Лестница в небо: кастомизируем WLED

На хабре уже было несколько статей про wled, но обычно они ограничивались штатными возможностями прошивки - гирлянды с эффектами, управление RGB-подсветкой комплектующих ПК, вскользь упоминалась и возможность интеграции с умным домом.

Здесь же мы рассмотрим решение конкретной задачи - от идеи и попыток использования стандартной прошивки до сборки своей с увеличенным количеством управляющих пинов, расширенным web-интерфейсом, api для отладки, своей логикой для управления подсветкой и даже демкой на jsfiddle.

Задача у нас следующая — есть наполовину уличная лестница (остекленная веранда), на которой хочется сделать "лестницу в небо" - поочередную подсветка ступеней со стороны идущего человека.
Условия работы соответствующие - зимой мороз, летом жара, днем подсветка бесполезна из-за естественного освещения.

Готовое решение

На самом деле в доме на внутренней лестнице уже есть подсветка с простой анимацией, но реализована она на готовом контроллере, на обычных лентах - там пришлось тянуть отдельные провода к каждой ступени.

На этот раз хотелось большего, поэтому требования были составлены следующим образом:

• многоцветность,

• наличие готовых эффектов,

• отключение подсветки при достаточном естественном освещении,

• ступени должны загораться и снизу вверх и сверху вниз, причём анимация не должна прерываться и идти с 2 сторон, если движение одновременно зафиксировано с обоих сторон.

Стоимость первого и второго решения мы ещё посчитаем и сравним ближе к концу.

Базовая прошивка wled

Wled это готовая прошивка для работы с адресными светодиодами, которая помимо своей прямой функции содержит также http api, web интерфейс, поддержку взаимодействия с внешними системами (например, mqtt) и даже синхронизацию разных wled устройств.

Также wled это целая экосистема, имеющая интеграции и плагины, пожалуй, ко всем распространённым системам умного дома, причём, довольно неплохие. Home assistant, например, автоматически распознает устройства wled в сети и умеет обновлять их прошивку по воздуху.

Перейдём ближе к нашей задаче: wled из коробки уже как будто поддерживает все необходимое:

• группы светодиодов под каждую ступень,

• настройка анимации включения / выключения групп с таймингами,

• поддержка 2 входных пинов (для wemos d1 mini / esp8266), на которые можно повешать кнопки/переключатели/датчики движения,

• триггеры на изменение значений пинов для запуска анимации.

Собственно, работает это как-то так (здесь я с ноута подключен к WiFi точке доступа wled и запускаю анимацию в ручном режиме из web-интерфейса):

Выглядит отлично, но на практике не все так радужно:

• при каждом срабатывании датчика анимация запускается заново,

• параллельно 2 анимации работать не могут,

• штатно в прошивке под ESP8266 доступно только 2 входных пина, датчик освещённости уже не подключить,

• даже при расширении количества доступных пинов датчик освещённости привязать некуда, сложные условия или хотя бы банальный if с проверкой пары значений написать нельзя (и настроить в интерфейсе, соответственно, тоже).

Проблему с датчиком освещённости можно решить установкой реле освещения на питание всего устройства (на мой взгляд костыль, но в целом рабочий), но даже так анимация меня совсем не устраивает - при любой настройке датчиков и таймингов корректная работа возможна только в идеальных условиях - однократное срабатывание одного датчика.

Будем постепенно решать эти проблемы.

Расширение количества входов (кнопок)

По умолчанию подшивка wled для wemos d1 mini допускает только 2 входных порта, несмотря на то, что контроллер и плата содержат куда большее количество свободных пинов.

К счастью, эта проблема легко поправима - нужно всего лишь указать флаг WLED_MAX_BUTTONS с требуемым количеством пинов и собрать прошивку.

Сборка прошивки wled

А вот тут начинаются сложности, если вы ранее не сталкивались с такой схемой билда, опыт прошивки arduino тут не поможет.
Впрочем, все описано в официальной инструкции. Вам только нужен будет некоторый софт - git, vs code, platformio extension, docker, node, wsl в windows-системе. Также несколько ребутов и вероятно не работающая кнопка build, которая судя по некоторым issues может работать рандомно и собирать бинарник не с первого раза.

Если вы не хотите собирать прошивку сразу для всех поддерживаемых платформ - нужно будет также раскомментировать строку в конфиге с d1_mini и закомментировать строку выше с перечислением всех поддерживаемых платформ.

Далее нужно дописать ключ -D WLED_MAX_BUTTONS=10 в build_flags для расширения числа доступных "кнопок".

У меня в итоге все собралось через test, первый этап которого включает в себя build и выдает нужный бинарник прошивки.

Кастомизация wled

Раз уж мы все равно выяснили, что стандартными функциями не обойтись - давайте взглянем, что wled предлагает для кастомизации: вот тут инструкция по реализации своих скриптов (usermod'ов), в рамках которых можно и gui расширить, и api написать, и с пинами микроконтроллера на C++ поработать.

Изначально я и начал писать этот код по инструкции, пока случайно в недрах репозитория не обнаружил набор целой кучи уже готовых usermod'ов, о которых официальная дока ничего не говорит.

• animated_staircase - usermod для лестницы с 2 датчиками движения (без датчика освещённости и без параллельных анимаций),

• замер заряда батарейки, если у вас автономный проект,

• возможность конфигурирования ИК-пультов через json,

• подключение и ШИМ-регулирование оборотов вентилятора,

• управление через микрофон.

Мой usermod и его описание можно найти в репозитории, все необходимые пояснения есть в readme и в коде. Стиль кода (или его отсутствие) - следствие реализации на основе чужого решения (и в целом общего подхода написания usermod'ов), после получения рабочего варианта заняться рефакторингом не довелось.

И все же, несмотря на удобный и быстрый по меркам микроконтроллеров процесс прошивки, отлаживать баги на физическом устройстве и схеме оказалось трудоёмко. Я честно пытался это сделать, но после пары десятков итераций попросил chatGPT (на тот момент ещё 4 версии) весь текущий код конвертировать в демку на html/css/js и отлаживал логику уже там.

Демку можно потыкать тут - jsfiddle.

Финальная логика работы следующая:

• каждый датчик независимо запускает включение ступеней со своей стороны.

• через on_time_ms после последнего срабатывания датчика запускается выключение ступеней (всегда в 1 сторону).

• повторные срабатывания датчиков влияют только на время выключения, анимация повторно не запускается.

• при этом пины и задержки задаются в интерфейсе, а в api отдаются состояния датчиков.

• к отдельному пину подключается датчик освещенности (логический модуль, выдающий высокий или низкий уровень), который отключает подсветку при дневном освещении.

Для включения usermod в прошивку достаточно его заинклюдить в /wled00/usermods_list.cpp:

#include "../usermods/usermod_stairs.h":

Схема подключения

Здесь небольшое лирическое отступление по поводу схемы подключения.

Все участки ленты мы подключаем последовательно, но при этом питания, особенно в варианте с 5v лентой, будет катастрофически не хватать и лента в лучшем случае будет терять яркость от начала к концу. По этой причине необходимо подводить питание еще и в промежуточные точки ленты (у меня это каждые 2 ступени - пустил силовой провод по одной из сторон лестницы).

Также здесь стоит сказать, что разработчики WLED позаботились о безопасности и в прошивке есть софтовый расчет максимальной потребляемой мощности лентой на выбранных режимах и по умолчанию выставлено ограничение по максимально возможной мощности ленты, рассчитанный исходя из прямого подключения ленты к пинам контроллера. При превышении этого значения контроллер будет пропорционально снижать яркость диодов в зависимости от используемого эффекта.

Если у вас лента запитана по всем канонам, а не напрямую от контроллера - это значение нужно установить равным максимальному (номинальному?) току, который выдает ваш блок питания, или вовсе убрать ограничение.

Общую схему подключения можно изобразить примерно в таком виде:

Несмотря на то, что ESP работает на 3.3 В, а лента питается / управляется 5 В - прямое соединение работает корректно, отчасти из-за небольшого расстояния между контроллером и первым участком ленты. Если в вашем случае это расстояние велико и возникают сбои, а также если лента питается другим напряжением и не может быть подключена напрямую (12 В) - в схему нужно добавить преобразователь уровней согласно официальным рекомендациям.

Как видно, проводов здесь нужно гораздо меньше, чем в случае с готовым контроллером.

Результат

Финальный результат выглядит так:

Я остановился на одной из анимаций, которая лишь слегка меняет интенсивность свечения отдельных диодов, чтобы выглядело динамично, но в то же время не мешало в процессе эксплуатации.

Впрочем, можно выбрать любой эффект вплоть до использования различных анимаций под каждую ступень. Например, вот более динамичный режим:

Также usermod можно отключить и управлять подсветкой штатными средствами - вдруг ваша лестница находится в центре дома и вы захотите устроить вечеринку с цветомузыкой.

Необходимые комплектующие и бюджет

Здесь и далее ссылки на комплектующие на поиск али, без рефералок.

Т.е. суммарные затраты составили примерно 5150 ₽.

Готовое решение

Обещал также сравнение готового решения и описанной реализации.

На текущий момент появилась 2 версия контроллера с поддержкой датчика освещённости, у меня стоит первая версия без оного.

Общая сумма минимум 6500 ₽ (без поддержки датчика освещенности).

Как видно, небольшая экономия выходит только за счёт блока питания и датчиков. Контроллер же стоит на порядок дороже используемого нами.

Выводы

При более широких возможностях описанной реализации готовое решение все равно уступает и в цене, и в удобстве монтажа.

Да, здесь не учтена стоимость разработки, но у описанного устройства скорее хоббийная природа - мне попросту был интересен процесс, каким бы затратным он не оказался по итогу.

Если у вас остались вопросы или есть замечания/предложения - милости прошу в комментарии.

Полезные ссылки

• Официальный сайт wled.

• Инструкция по сборке прошивки.

• Готовые usermod'ы и устаревшая дока по ним.