Arduino autonomais filtrēšanas trauks: 6 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Šajā pamācībā es jums parādīšu, kā es izstrādāju un piedāvāju piedāvāto risinājumu pašreizējai sarkano aļģu problēmai Persijas līča piekrastes ūdeņos. Šim projektam es vēlējos izstrādāt pilnībā autonomu un ar saules enerģiju darbināmu kuģi, kas varētu pārvietoties pa ūdensceļiem, un, izmantojot borta dabisko filtrēšanas sistēmu, varētu izfiltrēt liekās barības vielas un toksīnus no aļģēm Dinoflagellates un Karena Brevis. Šis dizains tika izveidots, lai parādītu, kā tehnoloģiju var izmantot, lai palīdzētu novērst dažas mūsu pašreizējās vides problēmas. Diemžēl manā vietējā mazpilsētas zinātnes gadatirgū tā neguva nekādas balvas vai vietu, taču es joprojām izbaudīju mācību pieredzi un, cerams, kāds cits varēs kaut ko iemācīties no mana projekta.

1. darbība: izpēte

Protams, jebkurā laikā, kad risināsit problēmu, jums jāveic daži pētījumi. Es biju dzirdējis par šo problēmu, izmantojot tiešsaistes rakstu, un tas mani ieinteresēja izstrādāt risinājumu šai vides problēmai. Sākumā pētīju, kas tieši ir problēma un kas to izraisa. Šeit ir mana pētījuma darba sadaļa, kurā parādīts, ko es atklāju pētījuma laikā.

Sarkanais plūdmaiņa ir pieaugoša ikgadēja problēma Floridas ūdeņos. Sarkanais paisums ir izplatīts termins, ko lieto lielai, koncentrētai aļģu grupai, kas sporādiski aug, palielinoties pieejamām barības vielām. Pašlaik Floridā ir vērojams straujš pieaugums Sarkanās plūdmaiņas lielumā, kas rada arvien lielākas bažas par ūdens savvaļas dzīvnieku drošību šajā teritorijā, kā arī par ikvienu personu, kas varētu ar to saskarties. Sarkano plūdmaiņu visbiežāk veido suga aļģes, kas pazīstamas kā Dinoflagellate. Dinoflagellates ir vienšūnu protisti, kas ražo toksīnus, piemēram, brevetoksīnus un ihtiotoksīnu, kas ir ļoti toksiski jūras un sauszemes dzīvībai, kas ar tiem saskaras. Dinoflagellates vairojas aseksuāli mitozes ceļā, sadalot šūnu, iegūstot precīzu kopiju. Dinoflagellates barojas ar citiem protistiem ūdenī, piemēram, Chysophyta, kas ir visizplatītākā netoksisko aļģu forma. Dinoflagellates arī vairojas aseksuāli, izraisot to skaita strauju pieaugumu, kad n tiek ieviestas jaunas barības vielas.

Galvenais iemesls to straujajam pārtikas pieaugumam ir saistīts ar lielu barības vielu daudzuma ieviešanu, kas lietusgāžu laikā tiek izskalotas no saimniecībām un no tuvējām upēm un strautiem tiek nogādātas okeāna krastos. Tā kā lauksaimniecība lielā mērā paļaujas uz mākslīgiem mēslošanas līdzekļiem, pieejamo barības vielu daudzums apkārtējās lauksaimniecības zemēs ir lielāks nekā jebkad agrāk. Ikreiz, kad lielākajā daļā austrumu valsts ir lietusgāze, lietus daudz šo mēslošanas līdzekļu izskalo no augšējās augsnes un apkārtējos strautos un strautos. Šīs plūsmas galu galā savāc upēs, apvienojot visas savāktās barības vielas vienā lielā grupā, kas tiek izgāzta Meksikas līcī. Šī lielā barības vielu kolekcija nav dabiska parādība esošajai jūras dzīvei, tāpēc tas izraisa nekontrolējamu aļģu augšanu. Tā kā aļģu straujais pieaugums ir Dinoflagellates galvenais pārtikas avots, tas ir liels barības avots strauji augošai dzīvības formai.

Šīs lielās Dinoflagellates grupas ražo toksiskas ķīmiskas vielas, kas, kā zināms, nogalina lielāko daļu ūdens organismu, kas ar tām saskaras. Saskaņā ar vietējās Floridas ziņu stacijas WUSF datiem, 2018. gada ziedēšanas laikā no Sarkanās plūdmaiņas tika apstiprināti 177 lamantīna nāves gadījumi, kā arī vēl 122 nāves gadījumi, par kuriem bija aizdomas, ka tie ir saistīti. No 6 500 gaidāmajiem lamantīniem Floridas un Puertoriko ūdeņos šī ir milzīga ietekme uz šīs sugas izdzīvošanu, un tā ir tikai ietekme uz vienu sugu. Ir zināms, ka Sarkanā plūdmaiņa izraisa elpošanas problēmas tiem, kas ir bijuši ziedēšanas tuvumā. Tā kā Red Tide aug kanālos visās pludmales pilsētās, tas ir acīmredzams drošības apdraudējums ikvienam, kas dzīvo šajās kopienās. Ir zināms, ka toksīns Dinophysis, ko ražo Sarkanās plūdmaiņas, parasti inficē vietējās vēžveidīgo populācijas, izraisot caureju izraisošu vēžveidīgo saindēšanos jeb DSP tiem, kas ēduši inficētos vēžveidīgos. Par laimi, nav zināms, ka tas būtu letāls, bet upurim tas var izraisīt gremošanas problēmas. Tomēr vēl viens toksīns, ko ražo daži Sarkanie plūdmaiņas, Gonyaulax vai Alexandrium, var arī inficēt vēžveidīgos ūdeņos, kas piesārņoti ar plūdmaiņām. Ar šiem toksīniem piesārņotu vēžveidīgo ēšana izraisa paralītisku vēžveidīgo saindēšanos vai PSP, kas sliktākajos gadījumos ir izraisījis elpošanas mazspēju un nāvi 12 stundu laikā pēc norīšanas."

2. solis: Mans piedāvātais risinājums

Citāts no mana pētījuma

Mans piedāvātais risinājums ir uzbūvēt pilnībā autonomu jūras kuģi, kas darbināms ar saules enerģiju, un uz tā ir dabisko filtrēšanas sistēma ar mikrodaļiņām. Visa sistēma tiks darbināta ar iebūvētiem saules paneļiem, un vilces vektoru uzstādīšanas režīmā to darbinās divi bezsuku, cauruļveida motori. filtrēšanas sistēma tiks izmantota, lai filtrētu liekās barības vielas un dinoflagellates, jo tā autonomi pārvietojas pa ūdensceļiem. Kuģis tiks izmantots arī kā vietējās sabiedrības transporta sistēma. Es sāku, vispirms izpētot problēmu un to, kā šī problēma bija sākusies. Es uzzināju, ka Sarkanās plūdmaiņas uzplūdus izraisīja lielais barības vielu daudzums, piemēram, slāpeklis, vietējos ūdeņos. Tiklīdz es atklāju problēmas cēloni, es varēju sākt domāt par risinājumu, kas varētu palīdzēt samazināt ikgadējo Sarkano plūdmaiņu apjomu.

Mana ideja bija kuģis pēc izmēra un formas līdzīgs pontona laivai. Šim traukam starp diviem pontoniem būtu skimeris, kas ienesošo ūdeni novadītu caur tīkla filtru, lai noņemtu lielas daļiņas, un pēc tam caur caurlaidīgu membrānas filtru, kas noņemtu esošās slāpekļa mikrodaļiņas. Filtrētais ūdens pēc tam izplūst laivas aizmugurē caur pretējo skimeri. Es arī gribēju, lai šis kuģis būtu pilnībā elektrisks, tāpēc tas būtu kluss, kā arī drošāks, un mazāka iespēja izplūst apkārtējos ūdeņos jebkādus toksiskus šķidrumus. Uz kuģa būtu vairāki saules paneļi, kā arī uzlādes kontrolieris ar litija jonu iepakojumu, lai uzkrātu lieko jaudu vēlākai lietošanai. Mans pēdējais mērķis bija izveidot kuģi tā, lai to varētu izmantot sabiedriskajam transportam vietējai sabiedrībai. Paturot prātā visas šīs dizaina izvēles, es sāku uz papīra ieskicēt vairākas idejas, lai mēģinātu atrisināt iespējamās problēmas."

3. darbība: projektēšana

Kad man bija savi pētījumi, man bija daudz labāks priekšstats par problēmu un tās cēloni. Pēc tam es pārgāju uz prāta vētru un projektēšanu. Es pavadīju vairākas dienas, domājot par daudziem dažādiem šīs problēmas risināšanas veidiem. Kad man bija dažas pienācīgas idejas, es pārcēlos uz to ieskicēšanu uz papīra, lai pirms pāriešanas uz CAD izmēģinātu dažus dizaina trūkumus. Pēc vēl pāris dienu ieskicēšanas es izveidoju to detaļu sarakstu, kuras vēlējos izmantot dizainam. Es izmantoju visus savus balvu ieņēmumus no iepriekšējo gadu zinātnes gadatirgus un nedaudz vairāk, lai iegādātos detaļas un kvēldiegu, kas man bija vajadzīgs prototipa izveidošanai. Es beidzot izmantoju Node MCU mikrokontrolleram, divus 18 V saules paneļus piedāvātajiem barošanas avotiem, divus ultraskaņas sensorus autonomajām funkcijām, 5 foto rezistorus, lai noteiktu apkārtējo apgaismojumu, dažas 12 V baltas LED sloksnes iekšējam apgaismojumam, 2 RGB LED sloksnes virziena apgaismojumam, 3 releji gaismas diodes un bezsuku motora vadībai, 12 V motors bez birstēm un ESC, 12 V PSU prototipa barošanai un vairākas citas sīkas detaļas.

Kad lielākā daļa detaļu ieradās, es sāku strādāt pie 3D modeļa. Es izmantoju Fusion 360, lai izstrādātu visas šīs laivas detaļas. Es sāku, izstrādājot laivas korpusu, un pēc tam virzījos uz augšu, veidojot katru daļu. Kad man bija izstrādāta lielākā daļa detaļu, es tās visas saliku montāžā, lai pārliecinātos, ka tās pēc izgatavošanas saderēs kopā. Pēc vairāku dienu projektēšanas un pielāgošanas beidzot bija laiks sākt drukāšanu. Es nodrukāju korpusu 3 dažādos gabalos uz sava Prusa Mk3s un iespiedu saules stiprinājumus un korpusa pārsegus uz maniem CR10. Vēl pēc vairākām dienām visas detaļas tika pabeigtas un beidzot varēju sākt tās salikt. Zemāk ir vēl viena mana pētījuma sadaļa, kurā es runāju par laivas projektēšanu.

Kad man bija laba ideja par galīgo dizainu, es pārgāju uz datorizēto projektēšanu vai CAD, kas ir process, ko var paveikt, izmantojot daudzas mūsdienās pieejamās programmatūras. Es izmantoju programmatūru Fusion 360, lai izstrādātu man nepieciešamās detaļas ražošana manam prototipam. Vispirms šim projektam izstrādāju visas detaļas un pēc tam samontēju tās virtuālā vidē, lai pirms detaļu drukāšanas mēģinātu atrisināt visas problēmas. Kad man bija pabeigta 3D montāža, es pārcēlos par šī prototipa elektrisko sistēmu projektēšanu. Es vēlējos, lai manu prototipu varētu kontrolēt, izmantojot viedtālrunī pielāgotu lietotni. Pirmajā daļā es izvēlējos Node MCU mikrokontrolleri. Node MCU ir mikrokontrolleris, kas veidots ap populāro ESP8266 Wifi mikroshēma. Šī plate ļauj man tai pievienot ārējās ieejas un izejas ierīces, kuras var attālināti vadīt, izmantojot tās Wifi saskarni. Pēc tam, kad atradu galveno dizaina kontrolieri, es izvēlējos citu rts būtu vajadzīgs elektriskai sistēmai. Lai barotu kuģi, es izvēlējos divus astoņpadsmit voltu saules paneļus, kas vēlāk tiks savienoti paralēli, lai nodrošinātu astoņpadsmit voltu jaudu kopā ar dubultu atsevišķas saules baterijas strāvu, jo tie tika savienoti paralēli. Saules paneļu izeja nonāk uzlādes kontrollerī. Šī ierīce ņem svārstīgo izejas spriegumu no saules paneļiem un izlīdzina to līdz nemainīgākai divpadsmit voltu izejai. Pēc tam tas nonāk akumulatora pārvaldības sistēmā vai BMS, lai uzlādētu 6, 18650 lipo šūnas, kas savienotas ar diviem paralēli savienotiem trīs šūnu komplektiem, pēc tam sērijveidā. Šī konfigurācija apvieno 18650 4,2 voltu jaudu 12,6 voltu komplektā ar trim elementiem. Pievienojot vēl trīs šūnas, kas uzstādītas paralēli iepriekšējam iepakojumam, kopējā jauda tiek dubultota, iegūstot 12,6 voltu akumulatoru ar 6 500 mAh ietilpību.

Šis akumulators var izvadīt divpadsmit voltus apgaismojumam un motoriem bez sukām. Es izmantoju pazeminošu invertoru, lai izveidotu piecu voltu izeju mazākas jaudas elektronikai. Pēc tam es izmantoju trīs relejus, vienu, lai ieslēgtu un izslēgtu iekšējos lukturus, vienu - lai mainītu ārējo lukturu krāsu, un otru, lai ieslēgtu un izslēgtu motoru bez sukām. Attāluma mērīšanai es izmantoju divus ultraskaņas sensorus - vienu priekšpusē un otru aizmugurē. Katrs sensors izsūta ultraskaņas impulsu un var nolasīt, cik ilgs laiks nepieciešams, lai šis impulss atgrieztos. No tā mēs varam noskaidrot, cik tālu objekts atrodas kuģa priekšā, aprēķinot atgriešanās signāla aizkavēšanos. Kuģa augšpusē man bija pieci fotorezistori, lai noteiktu debesīs esošās gaismas daudzumu. Šie sensori maina pretestību atkarībā no gaismas daudzuma. Pamatojoties uz šiem datiem, mēs varam izmantot vienkāršu kodu, lai aprēķinātu visas vērtības, un, kad sensori nolasa vāja apgaismojuma vidējo vērtību, tiks ieslēgtas iekšējās gaismas. Noskaidrojis, kādu elektroniku es izmantošu, es sāku 3D drukāt iepriekš izstrādātās detaļas. Es izdrukāju laivas korpusu trīs gabalos, lai tas ietilptu manā galvenajā printerī. Kamēr tie tika drukāti, es pārgāju uz saules stiprinājumu un klāja drukāšanu uz cita printera. Katras daļas drukāšana prasīja apmēram vienu dienu, tāpēc kopumā bija nepieciešamas aptuveni 10 dienas tiešas 3D drukāšanas, lai iegūtu visas nepieciešamās detaļas. Pēc visu drukāšanas es tos saliku mazākās daļās. Pēc tam es uzstādīju elektroniku, piemēram, saules paneļus un gaismas diodes. Kad bija uzstādīta elektronika, es tos visus savienoju ar vadu un pabeidzu drukāto detaļu salikšanu. Tālāk es ķēros pie prototipa statīva projektēšanas. Šis statīvs tika izstrādāts arī CAD un vēlāk manā CNC mašīnā tika izgriezts no MDF koka. Izmantojot CNC, es varēju izgriezt priekšējā paneļa spraugas aizkaru elektronikas piestiprināšanai. Pēc tam es uzstādīju prototipu uz pamatnes, un fiziskā montāža bija pabeigta. Tagad, kad prototips bija pilnībā samontēts, es sāku strādāt pie NodeMCU koda. Šis kods tiek izmantots, lai informētu NodeMCU, kuras detaļas ir pieslēgtas pie kurām ievades un izejas tapām. Tas arī norāda padomei, ar kuru serveri sazināties un kādam Wifi tīklam izveidot savienojumu. Izmantojot šo kodu, es varēju kontrolēt noteiktas prototipa daļas no sava tālruņa, izmantojot lietotni. Tas savā ziņā ir līdzīgs tam, kā galīgais projekts varētu sazināties ar galveno dokstaciju, lai saņemtu nākamās pieturas koordinātas, kā arī citu informāciju, piemēram, kur atrodas citi kuģi un paredzamie laika apstākļi šai dienai."

4. solis: montāža (beidzot !!)

Labi, tagad mēs esam pie manas mīļākās daļas - montāžas. Man patīk būvēt lietas, tāpēc beidzot spēja salikt visas detaļas un redzēt galīgos rezultātus mani ļoti satrauca. Es sāku ar visu drukāto daļu salikšanu un super salīmēju tās kopā. Pēc tam es uzstādīju elektroniku, piemēram, gaismas un saules paneļus. Šajā brīdī es sapratu, ka es nevarētu ievietot visu savu elektroniku šīs lietas iekšpusē. Tieši tad man radās ideja par laivas CNC stendu, lai tas izskatītos nedaudz labāk, kā arī iedotu vietu, kur paslēpt visu elektroniku. Es izstrādāju statīvu CAD, pēc tam izgriezu to uz sava Bobs CNC E3 13 mm MDF. Pēc tam es to saskrūvēju kopā un iedevu melnas aerosola krāsas kārtu. Tagad, kad man bija vieta, kur piebāzt visu savu elektroniku, es turpināju ar vadiem. Es visu vadu un instalēju Node MCU (gandrīz Arduino Nano ar iebūvētu WiFi) un pārliecinājos, ka viss ir ieslēgts. Pēc tam es iesaiņoju montāžu un pat izmantoju savu skolu lāzergriezēju, lai izgrieztu drošības margas ar dažiem foršiem gravējumiem, vēlreiz paldies Mr. Z! Tagad, kad mums bija gatavs fiziskais prototips, bija pienācis laiks pievienot maģiju ar kodēšanu.

5. darbība: kodēšana (AKA cietā daļa)

Kodēšanai es izmantoju Arduino IDE, lai uzrakstītu diezgan vienkāršu kodu. Kā starteri es izmantoju pamata Blynk skici, lai vēlāk varētu kontrolēt dažas detaļas no lietotnes Blynk. Es skatījos daudz YouTube videoklipu un lasīju daudz forumu, lai šī lieta darbotos. Galu galā es nevarēju izdomāt, kā vadīt bezsuku motoru, bet viss pārējais darbojās. No lietotnes jūs varētu mainīt kuģa virzienu, kas pārslēgtu sarkanās/zaļās gaismas diodes krāsas, ieslēgtu/izslēgtu salona apgaismojumu un iegūtu tiešraides datu plūsmu no viena no ultraskaņas sensoriem displeja priekšpusē.. Es noteikti atbrīvojos no šīs daļas un nesaņēmu gandrīz tik daudz koda, kā es gribēju, bet tas joprojām bija glīta funkcija.

6. darbība: galaprodukts

Tas ir izdarīts! Es visu samontēju un strādāju tikai īsi pirms zinātnes gadatirgus datumiem. (Stereotipisks atlikējs) Es biju diezgan lepns par galaproduktu un nevarēju vien sagaidīt, kad varēšu dalīties tajā ar tiesnešiem. Man šeit nav daudz ko citu teikt, tāpēc ļaujiet man paskaidrot to labāk. Šeit ir mana pētījuma noslēguma sadaļa.

Kad kuģi un dokstacijas ir izveidotas, risinājums tiek uzsākts. Katru rītu kuģi sāks savu maršrutu pa ūdensceļiem. Daži varētu iet caur kanāliem pilsētās, bet citi ceļo pa purva zemēm vai okeāna līnijām. Kamēr kuģis iet savu maršrutu, filtrējošais skimmeris būs uz leju, ļaujot filtriem sākt darbu. Skimmeris virzīs peldošās aļģes un gružus filtrēšanas kanālā. Kad ūdens ir iekšā, vispirms to izlaiž caur tīkla filtru, lai noņemtu lielākos daļiņas un gruži no ūdens. Izņemtais materiāls tiks turēts līdz kameras piepildīšanai. Pēc tam, kad ūdens ir izvadījis caur pirmo filtru, tas iziet cauri caurlaidīgajam membrānas filtram. Šis filtrs izmanto mazus, caurlaidīgus caurumus, lai caurlaidīgs ūdens, atstājot aiz tā necaurlaidīgus materiālus. Šo filtru izmanto, lai no aļģu augiem izņemtu necaurlaidīgo mēslojuma materiālu, kā arī lieko barības vielu daudzumu. r pēc tam izplūst no laivas aizmugures atpakaļ ūdens ceļā, kur kuģis filtrē.

Kad kuģis sasniedz tam paredzēto dokstaciju, tas ievelkas piestātnē. Pēc pilnīgas piestiprināšanas pie laivas sāniem piestiprinās divas rokas, lai tā vienmērīgi noturētos. Tālāk caurule automātiski pacelsies no laivas apakšas un piestiprinās pie katras atkritumu izvešanas ostas. Kad tas ir nostiprināts, osta tiks atvērta, un ieslēgsies sūknis, kas no laivas izsūks savākto materiālu dokstacijā. Kamēr tas viss notiek, pasažieriem būs atļauts iekāpt kuģī un atrast savas vietas. Kad visi būs uz klāja un atkritumu konteineri būs iztukšoti, kuģis tiks atbrīvots no stacijas un sāks citu maršrutu. Pēc tam, kad atkritumi ir iesūknēti dokstacijā, tie atkal tiks izsijāti, lai noņemtu lielus gružus, piemēram, nūjas vai miskasti. Izņemtie gruži tiks uzglabāti konteineros vēlākai pārstrādei. Atlikušās izsijātās aļģes tiks nogādātas centrālajā dokstacijā, lai tās apstrādātu. Kad katra mazākā dokstacija aizpildīs aļģu krātuvi, strādnieks ieradīsies transportēt aļģes uz galveno staciju, kur tās tiks pārveidotas par biodīzeļdegvielu. Šī biodīzeļdegviela ir atjaunojams degvielas avots, kā arī izdevīgs veids savākto barības vielu pārstrādei.

Laivām turpinot filtrēt ūdeni, barības vielu saturs samazināsies. Šis pārmērīgā barības vielu daudzuma samazinājums novedīs pie mazākas ziedēšanas katru gadu. Tā kā barības vielu līmenis turpina samazināties, ūdens kvalitāte tiks rūpīgi uzraudzīta, lai nodrošinātu, ka barības vielas paliek nemainīgā un veselīgā līmenī, kas vajadzīgs plaukstošai videi. Ziemas sezonā, kad mēslojuma noplūde nav tik spēcīga kā pavasara un vasaras laikā, laivas varēs kontrolēt filtrējamā ūdens daudzumu, lai nodrošinātu, ka vienmēr ir pieejams veselīgs pieejamo barības vielu daudzums. Laivām braucot pa maršrutiem, tiks apkopoti arvien vairāk datu, lai efektīvāk noteiktu mēslojuma noteces avotus un to, kad sagatavoties augstākam barības vielu līmenim. Izmantojot šos datus, var izveidot efektīvu grafiku, lai sagatavotos svārstībām, ko rada lauksaimniecības sezonas."