Делаем автоматическую подсветку лестницы

Решил поделится с читателями муськи своей поделкой, реализованной на новогодних праздниках. Будет много кода и работы руками… в общем, все как вы любите.

Здесь уже были примеры реализаций подсветки ступенек лестницы, что ж теперь моя очередь.
Что для этого нужно? Ну прежде всего лестница без нее сложно сделать подсветку лестницы.
На этапе строительства лестницы я подвел к каждой ступеньке отдельный провод (ШВВП сечением 0.5 мм2, хватило не для всех ступенек, сделать нужно было быстро и на недостающих использовал ШВВП 0.75 мм2), Количество ступенек у меня 20, поэтому проводов потребовалось много. Для датчиков проложил витую пару к самой верхней и самой нижней ступеньке. Ну и по традиции кинул витую пару для интеграции всего этого дела в сеть. Лестница с торчащими из-под ступенек проводами простояла довольно долго и вот дождалась своего часа.
Прежде всего была приобретена светодиодная лента (ссылка на нее в товаре обзора), лента качественная с хорошей цветопередачей. Далее я купил низкопрофильный алюминиевый канал для светодиодных лент и порезал его по размеру ступенек. Край прилегающий к стене резал под углом, чтобы не возникало конфликта с проводом, а крышечку канала резал прямо — чтобы не было отверстий.
Далее просверлил 3 отверстия в каждом сегменте канала, чтобы крепить к обратной стороне сегмента на 3 самореза. Чтобы шляпка самореза не воздействовала на ленту, отверстия зенканул сверлом большего диаметра. Далее, обезжиривал канал и приклеивал к ступеням на двухсторонний скотч, чтобы не нужно было держать на весу данный канал при вкручивании самореза. Место крепления расположено неудобно — шуруповертом туда не подлезть, поэтому использовал угловую насадку.

С ней дела пошли веселее и это позволило вкручивать саморезы под прямым углом — чтобы не торчали края шляпок.
Затем обрезал на подходящую длину торчащие из под ступенек провода и зачистил кончики на 3-4 мм. Все кончики за один проход обмазал флюсом ЛТИ-120, вторым проходом залудил.
Ленту порезал на отрезки нужной длинны и залудил пятачки контактов. Чтобы на каждом контакте был небольшой шарик припоя:

Это позволит быстро припаять отрезки к луженным проводам. Флюс на этом этапе не смывал.
Раз уж мы пришли к ленте — то посмотрим ее свойства, я брал ( 4000K + 5m — 4 катушки):


Сборка из 9 светодиодов потребляет 0.216 А при 12 Вольтах. Значит потребление на метр составит: 100 * 0.216 / 14.5 = 1.4 А. Мои участки на ступеньках имеют длину 80 см, соответственно, на максимальной яркости ступенька потребляет около 1 А.
Далее я припаял куски лент к проводкам, смыл обезжиривателем флюс и приклеил ленты в каналы. И защелкнул крышечки.

Так как при строительстве лестницы я торопился, то не маркировал провода под лестницей для ступенек. Самое время сделать это сейчас. Я распечатал на своем принтере для этикеток цифры от 1 до 20 на термоусадке:

Ну а потом уже все просто зачистил провода под лестницей, подключал по одной к блоку питания, смотрел какая ступенька светится и усаживал термоусадку с соответствующим номером.
В результате, на этом этапе у нас собраны все ступеньки и промаркированы провода под лестницей.
Учитывая потребление и яркость которая меня устроит — был приобретен блок питания Meanwell LRS-200.

Чтобы управлять светом ступенек требуется соответствующая плата. Насколько лет назад (очень давно) я описывал такую плату — там есть и схемы и прочее (некоторые не очень добросовестные конструкторы подсветок лестниц без ссылок на оригинал передрали оттуда все — это вообще демотивирует что либо писать), поэтому тут кратко. Спроектировал печатную плату на заданное количество каналов уделив внимания ширине питающих дорожек:


Заказал платы на JLPCB

Качество вполне норм.
Собираем устройство:

В качестве контроллера использовал atmega328p, Так как каналов более 16 — то потребовалось 2-е микросхемы TLC5940. Для питания логики используется компактный DC-DC преобразователь. Каждая ступенька подключается двумя проводами к винтовому клемнику. Питающие клемники взял на большой ток. Для удаленного управления состоянием устройства применяется либо сетевой проводной модуль на базе w5500 либо радиомодуль nrf24l01. На фото распаян именно разъем под проводной сетевой модуль так как именно так и планируется управлять устройством. Также на плате выведены свободные аналоговые и цифровые пины с возможностью подтяжки к питанию, для подключения датчиков и прочего.
Тестирование платы:


Собираем плату, блок питания и провода в металлический щиток под лестницей:

Ящик и дверцу ящика заземлил. На фото видно, что несколько НШВИ серого цвета, это как раз те провода сечением 0.75 мм2, о которых писал ранее. Я уже писал, что к датчикам протянул витую пару, так вот раз уж используется такой тип соединения то я сторонник использовать стандартные технологии для этого. Для подключения датчиков и прочего к устройствам была сделана вот такая плата:


Которая позволяет подключить до 4-х устройств по витой паре, предоставляя пины для коммутации стандартными проводками оконцованными dupont. Именно на этой платке я сразу подключил питание характерное для POE (бс и с — +, бк и к — -) и вынес питание на отдельную гребенку. На фото можно видеть что я использовал самодельные проводки с dupont разъемами — так как массово продающиеся в китае подходят только для прототипирования, быстро перестают держатся на пинах, а часто и просто отваливаются, к тому же очень плохо лудяться. Обжимал свои проводки вот этим инструментом.

Проводки от датчиков подписал по той же технологии как и провода ступеней. Также подписал сетевой кабель.
На платы прикрутил стойки, а потом капнул на каждую стойку суперклей и приложил к месту дислокации, держатся очень крепко и позволяют демонтировать при необходимости устройство.

В качестве датчиков использовал вот таких монстров:

Данный датчик может определять наличие предмета на расстоянии да 80 см (величина настраивается потенциометром), чего мне вполне достаточно. Помимо этого нам требуется определять уровень освещенности, для чего вполне подойдет фоторезистор.
Провода к датчикам я вывел в стандартные подрозетники над первой и последней ступенями. Обжимаем витую пару, оставляя хвостик:

Чтобы установить нестандартное устройство в подрозетник вполне подойдет заглушка, которая есть почти во всех сериях электроустановочных изделий.
И собираем наш датчик:


Как видно из фото, я для подключения датчиков также использовал стандартные для витой пары разъемы:


Но так как коммутация тут не требуется — то вместо пинов, впаял сразу провода.
Для фиксации и изоляции активно пользовался термоклеем


В качестве проводников использовал проводки из обрезков МКЭШ, по нему кстати есть нюанс, я тут случайно приобрел МКЭШ белорусского производства, и удивился отвратительному качеству кабеля, рекомендую кабель российского производства.
Каждый датчик был протестирован и откалиброван:

Места в подрозетнике вполне достаточно чтобы спрятать изнанку данных датчиков, вид после установки:

Перед установкой платы в металлический ящик, контроллер был прошит загрузчиком оптибут от проекта MiniCore.
Чтобы писать и отлаживать программу требовалось либо ходить под лестницу с ноутом и там шить, либо сделать альтернативное решение. Естественно, перспектива ходить под лестницу меня не устроила и я воспользовался проектом esp-link. Данный проект позволяет использовать esp8266 как удаленный uart порт.
Спаял платку, которая легко прицепляется к целевому устройству и позволяет его шить:

Про типовые проводки я писал, вот такого плана:

Мне они не нравятся и оптимальным для данного программатора решил использовать самодельные проводки в силиконовой изоляции, вот такие:

На голубом проводе сделанного устройства видим некую «грыжу» под термоусадкой, это конденсатор на 0.1 мкФ, а проводок идет к ко входу reset контроллера. На плате я его не предусмотрел — поэтому пришлось делать так. В качестве reset использовал 5-ый pin esp8266 задав его в интерфейсе:

Отдельно следует сказать про скорость, у меня стабильно и хорошо все шилось на скорости 19200 именно на нее все и настроил.

Вот теперь все готово к написанию программы:

Можно сидя за компьютером производить загрузку и отладку устройства, вот так выглядит консоль:


Переходим к программной части,
За 10 минут была написана простенькая программка чтобы проверить все ли хорошо подключено.


Разработку я веду в IDE Сlion:

Для данного проекта plaformio.ini выглядит таким образом:

[env:328p16m]
platform = atmelavr
board = 328p16m
framework = arduino
upload_speed = 19200
upload_port = COM1

А далее был долгий процесс создания кода для нашей лестницы.
Несколько нюансов:
1 у меня каналы платы не совпадают с пинами микросхем, поэтому сразу формируем массив структур описывающий реальные ступени
2 я хотел иметь возможность настраивать по сети ряд параметров моей лестницы, поэтому задействуем сеть и EEPROM.
3 мне совсем не подходит блокировка программы задержками delay
4 я хотел чтобы яркость менялась реалистично, а не по линейному закону

Для решения нюанса 3 я реализовал аналог крона со счетчиками времени, который в заданное время производит какое либо действие (измерение освещенности, очередной шаг изменения яркости ступени, начало процедуры гашения лестницы по таймауту и тп)

Для 4 мне помогла хорошая статья. Однако ступенек у меня 20 и градаций каждой много, расчет сложных формул на каждом такте был отвергнут и принято решение по заданным параметрам просчитать все возможные шаги, а потом просто использовать результаты расчетов. Конечно пришлось 200 байт отдать под данный кэш — но зато смена шагов стала очень быстрой.
Вот так идет заполнение массива яркостей:

    float R = ((NUM_STEPS - 1) * log10(2)) / (log10(CFG.maxBrightness));
    for (uint8_t i = 0; i < NUM_STEPS; i++) {
        steps[i] = pow(2, (i / R)) - 1;
        if (i == (NUM_STEPS - 1)) steps[i] = CFG.maxBrightness;
    }

Процедура включение на один шаг выглядит следующим образом:

void LoadControl::oneStepOn() {

    extern uint32_t currentTime;

    for (uint8_t i = 0; i < countL; i++) {
        // determination of the direction of enumeration of steps
        uint8_t index;
        if (direct == TO_UP) {
            index = i;
        } else if (direct == TO_DOWN) {
            index = countL - i - 1;
        }

        //changing the brightness of the steps
        if (L[index].step != (NUM_STEPS - 1)) {
            L[index].step++;
            if (L[index].pwm < steps[L[index].step]) {
                L[index].pwm = steps[L[index].step];
            }
        }

        // if new stage
        if (L[index].step < ON_NEXT_STEP) break;

        // last iteration and last step
        if (((i == (countL - 1))) && (L[index].step == (NUM_STEPS - 1))) {
            state = LIGHT_ON;
            timeLightOn = currentTime;
            DPRINTLN(F("on complete"));
        }
    }
    timeLastStep = currentTime;
    sync();
}

Независимо от направления отрабатывает один и тот же цикл, значения яркостей берутся из заранее посчитанного массива. Переход к следующей ступеньке осуществляется по достижению заданной ступенькой нужного количества шагов изменения яркости (ON_NEXT_STEP). Если последний порог яркости пройден для последней ступеньки — то лестница считается включенной и начинается отсчет времени к началу гашения ступеней.

Своеобразный крон выглядит вот так:

void controlTimers() {

    extern uint32_t currentTime;

    // getting new dark states
    static uint32_t darkStart = 0;
    if (darkStart == 0) darkStart = currentTime;
    if (currentTime - darkStart > CFG.intervalDarkControl) {
        DPRINT(F("ram: "));
        DPRINTLN(freeRam());
        SC.getDark();
        // set default light on/off if need
        if(LC.isDef() && !SC.enoughDarkness() && LC.isStateOff()){
            LC.defOff();
        }else if(!LC.isDef() && SC.enoughDarkness() && LC.isStateOff()){
            LC.defOn();
        }
        darkStart = currentTime;
    }

    // next step on/off light
    if (LC.isStateChanging()) {
        if (currentTime - LC.getTimeStep() > CFG.intervalStep) {
            if (LC.isStateChangingOn()) {
                LC.oneStepOn();
            } else if (LC.isStateChangingOff()) {
                LC.oneStepOff();
            }
        }
    }

    // light time control
    if (LC.isStateOn()) {
        if (currentTime - LC.getTimeOn() > CFG.intervalLighting) {
            DPRINTLN(F("off by timer"));
            LC.startShutdown();
        }
    }

    // sensor lock control
    uint32_t startLock = SC.getTimeLock();
    if (startLock) {
        if (currentTime - startLock > CFG.sensorTimeBarrier) {
            SC.unlock();
        }
    }

}

Функция обработки датчиков:

void logicSensors() {
    if (!SC.getTimeLock()) {
        for (uint8_t i = 0; i < SC.getCount(); i++) {
            // if the light is off, and it is dark enough and the sensor has tripped
            if ((LC.isStateOff() || LC.isStateChangingOff()) && SC.enoughDarkness() && SC.isChangeDown(i)) {
                DPRINTLN(F("sensor start light"));
                SC.lock();
                switch (i) {
                    case SensorControl::SENS_DOWN:
                        LC.setUp();
                        break;
                    case SensorControl::SENS_UP:
                        LC.setDown();
                        break;
                }
                break;

                // if the light is on, and it is dark enough and the sensor has tripped
            } else if (LC.isStateOn() && SC.enoughDarkness() && SC.isChangeDown(i)) {
                DPRINTLN(F("sensor update"));
                SC.lock();
                switch (i) {
                    case SensorControl::SENS_DOWN:
                        LC.updateDownTime();
                        break;
                    case SensorControl::SENS_UP:
                        LC.updateUpTime();
                        break;
                }
                break;
            }
        }
    }
}

Вот так выглядит включенная подсветка лестницы:

Так дежурный режим, со светящейся нижней ступенькой на низкой яркости:

Небольшое видео по работе подсветки:

Здесь по умолчанию подсвечиваются на малой яркости первая и последняя ступеньки каждого пролета.
Оставил в итоге так:

Веб интерфейс на текущем этапе очень простой:


Позволяет увидеть количество свободной памяти, принудительно включить или выключить подсветку.
Кроме того можно менять такие параметры как:
Максимальная яркость ступеней
Яркость начальных ступеней
Время смены одного шага (влияет на скорость включения и выключения)
Время включенного состояния
Время блокировки сенсоров после начального включения
Период проверки освещенности
Барьер темноты — после которого включается подсветка
Таймаут сети — чтобы отрубать неактивные сессии

В программе включен ватчдог — позволяющий распознать зависания и перезагрузить контроллер. Собственно основные функции проекта выглядят так:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// init
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void setup() {
#ifdef DEBUG
    Serial.begin(19200);
    DPRINTLN(F("start"));
#endif
    // read config from EEPROM
    getConfig();
    // network init
    curNet.init();
    // init sensors
    SC.init();
    // init loads
    LC.init();
    // start watchdog
    wdt_enable(WDTO_8S);
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// main loop
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void loop() {
    // update watchdog
    wdt_reset();
    // set global current time
    currentTime = millis();
    // cron control
    controlTimers();
    // sensors actions
    logicSensors();
    // sensors control
    SC.check();
    if (!LC.isStateChanging()) {
        EthernetClient client = curNet.getClient();
        if (client) {
            curNet.processing(client);
            logicRequest();
            curNet.route(client);
        }
        curNet.control();
    }
}

На этом заканчиваю. Спасибо тем кто дочитал до конца, надеюсь кому-то информация окажется полезной! Если заинтересует, то опишу еще несколько своих проектов.