Kapal Penyaringan Otonom Arduino: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Dalam Instruksi ini saya akan menunjukkan kepada Anda bagaimana saya merancang dan membuat solusi yang saya usulkan untuk masalah Alga Merah saat ini di perairan Pantai Teluk. Untuk proyek ini, saya ingin merancang kapal yang sepenuhnya otonom dan bertenaga surya yang dapat menavigasi saluran air, dan menggunakan sistem filtrasi alami di atas kapal, dapat menyaring kelebihan nutrisi dan racun dari Dinoflagellata dan alga Karena Brevis. Desain ini dibuat untuk menunjukkan bagaimana teknologi dapat digunakan untuk membantu memperbaiki beberapa masalah lingkungan kita saat ini. Sayangnya itu tidak memenangkan penghargaan atau tempat di pameran sains kota kecil lokal saya, tetapi saya masih menikmati pengalaman belajar dan mudah-mudahan orang lain dapat belajar sesuatu dari proyek saya.

Langkah 1: Riset

Tentu saja setiap kali Anda akan memecahkan masalah Anda perlu melakukan penelitian. Saya telah mendengar tentang masalah ini melalui artikel berita online dan itu membuat saya tertarik untuk merancang solusi untuk masalah lingkungan itu. Saya mulai dengan meneliti apa sebenarnya masalahnya, dan apa penyebabnya. Berikut adalah bagian dari makalah penelitian saya yang menunjukkan apa yang saya temukan selama penelitian saya.

The Red Tide adalah masalah tahunan yang berkembang untuk perairan Florida. Red Tide adalah istilah umum yang digunakan untuk kelompok besar alga terkonsentrasi yang tumbuh secara sporadis karena peningkatan nutrisi yang tersedia. Saat ini, Florida telah menghadapi peningkatan pesat dalam ukuran Red Tide, yang menyebabkan kekhawatiran yang semakin besar terhadap keselamatan satwa air di daerah tersebut, serta setiap individu yang dapat bersentuhan dengannya. Red Tide paling sering terdiri dari spesies ganggang yang dikenal sebagai Dinoflagellata. Dinoflagellata adalah protista uniseluler yang menghasilkan racun seperti brevetoxins dan ichthyotoxin, yang sangat beracun bagi kehidupan laut dan darat yang bersentuhan dengan mereka. Dinoflagellata bereproduksi secara aseksual melalui mitosis, pembelahan sel menghasilkan salinan yang tepat. Dinoflagellata memakan protista lain di air seperti Chysophyta, bentuk paling umum dari alga tidak beracun. Dinoflagellata juga bereproduksi secara aseksual yang menyebabkan jumlah mereka tumbuh dengan cepat ketika n nutrisi baru diperkenalkan.

Penyebab utama peningkatan cepat mereka dalam makanan adalah karena pengenalan sejumlah besar nutrisi yang dicuci dari pertanian selama badai hujan dan dibawa ke pantai laut dari sungai dan sungai terdekat. Karena ketergantungan yang tinggi pada pupuk buatan untuk pertanian, jumlah nutrisi yang tersedia di sekitar lahan pertanian lebih tinggi daripada sebelumnya. Setiap kali ada badai hujan di sebagian besar negara bagian timur, hujan itu menyapu banyak pupuk dari lapisan atas tanah dan ke anak sungai dan sungai di sekitarnya. Aliran-aliran itu akhirnya terkumpul ke sungai-sungai yang menggabungkan semua nutrisi yang dikumpulkan menjadi satu kelompok besar yang dibuang ke Teluk Meksiko. Kumpulan besar nutrisi ini bukanlah kejadian alami bagi kehidupan laut yang ada, itulah sebabnya hal itu menghasilkan pertumbuhan alga yang tidak terkendali. Sebagai sumber makanan utama Dinoflagellata, peningkatan pesat alga menyediakan sumber makanan yang besar untuk bentuk kehidupan yang tumbuh cepat.

Kelompok besar Dinoflagellata ini menghasilkan bahan kimia beracun yang diketahui membunuh sebagian besar kehidupan akuatik yang bersentuhan dengan mereka. Menurut WUSF, sebuah stasiun berita lokal Florida, pada musim panas 2018 ada 177 kematian manatee yang dikonfirmasi dari Red Tide serta 122 kematian lainnya yang diduga terkait. Dari 6.500 manate yang diharapkan di perairan Florida dan Puerto Rico, ini adalah dampak besar pada kelangsungan hidup spesies ini, dan itu hanya dampak pada satu spesies. Red Tide juga diketahui menyebabkan masalah pernapasan bagi mereka yang berada di dekat salah satu bunga. Karena Red Tide tumbuh di kanal-kanal di beberapa kota pantai, ini jelas merupakan bahaya keamanan bagi siapa pun yang tinggal di komunitas tersebut. Toksin Dinophysis, yang diproduksi oleh Red Tides, juga telah diketahui secara umum menginfeksi populasi kerang lokal yang mengakibatkan keracunan kerang diare, atau DSP, pada mereka yang memakan kerang yang terinfeksi. Untungnya, tidak diketahui berakibat fatal, tetapi dapat mengakibatkan masalah pencernaan bagi korbannya. Namun, racun lain yang dihasilkan oleh beberapa Red Tides, Gonyaulax atau Alexandrium, juga dapat menginfeksi kerang di perairan yang terkontaminasi pasang surut. Makan kerang yang terkontaminasi dengan racun ini menyebabkan keracunan kerang paralitik, atau PSP yang dalam kasus terburuk telah mengakibatkan kegagalan pernapasan dan kematian dalam waktu 12 jam setelah menelan."

Langkah 2: Solusi yang Saya Usulkan

Kutipan dari makalah penelitian saya

“Solusi yang saya usulkan adalah membangun kapal laut bertenaga surya yang sepenuhnya otonom yang dilengkapi dengan sistem filtrasi alami partikel mikro. Seluruh sistem akan didukung oleh panel surya onboard dan didorong oleh dua motor tanpa sikat yang disalurkan dalam pengaturan vektor dorong. sistem filtrasi akan digunakan untuk menyaring kelebihan nutrisi dan dinoflagellata saat menavigasi saluran air secara mandiri. Kapal ini juga akan digunakan sebagai sistem antar-jemput bagi masyarakat setempat. Saya mulai dengan terlebih dahulu meneliti masalah dan bagaimana masalah ini dimulai. Saya belajar bahwa lonjakan Red Tide disebabkan oleh sejumlah besar nutrisi, seperti nitrogen, di perairan setempat. Setelah saya menemukan apa yang menyebabkan masalah, saya dapat mulai melakukan brainstorming solusi yang dapat membantu mengurangi ukuran Red Tide tahunan.

Ide saya adalah kapal yang ukuran dan bentuknya mirip dengan kapal ponton. Kapal ini akan memiliki skimmer antara dua ponton yang akan mengarahkan air yang datang melalui filter mesh untuk menghilangkan partikel besar, dan kemudian melalui filter membran permeabel yang akan menghilangkan partikel mikro nitrogen yang ada. Air yang disaring kemudian akan mengalir keluar dari bagian belakang perahu melalui skimmer yang berlawanan. Saya juga ingin kapal ini sepenuhnya listrik, sehingga akan tenang dan lebih aman, dengan sedikit kemungkinan bocornya cairan beracun ke perairan sekitarnya. Akan ada beberapa panel surya di kapal serta pengontrol muatan dengan paket ion lithium untuk menyimpan kelebihan daya untuk digunakan nanti. Tujuan terakhir saya adalah merancang kapal sedemikian rupa sehingga dapat digunakan untuk transportasi umum bagi masyarakat setempat. Dengan semua pilihan desain ini, saya mulai membuat sketsa beberapa ide di atas kertas untuk mencoba dan mengatasi masalah potensial apa pun."

Langkah 3: Desain

Setelah saya menyelesaikan penelitian saya, saya memiliki gagasan yang jauh lebih baik tentang masalah dan apa yang menyebabkannya. Saya kemudian pindah ke brainstorming dan desain. Saya menghabiskan beberapa hari memikirkan banyak cara berbeda untuk menyelesaikan masalah ini. Setelah saya memiliki beberapa ide yang layak, saya pindah untuk membuat sketsa di atas kertas untuk mencoba dan menyelesaikan beberapa kekurangan desain sebelum pindah ke CAD. Setelah beberapa hari membuat sketsa, saya membuat daftar bagian yang ingin saya gunakan untuk desain. Saya menggunakan semua pendapatan hadiah saya dari pameran sains tahun-tahun sebelumnya ditambah sedikit lebih banyak untuk membeli suku cadang dan filamen yang saya butuhkan untuk membuat prototipe. Saya akhirnya menggunakan Node MCU untuk pengontrol mikro, dua panel surya 18V untuk sumber daya yang diusulkan, dua sensor ultrasonik untuk fitur otonom, 5 resistor foto untuk menentukan pencahayaan sekitar, beberapa strip LED putih 12V untuk pencahayaan interior, 2 LED RGB strip untuk penerangan terarah, 3 relai untuk mengontrol LED dan motor tanpa sikat, motor tanpa sikat 12V dan ESC, PSU 12V untuk memberi daya pada prototipe, dan beberapa bagian kecil lainnya.

Setelah sebagian besar suku cadang tiba, saya mulai mengerjakan model 3d. Saya menggunakan Fusion 360 untuk mendesain semua bagian kapal ini. Saya mulai dengan merancang lambung kapal dan kemudian bergerak ke atas merancang setiap bagian saat saya melanjutkan. Setelah saya memiliki sebagian besar bagian yang dirancang, saya menempatkan semuanya ke dalam rakitan untuk memastikan mereka akan cocok bersama setelah diproduksi. Setelah beberapa hari merancang dan menyesuaikan, akhirnya tiba saatnya untuk mulai mencetak. Saya mencetak lambung dalam 3 bagian berbeda pada Prusa Mk3 saya dan mencetak dudukan surya dan penutup lambung pada CR10 saya. Setelah beberapa hari lagi semua bagian di mana selesai dicetak dan saya akhirnya bisa mulai memasangnya. Di bawah ini adalah bagian lain dari makalah penelitian saya di mana saya berbicara tentang merancang kapal.

Setelah saya memiliki ide bagus tentang desain akhir, saya beralih ke Computer Aided Drafting atau CAD, yang merupakan proses yang dapat dilakukan dengan menggunakan banyak perangkat lunak yang tersedia saat ini. Saya menggunakan perangkat lunak Fusion 360 untuk merancang bagian-bagian yang saya perlukan manufaktur untuk prototipe saya. Saya merancang semua bagian untuk proyek ini terlebih dahulu, lalu merakitnya di lingkungan virtual untuk mencoba dan mengatasi masalah apa pun sebelum saya mulai mencetak bagian. Setelah perakitan 3D selesai, saya pindah untuk merancang sistem kelistrikan yang diperlukan untuk prototipe ini. Saya ingin prototipe saya dapat dikontrol melalui aplikasi yang dirancang khusus pada ponsel cerdas saya. Untuk bagian pertama saya, saya memilih mikrokontroler Node MCU. Node MCU adalah mikrokontroler yang dibangun di sekitar ESP8266 yang populer Chip Wifi. Papan ini memberi saya kemampuan untuk menghubungkan perangkat input dan output eksternal ke dalamnya yang dapat dikontrol dari jarak jauh melalui antarmuka Wifi-nya. Setelah menemukan pengontrol utama untuk desain saya, saya melanjutkan untuk memilih pa lain rts akan dibutuhkan untuk sistem kelistrikan. Untuk memberi daya pada kapal, saya memilih dua panel surya delapan belas volt yang nantinya akan dihubungkan secara paralel untuk memberikan output delapan belas volt bersama dengan arus dua kali lipat dari sel surya individu karena memasangnya secara paralel. Output dari panel surya masuk ke pengontrol muatan. Perangkat ini mengambil tegangan keluaran yang berfluktuasi dari panel surya dan menghaluskannya menjadi keluaran dua belas volt yang lebih konstan. Ini kemudian masuk ke sistem manajemen baterai, atau BMS, untuk mengisi 6, 18650 sel lipo yang dihubungkan dengan dua set tiga sel yang dihubungkan secara paralel, kemudian seri. Konfigurasi ini menggabungkan kapasitas 4,2 volt dari 18650 menjadi paket kapasitas 12,6 volt dengan tiga sel. Dengan memasang tiga sel lain yang diatur secara paralel dengan paket sebelumnya, total kapasitas menjadi dua kali lipat memberi kami baterai 12,6 volt dengan kapasitas 6.500 mAh.

Paket baterai ini dapat menghasilkan dua belas volt untuk penerangan dan motor tanpa sikat. Saya menggunakan inverter step down untuk menghasilkan output lima volt untuk perangkat elektronik berdaya rendah. Saya kemudian menggunakan tiga relai, satu untuk menghidupkan dan mematikan lampu interior, satu untuk mengubah warna lampu eksternal, dan satu lagi untuk menghidupkan dan mematikan motor brushless. Untuk pengukuran jarak, saya menggunakan dua sensor ultrasonik, satu untuk depan dan satu untuk belakang. Setiap sensor mengirimkan pulsa ultrasonik dan dapat membaca berapa lama pulsa itu kembali. Dari sini, kita dapat mengetahui seberapa jauh suatu benda berada di depan kapal dengan menghitung penundaan sinyal balik. Di atas kapal saya memiliki lima fotoresistor untuk menentukan jumlah cahaya yang ada di langit. Sensor-sensor ini mengubah resistansinya berdasarkan seberapa banyak cahaya yang ada. Dari data ini, kita dapat menggunakan kode sederhana untuk rata-rata semua nilai, dan ketika sensor membaca nilai rata-rata cahaya rendah, lampu interior akan menyala. Setelah mencari tahu elektronik apa yang akan saya gunakan, saya mulai mencetak 3d bagian-bagian yang telah saya rancang sebelumnya. Saya mencetak lambung kapal menjadi tiga bagian sehingga bisa muat di printer utama saya. Sementara itu sedang dicetak, saya pindah untuk mencetak dudukan surya dan dek pada printer lain. Setiap bagian membutuhkan waktu sekitar satu hari untuk dicetak, jadi total ada sekitar 10 hari pencetakan 3D langsung untuk mendapatkan semua bagian yang saya butuhkan. Setelah semuanya selesai dicetak, saya merakitnya menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Saya kemudian memasang elektronik seperti panel surya dan LED. Setelah elektronik dipasang, saya memasang semuanya dan selesai merakit bagian yang dicetak. Selanjutnya, saya beralih ke merancang stand untuk prototipe. Dudukan ini juga dirancang dalam CAD dan kemudian dipotong dari kayu MDF pada mesin CNC saya. Dengan menggunakan CNC, saya dapat memotong slot yang diperlukan pada panel depan untuk memasang elektronik tirai. Saya kemudian memasang prototipe ke pangkalan dan perakitan fisik selesai. Sekarang prototipe telah dirakit sepenuhnya, saya mulai mengerjakan kode untuk NodeMCU. Kode ini digunakan untuk memberi tahu NodeMCU bagian mana yang terhubung ke pin input dan output mana. Ini juga memberi tahu dewan server apa yang harus dihubungi dan jaringan Wifi apa yang harus dihubungkan. Dengan kode ini, saya kemudian dapat mengontrol bagian-bagian tertentu dari prototipe dari ponsel saya menggunakan aplikasi. Ini mirip dengan bagaimana desain akhir dapat menghubungi stasiun dok utama untuk menerima koordinat perhentian berikutnya, serta informasi lainnya, seperti di mana kapal lain berada dan cuaca yang diharapkan untuk hari itu."

Langkah 4: Perakitan (Akhirnya!!)

Ok jadi sekarang kita berada di bagian favorit saya, perakitan. Saya suka membangun sesuatu sehingga akhirnya bisa menyatukan semua bagian dan melihat hasil akhirnya membuat saya sangat bersemangat. Saya mulai dengan mengumpulkan semua bagian yang dicetak dan merekatkannya bersama-sama. Saya kemudian memasang elektronik seperti lampu dan panel surya. Pada titik ini saya menyadari bahwa tidak mungkin saya dapat memasukkan semua barang elektronik saya ke dalam benda ini. Saat itulah saya mendapat ide untuk membuat dudukan CNC untuk kapal agar terlihat sedikit lebih baik serta memberi saya tempat untuk menyembunyikan semua barang elektronik. Saya mendesain dudukan dalam CAD lalu memotongnya di Bobs CNC E3 saya dalam MDF 13mm. Saya kemudian mengacaukannya dan memberinya lapisan cat semprot hitam. Sekarang saya memiliki tempat untuk memasukkan semua barang elektronik saya, saya melanjutkan dengan pemasangan kabel. Saya memasang kabel semuanya dan menginstal Node MCU (cukup banyak Arduino Nano dengan WiFi bawaan) dan memastikan semuanya menyala. Setelah itu saya menyelesaikan perakitan dan bahkan menggunakan pemotong laser sekolah saya untuk memotong pagar pengaman dengan beberapa ukiran yang keren, sekali lagi terima kasih Mr. Z! Sekarang setelah kami memiliki prototipe fisik yang sudah jadi, sekarang saatnya menambahkan keajaiban dengan pengkodean.

Langkah 5: Pengodean (AKA Bagian yang Sulit)

Untuk pengkodean saya menggunakan Arduino IDE untuk menulis beberapa kode yang cukup sederhana. Saya menggunakan sketsa dasar Blynk sebagai starter sehingga nantinya saya dapat mengontrol beberapa bagian dari aplikasi Blynk. Saya menonton banyak video YouTube dan membaca banyak forum agar hal ini berfungsi. Pada akhirnya saya tidak dapat menemukan cara untuk mengontrol motor tanpa sikat, tetapi semuanya berfungsi. Dari aplikasi Anda dapat mengubah arah pesawat, yang akan mengganti warna LED merah/hijau, menyalakan/mematikan lampu interior, dan mendapatkan umpan data langsung dari salah satu sensor ultrasonik di bagian depan layar.. Saya benar-benar mengendur pada bagian ini dan hampir tidak menyelesaikan kode sebanyak yang saya inginkan, tetapi itu tetap menjadi fitur yang rapi.

Langkah 6: Produk Akhir

Hal ini dilakukan! Saya mengumpulkan semuanya dan bekerja tepat sebelum tanggal pameran sains. (Penunda stereotip) Saya cukup bangga dengan produk akhir dan tidak sabar untuk membaginya dengan para juri. Saya tidak punya banyak lagi untuk dikatakan di sini jadi saya akan membiarkan saya menjelaskannya dengan lebih baik. Berikut adalah bagian kesimpulan dari makalah penelitian saya.

“Begitu kapal dan stasiun dok dibuat, solusinya sedang berjalan. Setiap pagi kapal akan memulai rute mereka melalui saluran air. Beberapa mungkin melalui kanal di kota, sementara yang lain melakukan perjalanan di tanah rawa atau jalur laut. Sementara kapal sedang melalui rutenya, skimmer penyaringan akan turun, memungkinkan filter untuk memulai pekerjaannya. Skimmer akan mengarahkan ganggang dan puing-puing yang mengambang ke dalam saluran penyaringan. Begitu masuk, air pertama kali dialirkan melalui filter mesh untuk menghilangkan yang lebih besar partikel dan puing-puing dari air. Bahan yang dihilangkan akan ditahan di sana sampai ruang terisi. Setelah air berhasil melewati filter pertama, kemudian melewati filter membran permeabel. Filter ini menggunakan lubang kecil permeabel untuk hanya memungkinkan air permeabel melalui, meninggalkan bahan kedap di belakang. Filter ini digunakan untuk mengekstrak bahan pupuk kedap air keluar, serta kelebihan nutrisi dari pertumbuhan alga. Air yang disaring r kemudian mengalir keluar dari bagian belakang perahu kembali ke jalur air tempat kapal menyaring.

Ketika sebuah kapal mencapai stasiun dok yang ditentukan, kapal itu menarik ke tempat berlabuh. Setelah merapat sepenuhnya, dua lengan akan menempel di sisi perahu untuk menahannya dengan mantap di tempatnya. Selanjutnya, pipa secara otomatis akan naik dari bawah perahu dan menempel pada setiap pelabuhan pembuangan limbah. Setelah diamankan, port akan terbuka dan pompa akan menyala, menyedot material yang terkumpul keluar dari kapal dan masuk ke stasiun dok. Sementara semua ini terjadi, penumpang akan diizinkan naik ke kapal dan menemukan tempat duduk mereka. Setelah semua orang naik dan wadah limbah telah dikosongkan, kapal akan dilepaskan dari stasiun dan akan memulai rute lain. Setelah sampah dipompa ke docking station, akan diayak lagi untuk menghilangkan kotoran-kotoran besar seperti stik atau sampah. Puing-puing yang dibuang akan disimpan dalam wadah untuk didaur ulang nanti. Sisa ganggang yang diayak akan dibawa ke central docking station untuk diproses. Ketika setiap stasiun dok yang lebih kecil mengisi penyimpanan alganya, seorang pekerja akan datang untuk mengangkut alga ke stasiun utama, di mana ia akan disuling menjadi biodiesel. Biodiesel ini merupakan sumber bahan bakar terbarukan serta cara yang menguntungkan untuk mendaur ulang nutrisi yang dikumpulkan.

Saat perahu terus menyaring air, kandungan nutrisi akan berkurang. Pengurangan jumlah nutrisi yang berlebihan ini akan menyebabkan mekar yang lebih kecil setiap tahun. Karena tingkat nutrisi terus turun, kualitas air akan dipantau secara ekstensif untuk memastikan nutrisi tetap pada tingkat yang konstan dan sehat yang dibutuhkan untuk lingkungan yang berkembang. Selama musim dingin ketika limpasan pupuk tidak sekuat musim semi dan musim panas, perahu akan dapat mengontrol jumlah air yang disaring untuk memastikan selalu ada jumlah nutrisi yang tersedia yang sehat. Saat perahu melewati rute, semakin banyak data akan dikumpulkan untuk menentukan sumber limpasan pupuk dengan lebih efisien dan jam berapa untuk mempersiapkan tingkat nutrisi yang lebih tinggi. Dengan menggunakan data ini, jadwal yang efisien dapat dibuat untuk mempersiapkan fluktuasi yang disebabkan oleh musim pertanian."