Daftar Isi:
2025 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2025-01-13 06:57
Kami adalah sekolah menengah West Hollow dari Long Island, NY. Kami adalah calon insinyur yang bertemu seminggu sekali di klub bernama Hack the Hollow di mana kami merancang, membuat kode, dan membangun sejumlah proyek pembuat. Anda dapat melihat semua proyek yang kami kerjakan DI SINI. Fokus utama kami adalah mempelajari masa depan robotika makanan dan lingkungan. Kami telah merakit dan memelihara pertanian hidroponik vertikal otomatis di belakang lab sains kami dengan guru kami, Bpk. Regini. Kami juga telah berpartisipasi dalam program GBE selama dua tahun terakhir. Kami tahu tantangan ini membutuhkan siswa sekolah menengah, tetapi kami terlalu bersemangat untuk menunggu dua tahun lagi untuk memperkenalkan Anda kepada Wolverine, yang dinamai sesuai dengan maskot sekolah kami. Ini adalah jenis apa yang kita lakukan!
Dalam proyek ini, Anda akan menemukan banyak hal yang kami suka gunakan termasuk Arduino, Raspberry Pi, dan semua barang elektronik yang menyertainya. Kami juga menikmati menggunakan Fusion 360 sebagai langkah maju dari TinkerCad untuk mendesain kubus. Proyek ini adalah kesempatan sempurna untuk memotong gigi kami di beberapa platform pembuat baru. Kami dipecah menjadi tim desain yang masing-masing harus fokus pada satu aspek Grow Cube. Kami memecahnya menjadi bingkai, tutup dan pelat dasar, penerangan, dinding tumbuh, air, kipas, dan sensor lingkungan. Kami telah membuat tautan dalam daftar persediaan kami ke semua bahan yang kami gunakan jika Anda memerlukan bantuan untuk memvisualisasikan bagian-bagian yang dibahas dalam langkah-langkah berikut. Kami harap Anda menikmati!
Perlengkapan
Bingkai:
- 1 "80/20 ekstrusi aluminium
- kacang tee
- Kurung dukungan
- engsel
- Sambungan glider yang kompatibel dengan saluran-T
- Panduan tabung dan kawat yang kompatibel dengan saluran-T
- Magnet untuk menahan pintu tertutup
- 3 x sakelar buluh magnetik
Tumbuhkan Dinding:
- Saluran NFT profil rendah Farm Tech
- Penutup saluran NFT
- Lembaran plastik bergelombang
- Magnet untuk menahan saluran yang dapat dilepas di tempatnya
Tutup:
- Lembaran plastik bergelombang
- Perlengkapan lampu tumbuh LED cetak 3D (Fusion 360)
- Kebuntuan plastik dan perangkat keras untuk elektronik
Petir:
- Strip neopiksel yang dapat dialamatkan dari Adafruit (60LED/m)
- Konektor neopiksel
- Klip neopiksel
- 330uF, kapasitor decoupling 35V
- Resistor 1K ohm
- Pita aluminium foil HVAC perak
- Konverter uang
Air: (Fitur favorit kami):
- 2 x Nema 17 motor Stepper
- Adafruit Stepper Shield untuk Arduino
- Pompa jarum suntik aktuator linier cetak 3D (Fusion 360)
- 2 x 100-300mL jarum suntik
- Tubing dengan sambungan kunci Luer dan sambungan tee/siku
- 2 x 300mm x 8mm T8 memimpin sekrup dan mur
- 2 x coupler terbang
- 2 x blok bantalan bantal
- Panduan poros batang gerak linier 4 x 300mm x 8mm
- Bantalan linier LM8UU 4 x 8mm
- 4 x DF Robot sensor kelembaban resistensi kapasitif untuk memantau tanah dan mengontrol pompa jarum suntik
Sirkulasi udara:
- 2 x 5 "kipas 12V
- 5 "penutup filter kipas
- 2 x TIP120 Darlington transistor dan heat sink
- catu daya 12V
- Adaptor koneksi jack barel pemasangan panel
- 2 x 1K ohm resistor
- 2 x dioda flyback
- 2 x 330uF, kapasitor decoupling elektrolit 35V
- Sensor suhu dan kelembaban DHT22 dengan resistor 4.7K ohm
Elektronik:
- Raspberry Pi 3B+ dengan Topi Motor
- Kartu SD 8 GB
- Arduino Mega
- Adafruit perma-proto papan tempat memotong roti
- 2 x 20x4 i2C LCD
- Kabel koneksi terdampar 22AWG
- Kit konektor Dupont
- Sensor kualitas udara Adafruit SGP30 dengan eCO2
Peralatan:
- Besi solder
- Perangkat solder
- Membantu tangan
- Alat crimping dan pengupasan untuk kabel
- Obeng
- Kopi (untuk Pak Regini)
Langkah 1: Langkah 1: Membangun Bingkai
Rangka akan dibangun dengan menggunakan ekstrusi aluminium saluran 1 80/20 t yang ringan. Rangka ini akan disatukan dengan sambungan siku aluminium dan mur t. Selain menjaga bobot tetap rendah, saluran akan bertindak sebagai jalur pemandu untuk air kami garis dan kabel.
Kubus akan bertumpu pada satu set rel yang dilengkapi dengan sambungan luncur yang memungkinkan kubus dikeluarkan dari dinding untuk mengekspos tidak hanya wajah depannya, tetapi juga kedua sisinya. Inspirasi ini datang dari salah satu siswa kami yang memikirkan rak bumbu di lemari dapurnya di rumah.
Menggunakan engsel sederhana, bagian depan dan samping akan memiliki pintu yang dapat diayunkan terbuka ketika kubus ditarik keluar pada relnya. Mereka ditahan oleh magnet ketika ditutup. Semua 6 panel kubus ini dapat dilepas karena semua permukaannya juga ditahan oleh magnet. Tujuan dari pilihan desain ini adalah untuk memberikan akses mudah ke semua permukaan untuk penyemaian, pemeliharaan tanaman, pengumpulan data, panen, dan pembersihan/perbaikan.
Anda dapat melihat desain kami untuk panel di langkah berikutnya.
Langkah 2: Langkah 2: Membangun Dinding Tumbuh
Elemen pertama yang kami pikirkan adalah bahan yang akan digunakan untuk dinding itu sendiri. Kami tahu mereka harus ringan, tetapi cukup kuat untuk menopang tanaman. Plastik bergelombang putih dipilih daripada akrilik bening meskipun kami menyukai gambar V. E. G. G. I. E di mana kami bisa melihat tanaman di dalamnya. Alasan keputusan ini adalah karena sebagian besar pandangan akan terhalang oleh saluran pabrik, dan kami ingin memantulkan kembali sebanyak mungkin cahaya dari LED kami. Logika ini datang dari memeriksa unit yang kami kirim sebagai bagian dari partisipasi GBE kami. Sebagaimana dinyatakan pada langkah sebelumnya, pelat-pelat ini diikatkan ke rangka aluminium dengan magnet sehingga dapat dengan mudah dilepas.
Terlampir pada pelat ini adalah tiga saluran rel pertumbuhan NFT profil rendah yang kami gunakan di lab hidroponik kami. Kami menyukai pilihan ini karena terbuat dari PVC tipis dengan penutup yang mudah lepas untuk memasang bantal yang sedang tumbuh. Semua media tanam akan dimasukkan ke dalam bantal yang dirancang khusus yang kita lihat sudah digunakan di ISS saat kita membaca ARTIKEL INI. Semua panel di antara rel akan dilapisi dengan pita isolasi HVAC perak untuk meningkatkan reflektifitas lampu tumbuh.
Bukaan kami berukuran 1 3/4 dan berjarak 6 inci di bagian tengah. Ini memungkinkan untuk 9 lokasi penanaman di masing-masing dari empat panel kubus yang menghasilkan total 36 tanaman. Kami mencoba menjaga jarak ini konsisten dengan apa yang kami miliki merah tentang selada Outredgeous. Saluran digiling dengan slot untuk menerima sensor kelembaban kami yang akan memantau kelembaban tanah dan meminta air dari pompa jarum suntik. Hidrasi akan didistribusikan ke setiap bantal tanaman individu melalui manifold penyiraman tabung medis yang terpasang pada pompa ini. Metode penyiraman berbasis jarum suntik ini adalah sesuatu yang kami teliti sebagai praktik terbaik untuk penyiraman presisi serta mengatasi tantangan lingkungan gravitasi nol/mikro Tubing akan memasuki dasar bantal tanaman untuk mendorong pertumbuhan akar ke arah luar kubus Kita akan mengandalkan kapilaritas untuk membantu air menyebar ke seluruh media tumbuh.
Akhirnya, kami ingin menemukan cara untuk menggunakan pelat dasar. Kami membuat bibir kecil di bagian bawah wajah yang akan menerima alas tumbuh untuk menumbuhkan sayuran mikro. Sayuran mikro diketahui memiliki nutrisi penting hampir 40 kali lebih banyak daripada sayuran dewasa. Ini bisa terbukti sangat bermanfaat bagi diet para astronot. Ini adalah salah satu artikel yang ditemukan siswa kami tentang nilai gizi sayuran mikro.
Langkah 3: Langkah 3: Penyiraman Tanaman
Kami mereferensikan pompa jarum suntik aktuator linier kami pada langkah sebelumnya. Sejauh ini, ini adalah bagian favorit kami dari bangunan ini. Motor stepper NEMA 17 akan menggerakkan aktuator linier yang akan menekan pendorong dua jarum suntik 100cc-300cc pada tutup kubus tumbuh. Kami merancang rumah motor, pendorong pendorong, dan rig pemandu rel menggunakan Fusion 360 setelah memeriksa beberapa proyek sumber terbuka yang hebat di Hackaday. Kami mengikuti tutorial ini di situs web Adafruit yang luar biasa untuk mempelajari cara mengemudikan motor.
Kami ingin menemukan cara untuk membebaskan para astronot dari tugas menyiram. Stepper diaktifkan ketika tanaman di dalam sistem meminta air mereka sendiri. 4 sensor kelembaban kapasitif dicolokkan ke bantal tanaman di berbagai lokasi di seluruh kubus tumbuh. Setiap lokasi penanaman dalam sistem memiliki slot untuk menerima sensor ini digiling ke saluran tumbuh mereka. Ini memungkinkan penempatan sensor ini dipilih dan diubah secara berkala oleh para astronot. Selain memaksimalkan efisiensi distribusi air di dalam sistem, ini akan memungkinkan visualisasi bagaimana setiap tanaman mengonsumsi airnya. Ambang kelembaban dapat diatur oleh para astronot sehingga penyiraman dapat dilakukan secara otomatis sesuai dengan kebutuhan mereka. Jarum suntik terpasang ke manifold penyiraman utama dengan koneksi kunci Luer untuk pengisian ulang yang mudah. Panel tumbuh sendiri menggunakan protokol koneksi yang mirip dengan manifold penyiraman sehingga dapat dengan mudah dikeluarkan dari kubus.
Data yang dikumpulkan oleh sensor dapat dibaca secara lokal pada layar LCD 20x4 yang terpasang pada tutupnya atau dari jarak jauh di mana data tersebut dikumpulkan, ditampilkan, dan dibuat grafiknya melalui integrasi sistem dengan platform Cayenne atau Adafruit IO IoT. Arduino mengirimkan datanya ke Raspberry Pi onboard menggunakan kabel USB yang kemudian menuju internet menggunakan kartu WiFi Pi. Peringatan dapat diatur pada platform ini untuk memberi tahu para astronot ketika salah satu variabel sistem kami telah keluar dari nilai ambang batas yang telah ditentukan.
Langkah 4: Langkah 4: Tutup Cerdas Dengan Pencahayaan dan Kontrol Kipas
Tutup kubus tumbuh kami bertindak sebagai otak dari seluruh operasi serta menyediakan wadah untuk elemen pertumbuhan penting. Memanjang ke bawah dari bagian bawah tutupnya adalah rumah LED cetak 3D yang memberikan cahaya untuk masing-masing pelat dinding yang tumbuh serta penerangan atas tikar hijau mikro di bagian bawah. Ini sekali lagi dirancang di Fusion 360 dan dicetak di MakerBot kami. Setiap ruang lampu menampung 3 strip LED yang dilindungi oleh penyangga cekung. Dukungan ini dilapisi dengan pita isolasi HVAC untuk memaksimalkan reflektifitasnya. Pengkabelan berjalan ke atas kolom berongga pusat untuk mengakses daya dan data di bagian atas tutupnya. Ukuran rumah ini dipilih untuk memiliki tapak yang memungkinkan tanaman yang tumbuh di sekitarnya mencapai ketinggian maksimum 8 inci. Jumlah ini ditemukan sebagai tinggi rata-rata selada Outredgeous dewasa yang kami tanam di kebun hidroponik vertikal di lab kami. Mereka bisa mencapai setinggi 12 inci, tapi kami pikir astronot akan merumput di atasnya saat mereka tumbuh membuat ini kubus tumbuh potong-dan-datang-lagi.
Neopiksel yang kami gunakan dapat dialamatkan secara individual yang berarti kami dapat mengontrol spektrum warna yang dipancarkannya. Ini dapat digunakan untuk memodifikasi spektrum cahaya yang diterima tanaman selama berbagai tahap pertumbuhannya atau dari spesies ke spesies. Perisai dimaksudkan untuk memungkinkan kondisi pencahayaan yang berbeda di setiap dinding jika perlu. Kami memahami bahwa ini bukan pengaturan yang sempurna dan bahwa lampu yang kami gunakan bukanlah lampu yang tumbuh secara teknis, tetapi kami merasa ini adalah bukti konsep yang bagus.
Bagian atas tutupnya menampung dua kipas pendingin 12V 5 inci yang biasanya digunakan untuk mengontrol suhu menara komputer. Kami mendesainnya sedemikian rupa sehingga satu mendorong udara ke dalam sistem sementara yang lain bertindak sebagai ekstraksi udara. Keduanya ditutupi dengan layar mesh halus untuk memastikan tidak ada puing-puing yang ditarik keluar dan masuk ke lingkungan pernapasan astronot. Kipas dimatikan ketika salah satu sakelar buluh magnet yang terpasang pada pintu terbuka untuk mencegah kontaminasi udara yang tidak disengaja. Kecepatan kipas dikontrol melalui PWM menggunakan Motor HAT pada Raspberry pi. Kipas dapat dipercepat atau diperlambat secara kondisional berdasarkan nilai suhu atau kelembaban yang diumpankan ke Pi oleh sensor DHT22 yang tertanam di dalam kubus. Pembacaan ini dapat dilihat lagi secara lokal di LCD atau dari jarak jauh di dasbor IoT yang sama dengan sensor kelembapan.
Dalam memikirkan fotosintesis, kami juga ingin memperhitungkan tingkat CO2 dan kualitas udara secara keseluruhan di kubus tumbuh. Untuk tujuan ini, kami menyertakan sensor SGP30 untuk memantau eCO2 serta total VOC. Ini juga dikirim ke LCD dan dasbor IoT untuk visualisasi.
Anda juga akan melihat bahwa sepasang pompa jarum suntik kami dipasang di sepanjang sisi tutupnya. Tabung mereka diarahkan ke saluran vertikal dari bingkai pendukung ekstrusi aluminium.
Langkah 5: Pikiran Penutup dan Iterasi Masa Depan
Kami merancang Wolverine menggunakan pengetahuan yang kami peroleh dari waktu kami menanam makanan bersama. Kami telah mengotomatiskan kebun kami selama beberapa tahun dan ini adalah kesempatan yang menarik untuk menerapkan ini pada tugas rekayasa yang unik. Kami memahami desain kami memiliki awal yang sederhana, tetapi kami berharap untuk tumbuh bersamanya.
Salah satu aspek pembangunan yang tidak dapat kami selesaikan sebelum tenggat waktu adalah pengambilan gambar. Salah satu siswa kami telah bereksperimen dengan kamera Raspberry Pi dan OpenCV untuk melihat apakah kami dapat mengotomatiskan deteksi kesehatan tanaman melalui pembelajaran mesin. Kami setidaknya ingin memiliki cara untuk melihat tanaman tanpa harus membuka pintu. Idenya adalah untuk menyertakan mekanisme pan-tilt yang dapat berputar di sekitar bagian bawah panel atas untuk menangkap gambar dari setiap dinding yang tumbuh dan kemudian mencetaknya ke dasbor Adafruit IO untuk divisualisasikan. Ini bisa membuat beberapa selang waktu yang sangat keren dari tanaman yang sedang tumbuh juga. Kami kira itu hanya bagian dari proses desain teknik. Akan selalu ada pekerjaan yang harus dilakukan dan perbaikan yang harus dilakukan. Terima kasih banyak atas kesempatan untuk berpartisipasi!