Делаем плату, или Как мы создавали гаджет, чтобы увидеть воздух, которым дышим. Фэйл и пара советов

Простой наглядный кейс - как мы решили собрать свое первое серийное электронное устройство.

Привет! Я Игорь. И я хочу выразить благодарность участникам Хабра за оценку и полезные комментарии к первой публикации | 1 | . Сегодняшняя статья -  самая практичная, потому что расскажет о совершенных нами ошибках, которые, надеюсь, вы не повторите.

Итак, мы усердно работали целый год и собрали наш первый компактный датчик определения качества воздуха. Но я решил все радикально переделать. В процессе эксплуатации датчика мне пришла в голову идея сделать из датчика «для нас» гаджет «для всех».

Требования к такому продукту иные:

• привлекательный дизайн;

• простота в использовании;

• польза в быту.

Как градусник, только круче

Мы полностью меняем всю концепцию, но я был уверен, что идея сделать «супер-градусник» того стоит.

Концепция такая: датчик крепится на окне, у него есть экран-индикатор, запуск и управление осуществляется через мобильно приложение, коннектится через домашнюю сеть Wi-Fi. Поехали.

Подбор компонентов

Делая свою плату с нуля, мы начали с подбора компонентов с учетом предыдущей разработки. Нам казалось — это будет быстро.

Основной момент, на котором мы затормозили – экран. Так как устройство располагается за окном, экран должен быть максимально устойчивым к внешним факторам (влажность, низкие температуры, нагрев на солнце), быть достаточно ярким и большим, чтобы в солнечную погоду можно было различать индикацию через окно в комнате на расстоянии.

LСD, TFT, IPS экраны мы даже не рассматривали, так как они не выдерживают испытания холодной погодой.

OLED казался идеальным выбором, но цена на необходимые размеры экранов начиналась от 60$.

Остался только LED. Так мы пришли к матрицам, используемым в медийных панелях. Яркость светодиода достаточно высокая, цена на размер приемлемая, модули изолированные, но разрешение очень небольшое.

Наш экран - это 6 модулей RGB 8х8 пикселей, из которых получился дисплей разрешением 16х24 с физическим размером 95х65 мм.

На первом датчике мы использовали модуль на чипе esp32. Форм-фактор самого модуля устраивал за счет встроенного Wi-Fi/Bluetooth передатчика и небольшой цены. Модуль ESP-WROOM-32 — самое простое и доступное решение. На этом мы и остановились, хотя сейчас последующие устройства будем разрабатывать на чипе STM32.

В остальном мы использовали для метеорологических данных модуль BME280 фирмы Bosch Sensortec и для оценки качества воздуха лазерный сенсор Plantower, который ранее смогли настроить до качественных значений и стабильной работы. За управление экранами отвечает контроллер Holtek ht1632c.

Поиск подрядчика

Уже после того как мы собрали элементную базу, стало понятно, что нам не хватит собственных знаний для проектирования платы, и мы решили найти для этого подрядчика. Во все найденные в сети фирмы, занимающиеся электроникой, я начал рассылать запрос на стоимость их услуг.

Не все ответили, многие письма пришли через пару недель, был даже звонок через год. Но все заявленные цены и разбег между ними, мягко говоря, шокировали:

• 1-5 млн рублей за проектирование.

Посмотрев в свой карман и не найдя соответствующей суммы, начал искать более дешевый вариант. Написал пост в Facebook (признана экстремистской организацией, ее деятельность в России запрещена ) с просьбой откликнутся электронщиков и получил приглашение приехать в гости от одного знакомого. Прихватив свой старый датчик как пример, мы конструктивно пообщались в офисе Константина (его имя будет упоминаться еще не раз), и он согласился нам помочь. С нас - схема подключения, от него - специалист, который создаст проект платы. Основное условие – максимально компактно расположить все элементы и на обратной стороне платы должен быть светодиодный экран.

• Цена услуги 180 тысяч рублей.

Буквально через несколько недель я получил первый проект платы с ее габаритами: она была очень компактная! Вся разводка уложилась в 6 слоев.

Вот так выглядит плата в проекте:

Заказали несколько печатных плат в «Резоните». Для маленьких тестовых версий печатных плат — это отличный выбор в России. Печатные платы были изготовлены точно в срок, как и обещали.

Самая больная тема - отсутствие нужных электронных компонентов для финальной сборки! Реально в РФ нет даже половины нужных компонентов, а срок доставки из-за рубежа - от 2 месяцев.

Да, конечно, мы заказываем в Китае с более коротким сроком, но это все равно потерянное время. Если учитывать, что «словим косяки» и нужны будут новые элементы, срок отладки может занять и полгода. В Китае срок подобной отладки занимает считанные дни.

Вот так выглядит плата в готовом виде:

A few moments later

Все готово. Мы собрали наш первый прототип, залили прошивку и начали тестировать. На первом этапе выявили проблему работы сенсора Bosh BME 280 – работает нестабильно и выдает разные значения температуры и влажности. Мы решили заменить его на новую версию BME 680. Но этого сенсора тоже нет в наличии в РФ. Делаем заказ и ждем.

Three weeks later

Вот, наконец, мы собрали второй прототип. Тесты проводим на двух роутерах в офисе и дома. Экран светится, WI-FI коннектится, данные корректно попадают на сервер. И мы переходим к расчетам на мелкий заказ.

Изготовление печатных плат с основными элементами (200 шт.):

• Россия $30/штука.

• Китай $17/штука.

Сравнив варианты и прикинув экономику, мы приняли очевидное решение изготавливать платы в Китае. Примерно через 1 неделю все было готово.

Фэйл. Тесты и еще раз тесты

Но когда уже готовые платы были в пути, мы поймали баг – самопроизвольные «отвалы» от сети. Сначала этот баг воспроизводился редко, и мы думали на сырой код ПО. Но когда тесты перешли с 2 роутеров на 10, стало очевидно – проблема не решается сбором логов и правкой кода.

Проблема в железе.  Беру датчик, еду вечером к Константину и прошу помощи. Мы ловим баг в офисе и начинаем проверять работу микроконтроллера esp32. Оказывается, что если отключить один элемент (датчик активации подогрева), то чип микроконтроллера esp32 начинает работать штатно. Роемся в документации и находим на одном далеком форуме, что при использовании наших контактов на ADC2 работа модуля Wi-Fi блокируется.  

Перекидываем все пины ADC2, включаем – все работает! Посыпаем голову пеплом. А чтобы не выбрасывать новые печатные платы, делаем специальную плату-проставку, которая меняет разводку подключения к микроконтроллеру.

На видео тесты того, как датчик реагирует на дым от свечи и тестируются пиксели:

Сейчас плата работает идеально, но путь, по которому мы прошли мог быть не такой извилистый.

Мой вам совет:

• Собирайте все на «макетках» и тестируйте, пока не устанете тестировать. А потом еще раз тестируйте.

• Скорее всего, с первого раза не получится идеально, не завышайте свои ожидания.

• Открыто делитесь своей идеей и не стесняйтесь просить помощи в сети. Наша команда сложилась именно так.

Так на собственных ошибках, долгих ожиданиях и в течение нескольких ночей работы мы создали сердце нашего NeboAir. И это еще не все.

Мы на столько с головой ушли в разработку, что забыли о самом главном – не придумали как рассказать миру про NeboAir и еще кучу всего необходимого для жизни. Поэтому мы ищем друга или партнера, открыты для общения и предложений.

Можно писать мне в Telegram: @igorshpeht

Возможно, что вам будет не только интересно, но и полезно услышать о других фэйлах (раз уже мы так откровенны) и узнать о процессах внутри нашей кухни, поэтому предлагаю проголосовать за тему следующей статьи: