Arduino & Pi

Давайте знакомиться!

Меня зовут Артём, и я занимаюсь созданием или адаптацией различных технологичных (и не очень) устройств. Это моя первая статья, и я долго шёл к её написанию, преодолевая неуверенность. Желание поделиться опытом и, возможно, помочь кому-то в реализации своих проектов оказалось сильнее сомнений. Итак, вот моя история.

Как всё началось

Однажды я наткнулся на ролик от @AlexGyver на YouTube, где он создавал интернет-радио в виде головы Бендера. В тот момент меня застала моя девушка, которой так понравилась идея, что она попросила сделать нечто подобное для её старшего брата.

Мне эта затея тоже показалась интересной, и я сразу приступил к работе. Мы решили, что устройство будет Bluetooth-колонкой: слушать музыку с телефона, на мой взгляд, гораздо удобнее, чем через интернет-радио. Тем более, модуль ESP32, использованный в проекте, уже поддерживал Bluetooth. Оставалось лишь немного доработать прошивку.

Я подумал, что кто-то мог уже решить эту задачу. Как говорил Исаак Ньютон: "Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов" И действительно, я нашёл готовое решение, которое смог адаптировать под свои задачи. Однако это было лишь начало: впереди меня ждала долгая, но увлекательная работа.

Этап первый. Печать корпуса

Первым шагом стало создание корпуса головы Бендера. Для этого я использовал свой проверенный 3D-принтер Ender 3 Pro, модернизированный экструдером Creality Sprite Pro и датчиком автоуровня Creality CR Touch.

Перед началом печати я быстро прикинул, какие компоненты буду использовать, как организую питание и насколько сильно придётся модифицировать корпус. Решение запитать устройство через USB Type-C оказалось удачным: корпус не пришлось дорабатывать, так как удалось найти разъёмы, которые идеально подошли к готовым отверстиям.

Для подготовки моделей я использовал PrusaSlicer, хотя в последнее время присматриваюсь к OrcaSlicer. Главное — не забыть про поддержки: однажды я это упустил, и деталь получилась далёкой от задуманного.

Для печати я выбрал недорогой серый PLA-пластик от HI-Tech-Plast. Несмотря на противоречивые отзывы, материал полностью справился с задачей. В других проектах я также использовал филамент этой фирмы и лишь однажды столкнулся с проблемой — пластик оказался перепутанным, из-за чего пришлось начинать печать заново.

Настройки печати:

• Высота слоя: 0,28 мм.

• Температура сопла: 210°C.

Печать всех деталей, включая антенны, визор и подставки, заняла около 20 часов.

Постобработка

После печати начался этап постобработки, включавший:

1. Удаление поддержек.

2. Шлифовку наждачной бумагой для устранения неровностей.

3. Финальную обработку для придания поверхности гладкости и блеска.

С обработкой дихлорэтаном нужно быть очень осторожным: вещество токсично, поэтому работать следует в хорошо проветриваемом помещении, используя респиратор с фильтром марки В1 и полипропиленовые перчатки.

Я наношу дихлорэтан кисточкой или обрабатываю поверхность пропитанной тряпочкой. Иногда использую метод "дихлорэтановой бани" для равномерной обработки сложных деталей.

Корпус был полностью готов. Теперь можно переходить к подбору электронных компонентов и созданию печатной платы.

Этап второй. Подбор и заказ компонентов

Вот список всех компонентов и их примерная стоимость на конец 2024 года, включая печать корпуса:

Компонент ---------- | Количество | ---------- Стоимость (руб.)

ESP32 TYPE-C ---------- | 1 | ---------- 214

Rotary Encoder Module ---------- | 1 | ---------- 109

PCM5102A DAC ---------- | 1 | ---------- 336

PAM8403 ---------- | 1 | ---------- 78

AIYIMA 2Pcs 40MM ---------- | 1 | ---------- 884

Logic Level Shifter ----------| 1 | ---------- 24

Display Control Module ----------| 5 | ---------- 685

LED Matrix (white) ---------- | 2 | ---------- 753

LED Matrix (yellow) ----------| 3 | ---------- 646

Type-C разъём ---------- | 1 | ---------- 32

Печать корпуса ---------- | — | ---------- 623

Итоговая стоимость: 4384 руб.

Подбор компонентов

Самой сложной задачей оказалось найти подходящие матрицы для глаз и рта. Мне хотелось использовать матрицы с квадратными светодиодами и общим катодом, чтобы Бендер выглядел максимально аутентично.

На подбор матриц я потратил больше времени, чем ожидал. Оказалось, что такие компоненты редкость, а их стоимость существенно выше стандартных красных матриц с платами контроллерами. Например, две белые матрицы обошлись в 753 рубля, а пять красных с контроллерами — всего 685 рублей. Однако я решил не экономить, ведь итоговый результат того стоил.

С остальными компонентами проблем не возникло. Их список был представлен на странице проекта AlexGyver, что значительно облегчило поиск.

Ключевые моменты выбора:

• ESP32 с USB Type-C стал идеальным решением благодаря удобству подключения к компьютеру для прошивки. Кабели с microUSB у меня постоянно теряются, а Type-C давно стал стандартом.

• AIYIMA 40MM (динамики) — отличный выбор для проекта. Их компактный размер идеально вписался в конструкцию корпуса, а качество звука оказалось выше моих ожиданий.

Компоненты я искал на популярном китайском маркетплейсе, учитывая соотношение цены, времени и стоимости доставки. Когда я собирал первого Бендера, мне удалось найти динамики всего за 400 рублей. Всего я собрал три такие колонки, но, к сожалению, выгодную цену больше найти не удалось.

Планирование следующего этапа

Я давно решил отказаться от навесного монтажа и горячего клея, так как работа с печатными платами удобнее, аккуратнее и быстрее.

Для разработки электрических схем и печатных плат я использую KiCad. Это открытое и удобное программное обеспечение, которое идеально подошло для моих задач. Основной операционной системой у меня является Ubuntu, и KiCad прекрасно работает в этой среде.

Пока все компоненты едут из Китая, самое время переключиться на проектирование печатной платы. Это важный этап, который позволит собрать все элементы воедино и создать надёжное устройство.

Этап третий. Проектирование печатной платы

Итак, начался этап проектирования печатной платы. Работа оказалась непростой: с самого начала я столкнулся с проблемой отсутствия готовых посадочных мест для модулей. Готовых решений я не нашёл, поэтому пришлось создавать их вручную. Это создавало некоторые трудности, особенно для модуля PCM5102. У него боковые ножки не совпадают с шагом сетки 2,54 мм, а точных размеров модуля в интернете не оказалось — были только габариты самой платы. В итоге мне пришлось несколько раз распечатывать разводку платы на бумаге и подгонять её вручную, проверяя, как компоненты ложатся на свои места.

Для изготовления печатной платы в домашних условиях я использовал фоторезист (негативный пленочный) и односторонний фольгированный стеклотекстолит. Процесс выглядел следующим образом:

1. Подготовка текстолита.

Сначала я разрезал текстолит до нужных размеров, сделав надпилы острым ножом и аккуратно обломив заготовку по линиям надреза. Затем поверхность протиралась спиртом, чтобы удалить грязь и жир.

2. Нанесение фоторезиста.

На чистую поверхность текстолита я наносил фоторезист, после чего прокатывал плату через ламинатор для плотного приклеивания.

3. Засветка ультрафиолетом.

На подготовленную плату с фоторезистом я накладывал заранее распечатанный на прозрачной пленке негативный шаблон платы. Для засветки использовал самодельную ультрафиолетовую лампу, собранную из светодиодов и управляемую микроконтроллером ATTiny13A. Засветка занимала около 200 секунд при расстоянии 10 см между лампой и платой.

4. Проявка.

После засветки плата погружалась в раствор кальцинированной соды. Для этого я разводил пол чайной ложки соды на 500 мл воды. Точное количество соды не критично — главное, чтобы фоторезист начал проявляться.

5. Травление.

Травление проводилось в растворе хлорного железа (200–300 г на 1 литр воды). На травление обычно уходит 40–60 минут, в зависимости от температуры раствора и толщины слоя меди.

6. Удаление фоторезиста.

После травления я смывал остатки фоторезиста ацетоном, оставляя чистые дорожки меди.

После всех этих этапов плата была готова для пайки компонентов и последующей сборки устройства.

Этап четвёртый. Тестирование компонентов в полусобранном виде

Обычно тестирование компонентов проводится до производства печатной платы и корпуса, чтобы избежать лишних затрат на переделку. Однако в этом проекте я был уверен, что все компоненты совместимы и не собирался вносить изменения. Оставалось лишь убедиться, что всё работает так, как задумано: устройство воспроизводит музыку с телефона и синхронно двигает глазами в такт.

Конечно, когда я собрал все на макетной плате, прошил микроконтроллер и включил питание, ничего не заработало. Основные проблемы оказались связаны с матрицами. Они создавали сильные помехи, были чувствительны к питанию и наводкам на провода. В результате матрицы начинали «жить своей жизнью»: произвольно включаться и выключаться.

Я думаю, многие, кто пытался собрать Бендера, сталкивались с подобными трудностями. Вот шаги, которые помогли мне справиться с этим:

1. Хорошая пайка контактов.

Все соединения должны быть надёжными, без «холодной пайки».

2. Минимизация длины проводов.

Длина проводов, соединяющих матрицы с платой управления, должна быть минимальной. У меня это расстояние составило всего 4–5 см. На этапе тестирования длина проводов была больше, что приводило к сбоям в работе.

3. Устранение шумов.

Для подавления шумов в цепи питания звукового тракта я добавил два конденсатора по 3300 µF на 6,3 В:

◦ Первый конденсатор установил на плату управления, куда подключалось питание.

◦ Второй напаял на контакты питания второй матрицы рта.

Эти конденсаторы полностью устранили шипение в звуке.

Конденсаторы были подобраны экспериментальным путем и у вас они могут отличатся.

Кроме того, я разделил питание следующим образом:

• ESP32 питалась через встроенный стабилизатор.

• PCM5102 подключил отдельно через стабилизатор AM1117-3.3.

Честно говоря, сейчас я уже не помню, зачем решил разделить питание, а в документации этот момент не зафиксировал.

Ещё одна проблема была связана с PCM5102: его режимы работы настраиваются с помощью джамперов, которые иногда приходят не распаянными. Первый модуль, который я использовал, был готов к работе, но во втором случае я не проверил джамперы заранее. В результате пришлось разбирать собранную плату и паять джамперы вручную.

Теперь немного о прошивке.

Я использовал прошивку от BendeRadioBt, не внося в неё изменений. Компиляцию проводил в среде Arduino IDE версии 2.1.1. Единственное уточнение: для успешной компиляции нужно установить версию платформы в Boards Manager не выше ESP32 by Espressif 2.0.17. Это связано с особенностями библиотеки btAudio.

На этом этапе серьёзных проблем больше не возникло. Всё заработало как задумано, и я с нетерпением приступил к следующему этапу.

Этап V. Империя наносит ответный удар: сборка

Первым делом нужно установить Rotary Encoder Module. Провода к этому модулю я сделал чуть длиннее, чтобы они выходили за пределы корпуса головы.

Затем приступаем к установке динамиков. Их нужно аккуратно приклеить на посадочные места клеем Момент Кристалл и дополнительно слегка зафиксировать термоклеем. На этом этапе важно проявлять осторожность, чтобы клей не попал в неподходящие места.

Основная плата с компонентами была установлена вертикально в специально напечатанный держатель, который я закрепил термоклеем. Сам держатель платы приклеил к держателю матриц рта с помощью суперклея. Да, я мог бы уменьшить размер платы и разместить её горизонтально прямо на держателе матриц, но так получилось, что я изначально выбрал вертикальное расположение.

Особое внимание следует уделить верхним уголкам платы — их нужно срезать. После этого плата идеально становится на место, а разъём ESP32 оказывается на уровне глаз. Это удобное решение: через визор, убрав глаза, можно обновлять прошивку или регулировать уровень звука на PAM8403. Для дополнительной фиксации все элементы закрепляются двумя болтами.

На следующем этапе я установил разъём питания USB Type-C на корпус. В завершение приклеил заглушку внизу головы Бендера с помощью клея Момент Кристалл. Это крепление достаточно надёжное, но при необходимости позволяет снять заглушку.

Заключение

Колонка получилась не только функциональной, но и стильной. Она стала прекрасным подарком, и после первого экземпляра я сделал ещё несколько штук. Благодаря необычному дизайну и качественному звучанию колонка отлично смотрится в интерьере и вызывает интерес.

Этот проект оказался для меня невероятно увлекательным. Хочу выразить огромную благодарность AlexGyver за возможность создать подобное устройство, а также автору прошивки для Bluetooth. Благодаря его работе мне удалось сэкономить несколько дней.

На этом моя история о колонке-голове Бендера завершена, но у меня в запасе ещё много интересных проектов, которыми я хотел бы поделиться. Спасибо всем, кто дочитал до конца!

ссылка на прошивку.

https://github.com/im-tortik/BendeRadioBt

В завершение: демонстрация рабочего экземпляра

В 2024 году кроме нормального развития в программировании,
(Где так и не закончена единственная задача! В виде стабильности сети.) Включая изучения распределённых файловых систем, работы с 3D в браузере.

Под его конец создано первое рабочее физическое устройство.
Первой реализована одна из простых идей, всего которых уже не счесть.🫢

Пульт управления звуком, на основе ESP32 на C++.

Корпус спроектирован самостоятельно в FreeCad, многие элементы не имеют чертежа и нужно измерять самостоятельно штангенциркулем.
И распечатан самостоятельно в FDM принтере.

Пока соединение по WIFI🛜 в мобильное приложение на смартфоне, принимающее команды.
Но возможно использовать и Bluetooth.

Может регулировать громкость потенциометром,
переключать треки вперёд назад 5 позиционной кнопкой.
Считывая аналоговые и цифровые сигналы, и обмениваясь пакетами по UDP.
Посылая медиа-сигналы в смартфон, который уже запускает музыку.

Имеет 2 экрана, I2C и SPI. Позволяющих выводить как ЧБ так и RGB изображения.
Питается аккумулятором 18650.

За примерно 14 дней, в первую половину декабря. Не считая доставки.

В процессе был сожжён один DAC по неопытности.🥲
И несколько слабых блоков питания.
Получен огромный опыт за короткое время.

Начальный этап в создании собственных аппаратных устройств,
от мелочи для развлечения, умного дома и повышения удобства,
до целевых промышленных устройств на массовое производство.

Наивный первый шаг к реализации идей мирового масштаба.

Описание Сервера автоматизации СА-02м

Питается от 24 вольт постоянного тока через торцевой разъем от модуля питания МП-02м. Там же в торцевых разъемах (слева и справа по одному) расположены RS-485, к которым можно подключить модули расширения МР-02м для увеличения количества входов\выходов (дискретные, аналоговые). Устройство на базе одноплаточника с "камнем" Allwinner A40i. Установлен Armbian + Linux 6.1.0-rc6. Оперативной памяти 512 Мб, eMMC на 8 Гб, чего вполне достаточно для диспетчеризации 5 000 тегов в MasterSCADA4D (по информации о нагрузочных тестах СА-02м в ООО "МПС Софт").

У сервера автоматизации СА-02м на борту 5 RS-485, один из которых с гальванической развязкой (изолированный). При установке системы диспетчеризации появляется возможность опрашивать различное инженерное и сетевое оборудование по протоколам МЭК 61850, МЭК 60870-5-104, Modbus RTU, Modbus TCP, OPC UA, SNMP, MQTT, BACnet, Profinet, Меркурий и других, что позволяет создать локальную систему учета электроэнергии, управлять системами вентиляции и кондиционирования воздуха, освещением, отоплением и т.д.

Так же есть возможность установить SCADA Каскад, Simple-SCADA, CoDeSys, NodeRed, OpenHab, Home Assistant и любое другое совместимое ПО.

"Под капотом"

На верхней плате:

• пара микросхем для RS-485 в торцевых разъемах

• пищалка

• статусные светодиоды

• кнопка перезагрузки

На нижней плате:

• 3 разъема для RS-485

• разъем для дискретного выхода

• Ethernet

• USB type-C + USB Type A

• управление питанием USB для перезагрузки модемов

• разъем под microSD

• PCI-e для одноплаточника

• батарейка для часов реального времени (RTC)

Характеристики "одноплаточника" на Allwinner A40i

• Allwinner A40i - 4xARM Cortex-A7 1200МГц

• 512 Мб DDR3 DDR-1200

• 8 Гб eMMC

• 2 х Ethernet 100/10M, 2 x USB

• I/O: CAN, UART, SPI, I2C, PWM, HP-out, TV-in, GPIO ...

• Размеры PCI-e 30х51х4мм

• Температурный диапазон -40 ... +85 °C

Как это работает

Подключили сервер автоматизации СА-02м к модулю питания МП-02м-24, подключили модули расширения, разработали проект диспетчеризации в MasterSCADA4D с нужной логикой работы и загрузили его.
Подключились на web по IP и управляете нужным оборудованием через графический интерфейс.
Затем добавили счетчики электроэнергии и реализовали энергоучет.

Воткнули USB модем, настроили подключение к серверу, так как это все в контейнере за пол версты от офиса и кабель не проложить до него. Потом добавили интеграцию с телеграм и начали получать уведомления на телефон. Добавили модуль с LoRaWAN для беспроводных датчиков и связи с другим контейнером. По SNMP добавили пару серверных стоек, для большего спокойствия, и можно идти на новогодние праздники.

Передумали, зашли под админкой, поставили CoDeSys с Control Basic M лицензией, и используете, как ПЛК. Нужно для дома - NodeRed и Home Assistant.

Ссылки, идеи

Будем рады Вашим идеям, предложениям и содействию по расширению функционала и возможностей СА-02м.

Сервер автоматизации СА-02м, модуль питания и модули расширения можно посмотреть тут: ЦИНТРОН - Устройства автоматизации

Одноплаточник можно глянуть тут: SK-A40i-NANO-2E

Подписаться на новости по нашим устройствам в телеграм тут: Цинтрон. Устройства автоматизации

Невероятный подарок от Raspberry до нового года мы уже не ждали. Многие любители малинок из средней школы не поймут о чем речь, однако Raspberry CM5 - это то что мы так ждали, так еще и в том же форм факторе что и CM4.

Для многих не понятно, что обычную малину нельзя использовать в индустриальном секторе, но используют, а потом спешат менять SD карты в самых дальних точках нашей страны.

Зная все преимущества Raspberry в плане поддержки сообщества и высокого качества сборки мы выпустили еще 5 лет назад компьютер, который как раз работает на этом вычислительном модуле. Спустя 5 лет накопили статистику и с гордостью заявляем, что наших компьютеров вышло из строя 3 штуки (1 рассыпалась память emmc, два убила гроза) из двух тысяч проданных, еще два клиента включили их сразу в сеть 220в (вместо 24в) думаю нет смысла это считать.

Поэтому нам в отличии от предыдущего Upgrad-а raspberry нужно только сменить модуль. В итоге мы получаем совершенно другое по мощности устройство.

Глобально аппаратно Raspberry cm5 это коммерческая (индустриальная версия -20 +80) копия raspberry pi5 поэтому у кого получилось что-то вроде ежа ниже:

Стоит рассмотреть железо на подобии нашего компьютера, мы постарались и реализовали все на плате, поддержку дисков NVME, LTE модем и многое другое.

Особенности устройства:

Интерфейс Etnernet 100Mb — 1шт;

Интерфейс Etnernet 1Gb — 1шт;

Интерфейс CAN-BUS – 1шт;

Интерфейс RS485 ISOLATED– 2шт;

Интерфейс RS232 – 1шт;

Интерфейс 1Wire – 1шт; Интерфейс USB – 2шт;

Дискретные входы оптопара- 4шт;

Релейные выходы – 2шт;

Выход оптопара – 1шт;

Разъем mPCIe – 1шт (на выбор):

• Lora;

• WiFi;

• 3G/LTE;

• NB-IOT;

  Разъем m.2 – 1шт Для диска NVMe SSD

  Разъем HDMI;

  Разъем для подключения GSM-антенны;

  Разъем для подключения WiFi-антенны;

  Рабочая температура: -25°C… +80°C. 

  Потребляемая мощность Питание: клеммы DC 12-48В; Passive Poe AC/DC 12-48В; Мощность: 1.56-5.8 Вт в зависимости от конфигурации.

  Системные характеристики Процессор: BCM2711 на базе Raspberry Pi CM4; ЦПУ: 4-ядерный Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @ 1.5GHz Flash: 8/16/32GB eMMC. RAM: 1/2/4/8GB 

  Поддерживаемые протоколы ModBus; Dmx 512, MQTT, Profinet; LoRaWAN; CAN; OPC UA и другие

  Поддерживаемых платформы и ПО

  NodeRed; OpenHab; CoDeSys; MasterSCADA 4D; Home Assistant; iRidiumMobile; Совместимый софт с raspberry pi4

  Поддерживаемые веб-сервисы ApacheHTTP; NGINX.

  Операционная система Поддержка Linux, Ubuntu, Debian, Astra Linux, OpenWrt

Всех с наступающим Новым годом!

Нас ждут тесты новой CM5 на новогодних праздниках.

Просим присоединиться к нашему сообществу в Telegram, там можно подробнее обсудишь это устройство с живыми людьми, кто уже использовал его на базе CM4

Появился интерес - разработать модель витрины с автоматически открывающейся дверцей и выезжающим ящиком, а так же автоматически задвигающимся по сценарию, с учётом имеющихся в продаже и доступе по оптимальной цене фурнитуры и прочей оснастки (механизмы открытия ящика, дверцы, модуль управления, датчика усилия, а так же механизм детекции наличия в витрине образцов). А в витрину складывать какие-нибудь штуки для демонстрации. На штуки надо клеить радиометки, чтобы детектировать их наличие в витрине.

С помощью ИИ сфантазировал макет:

Вижу это так, что дверца может просто отщелкиваться по примеру постоматов, а вот ящик должен автоматически выдвигаться и задвигаться (но конечно с датчиком усилия чтобы никого не прищемить).
Сценарий открытия - должно быть некое действие в терминале, например ввод и подтверждение личных данных по смс например.

На данном этапе, вижу модуль открытия ящика как нечто на шаговом двигателе с датчиком усилия. Моторчик с Али (видел там целые витрины продаются выдвижные для кроссовок, но это не совсем то)

Для управления всем хозяйством первая мысль - на основе Raspberry Pi  и шаговых двигателей, а радиометки детекции образцов в витрине использовать Bluetooth вместо RFID, так как для вторых нужно плотное касание, а для первых нет. Однако пока не знаю как сделать так чтобы они были без батареек, пассивными, чтобы их питанием не снабжать.

Конечная цель: без наличия человека иметь возможность демонстрировать образцы пользователям.

Кто-нибудь такое разрабатывал ? Критикуйте.

Вопрос. Видите как можно оптимизировать такую конструкцию. какие методы открытия и датчики применить и на основе какого управления это все посадить ?