Chombo cha Kuchuja cha Arduino Autonomous: 6 Hatua

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:50

Katika hii Inayoweza kufundishwa nitakuonyesha jinsi nilivyobuni na kutoa suluhisho langu lililopendekezwa kwa shida ya sasa ya Mwani Mwekundu katika maji ya Ghuba ya Pwani. Kwa mradi huu nilitaka kubuni ufundi wa uhuru kamili na wa jua unaoweza kupitia njia za maji, na kutumia mfumo wa uchujaji wa asili, inaweza kuchuja virutubisho na sumu nyingi kutoka kwa Dinoflagellates na mwani wa Karena Brevis. Ubunifu huu uliundwa kuonyesha jinsi teknolojia inaweza kutumika kusaidia kurekebisha maswala yetu ya mazingira ya sasa. Kwa bahati mbaya haikushinda tuzo yoyote au mahali katika maonesho yangu ya sayansi ya mji mdogo, lakini bado nilifurahiya uzoefu wa kujifunza na tunatumahi mtu mwingine anaweza kujifunza kitu kutoka kwa mradi wangu.

Hatua ya 1: Utafiti

Kwa kweli wakati wowote utakuwa unatatua shida unahitaji kufanya utafiti. Nilikuwa nimesikia juu ya shida hii kupitia nakala ya habari mkondoni na ambayo ilinipa hamu ya kubuni suluhisho la shida hiyo ya mazingira. Nilianza kwa kutafiti ni shida gani haswa, na ni nini kilichosababisha. Hapa kuna sehemu ya karatasi yangu ya utafiti inayoonyesha kile nilichopata wakati wa utafiti wangu.

Wimbi Nyekundu ni shida inayoongezeka kila mwaka kwa maji ya Florida. Red Tide ni neno la kawaida linalotumiwa kwa kundi kubwa, lenye kujilimbikizia la mwani ambalo hukua mara kwa mara kutokana na kuongezeka kwa virutubisho vinavyopatikana. Hivi sasa, Florida imekuwa ikikabiliwa na ongezeko la haraka kwa saizi ya Wimbi Nyekundu, ambayo inasababisha wasiwasi kuongezeka kwa usalama wa wanyamapori wa majini katika eneo hilo, na vile vile watu wowote ambao wangeweza kugusana nayo. mwani unaojulikana kama Dinoflagellate. Dinoflagellates ni watetezi wa seli moja ambao hutoa sumu kama vile brevetoxins na ichthyotoxin, ambayo ni sumu kali kwa maisha ya baharini na ya ardhini ambayo huwasiliana nao. Dinoflagellates hula protini wengine ndani ya maji kama Chysophyta, aina ya kawaida ya mwani usio na sumu. Dinoflagellates pia huzaa asexually na kusababisha idadi yao kukua haraka wakati n virutubisho vya ew vinaletwa.

Sababu kuu ya ongezeko lao la haraka la chakula ni kwa sababu ya kuletwa kwa virutubisho vingi ambavyo huoshwa kutoka mashambani wakati wa dhoruba za mvua na kupelekwa katika mwambao wa bahari kutoka mito na vijito vya karibu. Kwa sababu ya utegemezi mkubwa wa mbolea zilizotengenezwa na binadamu kwa kilimo, kiwango cha virutubisho vinavyopatikana katika mashamba ya jirani ni kubwa kuliko ilivyowahi kuwa. Wakati wowote kunapokuwa na dhoruba ya mvua katika sehemu nyingi za nchi ya mashariki, mvua hiyo huosha mbolea hizo nyingi kutoka kwenye mchanga wa juu na kuingia kwenye vijito na vijito. Mito hiyo mwishowe hukusanya ndani ya mito ikichanganya virutubishi vyote vilivyokusanywa katika kundi moja kubwa ambalo hutupwa kwenye Ghuba ya Mexico. Mkusanyiko huu mkubwa wa virutubisho sio tukio la asili kwa maisha ya baharini waliopo, ndiyo sababu husababisha ukuaji usioweza kudhibitiwa wa mwani. Kama chanzo kikuu cha chakula cha Dinoflagellates, ongezeko kubwa la mwani hutoa chanzo kikubwa cha chakula kwa fomu ya maisha inayokua haraka.

Makundi haya makubwa ya Dinoflagellate hutoa kemikali zenye sumu zinazojulikana kuua maisha mengi ya majini yanayowasiliana nao. Kulingana na WUSF, kituo cha habari cha Florida, katika Bloom ya 2018 kulikuwa na vifo 177 vya manatee vilivyothibitishwa kutoka kwa Red Tide na vifo vingine 122 ambavyo vilishukiwa kuwa vinahusiana. Kati ya manatee 6, 500 wanaotarajiwa katika maji ya Florida na Puerto Rico, hii ni athari kubwa kwa uhai wa spishi hii, na hiyo ni athari tu kwa spishi moja. Red Tide pia inajulikana kusababisha shida za kupumua kwa wale ambao wamekuwa karibu na bloom yoyote. Kwa kuwa Red Tide inakua katika mifereji katika miji mingine ya pwani, hii ni hatari dhahiri ya usalama kwa mtu yeyote anayeishi katika jamii hizo. Sumu ya Dinophysis, iliyotengenezwa na Red Tides, pia inajulikana kuambukiza idadi ya samaki wa eneo linalosababisha sumu ya samaki, au DSP, kwa wale ambao wamekula samakigamba walioambukizwa. Kwa bahati nzuri, haijulikani kuwa mbaya, lakini inaweza kusababisha shida za kumengenya kwa mwathiriwa. Walakini, sumu nyingine inayozalishwa na Tides nyekundu, Gonyaulax au Alexandrium, inaweza pia kuambukiza samaki wa samaki kwenye maji yaliyochafuliwa na mawimbi. Kula samakigamba kilichochafuliwa na sumu hizi husababisha sumu ya samakigamba aliyepooza, au PSP ambayo katika hali mbaya zaidi imesababisha kutoweza kupumua na kifo ndani ya masaa 12 ya kumeza."

Hatua ya 2: Suluhisho langu lililopendekezwa

Nukuu kutoka kwa karatasi yangu ya utafiti

Suluhisho langu linalopendekezwa ni kujenga meli ya baharini inayojitegemea yenye nguvu ya jua ambayo ina chembe ndogo ya mfumo wa uchujaji wa asili ndani. Mfumo wote utatumiwa na paneli za jua za ndani na kusukumwa na motors mbili ambazo hazina brashi, zilizopigwa kwa usanidi wa vectoring. mfumo wa uchujaji utatumika kuchuja virutubisho na dinoflagellates nyingi wakati inapita njia za maji kijiendesha. Chombo hicho pia kitatumika kama mfumo wa kuhamisha kwa jamii ya wenyeji. Nilianza kwa kutafiti kwanza shida na jinsi shida hii imeanza. Nilijifunza kuwa kuongezeka kwa Mawimbi Mwekundu kulisababishwa na idadi kubwa ya virutubisho, kama nitrojeni, katika maji ya eneo hilo. Mara baada ya kugundua kinachosababisha shida niliweza kuanza kutafuta suluhisho ambalo linaweza kusaidia kupunguza saizi ya Mawimbi Nyekundu ya kila mwaka.

Wazo langu lilikuwa chombo sawa na saizi na umbo la mashua ya pontoon. Chombo hiki kingekuwa na skimmer kati ya pontoons mbili ambazo zingeongoza maji yanayokuja kupitia kichungi cha matundu kuondoa chembe kubwa, na kisha kupitia kichungi cha utando kinachoweza kupenya ambacho kingeondoa chembe ndogo za nitrojeni zilizopo. Maji yaliyochujwa yangetiririka kutoka nyuma ya mashua kupitia skimmer kinyume. Pia nilitaka chombo hiki kiwe na umeme kamili, kwa hivyo kitakuwa kimya na vile vile kuwa salama, bila nafasi ndogo ya kuvuja vimiminika vyovyote vyenye sumu kwenye maji ya karibu. Kutakuwa na paneli kadhaa za jua kwenye chombo pamoja na kidhibiti chaji na kifurushi cha lithiamu ya ion ili kuhifadhi nguvu yoyote ya ziada kwa matumizi ya baadaye. Lengo langu la mwisho lilikuwa kubuni chombo kwa njia ambayo inaweza kutumika kwa usafiri wa umma kwa jamii ya hapo. Kwa kuzingatia chaguzi hizi zote za kubuni, nilianza kuchora maoni kadhaa kwenye karatasi ili kujaribu na kutatua shida zozote zinazowezekana."

Hatua ya 3: Kutamani

Mara tu nilipokuwa na utafiti wangu nje ya njia nilikuwa na wazo bora zaidi la shida na ni nini kilisababisha. Kisha nikahamia kwenye mawazo na kubuni. Nilitumia siku kadhaa kufikiria njia nyingi tofauti za kutatua shida hii. Mara tu nilipokuwa na maoni mazuri nilihamia kuyachora kwenye karatasi kujaribu kujaribu kasoro kadhaa za muundo kabla ya kuhamia CAD. Baada ya siku zingine kadhaa za kuchora niliunda orodha ya sehemu ambazo nilitaka kutumia kwa muundo. Nilitumia mapato yangu yote ya tuzo kutoka kwa haki ya miaka iliyopita ya sayansi pamoja na zaidi kidogo kununua sehemu na filament nilihitaji kuunda mfano. Niliishia kutumia Node MCU kwa mdhibiti mdogo, paneli mbili za jua za 18V kwa vyanzo vya nguvu vilivyopendekezwa, sensorer mbili za ultrasonic kwa huduma za uhuru, vipinga 5 vya picha kuamua taa iliyoko, taa kadhaa nyeupe za 12V za taa za ndani, 2 RGB LED vipande vya taa za mwelekeo, upeanaji 3 wa kudhibiti LEDS na gari lisilo na mswaki, 12V motor isiyo na brashi na ESC, 12V PSU ya kuwezesha mfano, na sehemu zingine kadhaa ndogo.

Mara sehemu nyingi zilipofika nikaanza kufanya kazi kwa mtindo wa 3d. Nilitumia Fusion 360 kubuni sehemu zote za boti hii. Nilianza kwa kubuni mwili wa mashua kisha nikasogea kwenda juu nikibuni kila sehemu ninapoendelea. Mara tu nilipokuwa na sehemu nyingi zilizoundwa niliziweka zote kwenye mkutano ili kuhakikisha zitatoshea pamoja mara tu zitakapotengenezwa. Baada ya siku kadhaa za kubuni na kurekebisha ilikuwa hatimaye wakati wa kuanza kuchapisha. Nilichapisha ganda kwa vipande 3 tofauti kwenye Prusa Mk3s yangu na kuchapisha milima ya jua na vifuniko vya ngozi kwenye CR10s zangu. Baada ya siku kadhaa zaidi sehemu zote ambazo zilimaliza kuchapisha na mwishowe nilianza kuiweka pamoja. Chini ni sehemu nyingine ya karatasi yangu ya utafiti ambapo ninazungumza juu ya kubuni mashua.

Mara tu nilipokuwa na wazo nzuri ya muundo wa mwisho, nilihamia kwenye Uandishi wa Kompyuta Ukisaidiwa au CAD, ambayo ni mchakato ambao unaweza kufanywa kwa kutumia programu nyingi zinazopatikana leo. Nilitumia programu Fusion 360 kubuni sehemu ambazo ningehitaji utengenezaji wa mfano wangu. Niliunda sehemu zote za mradi huu kwanza, na kisha nikazikusanya katika mazingira halisi kujaribu kusuluhisha shida zozote kabla ya kuanza kuchapisha sehemu hizo. Mara tu baada ya kumaliza mkutano wa 3D, nilihamia juu ya kubuni mifumo ya umeme inayohitajika kwa mfano huu. Nilitaka mfano wangu uweze kudhibitiwa kupitia programu iliyoundwa maalum kwenye smartphone yangu. Kwa sehemu yangu ya kwanza, nilichagua Node MCU microcontroller. Node MCU ni mdhibiti mdogo aliyejengwa karibu na ESP8266 maarufu Chip ya Wifi. Bodi hii inanipa uwezo wa kuunganisha vifaa vya kuingiza na kutoa kutoka kwake ambavyo vinaweza kudhibitiwa kwa mbali kupitia kiwambo chake cha Wifi. Baada ya kupata mdhibiti mkuu wa muundo wangu, niliendelea kuchagua kile pa nyingine rts inahitajika kwa mfumo wa umeme. Ili kuwezesha chombo, nilichagua paneli mbili za jua za volt kumi na nane ambazo baadaye zitatiwa waya sawa ili kutoa pato la volts kumi na nane pamoja na mkondo mara mbili wa seli ya jua kwa sababu ya kuziunganisha. Pato kutoka kwa paneli za jua huenda kwa mtawala wa malipo. Kifaa hiki huchukua voltage inayobadilika ya pato kutoka kwa paneli za jua na kuilegeza kwa pato la volt ya mara kwa mara zaidi ya kumi na mbili. Hii inaingia kwenye mfumo wa usimamizi wa betri, au BMS, kuchaji seli za lipo 6, 18650 zilizounganishwa na seti mbili za seli tatu zilizounganishwa sambamba, na kisha safu. Usanidi huu unachanganya ujazo wa volt 4.2 ya 18650 kuwa pakiti ya uwezo wa volt 12.6 na seli tatu. Kwa kuunganisha waya nyingine tatu zilizowekwa sawa na kifurushi kilichopita, jumla ya uwezo umeongezeka mara mbili ikitupa betri ya volt 12.6 na uwezo wa 6, 500 mAh.

Kifurushi hiki cha betri kinaweza kutoa volts kumi na mbili kwa taa na taa zisizo na brashi. Nilitumia inverter chini kuunda pato la volts tano kwa seti ya chini ya umeme. Kisha nikatumia mbio tatu, moja kuwasha na kuzima taa za ndani, moja kubadili rangi ya taa za nje, na nyingine kuwasha na kuzima motor isiyokuwa na brashi. Kwa kupima umbali, nilitumia sensorer mbili za ultrasonic, moja mbele na moja nyuma. Kila sensorer hutuma mpigo wa ultrasonic na inaweza kusoma ni muda gani inachukua kunde hiyo kurudi. Kutoka kwa hili, tunaweza kugundua umbali wa kitu mbele ya chombo kwa kuhesabu kucheleweshwa kwa ishara ya kurudi. Juu ya chombo hicho nilikuwa na wapiga picha watano kuamua kiwango cha nuru iliyopo angani. Sensorer hizi hubadilisha upinzani wao kulingana na nuru iliyopo sasa. Kutoka kwa data hii, tunaweza kutumia nambari rahisi kwa wastani wa maadili yote, na sensorer zinaposoma thamani ya wastani ya taa ndogo, taa za ndani zitawasha. Baada ya kugundua ni elektroniki gani nitakayotumia, nilianza kuchapisha 3d sehemu ambazo nilikuwa nimetengeneza hapo awali. Nilichapisha mwili wa mashua vipande vitatu ili iweze kutoshea kwenye printa yangu kuu. Wakati hizo zilikuwa zikichapisha, niliendelea kuchapisha milima ya jua na staha kwenye printa nyingine. Kila sehemu ilichukua siku moja kuchapisha, kwa hivyo kwa jumla kulikuwa na takriban siku 10 za uchapishaji wa 3D moja kwa moja kupata sehemu zote nilizohitaji. Baada ya kumaliza kuchapa, niliwakusanya pamoja katika sehemu ndogo. Kisha nikaweka vifaa vya elektroniki kama vile paneli za jua na taa za taa. Mara tu umeme ulipowekwa, niliwatia waya wote na kumaliza kukusanya sehemu zilizochapishwa. Ifuatayo, niliendelea kubuni stendi ya mfano huo. Stendi hii pia iliundwa katika CAD na baadaye ilikata kuni ya MDF kwenye mashine yangu ya CNC. Kutumia CNC, niliweza kukata nafasi zinazohitajika kwenye jopo la mbele kwa kuunganisha umeme wa pazia. Kisha nikaweka mfano kwenye msingi na mkutano wa mwili ulikuwa umekamilika. Sasa kwa kuwa mfano huo umekusanyika kabisa, nilianza kufanya kazi kwa nambari ya NodeMCU. Nambari hii inatumiwa kuiambia NodeMCU ni sehemu zipi zimeunganishwa na pini gani za kuingiza na kutoa. Pia inaiambia bodi ni seva gani ya kuwasiliana na ni mtandao gani wa Wifi kuungana nao. Na nambari hii, basi niliweza kudhibiti sehemu fulani za mfano kutoka kwa simu yangu kwa kutumia programu. Hii ni sawa kwa njia ya jinsi muundo wa mwisho ungeweza kuwasiliana na kituo kikuu cha kupandikiza dereva kupokea viwianishi kwa kituo chake kijacho, na habari zingine, kama vile meli zingine ziko na hali ya hewa inayotarajiwa kwa siku hiyo."

Hatua ya 4: Mkutano (Mwishowe !!)

Sawa sasa tuko katika sehemu ninayopenda, mkutano. Ninapenda kujenga vitu hivyo mwishowe kuweza kuweka sehemu zote pamoja na kuona matokeo ya mwisho yalinifurahisha sana. Nilianza kwa kuweka pamoja sehemu zote zilizochapishwa na kuziunganisha kwa pamoja. Kisha nikaweka umeme kama taa na paneli za jua. Wakati huu niligundua hakutakuwa na njia ambayo ningeweza kutoshea vifaa vyangu vyote vya elektroniki ndani ya kitu hiki. Hapo ndipo nilipopata wazo la CNC kusimama kwa mashua ili ionekane bora zaidi na kunipa nafasi ya kuficha umeme wote. Nilitengeneza stendi katika CAD kisha nikakata kwenye Bobs CNC E3 yangu katika 13mm MDF. Kisha nikaikunja pamoja na kuipatia kanzu ya rangi nyeusi ya dawa. Sasa kwa kuwa nilikuwa na doa la kuingiza vifaa vyangu vyote vya elektroniki niliendelea na wiring. Niliweka waya kila kitu na kusanikisha Node MCU (Arduino Nano nzuri iliyojengwa na WiFi) na kuhakikisha kila kitu kimewashwa. Baada ya hapo nilifunga mkutano na hata nikatumia mashine yangu ya kukata laser kukata shuleni kwa usalama na picha zingine za kupendeza, asante tena Mr. Z! Sasa kwa kuwa tulikuwa na mfano wa kumaliza wa mwili sasa ilikuwa wakati wa kuongeza uchawi na usimbuaji.

Hatua ya 5: Coding (AKA Sehemu Ngumu)

Kwa usimbuaji nilitumia Arduino IDE kuandika nambari rahisi sana. Nilitumia mchoro wa msingi wa Blynk kama mwanzo ili baadaye nitaweza kudhibiti sehemu zingine kutoka kwa programu ya Blynk. Nilitazama video nyingi za YouTube na kusoma vikao vingi ili kufanikisha jambo hili. Mwishowe sikuweza kujua jinsi ya kudhibiti motor isiyo na brashi lakini nikapata kila kitu kingine kufanya kazi. Kutoka kwa programu hiyo unaweza kubadilisha mwelekeo wa ufundi, ambao ungeweza kubadilisha rangi ya taa nyekundu / kijani LEDS, kuwasha / kuzima taa za ndani, na kupata data ya moja kwa moja kutoka kwa moja ya sensorer za ultrasonic mbele ya onyesho.. Kwa kweli nilitulia kwa sehemu hii na sikufanya karibu sana kufanywa kwa nambari kama nilivyotaka lakini bado iliishia kuwa huduma nadhifu.

Hatua ya 6: Bidhaa ya Mwisho

Imefanywa! Nilikusanya kila kitu na kufanya kazi kidogo kabla ya tarehe za haki za sayansi. (Stereotypical procrastinator) Nilijivunia bidhaa ya mwisho na sikuweza kusubiri kuishiriki na majaji. Sina mengi ya kusema hapa kwa hivyo nitairuhusu nifafanue vizuri. Hapa kuna sehemu ya kuhitimisha ya karatasi yangu ya utafiti.

Mara tu meli na vituo vya kupandikiza vifaa vikiundwa, suluhisho linaendelea. Kila asubuhi vyombo vingeanza njia zao kupitia njia za maji. Wengine wanaweza kupitia mifereji katika miji, wakati wengine wanasafiri kwenye ardhi ya marsh au mistari ya bahari. Wakati ufundi inapitia njia yake, skimmer ya kuchuja itakuwa chini, ikiruhusu vichungi kuanza kazi yao. Mchezaji ataelekeza mwani na mabaki yaliyo kwenye kituo cha kuchuja. Mara tu ndani, maji hutekelezwa kwanza kupitia kichungi cha matundu ili kuondoa kubwa chembe na uchafu kutoka kwa maji. Vifaa vilivyoondolewa vitashikiliwa hapo mpaka chumba kijazwe. Baada ya maji kuifanya kupitia kichujio cha kwanza, kisha hupitia kichungi cha utando kinachoweza kupenya. Kichujio hiki hutumia mashimo madogo, yanayoruhusiwa kuruhusu tu maji yanayopitisha kupitia, ikiacha vifaa visivyoweza kupenya nyuma. Kichujio hiki hutumika kuchimba vifaa vya mbolea visivyopenya, pamoja na virutubisho vingi kutoka kwa ukuaji wa mwani. r kisha inapita nyuma ya mashua kurudi kwenye njia ya maji ambapo chombo kinachuja.

Chombo kinapofikia kituo chake cha kupandikiza, huingia kwenye gati. Baada ya kupandishwa kizimbani kabisa, mikono miwili itashikamana kando ya mashua ili kuishikilia vizuri. Ifuatayo, bomba litainuka moja kwa moja kutoka chini ya mashua na kushikamana na kila bandari ya kutupa taka. Mara baada ya kupata ulinzi, bandari itafunguliwa na pampu itawashwa, ikinyonya vitu vilivyokusanywa kutoka kwenye mashua na kuingia kwenye kituo cha kupandikiza. Wakati haya yote yanatokea, abiria wataruhusiwa kupanda chombo na kupata viti vyao. Mara tu kila mtu atakapokuwa ndani na vyombo vya taka vimemwagika, ufundi huo utatolewa kutoka kituo na utaanza njia nyingine. Baada ya taka kusukumwa kwenye kituo cha kupandikiza, itasafishwa tena ili kuondoa takataka kubwa kama vijiti au takataka. Vifusi vilivyoondolewa vitahifadhiwa kwenye vyombo kwa ajili ya kuchakata baadaye. Mwani uliobaki uliosafishwa utapelekwa kituo cha kupandisha kizuizi kushughulikiwa. Wakati kila kituo kidogo cha kupandikiza hujaza uhifadhi wake wa mwani, mfanyakazi atakuja kusafirisha mwani huo hadi kituo kikuu, ambapo utasafishwa kuwa biodiesel. Biodiesel hii ni chanzo mbadala cha mafuta na njia nzuri ya kuchakata virutubisho vilivyokusanywa.

Boti zinapoendelea kuchuja maji, yaliyomo kwenye virutubisho yatapungua. Kupunguza hii kwa kiwango kikubwa cha virutubisho itasababisha maua madogo kila mwaka. Kadiri viwango vya virutubisho vinavyoendelea kupungua, ubora wa maji utafuatiliwa sana ili kuhakikisha virutubisho vinabaki katika kiwango cha mara kwa mara na cha afya kinachohitajika kwa mazingira yanayostawi. Wakati wa msimu wa msimu wa baridi wakati kukimbia kwa mbolea sio nguvu kama nyakati za msimu wa joto na majira ya joto, boti zitaweza kudhibiti kiwango cha maji ambayo huchujwa ili kuhakikisha kila wakati kuna kiwango kizuri cha virutubisho vinavyopatikana. Boti zinapopita katika njia, data zaidi na zaidi zitakusanywa ili kubaini vizuri zaidi vyanzo vya kurudiwa kwa mbolea na ni wakati gani wa kujiandaa kwa viwango vya juu vya virutubisho. Kutumia data hii, ratiba inayofaa inaweza kuundwa kutayarisha mabadiliko yanayosababishwa na misimu ya kilimo."