I když je teprve říjen, je čas upgradovat naše okna a balkony! Vyrobíme unikátní girlandu se speciálními efekty – takovou nebude mít nikdo. A měli byste začít hned teď: než si objednáte komponenty a vše smontujete, přijdou prázdniny. A rozhodně je příjemnější nalepit LEDky na balkon před příchodem mrazů.
Girlanda je vyrobena z adresovatelných RGB LED. To znamená, že můžete změnit barvu každého jednotlivého pixelu v této girlandě a vytvořit na okně 2D obrazovku. A tuto girlandu budeme ovládat z telefonu. Z hlediska nákladů se girlanda ukazuje jako levná a rozhodně levnější než podobná koupená v obchodě. Hlavní věc je, že veškerý software je zdarma, otevřený a snadno upravitelný. Použijeme hotový firmware z projektu WLED, protože jeho instalace je nejjednodušší.
Tento text je přepisem a doplněním videa z Kanál Samsung IT School:
Video bylo zveřejněno v rámci video kurz „Galaxy Upcycling – nový život pro starý smartphone.“ Už jsme tam vyrobili 3D hologram a projektor (a psali o tom Článek na Habr), mikroskop, hodinky, spektrometr (a je tam o tom taky článek) a tlačítkový ovládací panel a pokračujte v natáčení nových videí.
U naší girlandy není třeba pájet ani programovat, vše bereme co nejlépe připravené. Budete muset znát základy elektroniky, to znamená, musíte vědět, co je to rezistor, kondenzátor, napětí, umět nezaměnit polaritu, v případě potřeby použít multimetr – jedním slovem o nic složitější než školní fyzika. Návod je poměrně podrobný a zvládnou ho i ti, kteří s mikrokontrolérem v životě nepracovali.
Co budete potřebovat?
Adresovatelný LED pásek.
Deska mikrokontroléru ESP8266 (beru NodeMCU).
Pohonná jednotka. Doporučuji 2 ampéry nebo více.
Dodává se s adaptérem pro šroubovací svorkovnici.
Logika pro výběr komponent
Co je adresovatelná LED? Říká se jim také NeoPixel, což je jejich marketingový název. Jedná se o RGB LED, které lze programově přiřadit barvu.
Zdroj obrázků: https://thecustomizewindows.com/2018/08/what-is-neopixel-led-can-we-interface-multi-color-led-strip-with-arduino/
Girlanda takových LED je v podstatě pixelová obrazovka, můžete na ni kreslit libovolné obrázky, na rozdíl od tradičních RGB pásků, kde všechny LED svítí stejnou barvou.
Proto při výběru girlandy pro sebe ji hledejte se slovem „Addressed“.
Který si mám koupit? Doporučuji takový, kde jsou LED umístěny dostatečně daleko od sebe, například ve vzdálenosti 10 centimetrů. To vám umožní vytvořit znatelnou pixelovou mřížku na okně, aniž byste narušili banku. Každá LED obsahuje mikroobvod, který určuje protokol pro interakci s ní. Koupil jsem si pásek LED s čipem WS2812B. Ale můžete mít jiné, s jejich vlastními vlastnostmi.
Nebudeme nic programovat, ale použijeme již hotový program. Hezké je, že je to open source, často se aktualizuje a je volně dostupný na GitHubu. Toto je projekt WLED. Mezi silné stránky projektu patří aktivní mezinárodní komunita, přítomnost webového a mobilního rozhraní a snadná instalace. Princip je jednoduchý: vezmeme standardní hardware založený na ESP a poté na něj nainstalujeme hotový firmware. Nemusíte jej ani kompilovat a instalovat vývojové prostředí do počítače
Co je mikrokontrolér? Jedná se o malý počítač určený k řešení malého počtu jednoduchých úloh, výpočetně slabý, ale velmi levný.
Příklady mikrokontrolérů. Zdroj obrázku: https://www.elprocus.com/wp-content/uploads/Microcontrollers-Types.jpg
Co jsou mikrokontroléry ESP? Jedná se o čipy čínské výroby, které se objevily na trhu před 10 lety a okamžitě získaly slávu jako „lidové WiFi“. Dodávají se s vestavěným bezdrátovým připojením a jsou levné, proto jejich popularita.
Ale samotný ESP je pouze modul mikrokontroléru. Ve své čisté formě je nepohodlné se k čemukoli připojit, minimálně by byly vyžadovány pájecí dovednosti. Proto budeme potřebovat hotovou desku pro ladění mikrokontroléru. Existuje mnoho jejich odrůd.
Příklady desek na bázi ESP. Zdroj obrázků: https://randomnerdtutorials.com/esp8266-pinout-reference-gpios/
Minimálně potřebujeme USB konektor pro stahování firmwaru a přítomnost pinů pro připojení periferií. Na základě toho jsem zvolil známou a levnou desku NodeMCU, která je založena na ESP8266 a lze ji snadno připojit pomocí MicroUSB kabelu. V Rusku ho koupíte bez problémů.
Připojení malé matice 4×4
Jak začít testovat LED pásek? Stáhneme si hotový WLED firmware, který nahrajeme do naší desky. Pokud používáte Windows, pro práci s deskou možná budete potřebovat ovladače pro čip CH340 pro USB komunikaci, ale pokud používáte operační systém Linux, pak jsou již součástí jádra a nemusíte nic dělat .
Jak nahrát firmware na desku: nejjednodušší je použít webový instalátor: https://install.wled.me/v2.htm
Prostřednictvím webového rozhraní si můžete stáhnout program do vaší desky přímo z vašeho prohlížeče! Okamžitě se objeví okno, ve kterém musíte zadat přihlašovací jméno a heslo WiFi. Poté obdržíte radostnou zprávu, že zařízení je připojeno.
Obdrží IP adresu z vašeho routeru, zobrazí ji v rozhraní pro stahování a nyní můžete přejít na stránku zařízení ve vašem prohlížeči. Dostal jsem adresu http://192.168.0.20/, budete mít podobnou adresu. Nyní se můžete k desce připojit ze svého smartphonu pomocí aplikace WLED! Lze jej zdarma stáhnout z Google Play.
Spusťte tento firmware a zkontrolujte, jak funguje s jakoukoli adresovatelnou LED. Nezapojujte girlandu hned, zkuste ji na něčem malém. Například připojím takový modul, matici 4 x 4, ale zde si vystačíte s jakoukoliv LED od seznam kompatibilní na webu WLED.
Zde jsou LED řízené pomocí protokolu SK6812. Tři kontakty: DI – „Data in“, tedy vstup dat, 5V a GND. DI připojíme na pin mikrokontroléru, odkud budou pocházet data, 5V – píše se o 5 voltech, ale můžeme vzít 3.3V, protože dokumentace modulu uvádí: provozní výkon – od 3.3V do 5V. To vše je uvedeno na webu výrobce.
Podle úředníka vedení lidí WLED, naše LED je připojena k pinu GPIO2 mikrokontroléru. Na většině desek to odpovídá konektoru označenému D4.
Na mé desce je to také D4. Pokud máte jinou desku než NodeMCU, tak si zjistěte, kde je tento pin připojen pomocí dokumentace desky.
Vidíme, že se na nás usmálo štěstí: GPIO2 (aka D4), 3,3V a GND jsou umístěny poblíž a tuto matrici můžeme propojit jedním trojitým vodičem.
Sledování speciálních efektů v mobilní aplikaci
V mobilní aplikaci můžete změnit barvu matice a přidat animované speciální efekty.
Připojení velké girlandy
Takže jsme zkontrolovali, že softwarová část funguje. Vše, co musíme udělat, je sestavit velkou girlandu. Podívejme se, jak vypadá. Na jedné straně má pět drátů. Z toho tři jsou ty, o kterých už víme: plus, mínus a signál. Zbývající dva dráty duplikují plus a mínus – to proto, abyste mohli dodat girlandě energii.
Otázkou je, jak vypočítat aktuální sílu? S napětím je vše jasné, máme zde 5 voltů. Co dělat se současnou silou? Popis girlandy říká, že její výkon je 2,5 W na metr. Mám 3 girlandy, takže můj celkový výkon je 7,5 wattu. Výkon se rovná napětí krát proud:
Pokud je napětí 5 voltů, pak samozřejmě musí být proud větší než 1,5 ampéru. To není mnoho. Tento napájecí zdroj lze snadno zakoupit. Bral bych to s rezervou minimálně 2 ampéry.
Girlanda je zakončena spojovacím konektorem, přes který můžete připojit další. To znamená, že je lze kombinovat postupně a vytvořit super dlouhou girlandu.
Jak se připojit? Podíváme se na schéma na webu WLED. Obecně existují dva obvody: jeden pro 5 voltů, druhý pro 12 voltů. Potřebujeme první, protože naše girlanda je navržena přesně pro toto napětí, takže se na to podíváme:
Logickou část jsme již sestavili v předchozí části, takže přesuneme drát z matice LED do girlandy. Zbývá jen roztřídit jídlo. Deska NodeMCU pracuje na 3.3 voltu a náš napájecí zdroj je 5 voltů. To ale není problém, protože tato deska má vestavěný převodník z 5 voltů na 3.3. Aby to fungovalo, musíte přidat plus napájení na kolík označený VIN. Odtud bude výstup z desky na girlandu. Napájíme LED pásek, přenášíme na něj signál z ESP, z pinu D4. Podle očekávání sjednocujeme země. Všechno!
Nalepte na okno
Změřil jsem okno, abych věděl, kolik místa mám. Ukázalo se, že je to 100 centimetrů na 150. Jak můžeme tuto oblast pokrýt girlandou dlouhou 5 metrů a LED diody jsou umístěny v intervalech 10 centimetrů? Odpověď je zřejmá! Vezmeme tři girlandy. A bude to přesně 150 LED. Výsledkem je matice 10 x 15 pixelů.
A teď, jak to všechno přilepit na okno? Doporučuji použít běžnou pásku. Na držení girlandy budou stačit tenké proužky. A stopy po pásce pak snadno setřete alkoholem.
Rozhodli jsme se namontovat girlandu na okno v naší kanceláři. S instalací mi pomohli moji kolegové Andrey a Alexey. Radím vám, abyste to udělali také s někým jiným, vše vám půjde mnohem rychleji a bude vás to bavit.
Demo speciálních efektů
Práce v JINX: Grid
Nyní se na to podíváte a zeptáte se: kde jsou pokročilé efekty – ticker tape, Tetris, film „Matrix“, obecně, kde jsou všechny ty skvělé 2D grafiky? A budete mít naprostou pravdu. WLED je velmi jednoduchý program, nebere v úvahu adresy LED a aplikuje speciální efekty, takže vaši pásku považuje jen za dlouhý pás. Je jednorozměrná. Jak se přesuneme do dvourozměrného prostoru?
Existuje zajímavý bezplatný program s názvem Jinx! Pracuje pouze s dvourozměrnou maticí. Tam můžete vytvořit běžící text a dokonce vysílat svou obrazovku na girlandě! Pokud jste někdy viděli, jak se Doom hraje na vánočním stromečku, teď už víte, jak na to.
Zde je potřeba nějaké nastavení. Program totiž přesně neví, jak jsme girlandu na okno nalepili. Klikněte na Nastavení – Možnosti matice. Zde uvedeme rozměr matice: Mám šířku 10 a výšku 15. Dále vybereme položku Output Patch a označíme souřadnicovou mřížku. Užitečná je možnost FastPatch, kde je výběr z nejoblíbenějších přirážek. Dále musíte zadat rozměr, pořadí pixelů (pro mě je to RGB a počáteční kanál je 0) a počáteční úhel. Dostal jsem tyto parametry: Snakeline značení, pravý dolní roh – začátek. A klikněte na Spustit výstup.
Je zde spousta skvělých efektů – Matrix, Radar, Spectrum Analyzer. Každý efekt lze přizpůsobit, například Autocolor znamená, že barva efektu se bude plynule měnit. Pokud chci efekt „jako matrice“, opravím zelenou barvu a nezmění se. Můžete změnit rychlost efektu. Můžete dokonce vyfotit – pixel art – a bude promítán. Automaticky se zmenší na velikost matice. Můžete vytvořit jednoduchý ekvalizér pro zvuk. Například Audio VU Meter bude odpovídat skladbě, kterou aktuálně přehráváte. A nejzajímavější efekty jsou AVI Player, Capture Screen, Capture Webcam.
Jak vylepšit svou girlandu?
Z hlediska elektroniky bychom zde také přidali alespoň rezistor a kondenzátor. Dodají vaší girlandě odolnost a stabilitu lesku. Ano, vše bude fungovat i bez nich, ale pokud to chcete pravidelně používat doma, pak nezapomeňte nainstalovat, jako zde na schématu, 62ohmový odpor a kondenzátor 1000 mikrofaradů.
Vážně, bez převodníku logické úrovně se neobejdete. Stejný, který se v diagramu nazývá Level Shifter a přichází s poznámkou „Nejlepší použití, ale někdy ho lze vynechat“. Jde o to, že ESP8266 na svorkách poskytuje od 0 do 3.3 voltů a girlanda je řízena od 0 do 5 voltů. Naše štěstí je, že 3,3 voltu se sotva „vejde“ do hranic vysoké logické úrovně. Pokud je tedy váš vodič k girlandě z ovladače delší než 10 centimetrů, mohou nastat problémy se signály. Takový převodník je velmi jednoduchá a levná deska, lze ji zakoupit za 150 rublů.
Co dalšího můžete s touto girlandou dělat? Zkuste nastavit v programu Jinx: ticker tape, pixelová grafika, hra „Life“, hudební ekvalizér, promítání videa vaší oblíbené počítačové hry nebo filmu. Hodně štěstí! Upgradujte svá okna a balkony, napište do komentářů své zkušenosti, podělte se o životní hacky.
Pokud příspěvek získá 100 lajků, zkusím totéž firmware od slavného ruského autora Alexe Gyvera a provede srovnání na základě různých parametrů. Je to trochu náročnější na instalaci, protože musíte kompilovat ze zdroje, ale má více speciálních efektů.
Před pár lety jsem na internetu viděl zajímavý projekt, ve kterém autor vyrobil obrovské digitální hodiny (se 7segmentovými číslicemi), které byly založeny na tzv. adresovatelném LED pásku.
Foto hotového projektu
Fotoaparát bohužel zkresluje barvy. Ve skutečnosti jsou barvy jednotné a kontrastní (může být jakákoliv barva)
Použil jsem velikost figurky cca 280×205 mm (téměř list A4), celkový rozměr hodin je 300×800 mm.
Tento projekt se mnohokrát opakoval, pokaždé jiným způsobem, ale nenarazil jsem na srozumitelný návod na sestavení těchto hodinek a kromě toho se pokusím co nejpodrobněji popsat vlastnosti a potíže, kterým jsem musel čelit . Navíc tyto hodinky používám asi 3 roky a naposledy jsem aktualizoval softwarovou i hardwarovou část, ohlížím se na zkušenosti s jejich používáním, a proto vám povím o některých technických vylepšeních, která jsem aplikoval v tomto projektu.
Co je adresovatelný LED pásek
Běžný RGB LED pásek má 4 kontakty: společné „+“ a 3 „-“ pro každou ze základních barev – červenou, zelenou a modrou.
Četné ovladače umožňují této pásce zobrazovat odstíny barev mícháním primárních barev, ale tato páska má značná omezení: kus pásky svítí pouze jako celek a stejným jasem po celé své délce.
Páska na adresovatelných diodách je navržena jinak: má ovladače, které umožňují ovládat skupinu diod (nebo každou diodu) samostatně, což umožňuje nezávisle zapněte nebo vypněte je a nechte je svítit jakoukoli barvou s jakýmkoli jasem. Páska má 3 kontakty: „+“, „-“ a ovládací kontakt, který se připojuje k mikrokontroléru.
V době vytvoření hodinek existovaly 2 typy pásek, nyní je jich několik:
WS2811. Nejlevnější ze všech pásek (považované za spolehlivější než „starší“ WS2812b). Umožňuje ovládat skupiny 3 diod.
WS2812b. Používané mnou (považované za nespolehlivé, i když při používání hodinek nebyly zjištěny žádné problémy). Umožňuje ovládat každou diodu samostatně. Nevýhodou je, že pokud selže 1 dioda, další nebudou fungovat.
WS2813, WS2815, WS2815 – aktualizace WS2812, mají „záložní“ datový kontakt, zvýšená frekvence aktualizací. Pokud jedna dioda selže, zbývající část pásky zůstane funkční. Proti: cena.
Nyní více o použitém zařízení:
mikrokontrolér
Arduino nano s připájenými „nohami“
Použil jsem Arduino Nano (založené na ATmega328) – cenově nejdostupnější desku i z hlediska snadného učení pro začátečníka. Prodává se jak s připájenými „nohami“, tak bez nich. Je lepší to vzít rovnou s „nohami“, protože doporučuji použít štít, který výrazně zjednodušuje montáž, zvyšuje kvalitu a modularitu.
Modul hodin reálného času
Modul hodin reálného času DS3231
Důrazně se doporučuje použít model DS3231, protože má vestavěný teplotní senzor, který neutralizuje vliv změn okolní teploty na hodiny.
Moduly DS1302 a DS1307 se nedoporučují ke koupi, zejména proto, že rozdíl v ceně je zanedbatelný.
Modul je k dispozici ve dvou verzích: v plné velikosti (dole) a kompaktní (nahoře). Vzal jsem verzi v plné velikosti, protože se s ní lépe pracuje.
LED pásové světlo
Adresovatelný LED pásek
LED páskové světlo. Je to ona, kdo je zodpovědný za indikaci.
V mém projektu jsem použil WS2812b 60 diod na metr.
Můžete ušetřit peníze a vzít WS2811 (ale pak budete muset náčrt mírně opravit a při zapojování obvodu počítat s tím, že potřebuje napájení 12V, zatímco WS2812b je napájen 5V).
Mnoho projektů používalo pásku s frekvencí 30 diod na metr, ale podle mého názoru by se to nemělo dělat.
Teplotní senzor
Teplotní senzor DHT22 na desce
Použití teplotního čidla je volitelné (pokud chybí, je třeba smazat/okomentovat odpovídající řádky v kódu).
Použil jsem model DHT22 (mimochodem měří i vlhkost) – je dražší než jeho „mladší bratr“ DHT11, nicméně, jak píší uživatelé, mladší verze produkuje hodnoty založené na algoritmu, který zná pouze ona.
Doporučuje se vzít to okamžitě připájené na desce (jako na obrázku vlevo).
Světelný senzor
Světelný senzor BH1750
Použil jsem BH1750 ze dvou důvodů:
1. Umožňuje přenášet číselnou hodnotu osvětlení (na rozdíl od jednodušších fotorezistorů, které mají pouze nastavitelnou prahovou hodnotu „světlo/tma“).
2. Podle testů (články na internetu) reaguje na zářivky adekvátně, protože má „na palubě“ několik různých senzorů (některé senzory světlo ze zářivek nezachytí).
Jak navrhl ivanii, „BH1750 je digitální 16bitový senzor s rozhraním I2C, s kompenzací spektra a filtrem zvlnění“, za což mu patří zvláštní poděkování.
Fotorezistor připájený na desce. Má tři nohy: dva napájecí zdroje a digitální výstup a neumožňuje plynule měnit jas pásky (udává pouze 2 hodnoty: „1“ nebo „0“).
Seřizovací šroub umožňuje nastavit práh citlivosti.
PS Takové fotorezistory jsou na desce se 4 nohami (kromě digitálního je přidán analogový výstup), ale preferován je použitý snímač (BH1750).
bluetooth modul
Původní projekt používal tlačítka pro úpravu času, nicméně dle mého názoru poskytuje bluetooth mnohem více možností (například prohlížení informací o ladění).
Hodinky mi navíc visí ve výšce asi 3,5 metru, takže nastavování pomocí tlačítek je další potěšení.
Model – HC-05 nebo HC-06, přímo na desce s „nohami“.
Napájecí zdroj
Používám 10 wattový zdroj (5V/2A), což mi na hodinky celkem stačí (172 diod), zvlášť když uvážím, že málokdy svítí i na poloviční jas.
Kolik proudu spotřebovává páska?
Jedna barva jedné diody při maximálním jasu spotřebuje přibližně 12 mA. V jedné LED jsou tři barvy, to znamená, že pokud metr naší pásky o hustotě 60 diod/metr svítí bílým světlem maximálního jasu, dostaneme (12*3*60) přibližně 2.1A.
Musíte však vzít v úvahu, že v tomto projektu nemá smysl pásku svítit bíle; Svítivost pásku má také rezervu.
Mimochodem: WS2811 je napájen 12V, WS2812b – 5V.
Rozšiřující deska (štít) pro Arduino Nano
Použití štítu je také volitelné, ale značně zjednodušuje montáž a také zvyšuje jeho modularitu.
První verze hodinek byla sestavena bez něj a jak ukázala praxe, použití štítu se velmi doporučuje.
Štít umožňuje odstranit mikrokontrolér pro aktualizaci firmwaru nebo výměnu některého z modulů bez ohledu na zbytek zařízení a také duplikuje napájecí piny a další důležité piny.
Dráty a konektory
Pro připojení komponentů je vhodné použít takové rušicí vodiče (k dispozici u kvalitnějších koncových spínačů). Mohou existovat různé možnosti („máma-máma“, „táta-táta“, „táta-máma“).
Pro blok napájecího konektoru je vybrán vhodný konektor.
Materiály pouzdra a difuzoru
K výrobě pouzdra jsem použil kus extrudované polystyrenové pěny („technoplex“) – na rozdíl od známého „penoplexu“ je šedý, to znamená, že neovlivňuje konečný odstín čísel a kabelového kanálu pro rám pouzdra.
Mnoho lidí používá na difuzér papír, což není příliš praktické a velmi zhoršuje kvalitu „obrazu“ čísel. Použil jsem speciální osvětlovací polykarbonát mléčné barvy (opál). Používá se při výrobě reklamních světelných konstrukcí – inzeráty můžete vyhledávat na internetu nebo zjistit u firem, které vyrábějí reklamní konstrukce. Mám plech o tloušťce přibližně 4 mm, ale pokud bych měl na výběr, doporučil bych vzít tenčí (ten tlustý silně „mydí“ okraje čísel).
Existují různé typy polykarbonátu
Jak jsem pochopil, polykarbonát může být obyčejný, také bílý (mléčný).
Je vhodnější použít „opál“, protože je speciálně vyroben pro rozptýlení světla a má dvě různé strany: jednu směřující ke zdroji světla, druhou ven k divákovi.
Jelikož je materiálu hodně, ke konci psaní této části jsem si řekl, že by bylo správné článek rozdělit na části.
V příštím díle budu hovořit o sestavování komponent a rozbor softwarové části si nejspíš nechám na třetí díl.
