างด้านบนแผ่นไมโครกรีนที่ด้านล่าง สิ่งนี้ได้รับการออกแบบอีกครั้งใน Fusion 360 และพิมพ์บน MakerBot ของเรา ช่องแสงแต่ละช่องมีแถบ LED 3 แถบที่หุ้มด้วยส่วนรองรับเว้า ส่วนรองรับนี้เคลือบสีเงินด้วยเทปฉนวน HVAC เพื่อเพิ่มการสะท้อนแสงสูงสุด การเดินสายไฟจะเคลื่อนขึ้นไปยังเสากลวงตรงกลางเพื่อเข้าถึงพลังงานและข้อมูลที่ด้านบนของฝาปิด ขนาดของที่อยู่อาศัยนี้ได้รับเลือกให้มีรอยเท้าที่จะช่วยให้พืชที่เติบโตรอบ ๆ มีความสูงสูงสุด 8 นิ้ว ตัวเลขนี้พบว่ามีความสูงเฉลี่ยของผักกาดหอม Outredgeous ที่โตเต็มที่ที่เราปลูกในสวนแบบไฮโดรโปนิกส์ในแนวดิ่งในห้องแล็บของเรา พวกมันสามารถสูงได้ถึง 12 นิ้ว แต่เราคิดว่านักบินอวกาศจะกินหญ้าในขณะที่พวกมันโตขึ้นทำให้ก้อนนี้โตขึ้น

นีโอพิกเซลที่เราใช้นั้นสามารถระบุได้ทีละรายการ ซึ่งหมายความว่าเราสามารถควบคุมสเปกตรัมสีที่ปล่อยออกมาได้ สามารถใช้เพื่อปรับเปลี่ยนสเปกตรัมของแสงที่พืชได้รับในช่วงต่างๆ ของการเจริญเติบโตหรือจากสายพันธุ์หนึ่งไปสู่อีกสายพันธุ์หนึ่ง โล่มีไว้เพื่อให้สภาพแสงที่แตกต่างกันในแต่ละผนังถ้าจำเป็น เราเข้าใจดีว่านี่ไม่ใช่การจัดวางที่สมบูรณ์แบบ และไฟที่เราใช้อยู่ไม่ใช่ไฟในทางเทคนิค แต่เรารู้สึกว่าเป็นการพิสูจน์แนวคิดที่ดี

ด้านบนของฝาปิดมีพัดลมระบายความร้อน 12V ขนาด 5 นิ้วจำนวน 2 ตัว ซึ่งปกติใช้ควบคุมอุณหภูมิของเสาคอมพิวเตอร์ เราออกแบบให้ตัวหนึ่งดันอากาศเข้าสู่ระบบในขณะที่อีกตัวทำหน้าที่ดูดอากาศ พวกเขาทั้งคู่ถูกปกคลุมด้วยตะแกรงตาข่ายเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีเศษถูกดึงออกและเข้าสู่สภาพแวดล้อมการหายใจของนักบินอวกาศ พัดลมจะปิดเมื่อสวิตช์กกแม่เหล็กที่ติดอยู่กับประตูเปิดอยู่เพื่อป้องกันการปนเปื้อนในอากาศโดยไม่ได้ตั้งใจ ความเร็วของพัดลมถูกควบคุมผ่าน PWM โดยใช้ Motor HAT บน Raspberry pi พัดลมสามารถเร่งความเร็วหรือลดความเร็วแบบมีเงื่อนไขตามค่าอุณหภูมิหรือความชื้นที่ป้อนไปยัง Pi โดยเซ็นเซอร์ DHT22 แบบฝังภายในลูกบาศก์ การอ่านค่าเหล่านี้สามารถดูได้อีกครั้งในเครื่องบน LCD หรือจากระยะไกลบนแดชบอร์ด IoT เดียวกันกับเซ็นเซอร์ความชื้น

ในการคิดเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสง เรายังต้องการคำนึงถึงระดับ CO2 และคุณภาพอากาศโดยรวมในลูกบาศก์ที่กำลังเติบโต ด้วยเหตุนี้ เราจึงรวมเซ็นเซอร์ SGP30 ไว้เพื่อตรวจสอบ eCO2 และ VOC ทั้งหมด สิ่งเหล่านี้จะถูกส่งไปยัง LCD และแดชบอร์ด IoT เพื่อแสดงภาพ

คุณจะเห็นด้วยว่าปั๊มหลอดฉีดยาคู่ของเราติดตั้งอยู่ที่ด้านข้างของฝา ท่อของพวกเขาถูกนำลงมาตามช่องแนวตั้งของโครงรองรับการอัดขึ้นรูปอลูมิเนียม

ขั้นตอนที่ 5: ปิดความคิดและการทำซ้ำในอนาคต

เราออกแบบวูล์ฟเวอรีนโดยใช้ความรู้ที่เราได้รับจากเวลาที่เราปลูกอาหารร่วมกัน เราได้ทำให้สวนของเราเป็นแบบอัตโนมัติมาหลายปีแล้ว และนี่เป็นโอกาสที่น่าตื่นเต้นมากที่จะนำสิ่งนี้ไปใช้กับงานด้านวิศวกรรมที่ไม่เหมือนใคร เราเข้าใจดีว่าการออกแบบของเรามีจุดเริ่มต้นที่ต่ำต้อย แต่เรารอคอยที่จะเติบโตไปพร้อมกับมัน

ด้านหนึ่งของงานสร้างที่เราไม่สามารถทำให้เสร็จก่อนกำหนดได้คือการจับภาพ นักเรียนคนหนึ่งของเราได้ทำการทดลองกับกล้อง Raspberry Pi และ OpenCV เพื่อดูว่าเราสามารถตรวจหาสุขภาพพืชโดยอัตโนมัติด้วยวิธีการเรียนรู้ของเครื่องได้หรือไม่ อย่างน้อยที่สุดเราก็อยากจะมีวิธีดูต้นไม้โดยไม่ต้องเปิดประตู ความคิดคือการรวมกลไกการแพนเอียงที่สามารถหมุนไปรอบ ๆ ด้านล่างของแผงด้านบนเพื่อจับภาพของผนังที่เติบโตแต่ละอันแล้วพิมพ์ไปยังแดชบอร์ด Adafruit IO เพื่อแสดงภาพ สิ่งนี้สามารถทำให้พืชผลที่ปลูกได้หมดเวลาที่ยอดเยี่ยมเช่นกัน เราคิดว่านั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม จะมีงานต้องทำและปรับปรุงอยู่เสมอ ขอบคุณมากสำหรับโอกาสในการเข้าร่วม!