Hackear el cubo de cultivo de Wolverine de Hollow para la ISS: 5 pasos

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

Somos la escuela secundaria West Hollow de Long Island, NY. Somos aspirantes a ingenieros que nos reunimos una vez a la semana en un club llamado Hack the Hollow en el que diseñamos, codificamos y construimos una serie de proyectos de creadores. Puedes consultar todos los proyectos en los que trabajamos AQUÍ. Nuestro principal objetivo ha sido estudiar el futuro de la robótica alimentaria y medioambiental. Hemos montado y mantenido una granja hidropónica vertical automatizada en la parte trasera de nuestro laboratorio de ciencias con nuestro maestro, el Sr. Regini. También hemos participado en el programa GBE durante los últimos dos años. Sabemos que este desafío requería estudiantes de secundaria, pero estábamos demasiado emocionados como para esperar dos años más para presentarles a Wolverine, que lleva el nombre de nuestra mascota de la escuela. ¡Esto es lo que hacemos!

En este proyecto, encontrará muchas de las cosas que nos encanta usar, como Arduino, Raspberry Pi y todas las ventajas electrónicas que las acompañan. También disfrutamos usando Fusion 360 como un paso adelante de TinkerCad para diseñar el cubo. Este proyecto fue una oportunidad perfecta para comenzar a trabajar en algunas nuevas plataformas de fabricantes. Nos dividimos en equipos de diseño, cada uno de los cuales tenía que centrarse en un aspecto del Grow Cube. Lo dividimos en el marco, la tapa y la placa base, la iluminación, las paredes de cultivo, el agua, los ventiladores y los sensores ambientales. Hemos creado enlaces en nuestra lista de suministros a todos los materiales que estamos usando si necesita ayuda para visualizar las piezas que se tratan en los pasos que siguen. ¡Esperamos que disfrutes!

Suministros

Cuadro:

• Extrusiones de aluminio de 1 "80/20
• Tuercas en T
• Soportes de apoyo
• Bisagras
• Articulaciones deslizantes compatibles con canal en T
• Guías de cables y tubos compatibles con canal en T
• Imanes para mantener las puertas cerradas
• 3 x interruptores de lengüeta magnéticos

Cultivar paredes:

• Canales NFT de perfil bajo de Farm Tech
• Cubiertas de canales NFT
• Láminas de plástico corrugado
• Imanes para sujetar los canales extraíbles en su lugar

Tapa:

• Lámina de plástico corrugado
• Luminaria de cultivo LED impresa en 3D (Fusion 360)
• Separadores de plástico y hardware para electrónica.

Encendiendo:

• Tiras de neopixel direccionables de Adafruit (60LED / m)
• Conectores de neopixel
• Clips de neopixel
• Condensador de desacoplamiento 330uF, 35V
• Resistencia de 1K ohmios
• Cinta plateada de papel de aluminio HVAC
• convertidor de moneda

Agua: (Nuestra característica favorita):

• 2 x motores paso a paso Nema 17
• Adafruit Stepper Shield para Arduino
• Bomba de jeringa de actuador lineal impresa en 3D (Fusion 360)
• 2 jeringas de 100-300 ml
• Tubería con conexiones de bloqueo Luer y uniones en T / codo
• 2 tornillos y tuercas T8 de 300 mm x 8 mm
• 2 x acoplador volado
• 2 x cojinetes de cojinetes
• 4 guías de eje de varilla de movimiento lineal de 300 mm x 8 mm
• Rodamientos lineales LM8UU de 4 x 8 mm
• 4 x DF Robot sensores de humedad de resistencia capacitiva para monitorear el suelo y controlar las bombas de jeringa

Circulación aérea:

• 2 ventiladores de 12 V de 5"
• Cubiertas de filtro de ventilador de 5"
• 2 x disipadores de calor y transistores Darlington TIP120
• Fuente de alimentación 12V
• Adaptador de conexión de conector de barril de montaje en panel
• 2 resistencias de 1K ohmios
• 2 x diodos de retorno
• 2 condensadores electrolíticos de desacoplamiento de 330 uF, 35 V
• Sensor de temperatura y humedad DHT22 con resistencia de 4.7K ohmios

Electrónica:

• Raspberry Pi 3B + con SOMBRERO de motor
• Tarjeta SD de 8GB
• Arduino Mega
• Placa de pruebas Adafruit perma-proto
• 2 pantallas LCD i2C de 20x4
• Cables de conexión trenzados 22AWG
• Kit de conector Dupont
• Sensor de calidad del aire Adafruit SGP30 con eCO2

Instrumentos:

• Soldador
• Kit de soldadura
• Manos amigas
• Herramientas para engarzar y pelar cables
• Destornilladores
• Café (para el Sr. Regini)

Paso 1: Paso 1: Construcción de la estructura

El marco se construirá con extrusiones de aluminio de canal de 80/20 t de peso ligero de 1 . Se sujetará con juntas de codo de aluminio y tuercas en t. Además de mantener el peso bajo, los canales actuarán como rutas de guía para nuestra agua. líneas y cableado.

El cubo descansará sobre un conjunto de rieles equipados con juntas deslizantes que permitirán extraer el cubo de una pared para exponer no solo su cara frontal, sino también ambos lados. La inspiración para esto vino de uno de nuestros estudiantes que pensó en el estante de especias en los gabinetes de la cocina de su casa.

Usando bisagras simples, el frente y los lados tendrán puertas que se pueden abrir cuando el cubo se saca sobre sus rieles. Se mantienen en su lugar mediante imanes cuando están cerrados. Los 6 paneles de este cubo son extraíbles, ya que todas las caras también se mantienen en su lugar mediante imanes. El propósito de esta elección de diseño fue permitir un fácil acceso a todas las superficies para la siembra, el mantenimiento de la planta, la recopilación de datos, la cosecha y la limpieza / reparación.

Puede ver nuestro diseño para los paneles en el siguiente paso.

Paso 2: Paso 2: Construcción de los muros de cultivo

El primer elemento en el que pensamos fueron los materiales a utilizar para las propias paredes. Sabíamos que debían ser livianos, pero lo suficientemente fuertes para sostener las plantas. Se eligió plástico corrugado blanco sobre acrílico transparente a pesar de que nos encantaron las imágenes de V. E. G. G. I. E donde podíamos ver las plantas en el interior. La razón de esta decisión fue porque la mayor parte de la vista estaría obstruida por los canales de la planta, y queríamos reflejar la mayor cantidad posible de luz de nuestros LED. Esta lógica vino de inspeccionar la unidad que nos enviaron como parte de nuestra participación en GBE. Como se indicó en el paso anterior, estas placas se sujetan al marco de aluminio con imanes para que se puedan quitar fácilmente.

Adjuntos a estas placas hay tres canales de rieles de cultivo NFT de perfil bajo que usamos en nuestro laboratorio de hidroponía. Nos gusta esta opción porque están fabricados con PVC delgado con cubiertas que se deslizan fácilmente para implantar las almohadas en crecimiento. Todos los sustratos de cultivo estarán contenidos dentro de almohadas especialmente diseñadas que vimos que ya se están usando en la ISS cuando leemos ESTE ARTÍCULO. Todos los paneles entre los rieles estarán recubiertos con cinta aislante HVAC plateada para promover la reflectividad de las luces de cultivo.

Nuestras aberturas son de 1 3/4 y están separadas por 6 pulgadas en el centro. Esto permite 9 sitios de plantación en cada uno de los cuatro paneles del cubo, lo que da un total de 36 plantas. Intentamos mantener este espacio tan consistente con lo que teníamos rojo acerca de las lechugas extravagantes. Los canales se muelen con ranuras para aceptar nuestros sensores de humedad que monitorearán la humedad del suelo y solicitarán agua de las bombas de jeringa. La hidratación se distribuirá a cada almohada de planta individual a través de un colector de riego de tubería médica adjunto a estas bombas. Este método de riego con jeringa es algo que investigamos como una mejor práctica tanto para el riego de precisión como para superar los desafíos de un entorno de gravedad cero / microgravedad. Los tubos entrarán en la base de la almohada de la planta para promover el crecimiento de las raíces hacia el exterior de Confiaremos en la capilaridad para ayudar a que el agua se difunda por el medio de cultivo.

Finalmente, queríamos encontrar una forma de hacer uso de la placa base. Creamos un pequeño labio en la cara inferior que aceptaría una estera de cultivo para cultivar microverduras. Se sabe que las micro verduras tienen casi 40 veces más nutrientes vitales que sus contrapartes maduras. Estos podrían resultar muy beneficiosos para la dieta de los astronautas. Este es un artículo que nuestros estudiantes encontraron sobre el valor nutricional de las micro verduras.

Paso 3: Paso 3: regar las plantas

Hicimos referencia a nuestras bombas de jeringa de actuador lineal en el paso anterior. Esta es, con mucho, nuestra parte favorita de esta construcción. Los motores paso a paso NEMA 17 accionarán actuadores lineales que presionarán el émbolo de dos jeringas de 100 cc-300 cc en la tapa del cubo de cultivo. Diseñamos las carcasas del motor, el impulsor del émbolo y la plataforma de riel guía usando Fusion 360 después de revisar algunos excelentes proyectos de código abierto en Hackaday. Seguimos este tutorial en el increíble sitio web de Adafruit para aprender a conducir los motores.

Queríamos encontrar una manera de liberar a los astronautas de la tarea de regar. Los steppers se activan cuando las plantas dentro del sistema requieren su propia agua. 4 sensores capacitivos de humedad están conectados a las almohadas de las plantas en varios lugares del cubo de cultivo. Cada sitio de plantación en el sistema tiene una ranura para aceptar estos sensores molidos en sus canales de cultivo. Esto permite que los astronautas elijan la ubicación de estos sensores y la cambien periódicamente. Además de maximizar la eficiencia por la cual se distribuye el agua dentro del sistema, permitirá visualizar cómo cada planta está consumiendo su agua. Los astronautas pueden establecer umbrales de humedad para que el riego se pueda automatizar de acuerdo con sus necesidades. Las jeringas están unidas al colector de riego principal con conexiones Luer Lock para facilitar el llenado. Los propios paneles de cultivo utilizan un protocolo de conexión similar al del colector de riego para que puedan extraerse fácilmente del cubo.

Los datos recopilados por los sensores se pueden leer localmente en una pantalla LCD de 20x4 adjunta a la tapa o de forma remota donde se recopilan, muestran y grafican mediante la integración del sistema con las plataformas de IoT Cayenne o Adafruit IO. El Arduino envía sus datos a la Raspberry Pi a bordo usando un cable USB que luego se abre camino a Internet usando la tarjeta WiFi de Pi. Se pueden configurar alertas en estas plataformas para notificar a los astronautas cuando cualquiera de las variables de nuestro sistema haya salido de sus valores de umbral preestablecidos.

Paso 4: Paso 4: la tapa inteligente con control de iluminación y ventilador

La tapa de nuestro cubo de cultivo actúa como el cerebro de toda la operación y también proporciona las carcasas para los elementos de cultivo críticos. Extendiéndose hacia abajo desde la parte inferior de la tapa hay una carcasa de LED impresa en 3D que proporciona luz para cada una de las placas de pared de cultivo, así como la iluminación superior de la alfombra de micro greens en la parte inferior. Esto fue nuevamente diseñado en Fusion 360 e impreso en nuestro MakerBot. Cada bahía de luz tiene 3 tiras de LED que están protegidas por un soporte cóncavo. Este soporte está plateado con cinta aislante HVAC para maximizar su reflectividad. El cableado sube por una columna central hueca para acceder a la energía y los datos en la parte superior de la tapa. El tamaño de esta carcasa se eligió para tener una huella que permitiera que las plantas que crecen a su alrededor alcancen una altura máxima de 8 pulgadas. Se encontró que este número es una altura promedio de lechugas maduras de Outredgeous que cultivamos en nuestros jardines hidropónicos verticales en nuestro laboratorio. Pueden llegar a medir hasta 30 centímetros de alto, pero pensamos que los astronautas estarían pastando con ellos a medida que crecen, lo que hace que este sea un cubo de crecimiento de cortar y volver a crecer.

Los neopíxeles que estamos utilizando son direccionables individualmente, lo que significa que podemos controlar el espectro de color que emiten. Esto se puede utilizar para modificar los espectros de luz que reciben las plantas durante las diferentes etapas de su crecimiento o de una especie a otra. Los escudos estaban destinados a permitir diferentes condiciones de iluminación en cada una de las paredes si fuera necesario. Entendemos que esta no es una configuración perfecta y que las luces que estamos usando no son técnicamente luces de crecimiento, pero sentimos que es una buena prueba de concepto.

La parte superior de la tapa alberga dos ventiladores de enfriamiento de 12 V de 5 pulgadas que generalmente se usan para controlar la temperatura de las torres de computadoras. Lo diseñamos para que uno empuje aire hacia el sistema mientras que el otro actúa como extracción de aire. Ambos están cubiertos con una pantalla de malla fina para garantizar que no se extraigan escombros y entren en el entorno de respiración del astronauta. Los ventiladores se apagan cuando cualquiera de los interruptores de lengüeta magnéticos conectados a las puertas están abiertos para evitar la contaminación del aire no intencional. La velocidad de los ventiladores se controla a través de PWM usando el Motor HAT en la Raspberry pi. Los ventiladores se pueden acelerar o ralentizar condicionalmente en función de los valores de temperatura o humedad alimentados al Pi por el sensor DHT22 integrado dentro del cubo. Estas lecturas se pueden volver a ver localmente en una pantalla LCD o de forma remota en el mismo panel de IoT que los sensores de humedad.

Al pensar en la fotosíntesis, también queríamos tener en cuenta los niveles de CO2 y la calidad general del aire en el cubo de cultivo. Con este fin, incluimos un sensor SGP30 para monitorear el eCO2, así como los VOC totales. Estos también se envían a las pantallas LCD y al panel de IoT para su visualización.

También verá que nuestro par de bombas de jeringa están montadas a lo largo del costado de la tapa. Su tubería se dirige hacia abajo por los canales verticales del marco de soporte de extrusión de aluminio.

Paso 5: pensamientos finales e iteraciones futuras

Diseñamos a Wolverine usando el conocimiento que hemos adquirido durante nuestro tiempo cultivando alimentos juntos. Hemos estado automatizando nuestros jardines durante varios años y esta fue una oportunidad tan emocionante para aplicar esto a una tarea de ingeniería única. Entendemos que nuestro diseño tiene comienzos humildes, pero estamos ansiosos por crecer junto con él.

Un aspecto de la compilación que no pudimos completar antes de la fecha límite fue la captura de imágenes. Uno de nuestros estudiantes ha estado experimentando con la cámara Raspberry Pi y OpenCV para ver si podemos automatizar la detección de la salud de las plantas mediante el aprendizaje automático. Al menos queríamos poder tener una forma de ver las plantas sin tener que abrir las puertas. La idea era incluir un mecanismo de giro e inclinación que pudiera girar alrededor de la parte inferior del panel superior para capturar imágenes de cada muro de cultivo y luego imprimirlas en el tablero de Adafruit IO para visualizarlas. Esto también podría generar algunos lapsos de tiempo realmente interesantes de los cultivos en crecimiento. Suponemos que eso es solo parte del proceso de diseño de ingeniería. Siempre habrá trabajo por hacer y mejoras por hacer. ¡Muchas gracias por la oportunidad de participar!