28 July 2014

Опыт разработки и производства прототипов BLE-розетки

GadgetsComputer hardware3D printers
Sandbox
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!
Tags:3d-печать3d-моделированиепрототипыIoTbluetoothэлектроникапечатная плата
Hubs: Gadgets Computer hardware 3D printers
+59
33.9k 182
Comments 35
Top of the last 24 hours