Hack the Hollow's Wolverine Grow Cube pour l'ISS : 5 étapes

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

Nous sommes un collège de West Hollow de Long Island, NY. Nous sommes des ingénieurs en herbe qui se réunissent une fois par semaine dans un club appelé Hack the Hollow dans lequel nous concevons, codons et construisons un certain nombre de projets de créateurs. Vous pouvez consulter tous les projets sur lesquels nous travaillons ICI. Notre objectif principal a été d'étudier l'avenir de la robotique alimentaire et environnementale. Nous avons assemblé et entretenu une ferme hydroponique verticale automatisée à l'arrière de notre laboratoire scientifique avec notre professeur M. Regini. Nous participons également au programme GBE depuis deux ans. Nous savons que ce défi appelait des élèves du secondaire, mais nous étions trop excités pour attendre encore deux ans pour vous présenter le Wolverine, du nom de la mascotte de notre école. C'est un peu ce qu'on fait !

Dans ce projet, vous trouverez de nombreuses choses que nous aimons utiliser, notamment Arduino, Raspberry Pi et tous les accessoires électroniques qui les accompagnent. Nous avons également apprécié l'utilisation de Fusion 360 comme une avancée de TinkerCad pour concevoir le cube. Ce projet était une occasion parfaite pour faire nos armes sur de nouvelles plateformes de fabricants. Nous avons été divisés en équipes de conception qui devaient chacune se concentrer sur un aspect du Grow Cube. Nous l'avons décomposé en cadre, couvercle et plaque de base, éclairage, murs de culture, eau, ventilateurs et capteurs environnementaux. Nous avons créé des liens dans notre liste de fournitures vers tous les matériaux que nous utilisons si vous avez besoin d'aide pour visualiser les pièces qui sont discutées dans les étapes qui suivent. Nous espérons que vous apprécierez !

Fournitures

Cadre:

• Extrusion d'aluminium 1" 80/20
• Écrous en T
• Supports
• Charnières
• Joints de planeur compatibles avec les canaux en T
• Guides de tube et de fil compatibles avec les canaux en T
• Aimants pour maintenir les portes fermées
• 3 x commutateurs à lames magnétiques

Faire pousser des murs:

• Chaînes NFT à profil bas Farm Tech
• Couvertures de chaînes NFT
• Feuilles de plastique ondulé
• Aimants pour maintenir les canaux amovibles en place

Couvercle:

• Feuille de plastique ondulé
• Luminaire de culture à LED imprimé en 3D (Fusion 360)
• Entretoises et matériel en plastique pour l'électronique

Éclairage:

• Bandes néopixel adressables d'Adafruit (60LED/m)
• Connecteurs néopixels
• Clips néopixels
• Condensateur de découplage 330uF, 35V
• Résistance 1K ohm
• Ruban de papier d'aluminium HVAC argenté
• convertisseur Buck

Eau: (Notre caractéristique préférée):

• 2 x moteurs pas à pas Nema 17
• Adafruit Stepper Shield pour Arduino
• Pompe seringue à actionneur linéaire imprimée en 3D (Fusion 360)
• 2 seringues de 100 à 300 ml
• Tubes avec raccords Luer lock et raccords en T/coude
• 2 vis et écrous T8 de 300 mm x 8 mm
• 2 x coupleur volé
• 2 x paliers à coussinets
• 4 guides d'arbre de tige de mouvement linéaire de 300 mm x 8 mm
• 4 roulements linéaires LM8UU de 8 mm
• 4 x capteurs d'humidité à résistance capacitive DF Robot pour surveiller le sol et contrôler les pompes à seringue

Circulation d'air:

• 2 ventilateurs 5" 12V
• Couvercles de filtre de ventilateur de 5"
• 2 x transistors TIP120 Darlington et dissipateurs thermiques
• Alimentation 12V
• Adaptateur de connexion jack cylindrique à montage sur panneau
• 2 résistances de 1K ohm
• 2 x diodes flyback
• 2 condensateurs de découplage électrolytique 330uF, 35V
• Capteur de température et d'humidité DHT22 avec résistance de 4,7 K ohms

Électronique:

• Raspberry Pi 3B+ avec chapeau de moteur
• Carte SD de 8 Go
• Arduino méga
• Planche à pain perma-proto Adafruit
• 2 écrans LCD i2C 20x4
• Fils de connexion toronnés 22AWG
• Kit connecteur Dupont
• Capteur de qualité de l'air Adafruit SGP30 avec eCO2

Outils:

• Fer à souder
• Kit de soudure
• Coup de main
• Outils de sertissage et de dénudage pour fils
• Tournevis
• Café (pour M. Regini)

Étape 1: Étape 1: Construire le cadre

Le cadre sera construit à l'aide d'extrusions d'aluminium à canaux légers de 1 80/20 t. Il sera maintenu par des joints coudés en aluminium et des écrous en T. En plus de réduire le poids, les canaux serviront de chemins de guidage pour notre eau lignes et câblage.

Le cube reposera sur un ensemble de rails munis de joints de glissement qui permettront d'extraire le cube d'un mur pour exposer non seulement sa face avant, mais aussi ses deux côtés. L'inspiration pour cela est venue d'un de nos étudiants pensant au support à épices dans ses armoires de cuisine à la maison.

À l'aide de charnières simples, l'avant et les côtés auront des portes qui peuvent s'ouvrir lorsque le cube est tiré sur ses rails. Ils sont maintenus en place par des aimants lorsqu'ils sont fermés. Les 6 panneaux de ce cube sont amovibles car toutes les faces sont également maintenues en place par des aimants. Le but de ce choix de conception était de permettre un accès facile à toutes les surfaces pour l'ensemencement, l'entretien des plantes, la collecte de données, la récolte et le nettoyage/les réparations.

Vous pouvez voir notre conception pour les panneaux à l'étape suivante.

Étape 2: Étape 2: Construire les murs de culture

Le premier élément auquel nous avons pensé était les matériaux à utiliser pour les murs eux-mêmes. Nous savions qu'ils devaient être légers, mais suffisamment solides pour supporter les plantes. Le plastique ondulé blanc a été choisi par rapport à l'acrylique transparent même si nous avons adoré les photos de V. E. G. G. I. E où nous pouvions voir les plantes à l'intérieur. La raison de cette décision était que la majeure partie de la vue serait obstruée par les canaux de la plante, et nous voulions refléter autant que possible la lumière de nos LED. Cette logique est venue de l'inspection de l'unité qui nous a été envoyée dans le cadre de notre participation au GBE. Comme indiqué à l'étape précédente, ces plaques sont fixées au cadre en aluminium avec des aimants afin qu'elles puissent être facilement retirées.

Attachés à ces plaques se trouvent trois canaux de rails de culture NFT à profil bas que nous utilisons dans notre laboratoire de culture hydroponique. Nous aimons ce choix car ils sont construits en PVC mince avec des housses qui glissent facilement pour implanter les coussins de croissance. Tous les substrats de culture seront contenus dans des coussins spécialement conçus que nous avons vus déjà utilisés sur l'ISS lorsque nous lisons CET ARTICLE. Tous les panneaux entre les rails seront recouverts de ruban isolant HVAC argenté pour favoriser la réflectivité des lampes de culture.

Nos ouvertures sont de 1 3/4 et espacées de 6 pouces au centre. Cela permet 9 sites de plantation sur chacun des quatre panneaux du cube, ce qui donne un total de 36 plantes. Nous avons essayé de garder cet espacement aussi cohérent avec ce que nous avions rouge sur les laitues Outreedgeous. Les canaux sont fraisés avec des fentes pour accepter nos capteurs d'humidité qui surveilleront l'humidité du sol et appelleront de l'eau des pompes à seringue. L'hydratation sera distribuée à chaque oreiller végétal individuel par l'intermédiaire d'un collecteur d'arrosage de tubes médicaux attaché à ces pompes. Cette méthode d'arrosage à base de seringue est quelque chose que nous avons recherché comme une meilleure pratique à la fois pour l'arrosage de précision ainsi que pour surmonter les défis d'un environnement de zéro/micro-gravité. Nous allons nous appuyer sur la capillarité pour aider l'eau à se diffuser dans tout le substrat.

Enfin, nous voulions trouver un moyen d'utiliser la plaque de base. Nous avons créé une petite lèvre sur la face inférieure qui accepterait un tapis de culture pour faire pousser des micro-pousses. Les micro greens sont connus pour avoir près de 40 fois plus de nutriments essentiels que leurs homologues matures. Ceux-ci pourraient s'avérer très bénéfiques pour l'alimentation des astronautes. Il s'agit d'un article que nos étudiants ont trouvé sur la valeur nutritionnelle des micro-légumes verts.

Étape 3: Étape 3: Arroser les plantes

Nous avons référencé nos pompes à seringue à actionneur linéaire à l'étape précédente. C'est de loin notre partie préférée de cette construction. Les moteurs pas à pas NEMA 17 vont entraîner des actionneurs linéaires qui enfonceront le piston de deux seringues de 100 cc à 300 cc sur le couvercle du cube de culture. Nous avons conçu les carters de moteur, le pilote de piston et la plate-forme de rail de guidage à l'aide de Fusion 360 après avoir vérifié quelques grands projets open source sur Hackaday. Nous avons suivi ce tutoriel sur l'incroyable site Web d'Adafruit pour apprendre à piloter les moteurs.

Nous voulions trouver un moyen de libérer les astronautes de la tâche d'arroser. Les steppers sont activés lorsque les plantes du système demandent leur propre eau. 4 capteurs d'humidité capacitifs sont branchés sur les coussins de plantes à divers endroits dans le cube de culture. Chaque site de plantation du système a un emplacement pour accepter ces capteurs fraisés dans leurs canaux de croissance. Cela permet au placement de ces capteurs d'être choisi et modifié périodiquement par les astronautes. En plus de maximiser l'efficacité avec laquelle l'eau est distribuée dans le système, cela permettra de visualiser comment chaque plante consomme son eau. Des seuils d'humidité peuvent être fixés par les astronautes afin d'automatiser l'arrosage en fonction de leurs besoins. Les seringues sont fixées au collecteur d'arrosage principal avec des connexions Luer lock pour un remplissage facile. Les panneaux de culture eux-mêmes utilisent un protocole de connexion similaire au collecteur d'arrosage afin qu'ils puissent être facilement retirés du cube.

Les données collectées par les capteurs peuvent être lues localement sur un écran LCD 20x4 fixé au couvercle ou à distance où elles sont collectées, affichées et représentées graphiquement par l'intégration du système avec les plateformes IoT Cayenne ou Adafruit IO. L'Arduino envoie ses données au Raspberry Pi embarqué à l'aide d'un câble USB qui se dirige ensuite vers Internet à l'aide de la carte WiFi du Pi. Des alertes peuvent être définies sur ces plates-formes pour informer les astronautes lorsque l'une de nos variables système a quitté ses valeurs de seuil prédéfinies.

Étape 4: Étape 4: le couvercle intelligent avec contrôle de l'éclairage et du ventilateur

Le couvercle de notre cube de culture agit comme le cerveau de toute l'opération et fournit les logements pour les éléments de croissance critiques. S'étendant vers le bas depuis le dessous du couvercle se trouve un boîtier LED imprimé en 3D qui fournit de la lumière pour chacune des plaques murales de culture ainsi qu'un éclairage supérieur du tapis micro-verts en bas. Cela a de nouveau été conçu dans Fusion 360 et imprimé sur notre MakerBot. Chaque baie lumineuse contient 3 bandes LED qui sont protégées par un support concave. Ce support est argenté avec du ruban isolant HVAC pour maximiser sa réflectivité. Le câblage remonte une colonne centrale creuse pour accéder à l'alimentation et aux données sur le dessus du couvercle. La taille de ce boîtier a été choisie pour avoir une empreinte qui permettrait aux plantes qui poussent autour d'atteindre une hauteur maximale de 8 pouces. Ce nombre s'est avéré être une hauteur moyenne de laitues Outreedgeous matures que nous cultivons dans nos jardins hydroponiques verticaux dans notre laboratoire. Ils peuvent atteindre jusqu'à 12 pouces de hauteur, mais nous avons pensé que les astronautes les brouteraient au fur et à mesure qu'ils grandissaient, ce qui en ferait un cube de culture à découper et à revenir.

Les néopixels que nous utilisons sont adressables individuellement, ce qui signifie que nous pouvons contrôler le spectre de couleurs qu'ils émettent. Cela peut être utilisé pour modifier les spectres de lumière que les plantes reçoivent au cours des différentes étapes de leur croissance ou d'une espèce à l'autre. Les boucliers étaient destinés à permettre des conditions d'éclairage différentes sur chacun des murs si nécessaire. Nous comprenons que ce n'est pas une configuration parfaite et que les lumières que nous utilisons ne sont pas techniquement des lumières de croissance, mais nous avons estimé que c'était une belle preuve de concept.

Le haut du couvercle abrite deux ventilateurs de refroidissement de 5 pouces 12V généralement utilisés pour contrôler la température des tours informatiques. Nous l'avons conçu pour que l'un pousse l'air dans le système tandis que l'autre agit comme une extraction d'air. Ils sont tous deux recouverts d'un tamis à mailles fines pour s'assurer qu'aucun débris ne soit retiré et ne pénètre dans l'environnement respiratoire de l'astronaute. Les ventilateurs sont arrêtés lorsque l'un des commutateurs magnétiques à lames attachés aux portes est ouvert pour éviter une contamination accidentelle de l'air. La vitesse des ventilateurs est contrôlée via PWM à l'aide du moteur HAT sur le Raspberry pi. Les ventilateurs peuvent être accélérés ou ralentis de manière conditionnelle en fonction des valeurs de température ou d'humidité transmises au Pi par le capteur DHT22 intégré dans le cube. Ces lectures peuvent à nouveau être visualisées localement sur un écran LCD ou à distance sur le même tableau de bord IoT que les capteurs d'humidité.

En pensant à la photosynthèse, nous voulions également tenir compte des niveaux de CO2 et de la qualité globale de l'air dans le cube de culture. À cette fin, nous avons inclus un capteur SGP30 pour surveiller l'eCO2 ainsi que les COV totaux. Ceux-ci sont également envoyés aux écrans LCD et au tableau de bord IoT pour visualisation.

Vous verrez également que notre paire de pousse-seringues est montée le long du côté du couvercle. Leur tube est dirigé vers le bas des canaux verticaux du cadre de support d'extrusion d'aluminium.

Étape 5: Réflexions finales et itérations futures

Nous avons conçu Wolverine en utilisant les connaissances que nous avons acquises en cultivant ensemble des aliments. Nous automatisons nos jardins depuis plusieurs années et c'était une opportunité tellement excitante d'appliquer cela à une tâche d'ingénierie unique. Nous comprenons que notre conception a des débuts modestes, mais nous sommes impatients de grandir avec elle.

Un aspect de la construction que nous n'avons pas pu terminer avant la date limite était la capture d'images. L'un de nos étudiants a expérimenté la caméra Raspberry Pi et OpenCV pour voir si nous pouvons automatiser la détection de la santé des plantes par le biais de l'apprentissage automatique. Nous voulions à tout le moins pouvoir voir les plantes sans avoir à ouvrir les portes. L'idée était d'inclure un mécanisme pan-tilt qui pourrait tourner autour du dessous du panneau supérieur pour capturer des images de chaque mur de culture, puis les imprimer sur le tableau de bord Adafruit IO pour les visualiser. Cela pourrait également créer des intervalles de temps vraiment intéressants pour les cultures en croissance. Nous supposons que cela fait partie du processus de conception technique. Il y aura toujours du travail à faire et des améliorations à apporter. Merci beaucoup pour l'opportunité de participer!