Кто празднику рад, тот накануне пьян, или как я "умную" гирлянду делал⁠⁠

Всем привет

Как известно, к Новому году всегда надо готовиться заранее. Вот и мне подумалось, что надо расчехлять паяльник и начинать делать праздничную иллюминацию в квартире. На данный момент готовы два устройства из трёх, для последней гирлянды едут адресные светодиоды. Но идея обкатана и показала себя вполне рабочей.

Этап первый. Теоретический.

Любое мало-мальски инженерное устройство должно начинаться с
1) Составления ТЗ
2) Подбора железа
3) Подбора ПО
Второй третий пункт взаимосвязаны, что логично.

Итак, техническое задание.

У меня работали две гирлянды, собранные на WS2812b под управлением маленькой платки Arduino Nano (родом из Китая) с микроконтроллером ATmega328p. Как это водится в Китае - маркировка чипа была почти нечитаемой, прошивка заливалась раза с третьего-четвёртого. Но система работала, и даже не тормозила.

Гирлянд было две: одна висела на ёлке и состояла из 126 последовательно соединённых светодиода, оконная гирлянда состояла из 74 светодиодов и представляла собой 9 линий светодиодов переменной длины, соединённых последовательно.

В старой гирлянде было крайне неудобно включать/выключать подсветку и переключать режимы. Это же необходимо встать с дивана, подойти к устройству, нажать кнопку. Соответственно, в новой системе необходимо реализовать управление через мобильный телефон. Так же, стоит учесть, что в моём доме ёлка стоит около окна, и будет видно сразу две гирлянды. Соответственно, стоит предусмотреть возможность обмена данными между этими гирляндами для возможности синхронизации режимов. Причём, синхронизация должна быть не "приколоченной намертво", а вполне себе опциональной.

Подбор железа

Исходя из ТЗ становится очевидно, что достаточно просто поменять контроллер с старой-доброй атмеги на что-то из семейства ESP. Эта система на кристалле (да, именно так её называет производитель, SoC) из коробки имеет на борту достаточно шустрое ядро, WiFi и приличный объём памяти. Но, имеет место быть небольшой конфликт: рабочее напряжение пинов ESP 3.3В. А напряжение питания WS2812b составляет от 3.5 до 5.3В, исходя из даташита. Причём, "протокол" передачи данных для светодиодов подразумевает формирование прямоугольных испульсов, кодирующих 24 бита цвета для каждого светодиода. Уровень "0" в этой последовательности должен быть <0.3VDD (напряжение питания), уровень "1" >0.7VDD.

Я покопался в своих закромах и обнаружил две платы Wemos D1 mini (на базе ESP8266) и одну плату LOLIN S2 mini (на базе ESP32-S2). Обе платы имеют всю необходимую обвязку для подключения внешнего питания 5В и подтягивающие резисторы для запуска МК. Там же, в закромах родины нашёл весьма удобные макетные платы под форм-фактор этих устройств.

Это снимает проблему согласования напряжения питания ESP и WS2812b. Но возникает опасение, что уровень логической "1" от контроллера будет недостаточным для формирования управляющего сигнала. Ведь, согласно даташиту, уровень "1" >0.7VDD. А питание светодиодов у нас 5В, соответственно, требуемый уровень логической единицы равен 0,7 * 5 = 3,5В. Тут я пошёл по пути экспериментов, быстренько набросал схемку на бредборде и проверил, а как оно, заведётся, или нет. Ведь, исходя из моего опыта общения с контроллерами семейства STM32, уровня 3.3В должно быть вполне достаточно. И оно завелось!

Подбор ПО

Очевидно, что прошивка будет самописная. Надеяться, что вот сейчас я зайду в гугл, забью "прошивка ESP8266 с моими требованиями" и все найдётся и заработает достаточно наивно. Да и неспортивно это. В случае с ESP есть два основных фреймворка для написания прошивки. Профессиональный ESP-IDF с его ориентированностью на чистый С и Arduino IDE с ядром ESP. Причём второе - это, по сути своей, обёртка вокруг ESP-IDF. Так как у меня была хоть и ущёрбная, но рабочая прошивка для Arduino Nano, написанная в Arduino IDE, я остановился на втором варианте.

Этап второй. Практическая реализация в железе.

Схема в общем виде выглядит так:

Ничего сложного и интересного. Единственное, для одной из систем одна из кнопок была заменена на устройство bme280, работающее по протоколу I2C. Интересно отслеживать влажность в помещении и уровень давления. Показания температуры врут безбожно: датчик находится слишком близко к ESP, которая имеет привычку сильно нагреваться. Спаять устройство по этой схеме не представляет ничего сложного. Но ведь хочется сделать всё красиво. А значит нужен корпус для устройства и система крепления гирлянды. С корпусом всё довольно просто. Минут 30 в Компас3D, час работы 3D принтера и в руках корпус, подогнанный под конкретное спаянное устройство. Магия термоклея, и на выходе получается вполне себе симпатичный прибор:

С системой крепления всё чуточку интереснее. Если на ёлку крепить гирлянду не требуется (просто берём и обматываем гирлянду вокруг дерева), то на окно требуется крепёж. Тут возможно реализовать два варианта: установить гирлянду непосредственно перед окном, но за шторой. Тогда праздничное настроение будет создано людям, гуляющим на улице и смотрящим на мой седьмой этаж. Либо размещать гирлянду перед шторой. Тогда праздничное настроение будет у всех, находящихся в комнате. Я пошёл по второму пути. Штора крепится на гардину с Т-образными пазами. И вновь на помощь приходит компас и 3D-принтер. В каждой точке, из которой спускается светодиодная гирлянда была изготовлена вот такая сборка из двух деталей:

Бонусом, такая конструкция хорошо фиксирует сборки проводов, и конструкция получается довольно добротной. Следующей "железной" проблемой стало то, что провод со светодиодами достаточно лёгкий, и гирлянда отказывалась висеть вертикально. И вновь 3D принтер спасает положение. Я напечатал несколько тематических грузиков, и привязал их на тоненькие верёвочки. Получилось весьма достойно:

Этап третий. Программное обеспечение aka прошивка

А вот прошивку не скину в чистом виде. Только если кто-то хочет повторить - могу ему слить данное поделие. Ибо в коде есть ряд проблем, которые пока не решены.

Принцип работы системы прост до ужаса. Намертво зашиты константы с SSID/PASS моей локальной WiFi сети и IP адреса всех гирлянд, участвующих во взаимодействии. Arduino IDE хорош, в первую очередь, невероятным количеством библиотек. Итак, что есть сейчас, и для чего используется.

1. Разумеется, WiFi, для подключения к локальной сети. SSID и пароль забиты в дефайны, что есть хардкод, и вообще моветон

2. FastLED для управления WS2812b. Реализован простейший алгоритм отслеживания потребляемого гирляндой тока и ограничение оного к возможностям источника питания. Работает, на мой взгляд, лучше встроенного в библиотеку.

3. WebServer для поднятия странички управления гирляндой, если сильно лень подходить и нажимать кнопку. Я не сильно дизайнер, но страничка получилась довольно простой и информативной.

4. UDP для общения между гирляндами. Да, я знаю, что есть ненулевой шанс потери данных, поэтому пришлось реализовать достаточно простой алгоритм проверки корректности пришедших данных. Битые пакеты отбрасываются. Вроде бы это не очень хорошо, но я тут не космический корабль запускаю, и не ядерным реактором управляю. Если синхронизация произойдёт на 100мс позже, то ничего страшного. Хардкод в данном случае - IP-адреса гирлянд, участвующих в обмене информацией, жестко прописанные в роутере.

5. ArduinoOTA. Лень каждый раз подключать ESP напрямую к компу, когда хочется что-то поменять в прошивке. А так всё выходит просто: обновились по воздуху, и радуемся.

В качестве гирлянды-мастера выбрана ёлочная. На её страничке можно поставить галочку с требованиями синхронизации остальных гирлянд, и её режим будет транслироваться всем остальным.

В сухом остатке получилось несколько устройств, на которые не стыдно посмотреть, которые не стыдно показать и которые работают и радуют глаз. Возможно, когда разберусь с текущими проектами - вернусь к доработке гирлянд. Избавиться от хардкода, что не очень сложно и чуть улучшить синхронизацию (заставить гирлянду-мастера передавать не только свой текущий режим, но и конкретный тик из millis() для более эффектного внешнего вида) и всё, пожалуй. Сделать полноценное Android-приложение, управляющее гирляндами. Возможно, имеет смысл сделать отдельный сервер на полновесной ESP32, который собирал бы данные с гирлянд, и синхронизировал их при необходимости. Но это уже вопрос полноценного самописного умного дома, т.к. к такому серверу можно подключить любое устройство на базе ESP. Для работы с MQTT так же есть полноценные библиотеки. В общем, проект получился достаточно простым, но интересным с точки зрения возможности масштабирования.

На этом всё, спасибо, что дочитали. Ссылок на телегу не будет, это всё от лукавого :)