Опыт разработки и производства прототипов BLE-розетки

Привет, Хабр!

Хочу рассказать, как я разрабатывал и производил прототипы розетки с BLE интерфейсом. В первую очередь, хочется отметить, что устройство было выбрано для эксперимента – как практикум по конструированию и программированию (чтобы наточить карандаш для работы с 3D проектированием корпуса и печатной платы, и для того чтобы разобраться с функционированием BLE-стэка от TI). Дополнительной мотивацией стало наличие нескольких успешных проектов на кикстартере, разрабатывающих подобные устройства.

image

1. Функционал устройства


Изначально планировалось создать устройство, выполненное в форм-факторе обычного розеточного переходника, то есть наиболее малогабаритном, при этом устройство должно уметь:

— управлять нагрузкой (включение и отключение — без димминга);
— считать ток потребления;
— включаться и отключаться по таймеру/расписанию;
— отключаться при потере связи (когда пользователь условно покидает помещение).

2. Схемотехника и печатная плата


Схемотехника устройства довольно банальная – бестрансформаторный импульсный источник питания, интегральный датчик тока, связка отосимистор+симистор для коммутации нагрузки и мозги устройства SoC CC2541 от Texas Instruments. На момент выбора элементной базы это был, пожалуй, самый доступный чип с поддержкой Bluetooth LE, адекватными средствами отладки и разработки (СС-debugger, sensortag, CC2541-DK-mini) и проверенным, хоть и не самым удобным компилятором IAR.

Для проектирования схемотехники и печатной платы устройства был использован Altium designer версии summer 09, позже проект был перенесен в версию 14. Несмотря на общее знакомство и пару реализованных мелких проектов, здорово перейти с P-cad на Altium помогли уроки Алексея Сабунина. Очень советую.

Габариты устройства были определены исходя из требований форм-фактора – отсюда были определены и отрисованы габариты плат (сразу стало ясно, что на одну плату все компоненты не полезут – посему было решено делать две платы, соединеные через pls-pbs соединитель. Однако вопрос остался актуальным – поместятся ли все компоненты на платы, как их компоновать, чтобы компоненты с соседних плат не задевали друг друга, чтобы силовые элементы также не касались компонентов и чтобы вся начинка вписывалась в габарит устройства? На помощь пришел SolidWorks – на мой взгляд, наиболее адекватное средство 3D проектирования.

3. 3D проектирование и сборка устройства


Благо существует взаимная совместимость AD со средствами 3D проектирования посредством файлов формата .step. При этом примечательно, что только SolidWorks в версии 2014 sp3 cмог адекватно отображать цвета деталей, назначенные в Altium Designer. В чем проблема для меня до сих пор покрыто мраком. Итак, после отрисовки в 3D деталей корпуса и нескольких итераций изменения компоновки плат, сборка устройства стала выглядеть примерно следующим образом:

image

Теперь осталось только произвести устройство.

4. Первый прототип


Традиционно заказываю образцовые количества печатных плат в Резоните. Не то чтобы очень дешево, но всегда качественно и в срок, ну и промышленные партии производятся вполне по рыночной цене. Электронные компоненты покупаю также традиционно в двух местах – Компэле, где есть почти все, и местной Промэлектронике, где почти всегда можно докупить то, чего нет в Компэле. Отдельного внимания заслуживает первый опыт 3D печати деталей корпуса. Печать производилась знакомым по технологии FDM. Получилась удивительно позитивная рыжая розетка:

image

После пайки и сборки деталей:

image

Во время ожидания плат и электронных компонентов была начата работа над BLE профилем для устройства. Как оказалось, стек TI для BLE гораздо страшнее выглядит снаружи – реализация же собственных приложений особого труда не представляет, несмотря на относительно большой объем кода для 8051 платформы.

В итоге получилась вполне себе работоспособное устройство – оно действительно выполняет все заявленные функции, при том помещаясь в заявленный габарит. Однако несколько проблем и вопросов прототип все же оставил:

— как крепить детали корпуса между собой? Должно ли быть соединение разборным?
— как сделать заземление?
— как улучшить качество сигнала с датчика тока? Шумы ли это питания или же погрешность датчика тока непосредственно?

Продукт настолько понравился мне и моим знакомым, что решено было делать коммерчески упаковываемый продукт. Это предполагало решение вопросов:

— написание софта для смартфонов;
— корпус для серийного производства (для изготовления пресс-формы);
— увеличение максимальной коммутируемой мощности (до 2.5 кВт против 1,2 кВт).

5. Вторая итерация прототипирования


И первое, с чем следовало определиться – делать ли корпус разборным. Волею судеб, я не доверяю «защелкам» и подобным соединениям, так что вариант оставался по сути один – винтовое соединение. Но к сожалению, варианта как организовать такое соединение не нашлось. Пробовались несколько типов винтовых заклепок, но ни один из них не показал надежной фиксации в тонком пластике. За неимением иных вариантов, решено было делать новый корпус неразборным – с клеевым соединением. Кроме того, было добавлено несколько конструкционных элементов для установки и крепления заземления. В итоге сборка стала выглядеть примерно следующим образом:

image

Так же был переделан силовой тракт на максимальную нагрузку до 3кВт (по сути симистор в D2PAK сменил симистор в DPAK), что повлекло еще несколько операций компоновки печатной платы. Поскольку напечатанный по методу FDM ни точностью размеров, ни качеством поверхности похвастаться не мог, было решено печатать корпуса по технологии SLS. Заказ размещался в сервисе i.materialise.com (более бюджетном в сравнении с отечественными аналогами). Однако… Бесплатная доставка UPS имела и черную сторону – заказ пролежал на складе UPS в Москве 26! дней, чем нарушил все мои планы. Новая схемотехника так же дала сбой: элементарная ошибка (перепутанные местами контакты симистора) стоила мне кучи нервов и испортила всю внутреннюю эстетику прототипов. В же целом новые устройства выглядят таким образом:

image

image

image

Сейчас я занят очередной переработкой платы и поиском единомышленников для того, чтобы вывести продукт на рынок. В первую очередь нужны приложения для мобильных платформ. Присоединяйтесь!
Share post

Similar posts

AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More
Ads

Comments 35

    +3
    Обратите внимание еще на вот этих ребят: www.kickstarter.com/projects/ninja/ninja-sphere-next-generation-control-of-your-envir
    Они такие проекты любят. Если интегрируетесь с ними, получите немалый кусок благодарной потребительской аудитории, включая меня.
      0
      Да, спасибо, крайне полезный линк!
      +1
      BLE — Bluetooth low energy, то есть часть Bluetooth 4.0? Круто.
      На сколько уменьшается глубина розетки? На 2 см? А можно как-нибудь ухитриться сократить до 1-го и меньше? Хотя и так хорошо.
      Удалось ли реализовать весь функционал со стороны железа?
      Что вы хотите получить от софтовой части?
        +2
        Да, та самая часть 4ой спецификации Bluetooth. По глубине — вопрос 2,5 сантиметров — честно говоря не знаю что можно уменьшить. только если радикально снижать функционал…
        В принципе реализацией железа доволен. конечно еще проверим как устройство заработает на 2х киловаттах нагрузки, но в целом что хотелось на входе, на выходе получилось.
        Конкретно по софту — BLE профиль это набор переменных по сути, так что на первых порах устроила бы версия банально для установки параметров. То есть пока без чтения команд из твиттера и синхронизации с будильником :)
        +2
        Мой террариум страдает без такого девайса.

        мяу
          +1
          протестируй на полной мощности длительно работу устройства… не перегревается ли семистор из-за падения напряжения на нем?
            +1
            А вот это очень интересный вопрос на самом деле. Как раз планировал этим заняться. По результатам отпишу!
              +1
              Не забудьте протестировать на активной и реактивной нагрузках, результаты могут быть довольно разные.

              p.s. На первый взгляд устройство получилось весьма «приятным», успехов вам!
            +5
            Отличное устройство получилось.
            А какова примерная цена?
              0
              Спасибо! на сотню штук получается примерно 1600 -1700 по себестоимости. в единичных количествах устройства получились золотыми.
                0
                1700 это за одну или за сто штук? :)
                  0
                  Посмотрел стоимость компонентов… увы, по такой цене устройство уже менее интересно.
              +3
              Что будет при КЗ или включении в эту штуку удлиннителя, в которую воткнут чайник, грилль и обогреватель одновременно?
                +1
                Спасибо за вопрос. Сейчас это может убить устройство. Схема защиты выходного симистора пока не отлажена. Эта тема вдвойне острая, потому что, как видно из габарита, «человеческий» пленочный снабберный конденсатор в частности не поставить. Приходится использовать керамику, что не добавляет очков цепи защиты.
                  +5
                  А почему вообще симистор, а не реле? Димминг не нужен, небольшое пощёлкивание будет даже хорошо — звуковое подтверждение срабатывания. Заодно получится отлично изолировать силовую и слаботочную части.

                  Реле же, если будет рвать оба провода (но не землю!) даст ещё и повышение безопасности для пользователя.
                    0
                    Места маловато для реле.
                  +2
                  С КЗ бороться особо и не получится. А вот с чайником, грилем и обогревателем — можно. Насколько я понял пост, в розетке есть датчик тока и она понимает, какая нагрузка через неё идет. При превышении лимита она может отключить нагрузку. Симисторы держат кратковременное превышение нагрузки в 10 раз. Короткое замыкание, по моим грубым подсчетам, при некоторых идеализированных условиях симистор тоже может выдержать. Но для этого надо как минимум очень хорошее охлаждение и отключить симисторо в течении того же полупериода, когда произошло КЗ. Ну и от тока короткого замыкания конечно тоже многое зависит. На практике же симистор и так будет горячим и запаса на нагревания у него не останется.

                  В мощность 3 кВТ не верю. Это надо корпус делать металлическим и ребристым. Там же грелка ватт на 20 будет.

                  И еще меня на фотографиях смущает глубина розетки. К тому моменту, когда штыри вилки касаются контактов, она должна полностью погрузиться в отверстие, чтобы туда нельзя было что-нибудь засунуть.
                    0
                    Спасибо за ответ! Да, Вы абсолютно правы насчет датчика тока — всегда можно фиксировать превышение порога и выключать нагрузку. Ну и кз… Это вообще не есть нормальный режим работы сети. безотносительно — не стал бы гарантировать работоспособность схемы.
                    Про 3 кВт — согласен. Так же не верю, но важно коммутировать высокие мощности на относительно короткое время. Потому что из бытовых приборов даже не знаю что при высокой мощности работает длительное время. разве что масляные обогреватели…

                    Касательно глубины — фото будет абсолютно не информативным, но касание происходит когда корпуса вилки и розетки расположены заподлицо.
                  +1
                  Уже несколько подобных проектов было на кикстартере и индигого, все по цене ± belkin, как и у вас собственно, а хочется чего-то более бюждетного, так что бы купить пачку и весь дом утыкать.
                    +1
                    А почему все таки BT? Ведь Wi-Fi так и напрашивается и отлично интегрируется в домашнюю сеть.
                      0
                      Судя по всему потому что эффективная дальность ниже. Вышел из комнаты — потухло устройство. С Wi-Fi так не получается.
                        0
                        Ну и еще потому что нужно было разобраться с BLE. на самом деле мозговую плату переделать большого труда не составит — а там уж и ZigBee и 6LoWPAN, да и Wi-Fi поставить можно. Ну и решения для WiFi по большей части модульные — уже не полезут в габарит…
                      0
                      Отлично, просто отлично. Цена покусывает, но терпимо. Почем корпуса обошлись, если не секрет? Когда серия?
                        0
                        Те которые FDM вышли по 500 рублей, SLS по 1000. дороговато, но качество поверхности и точность деталей лучше не порядок.
                          0
                          Для тестовой партии можно попробовать лить корпуса в силиконовые формы — выйдет рублей по 300 за комплект при партии в 500 штук. Например вот тут (Нижний Новгород) или где-то еще — контор много. Если думать про первую партию — то лучше сразу посмотреть на литье пластика под давлением — оснастка будет стоить >6000$, а сами корпуса ~1$ при партии от 3000 штук. Плюс сверху доставка еще, ибо делать в Китае однозначно.
                          0
                          До серии еще несколько месяцев точно.
                          0
                          Я так понимаю дизайн и назначение навеяны этим www.fibaro.com/en/fibaro-presents-wall-plug
                          Если нужно, есть фото разобранного такого девайса, может что почерпнете для себя.
                            0
                            Еще пару вопросов, а чем планируете коммутировать мощность реле/симистор/другое?
                            И где вы территориально находитесь?
                              0
                              Добрый день! Да, фото внутренностей конечно не будут лишними. И да, смотрел в том числе на fibaro. Пока стоит симистор, но честно говоря я крепко призадумался насчет реле. Спасибо amarao. Живу в Екатеринбурге.
                            0
                            Молодцы! Успехов в начинаниях. Я бы купил уже только за «поддержать отечественного производителя», а при вменяемой цене, так вообще двойной профит. )
                            0
                            молодцы!
                            если еще и будет в итоге не только андроид/iOS приложение но и описание протоколов общения то совсем хорошо
                              +1
                              Спасибо! Возможно соберусь в ближайшее время написать пост по софту для CC2541… там и выложу описание профиля.
                                0
                                ага, за одно и напишите про рога с ядром 8051 на котором TI реализовало всё это )) Сейчас как раз проект у меня на CC2541. Особенно доставляют виртуальные регистры и глючный дебаггер )
                              0
                              Очень круто! Давай еще на Z-Wave! А то у Fibaro глючная поделка.

                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.