Mini-Controller-System "WeFish" (Selbstbauprojekt)

[juh]

Hallo zusammen,

ich stelle Euch hier mal mein modulares Mini-Controller-System „WeFish“ vor.

Teile sind noch in Arbeit, Einiges hat eher den Charakter von Machbarkeitsstudien und zu Demonstrationsvideos bin ich bisher auch noch nicht gekommen. Aber nachdem es ein paar interessierte Stimmen im ftSwarm-Thread gab und zu dem Konzept von Stefan und Christian gewisse Ähnlichkeiten bestehen, macht es vielleicht doch schon Sinn, mal den aktuellen Stand zu zeigen. Im Gegensatz zu ftSwarm (und ftDuino) ist es als reines Selbstbauprojekt angelegt und schon von daher nicht als Konkurrenz zu sehen.

Das sind die Module, die bis auf Kleinigkeiten fertig und getestet sind, jeweils von links nach rechts:
- Externe WLAN-Antenne
- Oben: drei Basismodule, Akku-Modul, Power-Akku-Modul
- Mitte: Motor-Modul, Servo-Modul, Schrittmotor-Modul, Analog-Modul, IO-Touch-Modul, Bluetooth/BLE-Modul
- Unten: OLED Display 64x48, OLED Display 128x64, 8x8 Matrix LED Display-Modul, Bedienfeld-Modul, 2x8 Zeichen LCD-Display

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Dies ist ein beispielhafter Aufbau mit (von unten) Basismodul, Motortreiber-Modul, Bluetooth-Modul und Bedienfeld-Modul:

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Hier die ausführliche Feature-List:

WeFish ist ein modularer Mini-Controller zur Steuerung von fischertechnik-Modellen

• Einsatz entweder autonom oder als Ergänzung existierender Controller
• 3D-gedruckte Gehäuse mit ft-kompatiblen Verbindungsmöglichkeiten
• Basiert auf gängigen Elektronik-Modulen und einfachen bis mittelkomplexen Selbstbauplatinen

Sandwich-Stecksystem

• nur die jeweils benötigten Erweiterungsmodule werden auf das Basismodul gesteckt
• viele Modultypen (z.B. Motor-Modul) dank internem I2C mehrfach im Stapel verwendbar
• stabile Verbindung des Modulstapels mit 2x10mm Gewindestiften (optional)
• Materialkosten je Modul um die fünf Euro zzgl. 3D-Druck

Kompakte Bauform

• ideal für mobile Modelle oder Modelle mit vielen verteilten und/oder vernetzten Controllern
• Basis- und Erweiterungsmodule entsprechen in der Größe je drei BS30 (30x45x15mm)
• Ausnahme: Abschlussmodule z.B. mit Display (niedriger); geplantes Relais-Modul (höher)

Vielseitige Konnektivität

• WLAN standardmäßig per Basismodul
• I2C-Bus (3,3V) für externe Erweiterungen und Verbindung mit ft-Controllern
• Per Modul ergänzbar: Bluetooth; RC-Funk; Infrarot ...

Basismodul mit WeMos D1 mini pro v1.1.0 (wg. inkompatiblem Formfaktor nicht v2.0.0!)

• ESP8266 32-bit Mikrocontroller mit 80/160Mhz Taktfrequenz
• 16M Speicherplatz für Programme und Daten, 32K/80K Arbeitsspeicher
• integriertes WLAN, externe Antenne mit ft-kompatiblem Sockel optional
• 3,3V Logik- und Betriebsspannung mit vielseitigen Versorgungsoptionen (s.u.)
• Programm-Upload per Micro-USB-Kabel oder kabellos per WLAN (OTA - over the air)
• ft-kompatible sechspolige I2C-Wannenbuchse (3,3V)
• onboard LED und Reset-Taster im Gehäuse integriert
• Alternatives Basismodul mit WeMos D1 mini v1 (bzw. dem nur noch erhältlichen Klon der v1) mit 4MB Flash-Speicher und ohne externem Antennenanschluss

Erweiterungsmodule
(*= Modultyp bei Bedarf mehrfach pro Controller einsetzbar; ^= Abschlussmodul, nur als oberstes Modul im Stapel verwendbar)

• Aktoren
  • * Motor-Modul: Treiber für je 2 Gleichstrommotoren bis 1,2A
  • * Servo-Modul: bis zu 8 Servos
  • Steppermotor-Modul: 2 Schrittmotoren mit geringer bis mittlerer Stromaufnahme
• Inputs und Kommunikation
  • * Analog-Modul: 8 absolute oder 4 differentielle analoge Eingänge für Sensoren
  • * IO-Touch-Modul: 12 berührungsempfindliche Kontakte, davon 4 mit ft-Buchsen und 8 auch als digitale Ein-/Ausgänge bis 12mA mit 4bit-PWM nutzbar
  • Bluetooth/BLE-Modul: Für Module vom Typ HC-05, HM-10 etc. zur Kommunikation mit Handy-App, PC, Eingabegeräten oder mehrerer WeFish untereinander
• Stromversorgung
  • Akku-Modul: interner 150 mAh LiPo-Akku; An-/Aus-Schalter; Schutzschaltung; Ladefunktion per USB; Ladestand per Software überwachbar; Anschluss für externen LiPo/-LiIon-Akku
  • Power-Akku-Modul: externer 1100 mAh LiPo-Akku, zum Anschluss an das Akku-Modul
• Display
  • ^ OLED Display 64x48 mit freiem IO-Anschluss z.B. für Infrarot-Empfänger oder Taster
  • ^ OLED Display 128x64 mit freiem IO-Anschluss (s.o.)
  • ^ Bedienfeld-Modul: 128x64 OLED Display mit Steuerkreuz und Button für menügesteuerte Bedienung
  • ^ 8x8 Matrix LED Display-Modul mit freiem IO-Anschluss (s.o.)
  • ^ 2x8 Zeichen LCD-Display (mit nicht mehr lieferbarem Pollin-LCD-Modul, Update mit aktuellerem ST7032-Modul in Planung)
• Module in Planung/in Arbeit
  • Spannungsregler-Modul: für Netzteil oder externen Akku 7V-24V (ft- oder Hohlstecker)
  • * Power-Out-Modul: 8 Lastausgänge bis je 500mA z.B. für Lämpchen, Elektromagnete, Ventile, Selenoide, unidirektionale Motoren etc.
  • Relais-Modul: 1xUM 10A (doppelte Bauhöhe 30mm)
  • * Multi-Steppermotor-Modul mit Trinamic TMC223
  • * Digital-IO: 8 digitale Ein-/Ausgänge bis 25mA für Taster, Lichtschranken, LEDs (obsolet durch IO-Touch)
  • Sound- & Sprach-Modul mit integriertem oder externem Lautsprecher
  • * Seesaw Modul: Universalmodul mit programmierbarer IO/PWM/anytwhing Funktionalität
  • * Generisches Modul für weitere D1-Mini- und kleine I2C-Boards ohne zus. In- oder Outputs (GPS-/Lagesensoren, Umweltsensoren, Speicherkarte, Uhr etc. pp.)
  • I2C-Levelshifter-Modul: für 5V-I2C-Geräte (z.B. ftDuino), Logik und Spannung
  • Buzzer-Modul

Weitere Module angedacht (Machbarkeitsprüfung steht noch aus)

• Dual-Basis-Modul: ermöglicht zwei Modulstapel nebeneinander für niedrigere Aufbauten
• *Encoder-Modul: Auswertung von 2/4 Quadratur-Encodern (4/8 Eingänge)
• TFT-Touch-Display-Modul: Anschluss für größere Farbdisplays mit Touch-Bedienung
• Basis-Modul32: mit ESP32 (Nachfolger des ESP8266 mit integriertem Bluetooth und mehr IO-Pins), wahrscheinlich mit doppelter Breite (60x45x15 mm)

Spannungsversorgung

• am Basismodul: per Micro-USB Kabel (PC, USB-Steckernetzteil, Powerbank), geregelte 3,3V oder 5V per ft-Stecker oder 3,3V per I2C-Buchse bei Betrieb mit anderem Controller
• per Akku-Modul mit internem LiPo/LiIon-Akku oder externem Power-Akku
• per Spannungsregler-Modul mit 7-24V ungeregelt aus Fremdakku oder Netzteil

Riesige Auswahl an Entwicklungsumgebungen und Programmiersprachen bzw. Firmwares und Betriebssystemen

• Arduino mit ESP8266 core (c++)
• MicroPython (Python)
• NodeMCU (lua - einfache Skript-Sprache)
• FreeRTOS - cross-platform real–time operating system
• Tasmota (MQTT, Web UI...)
• Scratch 2 (Graphisches Programmieren)
• und dutzende weitere, u.a. mit Fokus home automation/Internet of Things wie z.B. ESP Easy

Voraussetzungen für den Eigenbau

• hilfreiche Vorerfahrungen: 3D-Druck, Löten elektronischer Schaltungen auf Lochrasterplatinen (kein SMD), Arduino-ähnliche Plattformen
• unverzichtbares Werkzeug: 3D-Drucker, Lötstation
• hilfreich: Entisolierzange, Blechschere, Schieblehre, Heißklebepistole oder Polymorph, Breadboard und Jumperkabel, Crimpzange, dritte Hand, Rund- und Flachfeile etc. pp.
• Für einzelne Module (z.B. Servo): AVR-Programmer (z.B. USBasp) oder Arduino

Nutzung und Zielgruppe

• Wenig kindertauglich, v.a. bei Nutzung von LiPo-Akkus! Nachbau und Betrieb auf eigenes Risiko!
• Geringe Schutzvorkehrungen gegen Fehlbedienungen: teils ohne Verpolungsschutz, wenig geschützte Eingänge
• Keine eigene ft-firmware, dafür aber eine riesige Online-Community und massig Online-Ressourcen für die ESP8266-Plattform (Libraries, Beispielprogramme, Video-Tutorials ...)

Nachteile

• Aufwand für Eigenbau, keine Serienfertigung
• Sicherer Kontakt von Modulen ist ein (allerdings lösbarer) Schwachpunkt, da 12mm Platinenverbindung in 15mm Gehäuse
• Relativ wenige Ein-/Anbaumöglichkeiten für ft-Teile (nur unter der Basis, je Modul links/rechts eine einzelne Nut, zus. eine oben auf manchen Abschlussmodulen)
• Kein integriertes Bluetooth wie der modernere ESP32 (aber per Modul ergänzbar)
• Hohe Modulstapel bei komplexeren Projekten

Ich werde die nächsten Tage die einzelnen Module noch etwas genauer vorstellen. Wenn Euch was genauer interessiert oder Ihr an einem Nachbau interessiert seid, einfach hier oder per PN nachfragen.

vg
Jan

[kräml]

Jau, so hab ich mir das vorgestellt. Hab hier auch einen D1_mini_32 in der Mangel und die Module von d1 sollten darauf laufen. Klasse Arbeit. Mich würden die Einzelheiten schon mal interessieren. Melde mich

Gruß Kräml

[PHabermehl]

Hallo Jan,

das ist ja der Hammer... Das haust Du einfach mal so "nebenbei" 'raus... Unglaublich, gefällt mir sehr gut!

Viele Grüße
Peter

[juh]

Danke, kräml und Peter!

Eine Grippe später erst mal etwas mehr zum Basismodul, die technischen Daten stehen ja schon oben, und ein kleiner Video.

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Links im Bild die Vorderseite: USB-Anschluss, rechts daneben schlecht erkennbar der Ausgang des onboard-LED-Lichtleiters, den es eigentlich nur bei nicht transparenten Gehäusen braucht. Darüber die drei ft-Buchsen zur Spannungsversorgung, in der Mitte GND, links +3,3V alternativ rechts +5V. Die +5V sind eigentlich anachronistisch, da das System mit 3,3V läuft, aber bei manchen Modulen wie dem Servo-Modul ist es nützlich, denn die werden auch über die Buchsenleisten oben weitergereicht.

Genau diese Buchsenleisten sieht man auf der Oberseite, da werden die Erweiterungsmodule aufgesteckt, im Prinzip könnte man hier natürlich auch per Jumperkabel direkt auf die Pins zugreifen.

Rechts im Bild die Rückseite: I2C-Bus mit 3,3V per 6pol. Wannenstecker mit ft-Belegung. Rechts daneben der Auslass für das optionale WLAN-Kabel, für das ich bisher innerhalb der Wohnung noch keinen Bedarf hatte.

Hinten beim schwarzen Gehäuse sieht man gut den Resetbutton, der per print-in-place realsiert ist.

DSC_3039.JPG (91.59 KiB) 5063 mal betrachtet

Hier der Blick ins Innere. Das Gehäuse ist snap-in, genau wie die Bundhülsen, die einfach eingeclipst werden. Links im Bild die Version mit Wemos D1 mini pro, erkennbar an der aufgelöteten Keramikantenne. Die relevanten Pins (GND, 3,3V, 5V, D1/SCL, D2/SDA) werden am board von oben abgegriffen, dazu müssen vor dem Einlöten die Fassungen der Buchsenleisten ein wenig präpariert werden, damit sie den Litzen Platz geben und weiter bündig auf der Platine sitzen.

Hinten rechts die Version mit dem "kleineren" Wemos mini v1" (nicht pro), auf dem noch ein komplettes ESP8266-Modul mit Blechgehäuse verarbeitet war. Hier kann man die Pins auch direkt am Modul abgreifen, das ist in der Summe aber auch nicht einfacher. Die LED liegt hier unzugänglicher, statt Lichtleiter nimmt man hier ein transparentes Gehäuse oder muss die SMD-LED ersetzen und nach vorne führen.

Alleine kann man mit dem Basismodul noch nicht viel machen, aber immerhin beliebige I2C-Geräte ans WLAN bringen oder darüber steuern. Ich habe das hier mal für ein Demo genutzt, um den ftDuino übers WLAN zu steuern:

https://youtu.be/JQpm-D0dcFk

Zur Verbindung braucht es noch einen I2C-level shifter, der auch die 3,3V Versorgungsspannung des WeFish übernimmt. Auf dem ftDuino läuft der I2C-slave Sketch, der ist also rein passiv. Das Webinterface auf WeFish-Seite ist relativ schnell mit der feinen ESPUI-library von Lukas Bachschwell erstellt. Sobald die Verbindung mit dem Router steht, zeigt der WeFish auf dem internen OLED des ftDuino, der ja am gleichen I2C-bus hängt, die IP-Adresse, die dann auf dem Tablet aufgerufen wird.

Ähnlich ginge das dann natürlich für andere I2C-Sensoren, -Aktoren und -Sonstiges.

vg
Jan

[kräml]

Hallo, schaut sehr schön aus. Bin gerade am Schauen, wo ich die Teile bestellen kann. Daher gleich die Frage: Welche Bundhülse bestellt man am besten.

https://www.fischerfriendswoman.de/inde ... sp=3#R7145

werden 8,5mm, 19,4mm angeboten. Die 8,4mm gibt es nicht mehr.

Freue mich schon auf den Drucker anzuwerfen und anzufangen. Danke für das Video.

Wegen den Motorshield und der Firmeware update: Wollen wir das evtl. hier diskutieren oder einen eignen Thread aufmachen?

Ach ja und gut Besserung

Kräml

[juh]

Hallo kräml,

das mit den Bundhülsen ist so ein Thema, das hier immer wieder aufkommt, zuletzt hier. Wie ich da schrieb verwende ich sog. Sickenröhrchen aus dem Lehrmittelhandel.

Solange es die D1 shields betrifft passt as aus meiner Sicht hier! Ich fang einfach mal mit den Aktoren an, muss nur erst noch ein paar Fotos machen, vielleicht schaffe ich es heute noch.

vg
Jan

[juh]

Also, dann mal zu den bisher fertigen Aktoren.

Von links nach rechts jeweils Motormodul, Servo-Modul und Schrittmotor-Modul, Vorderseite, Rückseite, Unterseite:

Aktoren.jpg (139.59 KiB) 4939 mal betrachtet

Wie man sieht sind die Module unten offen, da sie im Betrieb ja immer aufgesteckt sind, was eine Reihe von Vorteilen hat. Der Druck ist einfacher, das Ein-/Ausbauen geht fix und selbst eine Lötbrücke zum Wechsel der I2C-Adresse kann man mal schnell umsetzen. Die Platinen werden eingeclipst, die Buchsenleisten dienen der Zentrierung, kleine Nasen für den nötigen Halt. Zum Ausbau hebelt man die Platine mit eine kleinen Schraubendreher oder einer Taschenmesserklinge einfach aus.

web_DSC_3053.JPG (123.63 KiB) 4939 mal betrachtet

Das Motormodul (links) ist Bespiel für ein einfach zu bauendes Modul, da ein Standard-D1-Mini-Shield zum Einsatz kommt und man nur die Bundhülsen anlöten und einclipsen muss. Wie kräml schon schrieb muss man da aufpassen, da es die in mehreren Versionen gibt. Die aktuelle v2.0.0 ist einwandfrei, allerdings war der Lolin aliexpress store die einzige aktuell lieferfähige Bezugsquelle, die ich zuletzt finden konnte. Die alte als v1.0.0 gelabelte Version (Einzelplatine links) ist nur noch als Klon zu finden, sie gibt es dafür wie Sand am Meer z.B. bei ebay. Problem ist hier die fehlerhafte Firmware, die man erst mal neu flashen muss (hier eine einfache dt. Anleitung). Ist lästig, aber machbar und man kann dann sogar die I2C-Adresse frei programmieren, so dass man theoretisch Dutzende Module stapeln könnte.

Jedes Modul treibt 2 Gleichstrommotoren (Anschlüsse A und B) bis 1,2A über I2C, dafür gibt es von Lolin jeweils (neu und alt) eine eigene Arduino-Library.

Das Servomodul (Mitte) ist vom Aufwand her eher das Gegenteil. Da die üblichen I2C-Servomodule auf Basis des PCA9685 viel zu groß wären und ich SMD-Platinen vermeiden wollte, habe ich nach einer AVR-basierten Lösung gesucht und bin bei Stefan Frings fündig geworden. Sein Programm ist sehr clever, effizient und mächtig und kann bis zu 10 Servos mit dem wirklich ressourcenarmen Attiny2313 über I2C treiben. Leider ist sein Code etwas sorglos programmiert, was beim knappen I2C-Timing des D1-mini zu Fehlern bei bestimmten Adressbereichen führte. Das lies sich aber zum Glück fixen, so dass die Lösung jetzt stabil läuft.

Aus Platzgründen sind es "nur" acht Servo-Ausgänge, die das Modul nutzt. Relativ aufwändig ist der Nachbau, da man den Chip erst mal per AVR-Programmer oder Arduino programmieren muss und relativ viel fricklicke Löterei anfällt, wie auf dem Bild zu sehen. An Anschlüssen gibt es nur die Servos und eine LED, die den Datentransfer anzeigt. Die Versorgung der Servos erfolgt aus den internen 5V (6V hält das System auch aus), die z.B. über das Basismodul eingespeist werden können. Die I2C-Adresse ist frei programmierbar, so dass auch hier mehrere Module problemlos gestapelt werden könnten.

Das Schrittmotor-Modul (rechts) ist wieder etwas einfacher. Zum Einsatz kommen zwei "Stepstick"-Module, hier mit A4983. Wichtig ist nur, welche ohne vorbestückte Stiftleisten zu kaufen, da die hier nur im Weg wären. Die meisten Pins werden nämlich nach unten durchkontaktiert und auf der Rückseite verdrahtet. Das belegt dann leider vier der kostbaren IO-Pins des D1-mini, weswegen das Modul auch nur einmal pro Stapel zum Einsatz kommen kann. Oben als Pins existieren nur die Jumper zur Auswahl des Microstepping, die Potis zur Strombegrenzung sind natürlich auch zugänglich.

Neben den beiden Schrittmotorausgängen (per Stiftleiste) gibt es vier ft-Kontakte für die Spannungsversorgung und einen Not-Aus-Schalter. Aufgrund der fehlenden Kühlkörper und der problematischen Luftzufuhr muss man hier sehr auf die Wärmeentwicklung achten, heavy-duty Anwendungen kommen eher nicht in Frage. Diese und diese (ohne Last) waren aber kein Problem.

Allgemein sind für alle Selbstbauplatinen übrigens dringendst zweiseitige, durchkontaktierte Lochrasterplatinen zu empfehlen, da sich bei den einfachen beim Löten viel zu leicht die Kupferschicht von der Platine löst, ich glaube Karl hatte die hier auch schon einmal empfohlen. Ideal ist 30x70mm, dann stimmt die Anzahl der Löcher schon mal in der Breite. Für den Zuschnitt verwende ich eine große Blechschere, das geht ruckzuck und ist viel sauberer als die elende Sägerei, auch wenn das Ergebnis nicht immer 1a aussieht.

Soviel mal zu den Aktoren.

vg
Jan

[kräml]

Super, danke für die Links. Habe das D1-Motor-Shield auf ebay bestellt. Natürlich die V1.0.0. Somit werde ich mich um das Firmware update kümmern müssen.

Hätte da noch einen Link:
https://www.letscontrolit.com/wiki/inde ... .0_only.29

@juh Welches bin verwendest du?
Das von Hackaday.io engl. Fassung oder oberguru deutsche Fassung?

[juh]

@juh Welches bin verwendest du?
Das von Hackaday.io engl. Fassung oder oberguru deutsche Fassung?

Weder noch. Ich habe das bin direkt vom github repository compiliert, weil ich sicher sein wollte, die aktuellste Version zu haben und um direkt die I2C-Adresse ändern zu können, bei den fertigen bins musste man das glaube ich per hex-editor machen. Im Zweifel würde ich aber die von der hackaday-Seite nehmen, das ist der Entwickler.

Die hackaday-Seite, die Du verlinkt hast, ist noch ganz was anderes: da hat unabhängig von der bugfixing-Geschichte jemand eine komplett alternative Firmware zur I2C-Ansteuerung eines Schrittmotors mit den beiden DC-Treibern gemacht. Das Projekt kannte ich noch gar nicht sieht aber sehr interessant aus! Auf meiner to do Liste stand ja eigentlich noch ein I2C-fähiges Schrittmotorenmodul (das oben wird direkt über pins gesteuert), was ich eigentlich mit TMC221s umsetzen wollte, aber das hier wäre wohl die viel einfachere Variante, leider allerdings nur ein Stepper pro Modul...

vg
Jan

PS: sag mir Bescheid, wenn Du mit dem Drucken loslegen willst. Eigentlich möchte ich die .stls gerne im Paket veröffentlichen, wenn ich das bis dahin nicht schaffe lege ich dir die nötigen Dateien auf irgendeinen file server.

[kräml]

Somit wäre meine nächste Frage beantwortet. Warum extra einen Steppermodul?

Wegen der stl Dateien. Hab das 3D Drucken erst seit einem Monat auf dem Schirm. Bin jetzt der Betreuer eines Leabfrog Bolt Pro und eines Ultimakers geworden. Das Thema ist zwar sehr interessant, steckt aber voller Tücken. Drucke mir gerade den Servo-Kit aus und Frage mich, wie ich das ganze Stützmaterial aus der Verzahnung bekomme. Aber OT.

Wenn die STL Dateien fertig sind, sind die Hülsen evtl. auch schon da.

Gruß

[kräml]

Hallo,

muss schon sagen, das Gehäuse gefällt mir sehr gut. Hab es auch gleich mal ausgedruckt. Den TX-PI mit homeassistant/esphome bestückt. Somit kann ich Wefish via Browser flashen und ggf. programmieren. Den Ftduino als Slave am Wefish gehängt. Den ersten Smoketest hinter mir gebracht - gebrochen Drähtchen im Wefish, Levelshifter liefert nicht genug 3.3V, wie mach ich dies mit I2C - aber es geht.

Will heissen, es gibt noch viel zu tun aber hier mal ein Foto von meinen drei Amigos:

tx-piWefishFtduinoStart_small.png (333.85 KiB) 4437 mal betrachtet

Danke an alle, hier natürlich an juh.

Gruß Kräml