Recipiente de filtrado autónomo Arduino: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

En este Instructable, les mostraré cómo diseñé e hice mi solución propuesta para el problema actual de las algas rojas en las aguas de la costa del Golfo. Para este proyecto, quería diseñar una nave totalmente autónoma y alimentada por energía solar que pudiera navegar por las vías fluviales y, utilizando un sistema de filtración natural a bordo, pudiera filtrar el exceso de nutrientes y toxinas de los dinoflagelados y las algas Karena Brevis. Este diseño se creó para mostrar cómo se puede utilizar la tecnología para ayudar a solucionar algunos de nuestros problemas ambientales actuales. Desafortunadamente, no ganó ningún premio ni lugar en la feria de ciencias de mi pequeña ciudad local, pero aún disfruté de la experiencia de aprendizaje y espero que alguien más pueda aprender algo de mi proyecto.

Paso 1: investigación

Por supuesto, cada vez que vaya a resolver un problema, debe investigar un poco. Había escuchado sobre este problema a través de un artículo de noticias en línea y eso me interesó en diseñar una solución para ese problema ambiental. Comencé investigando cuál era exactamente el problema y qué lo estaba causando. Aquí hay una sección de mi trabajo de investigación que muestra lo que encontré durante mi investigación.

La marea roja es un problema anual creciente para las aguas de Florida. Marea roja es un término común que se usa para un grupo grande y concentrado de algas que crece esporádicamente debido al aumento de los nutrientes disponibles. Actualmente, Florida se ha enfrentado a un rápido aumento en el tamaño de la marea roja, que está causando una creciente preocupación por la seguridad de la vida silvestre acuática en el área, así como por cualquier individuo que pueda entrar en contacto con ella. La marea roja está compuesta más comúnmente por una especie de algas conocidas como dinoflagelados. Los dinoflagelados son protistas unicelulares que producen toxinas como las brevetoxinas y las ictiotoxinas, que son altamente tóxicas para la vida marina y terrestre que entran en contacto con ellas. Los dinoflagelados se reproducen asexualmente a través de la mitosis, la división de una célula produciendo una copia exacta. Los dinoflagelados se alimentan de otros protistas en el agua como Chysophyta's, la forma más común de algas no tóxicas. Los dinoflagelados también se reproducen asexualmente haciendo que su número crezca rápidamente cuando n Se introducen nuevos nutrientes.

La principal causa de su rápido aumento de alimentos se debe a la introducción de grandes cantidades de nutrientes que se lavan de las granjas durante las tormentas y se transportan a las orillas del océano desde los ríos y arroyos cercanos. Debido a la alta dependencia de los fertilizantes artificiales para la agricultura, la cantidad de nutrientes disponibles en las tierras agrícolas circundantes es más alta que nunca. Siempre que hay una tormenta en la mayor parte del país oriental, esa lluvia arrastra muchos de esos fertilizantes de la capa superior del suelo y los lleva a los arroyos y arroyos circundantes. Esos arroyos eventualmente se acumulan en ríos que combinan todos los nutrientes recolectados en un grupo grande que se vierte en el Golfo de México. Esta gran colección de nutrientes no es una ocurrencia natural de las formas de vida marina presentes, por lo que resulta en un crecimiento incontrolable de algas. Como principal fuente de alimento de los dinoflagelados, el rápido aumento de algas proporciona una gran fuente de alimento para una forma de vida de rápido crecimiento.

Estos grandes grupos de dinoflagelados producen sustancias químicas tóxicas que se sabe que matan a la mayoría de la vida acuática que entra en contacto con ellos. Según WUSF, una estación de noticias local de Florida, en la floración de 2018 hubo 177 muertes confirmadas de manatíes a causa de la marea roja, así como otras 122 muertes que se sospechaba que estaban relacionadas. De los 6.500 manatíes esperados en las aguas de Florida y Puerto Rico, este es un gran impacto en la supervivencia de esta especie, y ese es solo el impacto en una especie. También se sabe que la marea roja causa problemas respiratorios a quienes han estado muy cerca de cualquiera de las flores. Dado que Red Tide crece en los canales a lo largo de algunos pueblos costeros, este es un peligro obvio para la seguridad de cualquiera que viva en esas comunidades. También se sabe que la toxina Dinophysis, producida por las mareas rojas, infecta comúnmente a las poblaciones locales de mariscos, lo que resulta en una intoxicación diarreica por mariscos, o DSP, en aquellos que han ingerido mariscos infectados. Afortunadamente, no se sabe que sea fatal, pero puede resultar en problemas digestivos para la víctima. Sin embargo, otra toxina producida por algunas mareas rojas, Gonyaulax o Alexandrium, también puede infectar mariscos en aguas contaminadas con las mareas. Comer mariscos contaminados con estas toxinas causa intoxicación paralítica por mariscos, o PSP que en el peor de los casos ha resultado en insuficiencia respiratoria y muerte dentro de las 12 horas posteriores a la ingestión.

Paso 2: Mi solución propuesta

Cita de mi trabajo de investigación

Mi solución propuesta es construir una embarcación marina totalmente autónoma que funcione con energía solar y que cuente con un sistema de filtración natural de micropartículas a bordo. Todo el sistema será impulsado por paneles solares a bordo y propulsado por dos motores sin escobillas con conductos en una configuración de vectorización de empuje. El sistema de filtración se utilizará para filtrar el exceso de nutrientes y dinoflagelados mientras navega por las vías fluviales de forma autónoma. La embarcación también se utilizará como un sistema de transporte para la comunidad local. Comencé investigando primero el problema y cómo había comenzado. Aprendí que las oleadas de marea roja fueron causadas por las grandes cantidades de nutrientes, como nitrógeno, en las aguas locales. Una vez que descubrí la causa del problema, pude comenzar a pensar en una solución que podría ayudar a disminuir el tamaño de las mareas rojas anuales.

Mi idea era una embarcación similar en tamaño y forma a un barco de pontones. Este recipiente tendría un skimmer entre los dos pontones que conduciría el agua entrante a través de un filtro de malla para eliminar las partículas grandes, y luego a través de un filtro de membrana permeable que eliminaría las micropartículas de nitrógeno presentes. El agua filtrada luego fluiría por la parte trasera del bote a través del skimmer opuesto. También quería que esta embarcación fuera completamente eléctrica, para que fuera silenciosa y además más segura, con menos posibilidades de filtrar líquidos tóxicos a las aguas circundantes. Habría varios paneles solares en la embarcación, así como un controlador de carga con un paquete de iones de litio para almacenar cualquier exceso de energía para su uso posterior. Mi último objetivo era diseñar la embarcación de manera que pudiera usarse como transporte público para la comunidad local. Con todas estas opciones de diseño en mente, comencé a esbozar varias ideas en papel para tratar de resolver cualquier problema potencial.

Paso 3: diseño

Una vez que terminé mi investigación, tuve una idea mucho mejor del problema y lo que lo estaba causando. Luego pasé a la lluvia de ideas y al diseño. Pasé varios días pensando en muchas formas diferentes de resolver este problema. Una vez que tuve algunas ideas decentes, pasé a esbozarlas en papel para tratar de resolver algunos defectos de diseño antes de pasar a CAD. Después de un par de días de dibujar, creé una lista de partes que quería usar para el diseño. Utilicé todos los premios obtenidos en la feria de ciencias de años anteriores y un poco más para comprar las piezas y el filamento que necesitaba para crear el prototipo. Terminé usando un Node MCU para el microcontrolador, dos paneles solares de 18V para las fuentes de energía propuestas, dos sensores ultrasónicos para las características autónomas, 5 fotorresistencias para determinar la iluminación ambiental, algunas tiras de LED blanco de 12V para iluminación interior, 2 LED RGB tiras para iluminación direccional, 3 relés para controlar los LEDS y el motor sin escobillas, un motor sin escobillas de 12V y ESC, una fuente de alimentación de 12V para alimentar el prototipo y varias otras piezas pequeñas.

Una vez que llegaron la mayoría de las piezas, me puse a trabajar en el modelo 3D. Usé Fusion 360 para diseñar todas las piezas de este barco. Comencé diseñando el casco del barco y luego fui hacia arriba diseñando cada parte a medida que avanzaba. Una vez que tuve la mayoría de las piezas diseñadas, las puse todas en un ensamblaje para asegurarme de que encajarían una vez que se fabricaron. Después de varios días de diseño y ajustes, finalmente llegó el momento de comenzar a imprimir. Imprimí el casco en 3 piezas diferentes en mis Prusa Mk3 e imprimí los soportes solares y las cubiertas del casco en mis CR10. Después de varios días más, todas las piezas terminaron de imprimirse y finalmente pude comenzar a ensamblarlas. A continuación se muestra otra sección de mi trabajo de investigación donde hablo sobre el diseño del barco.

Una vez que tuve una buena idea del diseño final, pasé al dibujo asistido por computadora o CAD, que es un proceso que se puede realizar utilizando muchos softwares disponibles en la actualidad. Usé el software Fusion 360 para diseñar las piezas que necesitaría para mi prototipo. Primero diseñé todas las piezas para este proyecto y luego las ensamblé en un entorno virtual para tratar de resolver cualquier problema antes de comenzar a imprimir las piezas. Una vez que tuve un ensamblaje 3D finalizado, me mudé para diseñar los sistemas eléctricos necesarios para este prototipo. Quería que mi prototipo fuera controlable a través de una aplicación diseñada a medida en mi teléfono inteligente. Para mi primera parte, elegí el microcontrolador Node MCU. El Node MCU es un microcontrolador construido alrededor del popular ESP8266 Chip Wifi. Esta placa me da la capacidad de conectarle dispositivos externos de entrada y salida que se pueden controlar de forma remota a través de su interfaz Wifi. Después de encontrar el controlador principal para mi diseño, pasé a elegir qué otros pa Se necesitarían rts para el sistema eléctrico. Para alimentar la embarcación, elegí dos paneles solares de dieciocho voltios que luego se conectarían en paralelo para proporcionar una salida de dieciocho voltios junto con el doble de corriente de una celda solar individual debido al cableado en paralelo. La salida de los paneles solares pasa a un controlador de carga. Este dispositivo toma el voltaje de salida fluctuante de los paneles solares y lo suaviza a una salida de doce voltios más constante. Esto luego ingresa al sistema de administración de la batería, o BMS, para cargar las celdas lipo 6, 18650 conectadas con dos juegos de tres celdas conectadas en paralelo, luego en serie. Esta configuración combina la capacidad de 4.2 voltios del 18650 en un paquete de capacidad de 12.6 voltios con tres celdas. Al cablear otras tres celdas en paralelo con el paquete anterior, la capacidad total se duplica dándonos una batería de 12.6 voltios con una capacidad de 6.500 mAh.

Este paquete de baterías puede generar doce voltios para la iluminación y los motores sin escobillas. Usé un inversor reductor para crear una salida de cinco voltios para el conjunto de componentes electrónicos de menor potencia. Luego utilicé tres relés, uno para encender y apagar las luces interiores, otro para cambiar el color de las luces externas y otro para encender y apagar el motor sin escobillas. Para la medición de la distancia, utilicé dos sensores ultrasónicos, uno para el frente y otro para la espalda. Cada sensor envía un pulso ultrasónico y puede leer cuánto tarda ese pulso en regresar. A partir de esto, podemos averiguar qué tan lejos está un objeto frente a la embarcación calculando el retraso en la señal de retorno. En la parte superior del barco tenía cinco fotorresistores para determinar la cantidad de luz presente en el cielo. Estos sensores cambian su resistencia en función de la cantidad de luz presente. A partir de estos datos, podemos usar un código simple para promediar todos los valores, y cuando los sensores lean un valor promedio de poca luz, las luces interiores se encenderán. Después de averiguar qué electrónica usaría, comencé a imprimir en 3D las piezas que había diseñado anteriormente. Imprimí el casco del barco en tres piezas para que pudiera caber en mi impresora principal. Mientras se imprimían, pasé a imprimir los soportes solares y la plataforma en otra impresora. Cada parte tardó aproximadamente un día en imprimirse, por lo que en total hubo aproximadamente 10 días de impresión 3D directa para obtener todas las partes que necesitaba. Una vez que terminaron de imprimir, los ensamblé en partes más pequeñas. Luego instalé dispositivos electrónicos como paneles solares y LED. Una vez que se instalaron los componentes electrónicos, los conecté todos y terminé de ensamblar las piezas impresas. A continuación, pasé a diseñar un stand para el prototipo. Este soporte también fue diseñado en CAD y luego cortado de madera MDF en mi máquina CNC. Usando el CNC, pude cortar las ranuras requeridas en el panel frontal para colocar la electrónica de la cortina. Luego monté el prototipo en la base y el ensamblaje físico estaba completo. Ahora que el prototipo estaba completamente ensamblado, comencé a trabajar en el código para NodeMCU. Este código se usa para decirle al NodeMCU qué partes están conectadas a qué pines de entrada y salida. También le dice a la placa a qué servidor contactar y a qué red Wifi conectarse. Con este código, pude controlar ciertas partes del prototipo desde mi teléfono usando una aplicación. Esto es similar en cierto modo a cómo el diseño final podría contactar con la estación de atraque principal para recibir las coordenadas de su próxima parada, así como otra información, como dónde están las otras embarcaciones y el clima esperado para ese día.

Paso 4: Montaje (¡¡Finalmente !!)

Bien, ahora estamos en mi parte favorita, el montaje. Me encanta construir cosas, así que finalmente poder juntar todas las piezas y ver los resultados finales me emocionó bastante. Comencé juntando todas las partes impresas y las pegué con pegamento. Luego instalé la electrónica como luces y paneles solares. En este punto me di cuenta de que no habría forma de que pudiera colocar todos mis dispositivos electrónicos dentro de esta cosa. Fue entonces cuando se me ocurrió la idea de poner en CNC un soporte para el barco para que se viera un poco mejor y para que me diera un lugar para esconder toda la electrónica. Diseñé el soporte en CAD y luego lo corté en mi Bobs CNC E3 en MDF de 13 mm. Luego lo atornillé y le di una capa de pintura en aerosol negra. Ahora que tenía un lugar para rellenar todos mis dispositivos electrónicos, continué con el cableado. Conecté todo e instalé el Node MCU (prácticamente un Arduino Nano con WiFi integrado) y me aseguré de que todo estuviera encendido. Después de eso, terminé el ensamblaje e incluso pude usar el cortador láser de mi escuela para cortar las barandillas de seguridad con algunos grabados geniales, ¡gracias nuevamente, Sr. Z! Ahora que teníamos un prototipo físico terminado, era el momento de agregar algo de magia con la codificación.

Paso 5: la codificación (también conocida como la parte difícil)

Para la codificación utilicé el IDE de Arduino para escribir un código bastante simple. Usé el boceto básico de Blynk como iniciador para luego poder controlar algunas de las partes desde la aplicación Blynk. Vi muchos videos de YouTube y leí muchos foros para que esto funcionara. Al final, no pude averiguar cómo controlar el motor sin escobillas, pero conseguí que todo lo demás funcionara. Desde la aplicación, puede cambiar la dirección de la nave, lo que cambiaría los colores de los LED rojo / verde, encendería / apagaría las luces interiores y obtendría una transmisión de datos en vivo de uno de los sensores ultrasónicos en la parte frontal de la pantalla.. Definitivamente me relajé en esta parte y no logré hacer tanto en el código como quería, pero aún así terminó siendo una característica interesante.

Paso 6: Producto final

¡Se hace! Conseguí todo armado y funcionando apenas antes de las fechas de la feria de ciencias. (Procrastinador estereotipado) Estaba bastante orgulloso del producto final y no podía esperar para compartirlo con los jueces. No tengo mucho más que decir aquí, así que dejaré que me lo explique mejor. Aquí está la sección de conclusiones de mi trabajo de investigación.

Una vez que se crean las embarcaciones y las estaciones de atraque, la solución está en marcha. Cada mañana, las embarcaciones comenzarían sus rutas a través de las vías fluviales. Algunas podrían atravesar los canales de las ciudades, mientras que otras viajarían por las marismas o las líneas oceánicas. está pasando por su ruta, el skimmer de filtrado estará abajo, lo que permitirá que los filtros comiencen a funcionar. El skimmer dirigirá las algas flotantes y los escombros hacia el canal de filtrado. Una vez dentro, el agua se pasa primero a través de un filtro de malla para eliminar partículas y escombros del agua. El material extraído se mantendrá allí hasta que se llene la cámara. Una vez que el agua ha pasado por el primer filtro, pasa a través del filtro de membrana permeable. Este filtro utiliza orificios pequeños y permeables para permitir solo agua permeable, dejando atrás materiales impermeables. Este filtro se utiliza para extraer el material fertilizante impermeable, así como el exceso de nutrientes del crecimiento de algas. El agua filtrada r luego fluye por la parte trasera del bote de regreso al canal donde el barco se está filtrando.

Cuando una embarcación llega a su estación de atraque designada, se detiene en el atracadero. Una vez que esté completamente acoplado, dos brazos se sujetarán al costado del bote para mantenerlo firmemente en su lugar. A continuación, una tubería se elevará automáticamente desde debajo de la embarcación y se conectará a cada puerto de eliminación de desechos. Una vez asegurado, el puerto se abrirá y se encenderá una bomba, succionando el material recolectado fuera del bote y hacia la estación de atraque. Mientras todo esto sucede, los pasajeros podrán abordar el barco y encontrar sus asientos. Una vez que todos estén a bordo y los contenedores de residuos se hayan vaciado, la nave saldrá de la estación y comenzará en otra ruta. Una vez que los desechos se hayan bombeado a la estación de carga, se volverán a tamizar para eliminar los desechos grandes como palos o basura. Los escombros retirados se almacenarán en contenedores para su posterior reciclaje. Las algas tamizadas restantes se llevarán a la estación de acoplamiento central para su procesamiento. Cuando cada estación de acoplamiento más pequeña llena su almacenamiento de algas, un trabajador vendrá a transportar las algas a la estación principal, donde se refinará en biodiesel. Este biodiésel es una fuente renovable de combustible y una forma rentable de reciclar los nutrientes recolectados.

A medida que los barcos continúen filtrando el agua, se reducirá el contenido de nutrientes. Esta reducción en la cantidad excesiva de nutrientes dará lugar a floraciones más pequeñas cada año. A medida que los niveles de nutrientes continúan bajando, la calidad del agua será monitoreada extensamente para asegurar que los nutrientes permanezcan en un nivel constante y saludable necesario para un ambiente próspero. Durante las temporadas de invierno, cuando la escorrentía de fertilizantes no es tan potente como la primavera y el verano, los barcos podrán controlar la cantidad de agua que se filtra para garantizar que siempre haya una cantidad saludable de nutrientes disponibles. A medida que los barcos recorren las rutas, se recopilarán más y más datos para determinar de manera más eficiente las fuentes de la escorrentía de fertilizantes y en qué momentos prepararse para niveles más altos de nutrientes. Con estos datos, se puede crear un programa eficiente para prepararse para la fluctuación provocada por las temporadas agrícolas.