Navire de filtrage autonome Arduino : 6 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Dans ce Instructable, je vais vous montrer comment j'ai conçu et fait ma solution proposée pour le problème actuel des algues rouges dans les eaux de la côte du golfe. Pour ce projet, je voulais concevoir une embarcation entièrement autonome et à énergie solaire capable de naviguer dans les voies navigables et, à l'aide d'un système de filtration naturel embarqué, de filtrer les excès de nutriments et de toxines des Dinoflagellés et des algues Karena Brevis. Cette conception a été créée pour montrer comment la technologie peut être utilisée pour aider à résoudre certains de nos problèmes environnementaux actuels. Malheureusement, il n'a remporté aucun prix ni aucune place à l'expo-sciences de ma petite ville locale, mais j'ai quand même apprécié l'expérience d'apprentissage et j'espère que quelqu'un d'autre pourra apprendre quelque chose de mon projet.

Étape 1: Recherche

Bien sûr, chaque fois que vous allez résoudre un problème, vous devez faire des recherches. J'avais entendu parler de ce problème dans un article de presse en ligne et cela m'a intéressé à concevoir une solution à ce problème environnemental. J'ai commencé par rechercher quel était exactement le problème et quelle en était la cause. Voici une section de mon document de recherche montrant ce que j'ai trouvé au cours de mes recherches.

La marée rouge est un problème annuel croissant pour les eaux de la Floride. La marée rouge est un terme commun utilisé pour un grand groupe concentré d'algues qui se développe sporadiquement en raison de l'augmentation des nutriments disponibles. Actuellement, la Floride fait face à une augmentation rapide de la taille de la marée rouge, ce qui suscite une préoccupation croissante pour la sécurité de la faune aquatique de la région, ainsi que des individus qui pourraient entrer en contact avec elle. La marée rouge est le plus souvent composée d'une espèce de algue connue sous le nom de dinoflagellé. Les dinoflagellés sont des protistes unicellulaires qui produisent des toxines comme les brévétoxines et l'ichtyotoxine, qui sont hautement toxiques pour la vie marine et terrestre qui entre en contact avec eux. Les dinoflagellés se reproduisent de manière asexuée par mitose, la division d'une cellule produisant une copie exacte. Les dinoflagellés se nourrissent d'autres protistes dans l'eau comme Chysophyta, la forme la plus courante d'algues non toxiques. Les dinoflagellés se reproduisent également de manière asexuée, ce qui entraîne une croissance rapide de leur nombre lorsque n De nouveaux nutriments sont introduits.

La principale cause de leur augmentation rapide de la nourriture est due à l'introduction de grandes quantités de nutriments qui sont lavés des fermes pendant les tempêtes de pluie et transportés dans les rives de l'océan à partir des rivières et ruisseaux à proximité. En raison de la forte dépendance aux engrais artificiels pour l'agriculture, la quantité de nutriments disponibles dans les terres agricoles environnantes est plus élevée qu'elle ne l'a jamais été. Chaque fois qu'il y a une tempête de pluie dans la plupart des régions de l'est du pays, cette pluie entraîne une grande partie de ces engrais hors de la couche supérieure du sol et dans les ruisseaux et les ruisseaux environnants. Ces cours d'eau finissent par s'accumuler dans des rivières combinant tous leurs nutriments collectés en un grand groupe qui est déversé dans le golfe du Mexique. Cette grande collection de nutriments n'est pas un phénomène naturel pour la vie marine présente, c'est pourquoi elle entraîne une croissance incontrôlable d'algues. En tant que principale source de nourriture des dinoflagellés, l'augmentation rapide des algues fournit une grande source de nourriture pour une forme de vie à croissance rapide.

Ces grands groupes de dinoflagellés produisent des produits chimiques toxiques connus pour tuer la plupart des organismes aquatiques qui entrent en contact avec eux. Selon la WUSF, une station d'information locale de Floride, au cours de la floraison de 2018, il y a eu 177 décès confirmés de lamantins dus à la marée rouge ainsi que 122 autres décès soupçonnés d'être liés. Sur les 6 500 lamantins attendus dans les eaux de Floride et de Porto Rico, il s'agit d'un impact énorme sur la survie de cette espèce, et ce n'est que l'impact sur une espèce. La marée rouge est également connue pour causer des problèmes respiratoires à ceux qui ont été à proximité de l'une des fleurs. Étant donné que la marée rouge pousse dans les canaux de certaines villes balnéaires, il s'agit d'un danger évident pour la sécurité de tous ceux qui vivent dans ces communautés. La toxine Dinophysis, produite par les marées rouges, est également connue pour infecter couramment les populations locales de mollusques, entraînant une intoxication diarrhéique par les mollusques, ou DSP, chez ceux qui ont mangé des mollusques infectés. Heureusement, il n'est pas connu pour être mortel, mais il peut entraîner des problèmes digestifs pour la victime. Cependant, une autre toxine produite par certaines marées rouges, Gonyulax ou Alexandrium, peut également infecter les coquillages dans les eaux contaminées par les marées. Manger des coquillages contaminés par ces toxines provoque une intoxication paralysante par les coquillages, ou PSP qui, dans le pire des cas, a entraîné une insuffisance respiratoire et la mort dans les 12 heures suivant l'ingestion."

Étape 2: Ma proposition de solution

Citation de mon article de recherche

« La solution que je propose consiste à construire un navire marin entièrement autonome à énergie solaire doté d'un système de filtration naturelle de microparticules à bord. système de filtration sera utilisé pour filtrer les nutriments en excès et les dinoflagellés lorsqu'il navigue de manière autonome dans les cours d'eau. Le navire sera également utilisé comme système de navette pour la communauté locale. J'ai commencé par rechercher d'abord le problème et comment ce problème avait commencé. J'ai appris que les surtensions de la marée rouge ont été causées par les grandes quantités de nutriments, comme l'azote, dans les eaux locales. Une fois que j'ai découvert la cause du problème, j'ai pu commencer à réfléchir à une solution qui pourrait aider à réduire la taille des marées rouges annuelles.

Mon idée était un navire similaire en taille et en forme à un bateau ponton. Ce navire aurait un skimmer entre les deux pontons qui ferait passer l'eau venant en sens inverse à travers un filtre à mailles pour éliminer les grosses particules, puis à travers un filtre à membrane perméable qui éliminerait les microparticules d'azote présentes. L'eau filtrée s'écoulerait ensuite à l'arrière du bateau par l'écumoire opposée. Je voulais également que ce navire soit entièrement électrique, afin qu'il soit silencieux et plus sûr, avec moins de risques de fuite de liquides toxiques dans les eaux environnantes. Il y aurait plusieurs panneaux solaires sur le navire ainsi qu'un contrôleur de charge avec un pack lithium-ion pour stocker tout excès d'énergie pour une utilisation ultérieure. Mon dernier objectif était de concevoir le navire de manière à ce qu'il puisse être utilisé pour les transports publics de la communauté locale. Avec tous ces choix de conception en tête, j'ai commencé à esquisser plusieurs idées sur papier pour essayer de résoudre tous les problèmes potentiels."

Étape 3: Conception

Une fois mes recherches terminées, j'ai eu une bien meilleure idée du problème et de sa cause. Je suis ensuite passé au brainstorming et à la conception. J'ai passé plusieurs jours à réfléchir à de nombreuses façons différentes de résoudre ce problème. Une fois que j'ai eu quelques idées décentes, je suis passé à les esquisser sur papier pour essayer de résoudre certains défauts de conception avant de passer à la CAO. Après quelques jours de croquis, j'ai créé une liste de pièces que je voulais utiliser pour la conception. J'ai utilisé tous mes gains de prix de l'expo-sciences des années précédentes et un peu plus pour acheter les pièces et le filament dont j'avais besoin pour créer le prototype. J'ai fini par utiliser un Node MCU pour le micro contrôleur, deux panneaux solaires 18V pour les sources d'alimentation proposées, deux capteurs à ultrasons pour les fonctionnalités autonomes, 5 photorésistances pour déterminer l'éclairage ambiant, quelques bandes LED blanches 12V pour l'éclairage intérieur, 2 LED RGB bandes pour l'éclairage directionnel, 3 relais pour contrôler les LED et le moteur brushless, un moteur brushless 12V et ESC, un bloc d'alimentation 12V pour alimenter le prototype, et plusieurs autres petites pièces.

Une fois la plupart des pièces arrivées, j'ai commencé à travailler sur le modèle 3D. J'ai utilisé Fusion 360 pour concevoir toutes les pièces de ce bateau. J'ai commencé par dessiner la coque du bateau puis je suis monté en dessinant chaque partie au fur et à mesure. Une fois que j'ai conçu la plupart des pièces, je les ai toutes rassemblées pour m'assurer qu'elles s'assembleraient une fois fabriquées. Après plusieurs jours de conception et de peaufinage, il était enfin temps de commencer à imprimer. J'ai imprimé la coque en 3 pièces différentes sur mes Prusa Mk3 et imprimé les supports solaires et les housses de coque sur mes CR10. Après plusieurs jours de plus, toutes les pièces étaient imprimées et je pouvais enfin commencer à les assembler. Vous trouverez ci-dessous une autre section de mon document de recherche où je parle de la conception du bateau.

Une fois que j'ai eu une bonne idée de la conception finale, je suis passé au dessin assisté par ordinateur ou CAO, qui est un processus qui peut être effectué à l'aide de nombreux logiciels disponibles aujourd'hui. J'ai utilisé le logiciel Fusion 360 pour concevoir les pièces dont j'aurais besoin pour fabrication pour mon prototype. J'ai d'abord conçu toutes les pièces pour ce projet, puis je les ai assemblées dans un environnement virtuel pour essayer de résoudre les problèmes avant de commencer à imprimer les pièces. Une fois l'assemblage 3D finalisé, j'ai déménagé sur la conception des systèmes électriques nécessaires à ce prototype. Je voulais que mon prototype soit contrôlable via une application conçue sur mesure sur mon smartphone. Pour ma première partie, j'ai choisi le microcontrôleur Node MCU. Le Node MCU est un microcontrôleur construit autour du populaire ESP8266 Puce Wifi. Cette carte me donne la possibilité de connecter des périphériques d'entrée et de sortie externes qui peuvent être contrôlés à distance via son interface Wifi. Après avoir trouvé le contrôleur principal pour ma conception, je suis passé au choix de l'autre pa rts serait nécessaire pour le système électrique. Pour alimenter le navire, j'ai choisi deux panneaux solaires de dix-huit volts qui seraient plus tard câblés en parallèle pour fournir une sortie de dix-huit volts ainsi que le double du courant d'une cellule solaire individuelle en raison de leur câblage en parallèle. La sortie des panneaux solaires va dans un contrôleur de charge. Cet appareil prend la tension de sortie fluctuante des panneaux solaires et la lisse à une sortie de douze volts plus constante. Celui-ci passe ensuite dans le système de gestion de batterie, ou BMS, pour charger les 6 18650 cellules lipo câblées avec deux ensembles de trois cellules câblées en parallèle, puis en série. Cette configuration combine la capacité de 4,2 volts du 18650 dans un pack de capacité de 12,6 volts avec trois cellules. En câblant trois autres cellules en parallèle avec le pack précédent, la capacité totale est doublée, ce qui nous donne une batterie de 12,6 volts d'une capacité de 6 500 mAh.

Cette batterie peut fournir douze volts pour l'éclairage et les moteurs brushless. J'ai utilisé un onduleur abaisseur pour créer une sortie de cinq volts pour l'ensemble d'électronique de puissance inférieure. J'ai ensuite utilisé trois relais, un pour allumer et éteindre les lumières intérieures, un pour changer la couleur des lumières externes et un autre pour allumer et éteindre le moteur brushless. Pour la mesure de distance, j'ai utilisé deux capteurs à ultrasons, un pour l'avant et un pour l'arrière. Chaque capteur envoie une impulsion ultrasonore et peut lire combien de temps il faut à cette impulsion pour revenir. À partir de là, nous pouvons déterminer à quelle distance un objet se trouve devant le navire en calculant le retard du signal de retour. Sur le dessus du vaisseau, j'avais cinq photorésistances pour déterminer la quantité de lumière présente dans le ciel. Ces capteurs modifient leur résistance en fonction de la quantité de lumière présente. À partir de ces données, nous pouvons utiliser un code simple pour faire la moyenne de toutes les valeurs, et lorsque les capteurs lisent une valeur moyenne de faible luminosité, les lumières intérieures s'allument. Après avoir déterminé l'électronique que j'utiliserais, j'ai commencé à imprimer en 3D les pièces que j'avais précédemment conçues. J'ai imprimé la coque du bateau en trois morceaux pour qu'elle puisse tenir sur mon imprimante principale. Pendant que ceux-ci étaient en cours d'impression, je suis passé à l'impression des supports solaires et du pont sur une autre imprimante. Chaque pièce a pris environ un jour à imprimer, donc au total, il y a eu environ 10 jours d'impression 3D directe pour obtenir toutes les pièces dont j'avais besoin. Une fois l'impression terminée, je les ai assemblés en plus petites pièces. J'ai ensuite installé de l'électronique comme des panneaux solaires et des LED. Une fois l'électronique installée, je les ai tous câblés et j'ai fini d'assembler les pièces imprimées. Ensuite, je suis passé à la conception d'un support pour le prototype. Ce support a également été conçu en CAO et plus tard découpé en bois MDF sur ma machine CNC. À l'aide de la CNC, j'ai pu découper les fentes nécessaires sur le panneau avant pour la fixation de l'électronique du rideau. J'ai ensuite monté le prototype sur la base et l'assemblage physique était terminé. Maintenant que le prototype était entièrement assemblé, j'ai commencé à travailler sur le code du NodeMCU. Ce code est utilisé pour indiquer au NodeMCU quelles pièces sont connectées à quelles broches d'entrée et de sortie. Il indique également à la carte quel serveur contacter et à quel réseau Wifi se connecter. Avec ce code, j'ai ensuite pu contrôler certaines parties du prototype depuis mon téléphone à l'aide d'une application. C'est similaire à la façon dont la conception finale pourrait contacter la station d'accueil principale pour recevoir les coordonnées de son prochain arrêt, ainsi que d'autres informations, telles que l'endroit où se trouvent les autres navires et la météo attendue pour ce jour. »

Étape 4: Assemblage (Enfin !!)

Ok donc maintenant nous en sommes à ma partie préférée, l'assemblage. J'adore construire des choses, donc pouvoir enfin assembler toutes les pièces et voir les résultats finaux m'a vraiment enthousiasmé. J'ai commencé par assembler toutes les pièces imprimées et les ai super collées ensemble. J'ai ensuite installé l'électronique comme les lumières et les panneaux solaires. À ce stade, j'ai réalisé qu'il n'y aurait aucun moyen que je puisse installer tous mes appareils électroniques à l'intérieur de cette chose. C'est à ce moment-là que j'ai eu l'idée de fabriquer un support CNC pour le bateau afin de le rendre un peu plus beau et de me donner un endroit pour cacher toute l'électronique. J'ai conçu le support en CAO puis l'ai découpé sur mon Bobs CNC E3 en MDF 13mm. Je l'ai ensuite vissé et lui ai donné une couche de peinture noire en aérosol. Maintenant que j'avais un endroit pour bourrer tous mes appareils électroniques, j'ai continué avec le câblage. J'ai tout câblé et installé le Node MCU (à peu près un Arduino Nano avec WiFi intégré) et je me suis assuré que tout était allumé. Après cela, j'ai terminé l'assemblage et j'ai même pu utiliser le découpeur laser de mon école pour découper les garde-corps de sécurité avec des gravures sympas, merci encore Mr. Z ! Maintenant que nous avions un prototype physique terminé, il était maintenant temps d'ajouter un peu de magie avec le codage.

Étape 5: Le codage (AKA la partie difficile)

Pour le codage, j'ai utilisé l'IDE Arduino pour écrire un code assez simple. J'ai utilisé le croquis de base de Blynk comme point de départ afin que je puisse plus tard contrôler certaines des pièces à partir de l'application Blynk. J'ai regardé de nombreuses vidéos YouTube et lu de nombreux forums pour que cela fonctionne. En fin de compte, je n'ai pas réussi à comprendre comment contrôler le moteur sans balais, mais j'ai fait fonctionner tout le reste. À partir de l'application, vous pouvez changer la direction de l'engin, ce qui change les couleurs des LED rouge/vert, allume/éteint les lumières intérieures et obtient un flux de données en direct de l'un des capteurs à ultrasons à l'avant de l'écran. Je me suis définitivement relâché sur cette partie et je n'ai pas fait autant de travail que je le voulais sur le code, mais cela a quand même fini par être une fonctionnalité intéressante.

Étape 6: Produit final

C'est fait! J'ai tout assemblé et j'ai travaillé juste avant les dates de l'expo-sciences. (Procrastinateur stéréotypé) J'étais assez fier du produit final et j'avais hâte de le partager avec les juges. Je n'ai pas grand-chose d'autre à dire ici, donc je vais me laisser expliquer mieux. Voici la partie conclusion de mon mémoire de recherche.

« Une fois les navires et les stations d'accueil créés, la solution est en route. Chaque matin, les navires commenceraient leur route à travers les voies navigables. Certains pourraient emprunter les canaux des villes, tandis que d'autres sillonneraient les marais ou les lignes océaniques. suit son parcours, l'écumoire filtrante sera abaissée, permettant aux filtres de commencer leur travail. L'écumoire dirigera les algues flottantes et les débris dans le canal de filtration. Une fois à l'intérieur, l'eau est d'abord passée à travers un filtre à mailles pour éliminer les plus gros les particules et les débris de l'eau. Le matériau retiré y sera maintenu jusqu'à ce que la chambre soit remplie. Une fois que l'eau a traversé le premier filtre, elle passe ensuite à travers le filtre à membrane perméable. Ce filtre utilise de petits trous perméables pour ne permettre que perméable à l'eau à travers, laissant les matériaux imperméables derrière. Ce filtre est utilisé pour extraire les engrais imperméables, ainsi que l'excès de nutriments des croissances d'algues. r s'écoule ensuite par l'arrière du bateau dans la voie navigable où le navire filtre.

Lorsqu'un navire atteint sa station d'accueil désignée, il s'arrête à quai. Une fois complètement amarré, deux bras se fixeront sur le côté du bateau pour le maintenir fermement en place. Ensuite, un tuyau s'élèvera automatiquement sous le bateau et se fixera à chaque port d'élimination des déchets. Une fois sécurisé, le port s'ouvrira et une pompe se mettra en marche, aspirant le matériau collecté hors du bateau et dans la station d'accueil. Pendant que tout cela se passe, les passagers seront autorisés à monter à bord du navire et à trouver leurs sièges. Une fois que tout le monde sera à bord et que les conteneurs à déchets auront été vidés, l'engin sera libéré de la gare et repartira sur un autre itinéraire. Une fois que les déchets ont été pompés dans la station d'accueil, ils seront à nouveau tamisés pour éliminer les gros débris comme les bâtons ou les déchets. Les débris enlevés seront stockés dans des conteneurs pour un recyclage ultérieur. Les algues tamisées restantes seront acheminées vers la station d'accueil centrale pour y être traitées. Lorsque chaque petite station d'accueil remplit son stockage d'algues, un travailleur viendra transporter les algues jusqu'à la station principale, où elles seront raffinées en biodiesel. Ce biodiesel est une source de carburant renouvelable ainsi qu'un moyen rentable de recycler les nutriments collectés.

Au fur et à mesure que les bateaux continuent de filtrer l'eau, la teneur en éléments nutritifs sera réduite. Cette réduction de la quantité excessive de nutriments conduira à des floraisons plus petites chaque année. À mesure que les niveaux de nutriments continuent de baisser, la qualité de l'eau sera surveillée de manière approfondie pour s'assurer que les nutriments restent à un niveau constant et sain nécessaire à un environnement prospère. Pendant les saisons hivernales, lorsque le ruissellement d'engrais n'est pas aussi puissant qu'au printemps et en été, les bateaux seront en mesure de contrôler la quantité d'eau filtrée pour s'assurer qu'il y a toujours une quantité saine de nutriments disponibles. Au fur et à mesure que les bateaux parcourent les routes, de plus en plus de données seront collectées pour déterminer plus efficacement les sources de ruissellement d'engrais et à quel moment se préparer à des niveaux de nutriments plus élevés. À l'aide de ces données, un calendrier efficace peut être créé pour se préparer aux fluctuations provoquées par les saisons agricoles. »