Dispositivi IoT fai da te che utilizzano stringhe di LED: 9 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

(Disclaimer: non sono madrelingua inglese.)

Tempo fa mia moglie ha comprato delle luci a stringa LED per illuminare il giardino di notte. Hanno creato un'atmosfera molto piacevole. Sono stati messi intorno agli alberi, ma indovina un po', cosa dovrebbe succedere, abbiamo tagliato le corde mentre tagliavamo gli alberi…

Quello che voglio mostrarti oggi è come recuperare cose rotte come quelle stringhe di LED e creare interessanti dispositivi connessi che puoi controllare con il tuo smartphone.

Imparerai come utilizzare un microcontrollore e un transistor per pilotare i LED, come connettere il tuo dispositivo a Internet e come controllare il dispositivo dal tuo smartphone. Presumo solo che tu abbia alcune conoscenze di elettronica di base come come applicare la legge di Ohm. Se hai mai programmato un Arduino prima, è ancora meglio.

Cominciamo con i dispositivi che voglio costruire. La cosa buona delle corde tagliate è che ci sono almeno due pezzi. Così posso costruire almeno due dispositivi. Inizierò con una lampada collegata che metterò su un tavolo e poi una stringa di LED collegata che userò per illuminare la mia nuova camera da letto. Tutto quello che voglio è un modo per accendere e spegnere le luci usando il mio smartphone.

Ma prima di tutto, dobbiamo vedere come hanno funzionato le cose per riutilizzare le luci.

Passaggio 1: ingegneria inversa

Abbiamo due stringhe di LED ma non conosciamo la caduta di tensione sui pin delle stringhe e la corrente che richiedono. Purtroppo, non ho una scheda tecnica per ottenere quei valori.

In questi casi, dovremo capire tutto da soli. Smontiamo il recinto.

Dopo aver rimosso alcune viti con un cacciavite, possiamo vedere un circuito molto semplice. La parte interessante è intorno ai pin della stringa LED, vediamo un regolatore di tensione (componente a 3 pin), un resistore (la scatola nera con 100 su di essa) e i pin della stringa LED. Guardando un po' più da vicino (progettazione del circuito), vediamo che l'uscita del regolatore è collegata alla stringa di LED che a sua volta è collegata a terra tramite un resistore da 10 ohm (100 significa 10x10e0). Mettiamo delle batterie e misuriamo la caduta di tensione tra i pin della stringa e tra l'uscita del regolatore e la massa.

Utilizzando un multimetro, possiamo misurare una caduta di tensione di circa 3V attraverso i pin della stringa (come mostrato nelle immagini). Misuriamo anche 4.5V tra l'uscita del regolatore e la terra. Si deduce così che vi è una caduta di tensione di 1,5V ai capi del resistore da 10 ohm; possiamo effettivamente misurarlo anche noi. Usando la legge di Ohm (U = RI), sappiamo che la corrente attraverso il ramo è 1,5 V / 10 ohm = 0,150 A o 150 mA. Anche in questo caso possiamo misurare la corrente ma avremmo bisogno di mettere il multimetro in serie con la stringa che non è facile da fare.

Ora sappiamo come pilotare le stringhe di LED. Costruiamo il nostro dispositivo.

Passaggio 2: materiali e strumenti

Ecco cosa ti servirà per costruire i dispositivi:

- dei cacciaviti per smontare le cose, mi piace quel tipo di kit

- alcune luci a stringa LED, se si desidera riprodurre i dispositivi

- un ESP8266, sarà il cervello del nostro dispositivo

- una breadboard e dei fili, li useremo per costruire il prototipo

- un kit di assortimento di resistori e un kit di assortimento di transistor, puoi anche acquistare un kit più grande contenente molti componenti utili, anche l'acquisto solo dei componenti necessari è un'opzione

Se vuoi creare un circuito permanente, avrai bisogno di alcuni strumenti e alcune schede prototipi:

- puoi acquistare un kit di saldatura abbastanza economico per iniziare, troverai un multimetro che può essere utilizzato per decodificare le tue cose, fai solo attenzione a non manipolare i dispositivi collegati alla rete principale o addirittura i dispositivi che utilizzano più di 30 V CC

- un cutter è molto utile per tagliare fili e cavi dei componenti

- alcune schede prototipi

- del filo solido

Potrebbe sembrare molto per iniziare, ma creerai delle scorte per qualsiasi altro progetto che potresti avere. Se non ti dispiace aspettare, puoi ordinare tutto su Aliexpress a un costo molto più basso. In alternativa, se non vuoi acquistare questi strumenti, puoi anche recarti nello spazio hacker più vicino.

Infine, avrai bisogno di alcune ore per costruire tutto (meno se segui solo questo tutorial).

Passaggio 3: come utilizzare un transistor

Sappiamo che la stringa di LED richiede 150 mA, ma è molto più di ciò che ESP8266 può fornire in sicurezza sui suoi pin di uscita. Non vuoi pilotare più di 12 mA per pin GPIO sul microcontrollore. Per aggirare questa limitazione, sarà necessario un qualche tipo di interruttore che possa essere controllato dal microcontrollore. Gli interruttori più comuni sono il relè e il transistor. Un relè funzionerà sicuramente, ma sarà più ingombrante, più costoso e la maggior parte delle volte vorrai utilizzare un transistor per pilotare un relè.

Useremo transistor per entrambi i dispositivi. Per usare un transistor come un interruttore, dobbiamo guidare la corrente attraverso la sua base. La corrente che scorre attraverso la stringa di LED sarà proporzionale alla corrente che scorre attraverso la base.

Puoi giocare con un Arduino e un transistor su Tinkercad per avere un'idea di come funzionano le cose. Ho creato una simulazione di base che puoi modificare. Se vuoi saperne di più su Tinkercad, puoi seguire questo fantastico tutorial: Come usare Tinkercad per testare e implementare il tuo hardware.

Puoi vedere che il transistor funziona come un interruttore chiuso quando l'uscita GPIO è alta e come un interruttore aperto quando l'uscita GPIO è bassa. Puoi anche giocare con i valori dei resistori. Il resistore in serie al LED limiterà il flusso di corrente attraverso il LED e il resistore collegato alla base del transistor controllerà la corrente massima che scorre attraverso il LED. Se aumenti la resistenza di base non guiderai abbastanza corrente per il LED e la luce sarà più debole.

Puoi dare un'occhiata alle mie note per vedere quali valori di resistenza scelgo per i dispositivi. Avrei potuto usare l'uscita a 3,3 V invece dell'uscita a 5 V, ma poi non avrei i resistori corrispondenti per costruire il circuito. Non esitare a leggere la scheda tecnica del transistor per cercare il guadagno del transistor.

Costruiamo ora un prototipo.

Passaggio 4: costruire un prototipo del circuito

Avremo bisogno di preparare il filo della stringa LED. Per prima cosa tagliamo la prima metà per separare il porta batterie. Quindi, spellato il filo, ho usato una morsettiera per collegare la stringa di LED alla breadboard. Avremo anche bisogno dell'ESP8266, ho usato un mini clone D1, due resistori e un transistor.

Scelgo un p2222a per il transistor ma puoi scegliere qualsiasi transistor NPN. Dovrai solo rivedere i valori dei resistori in base al guadagno del transistor che puoi trovare sul foglio dati del transistor. Scelgo un resistore di base da 1k ohm e un resistore LED da 15 ohm. La base è pilotata dal GPIO5 o D1.

Conserva il porta batterie in quanto può essere utile per un altro progetto o anche per alimentare i tuoi dispositivi appena creati.

Segui un tutorial su come caricare un programma su ESP8266 con l'IDE Arduino, carica il programma di lampeggio sostituendo LED_BUILTIN con D1, e ora puoi goderti una stringa di LED lampeggiante.

Se il circuito non funziona per te, prova a scambiare i fili del LED poiché è necessario collegare l'anodo al resistore del LED. io inverto sempre i fili…

Usa il tuo multimetro per controllare la connessione e la caduta di tensione. Dovresti vedere 3,3 V tra D1 e la terra quando l'uscita è alta. Dovresti anche vedere una tensione di 3V tra i fili della stringa LED.

Avere una stringa LED lampeggiante va bene, ma come possiamo controllare la stringa LED con il nostro smartphone?

Passaggio 5: utilizzo dello smartphone per pilotare le luci a stringa LED - Parte I

Dovrai installare l'app Blynk sul tuo smartphone.

Una volta installata l'app, crea un nuovo progetto. Blynk ti invierà un'email con un token (serie di caratteri esadecimali) di cui avrai bisogno per il tuo programma ESP8266. Crea un pulsante che fungerà da interruttore. Il pulsante dovrebbe guidare il pin GPIO5 o D1 di ESP8266. Ora puoi riprodurre il tuo progetto. Tieni presente che l'app ti dirà che il dispositivo è offline.

Puoi modificare il progetto in un secondo momento per aggiungere timer che controlleranno le luci.

Passaggio 6: utilizzo dello smartphone per pilotare le luci a stringa LED - Parte II

Apri il tuo IDE Arduino. Dovrai installare la libreria Blynk; per questo, segui gli screenshot che ho fatto. Vai al menu "Strumenti", fai clic su "Gestisci librerie", cerca "Blynk" e installa l'ultima versione.

Ora puoi aprire un esempio che configurerà Blynk su ESP8266 per te. L'esempio è mostrato negli screenshot.

Assicurati di aver selezionato la scheda corretta, "D1 mini" nel mio caso, e la porta corretta.

Aggiorna il codice con il tuo SSID wifi e la password (di solito la chiave WPA o WEP sulla casella Internet), dovrai anche compilare il token che hai ricevuto via email.

Ora puoi caricare il codice su ESP8266. Una volta caricato il codice, attendi qualche secondo per assicurarti che il tuo dispositivo sia connesso in WiFi al tuo router Internet e sarai in grado di controllare le luci utilizzando il pulsante Blynk che hai creato.

Ora hai un dispositivo IoT! Puoi fermarti qui se vuoi ma non dimenticare di leggere la sezione "Risorse". Se vuoi divertirti di più e costruire un circuito permanente e un recinto, continua a leggere.

Passaggio 7: creare un circuito permanente (bonus)

È tempo di creare un circuito permanente. Puoi guardare questo e questo video per imparare a saldare. Ho usato una scheda proto standard con alcuni header per ESP8266. In questo modo, se voglio riutilizzare il microcontrollore per un altro progetto, posso farlo. Puoi scegliere di saldare il microcontrollore direttamente alla tua scheda proto. Se non sei sicuro scegli una scheda proto che assomigli a una breadboard; sarai in grado di riutilizzare le tue connessioni breadboard.

Ho fatto due errori con il mio primo dispositivo. Non ho usato la morsettiera per la stringa di LED… e ho invertito i fili. È possibile contrassegnare il filo negativo o positivo, ma si consiglia di utilizzare una morsettiera. Il secondo errore è che ho usato il 3.3V per pilotare la stringa di LED risultando in una luce più fioca. Se, come me, commetti errori, non preoccuparti, è facile rimuovere la saldatura e modificare i valori delle resistenze o aggiornare le connessioni. Puoi anche aggiungere più componenti in un secondo momento!

Ora che hai il tuo circuito permanente, è il momento di costruire il suo recinto.

Passaggio 8: costruire un recinto (bonus)

Ho seguito un tutorial sparkfun su Tinkercad per costruire un contenitore per i miei dispositivi. Ho stampato la custodia utilizzando la mia Prusa i3 MK3 appena acquistata con del filamento PLA (20% di riempimento e 0,2 mm). In realtà è la prima volta per me e ho già commesso due errori che puoi vedere nelle foto. La mia prima custodia non aveva lo spazio necessario per la presa USB e i fori non erano allineati. Ho quindi progettato una nuova versione con una migliore vestibilità che può supportare anche un coperchio. Puoi risparmiare tempo e denaro solo stampando la parte necessaria della custodia per testare l'adattamento con il circuito.

Ora hai due dispositivi IoT che puoi controllare utilizzando Blynk. Il cielo è il limite. Puoi estendere totalmente il progetto con un rilevatore di presenza che controlla le luci, con un timer che spegne le luci dopo un certo tempo, o anche utilizzando le luci a stringa di LED come sistema di notifica; potrebbero lampeggiare quando si riceve un'e-mail, ad esempio.

Felice hacking!

Passaggio 9: risorse

Non posso raccomandare abbastanza questo libro: Make: Electronics: Learning Through Discovery. Puoi conoscere transistor, condensatori e molte altre cose interessanti sull'elettronica. Ha le conoscenze necessarie per iniziare ad armeggiare con i componenti elettronici. Insieme alle tue conoscenze appena acquisite su ESP8266, Blynk e Tinkerpad, sarai in grado di costruire cose molto interessanti.

Puoi imparare molto guardando i video di Youtube. Consiglio i seguenti canali:

- EEVblog

- Grande Scott!

- Khan Academy

Se sei abbastanza coraggioso, puoi acquisire maggiori conoscenze seguendo corsi edx o coursera su IoT o elettronica.