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Donnerstag, 26. März 2015

Soylent Yellow - The future of food, oder der Unterschied zwischen Essen und Nahrungsaufnahme

Wer einmal den Film Soylent Green gesehen hat wird die dystopische Zukunft die in den 70ern gesehen wurde teilweise wieder erkennen. Nicht, dass es uns schon so geht, aber die exzessive Nutzung von nicht regenerierbaren Ressourcen ist immer noch ein Problem. In unserem, zumindest meinem, Alltag ist das Essen in zwei Situationen aufgeteilt. Die schnelle Nahrungsaufnahme zur Befriedigung des Hungers während man eigentlich andere Dinge tut und zu einem sozialen Ereignis, bei dem das Essen und teilweise dessen Zubereitung mit anderen Menschen im Vordergrund steht.
Es gibt mittlerweile einige Firmen, die sich mit der Erzeugung von pulverisierten Nahrungsmitteln beschäftigen. Ich muss hier wirklich eine Differenzierung machen, denn ein Pulver, dass mit Wasser zu einer nährstoffhaltigen Pampe verrührt wird ist definitiv kein Essen, sondern Nahrung. 
Heute kam ein Paket der Firma Queal an. Darin befinden sich acht Beutel mit jeweils einem Tagesbedarf an Nährwerten. Dazu noch ein Fläschchen mit Öl, dass zusätzlich zu dem Pulver und Wasser zu einer Mahlzeit verrührt werden soll. Zu den acht Kunststoffbeuteln gab es noch zwei Sticker und eine Kurzanleitung in der steht, wie ein Queal Meal zubereitet werden soll. Beim Auspacken zeigt sich auch schon warum der Titel Soylent Yellow heißt. Egal welche Geschmacksrichtung für die Pulver angegeben ist, das Pulver ist gelb.

Queal Geschmackstester Set mit allen Geschmacksrichtungen

ESP8266 - 1: Fensterwächter

Wie in einem früheren Beitrag schon beschrieben kann für die ESP8266 Module aus China die Entwicklungsumgebung für NodeMcu aufgesetzt werden. In diesem Beitrag werden wir das erste Projekt erstellen und den Controller programmieren.

Morgens mache ich das Schlafzimmerfenster immer auf, um zu lüften. Wenn ich dann vor dem ersten Kaffee schon auf dem Weg zur Arbeit bin, kann es passieren, dass das Fenster weiterhin offen ist. Mist. Also brauch ich etwas, dass mir sagt, dass das Fenster noch geöffnet ist. Ein Fensterwächter.

Mit Hilfe von einigen Komponenten, dem ESP-01 Modul, einem Mikroschalter und einer Batterie kann genau das erreicht werden.

Das ganze soll neben dem Fenster am Fensterrahmen befestigt werden. Dazu werde ich ein 3D gedrucktes Gehäuse verwenden, in dem alles untergebracht ist. Wenn das Fenster geöffnet wird, wird der Mikroschalter nicht mehr betätigt und schließt den Stromkreis zum Controller. Dieser startet und geht sofort für 10 Minuten in den Tiefschlaf. Wenn er daraus erwacht, ohne dass die Batteriespannung zwischendurch getrennt wurde, verbindet es sich mit dem WLAN Accesspoint und sendet eine Email, die dann auch meinem Mobiltelefon angezeigt wird.

Hardware

Wie schon beschrieben benötigen wir mehrere Komponenten für den Aufbau des Fensterwächters. Das ESP8266 Modul ESP-01 hat 8 Pins mit dem es die wichtigsten Signale nach Außen führt. Wie zu erkennen sind lediglich zwei GPIOs herausgeführt. Für unsere Zwecke benötigen wir aber genau keine. Für das Flashen der NodeMcu Software allerdings werden genau diese beiden Pins benötigt. Weiterhin ist der CH_PD Pin herausgeführt, der sorgt dafür, dass das Modul abgeschaltet ist, wenn er nicht auf VCC liegt. Für Experimentierzwecke habe ich den Pin über einen 100Ohm Widerstand mit VCC verbunden. Zu beachten ist, dass auf dem ESP-01 Modul der Pin zum Aufwecken des Controllers (GPIO 16) nicht mit dem RST Pin verbunden ist.
ESP-01 Pinbelegung
Das Modul kommt mit einer Firmware ausgestattet, die über die Serielle Schnittstelle angesprochen werden kann. Um diesen Betriebsmodus zu verwenden benötigt man dann noch einen zweiten Controller, der mit dem Modul kommuniziert. Wir wollen allerdings nur den einen Controller einsetzen, müssen also die darauf befindliche Firmware ändern. Das kann ganz einfach mit dem NodeMcu Flasher passieren. Dazu verbinden wir die Pins GPIO0 mit GND und GPIO2 mit VCC. Dadurch befindet sich der Chip nache einem Reset in einem Zustand indem der Bootloader über die serielle Schnittstelle eine neue Firmware in den Speicher des Moduls schreiben kann. Der Flasher übernimmt alles was dafür notwendig ist.

Mit dem ESPlorer kann jetzt die Lua Software auf dem Modul geschrieben werden. Das Erste was wir tun ist eine 'init.lua' erstellen, die wird beim Start des Controllers ausgeführt.
Der grundlegende Programmablauf ist oben schon aufgeführt:

  • Power up
  • Deep Sleep für 10 Minuten
  • Wake up
  • Verbinde mit WLAN Router
  • Sende Email
  • Deep Sleep bis Power down
Die API von NodeMcu gibt Informationen über die benötigten Funktionen:
Es fehlt lediglich der Programmteil zum senden der Email-Warnung.

So weit zur Theorie. Ein Problem zeigt sich bei der Umsetzung des Email Versandes. Da der ESP sich nicht als SMTP Server behaupten kann, Eine Möglichkeit ist es die Kommunikation mit einem SMTP Server manuell zu programmieren, einfacher ist es jedoch einen bereits existierenden Service, wie zum Beispiel PushingBox.com zu nutzen. Dort kann man über eine HTTP API eine Notification, oder eine Email abschicken. Das Ganze ist dann auch von dem PC aus konfigurierbar und lässt auf dem ESP genügend Platz für andere Funktionen.

Gestartet wird immer in der 'init.lua'. Egal ob aus dem Power down, oder dem Tiefschlaf. Das führt dazu, dass nicht genau erkannt werden kann, aus welchem Vorzustand der Chip kommt. Es wird also nach dem Aufwachen ein Timer gestartet und der Chip befindet sich im idle Modus. Welche Folgen das für den Stromverbrauch und die daraus resultierende Batterielaufzeit hat, wird sich noch herausstellen.
Nachdem die 10 Minuten, oder (600000 ms) abgelaufen sind, wird die Datei 'fenster.lua' aufgerufen und interpretiert. Als erstes muss das WiFi-Modul gestartet werden. Dann wird die Verbindung mit dem Accesspoint hergestellt.
Sobald die Verbindung zum Accesspoint besteht und das Modul eine IP-Adresse erhalten hat, soll die Funktion pollPushingBox() aufgerufen werden. Dazu verwenden wir einen neuen Timer:
Die pollPushingBox() Funktion baut eine TCP Verbindung mit dem PushingBox Service auf und sendet einen API Request um einen Alarm auszulösen.
Nachdem der Server geantwortet hat, geht das Modul in den unendlichen Tiefschlaf. Erst ein Wegfallen der Batteriespannung (durch Schließen des Fensters) wird der Chip resettet und bei erneutem Öffnen beginnt der Code wieder in der ersten Zeile der init.lua.

Der Code zeigt, wie einfach mit NudeMcu und Lua ein ESP2866 für einfache Zwecke verwendet werden kann.

Samstag, 14. März 2015

Ein Blick auf KiCad [Fertige Leiterplatte]

Wie in den letzten Wochen bereits beschrieben haben wir eine Schaltung in KiCad eingegeben, danach eine Liste der verwendeten Bauteile angelegt und anschließend die Leiterplatte erstellt und die Fertigung in Auftrag gegeben. Heute schauen wir uns das Ergebnis an und betrachten, was alles im Prozess der Entwicklung einer solchen Baugruppe schief gehen kann.

Links - benötigte Bauteile zur Bestückung der Platte
Rechts - unbestückte Leiterplatten
Die Leiterplatten werden in einer Vakuumverpackung angeliefert. Auf den ersten Blick sind die einwandfrei und so wie wir uns das fertige Produkt vorgestellt werden. Doch der Teufel liegt im Detail. Nach bestücken und Verlöten der Bauteile, sind einige Fehler im Schaltplan, sowie in den Layoutdaten aufgefallen.

Um die Fehler der Schaltung verstehen zu können muss erst einmal die Funktion erklärt werden. Die Baugruppe soll nach betätigen des 'Enable' Tasters ein Magnetventil mit einer Anzugsspannung versorgen. Diese Spannung soll eine kurze Zeit anliegen und danach selbstständig in eine PWM umgewandelt werden. Diese soll so lange erhalten bleiben, bis der 'Enable' Taster nicht mehr betätigt ist.
Fertig bestückte Platine

Fail #1

Der Enable Eingang schaltet lediglich das Delay zur Logik dazu, startet dieses jedoch nicht. das Delay wird sofort nach Anlegen der Betriebsspannung gestartet und ist bei betätigen des Tasters bereits abgelaufen.
Fix: Spannungsteiler auflösen, mit Fädeldraht an 'Enable' löten.

Fail #2 

Der Pfostenstecker für das Magnetventil ist nicht korrekt angeschlossen. Beim verschieben des Steckers ist eine neue Leitung auf der Bottom Seite hinzugekommen, allerdings wurde die Kupferfläche nicht erneut ausgefüllt und ist somit direkt mit dem Signal verbunden. Das DRC hat diesen Fehler nicht gefunden!
Fix: Mit Skalpell die Verbindung auftrennen und mit Fädeldraht korrekt verbinden.

Fail #3 

Zum Messen mit dem Oszilloskop befinden sich kaum Massepunkte auf der Platte. Um mit dem Oszilloskop sinnvoll Signale auf einer Baugruppe zu messen, ist es wichtig naheliegende, also kurze Verbindungen zur Masse zu bekommen. Es ist durchaus akzeptabel wenn für diese Baugröße nur ein solcher Verbindungspunkt bestünde. Tut er aber nicht.
Fix: Mit Skalpell den Lötstopplack der Massefläche entfernen und ein Stück Draht dranlöten.

Fazit

KiCad eignet sich hervorragend zur Erstellung von kleinen Projekten sowie Erzeugung von Stücklisten und Fertigungsdaten. Es wird sich zeigen wie die Entwicklung voranschreitet. Spannend wird auch bleiben, wie die Verwaltung von Stücklisten in den nächsten Versionen gehandhabt wird. Bis dahin wird aber noch einige Zeit vergehen.

Mittwoch, 4. März 2015

Ein Blick auf KiCad [Design zur Fertigung]

Wir haben uns in den letzten beiden Wochen angeschaut, wie eine Schaltung in KiCad erstellt und die benötigten Daten zur Erstellung der Leiterplatte generiert werden. Der Prozess, der aus einem Schaltplan eine Leiterplatte macht beginnt mit der Auswahl eines Herstellers. Denn von Beginn an ist es wichtig zu wissen, welche physikalischen Grenzen dem Leiterplattendesign gesetzt sind. Dazu zählt der Mindestabstand zwischen Leiterbahnen, die Mindestgröße von Bohrungen für Durchkontaktierungen und die Mindestbreite der Aussparungen im Lötstopplack für die Lötpads.
Alle diese Werte werden von dem Fertiger festgelegt und können auf dessen Webseite gefunden werden. Einer dieser Anbieter ist Multi-cb. Bei Multi-cb gibt es jede Menge Hinweise dazu, wie die Grenzen der Leiterplatte festzulegen sind, wenn man keine Sonderanfertigung wünscht. Für die Meisten Projekte wird auch keine Sonderanfertigung von Nöten sein, es kann also der kostengünstige Pool für die Fertigung der Leiterplatten gewählt werden.

Der Leiterplatten Kalkulator gibt auch einige Hilfestellungen, was die optimale Bestellauslegung betrifft. Zuerst legt man ein Projektname fest, gibt an, welche Größe und welche Oberfläche gewünscht ist. Daraus kann die erste Ermittlung des Preises gewonnen werden. Meistens bekommt man dann angezeigt, dass die Fertigungsdauer ohne Aufpreis wesentlich kürzer (5AT) sein kann als 20AT. Die Oberfläche HAL bleifrei ist die günstigste. Diese Oberfläche besteht aus einer Zinnoberfläche, die mit Heißluft auf die blanken Kupferflächen aufgebracht wird.
Wie bei der Oberfläche gesehen sind die voreingestellten Werte die günstigsten. Jede Änderung im Fertigungsprozess führt dazu, dass die Platte eventuell aus dem Pooling Prozess herausfällt und als Einzelcharge angefertigt werden muss. Der Pooling Prozess bedeutet, dass viele verschiedene Designs auf einem Nutzen, also eine große Platte, untergebracht werden und somit die Rüst-, Arbeits- und Verwurfskosten auf alle Pooling Teilnehmer umgelegt werden können.

Die einzige Ausnahme ist der Topseitige Positionsdruck. Der ist standardmäßig nicht ausgewählt, kostet allerdings auch nichts extra. Man muss mit den Werten ein wenig spielen um die Ideale Konfiguration zu erreichen. Grundsätzlich gilt, wenn ein extra Fertigungsschritt dazu kommt, wird die Platte teurer.


Anhand der ausgewählten Parameter werden die verschiedenen Grenzen der Design-Regeln festgelegt. Im Kalkulator haben wir festgelegt, dass die kleinste Leiterbahnbreite 150µm sei. Diese Größenbegrenzung gilt für alle Leiterbahnen, alle Vias und den Abstand zwischen den Leiterbahnen.
Wir legen also 0,15mm als Untergrenze für die Leiterbahnbreite fest. Leiterbahnen, die Strom führend sind, werden mit dieser Breite unter Umständen sehr heiß. Der PCB Kalkulator von KiCad kann dazu mehr Auskunft geben. Dementsprechend sollten Leiterbahnenbreiten festgelegt werden.
Wie in den anderen Teilen dieser Serie gehen wir davon aus, dass das Design bereits anhand der ausgewählten Designregeln erstellt wurde. Das kann zum Beispiel wie folgt aussehen:
Fertiges PCB Design
Die hier erstellte Platte hat die angegebenen Abmaße von 45mm x 45mm und ist mit zwei Lagen vollständig entflochten. KiCad bietet zur Vorschau der Leiterplatte eine 3D Ansicht der CAD Daten. Diese kann unter Ansicht -> 3D Darstellung angezeigt werden. Mit Hilfe der Vorschau kann zum Beispiel die Lesbarkeit des Siebdrucks bestimmt werden, oder ob Gehäuse leicht bestück- und lötbar sind.
3D Vorschau der Leiterplatte

Gerberdaten erzeugen
Um aus dem Design die zur Herstellung der Leiterplatte notwendigen Dateien zu generieren muss festgelegt werden, welche Lagen des Designs für die Herstellung notwendig sind. Jede dieser Lage wird in einem eigenen Arbeitsgang hergestellt. Das gängigste Format, in dem die Fertigungsdateiein abgelegt sind ist das Gerber Format. Dieses wird in einem Standard festgelegt und von allen Leiterplatten Herstellern unterstützt.

In unserem Projekt benötigen wir zwei Lagen Kupfer und zwei Lagen Lötstopplack. sowie Siebdruck für die obere Lage. Weiterhin benötigen wir die Kanten-Lage, auf der die Grenzen der Leiterplatte eingezeichnet sind. Mit einem Druck auf "Plotten" werden die ausgewählten Daten erzeugt und in dem angegebenen Ordner gespeichert.
Es fehlen jetzt nur noch die Daten für die Bohrmaschine. Diese können unter
Datei -> Fertigungsdateien -> Bohrdatei *.drl erzeugt werden. Multi-cb benötigt metrische Angaben. Darauf ist unbedingt zu achten, damit die Bohrungen passend zu den Footprints sind.

Ansicht der Gerberdaten zur Verifizierung vor der Bestellung
Nachdem alle Fertigunsdateien erstellt wurden, kann das Ergebnis mit dem ebenfalls in KiCad enthaltenen GerbView angezeigt werden. In diesem Programm werden alle erzeugten Gerberdateien übereinandergelegt und Fehler werden sofort sichtbar.

Um die Bestellung der Platte abzuschließen werden die Produktionsdateien in ein Zip-Archiv gepackt und über die Webseite zu multi-cb hochgeladen. Die Produktion der Leiterplatte beginnt jetzt. Es ist auch der Zeitpunkt gekommen alle Bauteile der BOM zu bestellen und bereitzulegen.