Игрушечная телеметрия на Arduino

Все началось в какой-то из вечеров, когда после работы очень хотелось просто полежать на диване, но у ребенка были другие планы на папу. Мне было поручено управлять игрушечным светофором и включать машинкам красный и зеленый свет, причем светофор должен был располагаться как можно дальше от дивана. И тут родилась идея! А что, если сделать светофор на радиоуправлении?

Идея готова, оставалось придумать, как ее реализовать. По сути, для первого варианта оказалось необходимо совсем немного компонентов:

1. Плата Arduino

2. Что-то типа светодиодов

3. Пульт управления и приемник сигналов

4. Элемент питания

5. Корпус

Arduino

Выбрано самое простое решение в виде Arduino Nano. Можно было бы взять более компактную Arduino Pro Mini, однако на тот момент у меня было совсем мало опыта и знаний в области Arduino, и я выбрал первое, что казалось подходящим.

Светодиоды

В качестве сигналов светофора очевидным выбором являются разноцветные светодиоды, но стандартные 5-миллиметровые светодиоды даже в детском масштабе выглядят уж слишком мелко. Можно, наверное, было бы найти для них какие-то линзы побольше и собрать вполне приличный светофор, если бы в это время в гугле мне не попалось вот такое чудесное изделие под названием Waveshare RGB LED HAT.

По сути, RGB LED HAT — это лента из 32 адресных светодиодов WS2812b, которые напаяны на плату в виде матрицы 4х8. И такой вариант мне понравился сразу по нескольким причинам:

• матрица 4х8 дает простор для более разнообразных цветных эффектов, помимо собственно сигналов светофора

• можно самому не паять светодиоды на макетной плате, плюс фабричная пайка всегда выглядит аккуратнее – а это важно, учитывая, что должна получиться более-менее эстетичная игрушка

Дистанционное управление

Для реализации основного замысла – дистанционного управления - я решил использовать обычный пульт от умного дома, передающий сигналы на частоте 433 МГц. А к Arduino подключил типовой радиомодуль-приемник на 433 МГц.

Питание

Это, на самом деле, оказался самый сложный вопрос. С одной стороны, сейчас повсюду литиевые аккумуляторы и USB-зарядки. Тут они не подошли сразу по многим причинам:

• напрямую один аккумулятор 3.7В к Arduino Nano не подключить – нужен повышающий DC-DC преобразователь до 5В. Беглый поиск привел меня к выводу, что качественные платы занимают много места, а компактные – это совсем хлам, который не может выдать ток силой даже 1А, при этом такие платы греются, перегорают, в общем, вариант для детской игрушки не совсем безопасный

• если взять два аккумулятора, чтобы получить 7.4В для питания напрямую через VIN, то возникают сложности с размещением внутри компактной игрушки 2-х элементов типоразмера 18650

• можно было бы рассмотреть более компактные элементы 14500 или даже 10400, но к ним у меня также настороженное отношение, поскольку ребенок случайно может перепутать их с уже привычными ему NiMh аккумуляторами формата АА/ААА от своих радиоуправляемых игрушек, и в результате тоже что-то сгорит.

• наконец, остается вариант с Li-Pol-пакетиком (также на 7.4В) – его уже ни с чем не перепутаешь, места занимает мало, но, к сожалению, этот вариант вызывает еще больше вопросов, чем решает. Такой аккумулятор надо делать либо съемным и заряжать внешним зарядным устройством (то есть пакетик будет не спрятан внутри игрушки, а будет в доступе у ребенка, а неосторожное обращение с Li-Pol это еще хуже, чем перепутать 10400 Li-Ion с NiMh), либо же внутри игрушки надо размещать еще и разъем для зарядки с BMS-платой (с ними те же вопросы качества и надежности, как с DC преобразователями).

В общем, в итоге я выбрал наиболее простое решение – светофор будет питаться от 9В батарейки типа «Крона». Тут, с точки зрения применимости в детской игрушке, одни плюсы:

• невозможно перепутать полярность (несимметричные контакты)

• компактный размер

• можно подключить питание напрямую к Arduino, без дополнительных преобразователей и прочих схем защиты

Основной минус – это дороговизна и маленькая емкость Кроны. Сейчас это уже вряд ли минус: некоторое время назад появились и получили распространение аккумуляторы в типоразмере 6F22 со встроенной защитой и зарядкой (Аккумуляторы «Крона»: нюансы и подвохи), и в отличие от батареек, у них такого недостатка в принципе нет – ребенок вполне безопасно может сам перезарядить такой элемент питания от USB.

Питание адресной ленты, по-хорошему, надо было бы подключить через отдельную 5В линию, что потребовало бы уже понижающий преобразователь. Каждый светодиод потребляет в пике, на максимальной яркости в белом цвете до 50мА, но такая яркость оказалась совершенно избыточной, в комнатных условиях хватает 1/8 от максимальной, а в самых объемных изображениях у меня включается максимум половина из 32 светодиодов. Поэтому, я посчитал, что встроенного в Arduino Nano преобразователя на 800мА мне хватит и для питания матрицы.

Корпус для первоначального варианта

Прототип хотелось завершить и отдать ребенку побыстрее, поэтому все перечисленные выше элементы были втиснуты в какой-то стандартный корпус для РЭА с прозрачной крышкой, а в качестве опор для конструкции послужил белый кабель-канал 40х25 мм. Из всех функций, которые только можно придумать для светофора, в MVP попали буквально простейшие:

• проверка светодиодной матрицы при включении питания

• собственно индикация светофора при команде от пульта управления

• переключения стиля: привычное последовательное включение сигналов красный-желтый-зеленый либо стартовый сигнал в стиле F1 (гаснущие по очереди красные огни)

За пару выходных, пока ребенок был на даче, первый прототип светофора был все-таки завершен и передан конечному пользователю на испытания. Естественно, мой сын был очень доволен такой необычной игрушкой, и я, конечно, тоже.

Развитие идеи год спустя

Еще в процессе создания первой версии, у меня постоянно появлялись идеи дополнительных функций, которые можно было бы реализовать в этой игрушке. Все они были исключены из MVP и отправлены, как это обычно случается, в бэклог.

Тем временим прошел год. Прототип за это время немного подустал, хоть и оставался вполне рабочим.

Этим летом ребенок был отправлен на дачу сразу на несколько недель, и я решил все-таки доделать задуманное. Предварительно нам удалось договориться, что на время каникул ребенок отдаст мне обратно старый прототип, чтобы я использовал его детали для создания новой, улучшенной версии (все-таки RGB LED HAT – достаточно ценная плата).

А задумок в бэклоге накопилось достаточно много:

1. Автоматическое отключение питания для экономии заряда аккумулятора

2. Сделать систему – к существующему светофору добавить аналогичную конструкцию, выполняющую роль финишной линии.

3. Добавить измерение и отображение скорости проезжающих машин с помощью оптического датчика (этот пункт позаимствован у Hot Wheels – раньше они выпускали дополнение для трасс под названием Digital Speedometer)

4. Контроль проезда на красный (фальстарт)

5. Измерение времени проезда между стартом и финишем

6. Дополнительный режим работы системы – подсчет кругов и лучшего времени круга

7. Добавить к светофору звуковые эффекты

8. Новый корпус, напечатанный на 3D принтере

По вечерам, за пару недель все из этого было постепенно реализовано.

Новая схема питания

В первой версии светофора включение и отключение питания осуществлялось с помощью закрепленного на корпусе обычного выключателя с фиксированными положениями. У такой схемы есть пара существенных недостатков. Первый – дребезг контактов при включении/выключении питания, что для электроники все-таки нехорошо. Второй, и главный, недостаток этой схемы – ребенок оставлял игрушку включенной, из-за чего аккумулятор приходилось очень часто заряжать.

Для решения этой проблемы я нашел вот такую схему управления питанием (https://compacttool.ru/praktika/knopka-vklyucheniya-pitaniya-dlya-arduino, раздел «Другой вариант схемы»)

Схема позволяет включать питание нажатием тактовой кнопки, а отключать питание уже программно из Arduino – либо по таймеру, либо при обработке нажатия на эту же кнопку.

Удивительно, но до сих пор такую схему не реализовали и не продают в виде готового модуля (похожие модули – есть, но нет именно такого, где есть одновременно и программное отключение, и доступ к состоянию самой кнопки). Предполагаю, что такие модули пользовались бы популярностью среди начинающих любителей Arduino. А пока пришлось всю схему собирать самому прямо на макетной плате.

Оптический датчик проезда машинки

В рамку светофора теперь будет встроена оптопара. С одной стороны это ИК светодиод (с резистором конечно же), а с другой стороны – ИК датчик, представляющий собой небольшую схему из фотодиода и биполярного транзистора, которая позволяет регистрировать даже не очень сильные ИК сигналы.

Номиналы компонентов на этой схеме приведены достаточно условно (а для ИК свето- и фотодиода их вообще нет, поскольку их не было на самих компонентах, которые оказались у меня под рукой). Поэтому, хотя я и перепроверил работоспособность оптического датчика, сделанного именно на этих элементах, возможно, в вашем случае нужно внести корректировки в соответствии с характеристиками конкретного транзистора, свето- и фотодиода. Также обратите внимание, что в отличие от светодиода, фотодиод подключается с обратной полярностью, у него катод – это «минус».

При включенном ИК светодиоде и отсутствии «препятствия» в виде машинки, ИК излучение попадает на фотодиод, поэтому ток идет через него «мимо» базы транзистора, этот транзистор оказывается закрыт, и на пине, предварительно переведенном в режим INPUT_PULLUP, считывается «1». При проезде машинки между источником и приемником ИК излучения, ток через фотодиод течь перестает и идет на базу транзистора, который открывается, в результате чего пин Arduino соединяется с землей, возникает прерывание и считывается «0». По сути, вся схема работает как кнопка, соединяющая с землей пин, изначально притянутый к питанию.

Таким образом можно, во-первых, определять сам факт проезда машинки через старт и финиш, а во-вторых, измеряя время, в течение которого на пине был «0», можно примерно вычислить скорость машинки:

где T - это время, в течение которого ИК датчик был закрыт машинкой, а L - длина машинки. Так как  нет возможности программно измерить саму длину машинки, принимаем в качестве значения средний размер машинки масштаба 1:64 (Hot Wheels), это примерно 70мм.

Нужно учитывать, что ИК засветку может давать не только светодиод. Например, в теплую и солнечную погоду даже внутри помещения и на достаточно большом расстоянии от окна, естественного ИК излучения хватает, чтобы открыть чувствительный фототранзистор в оптическом датчике. Поэтому в коде при обработке сигналов датчика добавлены дополнительные проверки – явно случайные значения игнорируются, а также в целом делается проверка, реагирует ли датчик на включение и отключение ИК светодиода, либо же он всегда засвечен или, наоборот, постоянно закрыт каким-то препятствием и не реагирует на включение/отключение питания источника ИК излучения.

И, кстати, подобный оптический датчик можно купить в готовом виде (на маркетплейсах называется QT30CM) и хотя бы эту часть схемы не собирать на макетной плате.

Радиообмен между контроллерами Arduino

Теперь система будет состоять из двух рамок – старта и финиша. В каждом из них – свой контроллер Arduino, а точнее RF-Nano. Это очень универсальная и компактная плата, объединяющая в себе одновременно Arduino Nano (в том числе сохранено расположение пинов) и дополнительный контроллер NRF24L01, уже соединенный с необходимыми пинами самой Arduino. Использование RF-Nano значительно экономит место и сокращает число проводов на макетной плате.

При этом в модуле старта все равно остался приемник 433 МГц для получения сигналов от пульта дистанционного управления.

Нюансы радиобмена:

• NRF24L01 допускает только однонаправленный обмен данными, то есть в один момент времени контроллер может находиться либо в режиме прослушивания, либо в режиме отправки данных. Но можно имитировать полудуплексный режим радиообмена, когда контроллер большую часть времени находится в режиме прослушивания, переключаясь в режим отправки только при необходимости посылки данных, и сразу после этого возвращаясь обратно в режим прослушивания

• NRF24L01 поддерживает отправку пакетов с контролем получения (получатель проверяет контрольные суммы и отправляет обратно отправителю Ack-и). Но сама отправка данных по радио все равно осуществляется с несколькими повторениями, чтобы получатель с больше долей вероятности получил корректные данные в условиях неустойчивого сигнала или при помехах. Так вот, похоже, что либо в самом чипе NRF24L01, либо в популярной библиотеке RF24 (до конца я так и не выяснил) есть встроенный механизм защиты, чтобы эти повторные пакеты не дошли до обработчика в коде. Такая защита от дубликатов безусловно хороша, но в случае, когда сами пакеты не очень разнообразные (а статусная модель системы старт-финиш не слишком сложная, и соседние пакеты обмена статусом выглядят одинаково), это приводит к игнорированию на стороне получателя тех пакетов, которые намеренно было отправлены со стороны отправителя. Потратил на отладку «неработающего» радиообмена и поиска «пропавших» пакетов несколько часов, в итоге после того, как понял в чем дело, добавил к каждому пакету timestamp, что сделало отличающимися соседние пакеты с одинаковыми данными внутри него.

LCD1602 и русские буквы

На финишной рамке расположен LCD дисплей, который должен отображать информацию о скорости и времени проезда машинки.

LCD1602 – достаточно стандартный элемент в Arduino проектах. Бывает нескольких видов:

1. Простейший вариант LCD1602, который требует целых 10 проводов для подключения к плате Arduino. Такими дисплеями, наверное, уже никто не пользуется (по крайне мере мне неизвестны причины, по которым это может быть оправдано применительно к Arduino)

2. LCD1602 с припаянным к нему I2C адаптером, что увеличивает размер модуля дисплея, но позволяет подключить его к Arduino всего 4 проводами

Неожиданно (для меня) обнаружился еще один вариант LCD1602 – на плате с чипом AIP31068. Этот чип имеет подключение сразу через I2C (то есть теми же 4 проводами), поэтому дополнительный I2C адаптер не требуется. Такой вариант LCD1602 в результате немного более компактный по размерам, поэтому он и был куплен.

Для работы Arduino с дисплеем через AIP31068 была найдена готовая библиотека - LiquidCrystal_AIP31068

Тут нужно вспомнить другую особенность LCD1602 – абсолютное большинство экземпляров поддерживают только латинские символы. Для вывода кириллицы на «обычные» LCD1602 есть несколько Arduino библиотек, в их числе популярная LCD_1602_RUS

Я объединил эти две библиотеки в одну новую (LCD_AIP31068_I2C_WCHAR), с помощью которой стало возможно выводить кириллицу на LCD1602 с чипом AIP31068.

Схема сборки

Хотя старт и финиш отличаются набором используемых компонентов, я приведу общую схему их соединения – большая ее часть все же одинаковая. Для сборки понадобятся:

• В двойном количестве все общие компоненты: RF-Nano, резисторы, транзисторы, светодиоды и фотодиоды, кнопки, аккумуляторы, buzzer модули

• Для старта: RGB LED HAT 4x8 (либо аналогичная адресная лента / матрица), приемник с антенной на 433 МГц, пульт дистанционного управления

• Для финиша: LCD1602 дисплей с подключением по I2C

Дополнительные комментарии по схеме:

• питание оптических элементов подключено к пинам A2/A3, они хоть и аналоговые, но весь функционал цифровых в них тоже есть. Пришлось их использовать, потому что все цифровые закончились – те, что на схеме выглядят свободными, на самом деле уже заняты под SPI от NRF24L01

• на схеме две разные шины питания – первая на 9В от аккумулятора для схемы управления включением / отключением Arduino, а вторая 5В уже от Arduino для подключения остальных компонентов

Скетч для старта и финиша тоже общий, разница в логике контроллера определяется через #define внутри настроечного Settings.h перед заливкой скетча. Можно было бы сделать чуть более продвинуто, и зашить эту настройку в EEPROM, но эта идея пришла уже только при написании статьи.

3D модель нового корпуса

Пока я отлаживал логику работы системы, все компоненты располагались прямо у меня на рабочем столе. Я сделал своеобразный тестовый стенд – по трассе, сделанной все из того же кабель-канала, ездила настоящая машинка Hot Wheels, что было очень удобно для экспериментов с оптическими датчиками.

По мере готовности кода, все меньше и меньше оставалось желания делать новый корпус снова из подручных материалов – все-таки хотелось сделать новую игрушку более аккуратной и долговечной по сравнению с первым прототипом. Раньше у меня уже был некоторый опыт  3D моделирования, поэтому спроектировать форму для размещения электроники не составило особого труда.

3D модель включает в себя несколько составных частей:

• основной корпус с отверстием для вставки прозрачного акрила и размещением экрана за ним. Внутри корпуса предусмотрены крепления для внутренних компонентов

• детали крепления LCD и RGB матрицы

• крышки корпуса и отсека под аккумулятор

• плоская подставка для старта и финиша с возможностью присоединения трассы Hot Wheels

Как ни странно, но крупных ошибок при проектировании модели удалось не допустить, и после того, как по заказу изготовили все детали, из них даже получилось собрать то, что задумывалось. Да, в некоторых местах все-таки пришлось что-то досверлить (немного не угадал с диаметром отверстий для ввинчивания саморезов), где-то присутствуют слишком большие зазоры (я оставлял максимальный рекомендуемый запас на погрешность принтера и усадку PLA материала, но, видимо, можно оставлять не такие большие запасы, как пишут в статьях), но в целом получившийся корпус превзошел в плане эстетики то, что я мог бы сделать из подручных материалов. Хотя тут, естественно, все зависит от прямоты рук и умения создавать ими материальные объекты, а не только писать код и двигать мышкой в 3D редакторе, мне, например, проще второе.

Итоговую сборку деталей и заливку скетчей из Arduino IDE мы делали уже вместе с ребенком. И хотя ему еще и сложна для понимания вся электроника и код на С++, мне очень хочется, чтобы он уже сейчас знал, что находится внутри различных устройств и был готов к тому, что для получения работающего результата нужны желание, знание и терпение.

А пока что главный результат – это огромное количество положительных эмоций у всех участников процесса!

Исходники проекта

Все исходники проекта доступны в моем репозитории на GitHub, в том числе

• код скетча Arduino

• схема компонентов

• STL объекты для 3D-печати