ExoLab是一項(xiàng)STEM教育計(jì)劃，通過(guò)提供動(dòng)手的、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，將學(xué)生與國(guó)際空間站(ISS)上的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生可以在專(zhuān)門(mén)的生長(zhǎng)室ExoLab中進(jìn)行植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，并將其結(jié)果與國(guó)際空間站上發(fā)生的類(lèi)似實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。這使學(xué)生能夠研究微重力如何影響植物生長(zhǎng)和其他生物過(guò)程。

在休斯敦航天中心舉行的2024年太空探索教育者會(huì)議上，量級(jí)。io的創(chuàng)始人泰德·田上(Ted Tagami)向制造商發(fā)起挑戰(zhàn)，要求他們?yōu)樽约旱腅xoLab創(chuàng)建一個(gè)開(kāi)源版本。

這個(gè)項(xiàng)目復(fù)制了量級(jí)。io ExoLab在大小和功能上盡可能接近，并無(wú)縫地連接到基于web的應(yīng)用程序。2024年秋天，它成功地執(zhí)行了第11次前往國(guó)際空間站的任務(wù)。

ExoLab生長(zhǎng)室包含一個(gè)可編程的64元件LED照明陣列，用于測(cè)量溫度、濕度、二氧化碳和光強(qiáng)度的傳感器，以及一個(gè)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定期拍攝幼苗生長(zhǎng)照片的相機(jī)。使用幅度。在Io的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中，攝像頭拍攝的圖像和測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)一起顯示。學(xué)生們可以將他們實(shí)驗(yàn)室的信息與世界上其他實(shí)驗(yàn)室的信息進(jìn)行比較，也可以與國(guó)際空間站上同時(shí)進(jìn)行的微重力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。

最初的ExoLab外殼是基于國(guó)際空間站上用于實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)CubeLab平臺(tái)，尺寸為10cm x 10cm x20cm，也稱(chēng)為2U。這種實(shí)現(xiàn)為樹(shù)莓派3B+的外殼底座增加了額外的1U。外殼也進(jìn)行了修改，使其易于3D打印和組裝。原來(lái)的Exolab難以制造的u形透明丙烯酸蓋已被單個(gè)滑入透明蓋所取代。

而軟件實(shí)現(xiàn)則支持與量級(jí)的接口。其中IO網(wǎng)絡(luò)需要許可證，也可以獨(dú)立使用。照明和計(jì)時(shí)的配置參數(shù)存儲(chǔ)在SD卡上一個(gè)可編輯的JSON文件中，測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CSV文件中，JPG圖像存儲(chǔ)在文件夾中。

此外，這個(gè)實(shí)現(xiàn)允許使用Adafruit。它是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)，用于存儲(chǔ)和可視化來(lái)自Adafruit.com的數(shù)據(jù)。目前的實(shí)現(xiàn)符合免費(fèi)版本的限制，但可以擴(kuò)展到付費(fèi)版本(目前每年99美元)，以啟用更多的命令和控制功能。

軟件是用Python編寫(xiě)的，使用適當(dāng)?shù)腁dafruit和Raspberry庫(kù)。大小。io的服務(wù)器不存儲(chǔ)JPG圖像，只存儲(chǔ)該圖像的URL。在此實(shí)現(xiàn)中，使用免費(fèi)帳戶將圖像存儲(chǔ)在Amazon Web Services (S3)上。

我是如何做到的：

我從最初的ExoLab設(shè)計(jì)開(kāi)始尋找匹配的組件，并在Adafruit和Amazon上找到了所有的東西。我之前制作過(guò)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，所以決定使用樹(shù)莓派和Python。使用STEMMA QT (SparkFun Qwiic)連接器的組件大大簡(jiǎn)化了布線，并允許擴(kuò)展額外的傳感器。

從ExoLab圖紙中，我在Tinkercad中重新創(chuàng)建了外殼，導(dǎo)出STL文件并在PLA中3D打印。Raspberry Pi Zero W和電源板安裝在機(jī)箱的后部。有幾個(gè)問(wèn)題變得很明顯：

?RPi Zero W作為開(kāi)發(fā)/調(diào)試平臺(tái)的能力不足。

?PLA外殼融化并從LED陣列的熱量中包裹

?u形透明聚碳酸酯覆蓋層難以制造

?總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)東西很丑，缺乏最初的ExoLab的優(yōu)雅

假設(shè)制造ExoLab的人也想修改軟件，我將處理器升級(jí)為RPi 3B。它被安置在附著在ExoLab外殼底部的立方體框架中，因此與3U立方體/立方體實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)保持一致。我把外殼重新設(shè)計(jì)成一個(gè)盒子，有一個(gè)滑動(dòng)式透明蓋的槽，可以用激光切割機(jī)或細(xì)刃手鋸切割。

這需要幾次迭代和多次3D打印才能使所有東西正確排列和匹配。

電源板和RPi 3B通過(guò)支架安裝在框架上。電源板由用于5V 15A電源的桶形連接器，1000uf電容器(用于過(guò)濾打開(kāi)LED矩陣時(shí)的電源浪涌)，帶電阻的紅色指示燈LED以及連接到LED矩陣的連接組成。由于電源板是如此簡(jiǎn)單，我決定使用一個(gè)小面包板PCB，而不是設(shè)計(jì)一個(gè)定制的PCB。

外殼由兩部分組成：“盒子”和電子外殼。兩者都是用ABS打印的，以承受高溫。LED陣列通過(guò)支架安裝在盒子的頂部。24號(hào)連接線通過(guò)外殼連接到電源板。液晶顯示器、二氧化碳傳感器和攝像頭被壓入電子外殼上略顯小的切口。勒克斯光傳感器安裝在機(jī)箱的底部。顯示器，CO2和lux傳感器使用短QT電纜相互連接。這些電纜，連同攝像機(jī)帶線和LED電纜通過(guò)外殼和“盒子”的底部插槽布線。該外殼適合對(duì)后方的盒子，并通過(guò)在每一邊螺絲舉行的地方。

軟件開(kāi)發(fā):

Adafruit提供了傳感器、LCD顯示器和LED陣列的Python庫(kù)、示例代碼和教程。我主要是按原樣使用它們來(lái)測(cè)試每個(gè)組件和接線。

代碼被模塊化到單獨(dú)的Python文件中：

核心模塊：MainV1.py -調(diào)用所有其他模塊的主程序storedata .py -將傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地文本文件(ExoLab_Data.csv) Settings.py -嘗試從Magnitude讀取配置。IO服務(wù)器，如果失敗，則從本地存儲(chǔ)的文件中讀取配置。如果失敗了，它使用“硬編碼”參數(shù)包含在indevice接口：Camera.py -控制魚(yú)眼相機(jī)cd .py -控制16x2液晶顯示器lightpane .py -控制LED arraySensors.py -讀取溫度，濕度，二氧化碳和lux傳感器網(wǎng)絡(luò)接口：MIOWS.py -接口到大小。adafruitio .py - Adafruit的接口。IO serverAWS.py -用于存儲(chǔ)JPG圖像數(shù)據(jù)和日志文件的Amazon Web Services接口：ExoLab_Data.csv - ExoLab傳感器數(shù)據(jù)文件ExoLab. Log - debuggingDefaultSettingsV2的日志文件。默認(rèn)參數(shù)的json格式與從Magnitude接收到的json格式相同。io服務(wù)器。

我首先開(kāi)發(fā)并測(cè)試了核心模塊和設(shè)備接口。這些提供了一個(gè)功能齊全的獨(dú)立系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和圖像存儲(chǔ)在本地。然后我按順序開(kāi)發(fā)了Magnitude IO、Amazon和AdafruitIO網(wǎng)絡(luò)模塊。

對(duì)于開(kāi)發(fā)和調(diào)試，很容易將顯示器，鼠標(biāo)和鍵盤(pán)連接到Rpi 3B。對(duì)于日常操作，可以SSH到ExoLab。

使用中的ExoLab：

一個(gè)典型的星等。這次飛往國(guó)際空間站(ISS)的任務(wù)將持續(xù)6周。每個(gè)任務(wù)都研究微重力如何影響植物的發(fā)芽和生長(zhǎng)。每個(gè)任務(wù)都會(huì)選擇不同的植物。在任務(wù)結(jié)束時(shí)，植物被冷凍，返回地球，然后送到參與任務(wù)的大學(xué)進(jìn)行詳細(xì)分析。

與此同時(shí)，植物在國(guó)際空間站的生長(zhǎng)室里發(fā)芽，世界各地的學(xué)校也在他們的ExoLab室里發(fā)芽。這些艙室的功能與國(guó)際空間站上的相同。

來(lái)自國(guó)際空間站和教室的環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、濕度、二氧化碳和光照水平)和延時(shí)圖像被上傳到Magnitude。io的服務(wù)器。使用一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序，學(xué)生們可以將他們的植物生長(zhǎng)情況與國(guó)際空間站以及所有其他學(xué)校的植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行比較。環(huán)境數(shù)據(jù)可以繪制成圖表，也可以下載以供進(jìn)一步分析。

ExoLab上的這個(gè)版本與國(guó)際空間站和教室上使用的版本兼容。此外，由于數(shù)據(jù)和照片存儲(chǔ)在RPi的SD卡上，它可以單獨(dú)用于國(guó)際空間站任務(wù)之外的課堂實(shí)驗(yàn)。此外，數(shù)據(jù)還可以上傳到Adafruit物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上的儀表板。

未來(lái)工作:

該室可用于觀察其他生物的生長(zhǎng)：真菌、霉菌、細(xì)菌、蠶、蝴蝶等。

一個(gè)邏輯擴(kuò)展是添加一個(gè)Adafruit濕度傳感器，它有一個(gè)STEMMA連接器和一個(gè)Python庫(kù)。它可以連接到Lux傳感器上的自由連接器上，該傳感器位于電子外殼底部的外部。

你可以設(shè)計(jì)和3D打印一個(gè)更大的外殼來(lái)種植更大的植物。在國(guó)際空間站任務(wù)之外，沒(méi)有理由局限于CubeLab標(biāo)準(zhǔn)。如果有一個(gè)更大的外殼，你可以把相機(jī)向下傾斜，如果需要的話。RPi可以安裝在一個(gè)更傳統(tǒng)的機(jī)箱中，安裝在機(jī)箱的后面。

Magitude。Io的軟件目前提供4種照明顏色選項(xiàng)：白色、紅色、藍(lán)色、品紅，每種顏色有10個(gè)級(jí)別。Adafruit LED面板提供了無(wú)限的選擇。而用于測(cè)量光級(jí)的傳感器是RGB顏色傳感器，可以用來(lái)測(cè)量光色溫。通過(guò)一些軟件的改進(jìn)，ExoLab可以用來(lái)研究不同顏色的光照對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

本文編譯自hackster.io