DIY: Power Adapter para NXT/EV3

As experiências com o ev3dev saíram-me caras em pilhas. Como a porta USB é 1.1 e o processador é cerca de 4x mais lento que o do Raspberry Pi, uma operação simples de actualização como

apt-get update
apt-get dist-upgrade

pode demorar uma hora (a primeira vez demorou bem mais, tantos foram os pacotes actualizados). E mesmo com as melhores pilhas já é uma sorte se conseguir que durem 4 horas.

O Philo (Philippe “Philo”Hurbain) tem no seu site duas soluções diferentes:

A primeira solução, mais “limpa”, consiste em refazer uma tampa para o brick Mindstorms com uma ficha para um regulador DC externo. A segunda solução, mais fácil, consiste em criar duas pilhas falsas por onde se estabelece a ligação ao regulador DC externo.

Optei por fazer algo semelhante às pilhas falsas mas sem enveredar pelo método do Philo de destruir uma pilha para aproveitar os contactos (demasiados químicos envolvidos e poucas ferramentas disponíveis). Além disso uma outra pesquisa fez-me concluir poder subsitituir uma das pilha falsas por uma simples garra:

Dexter Industries User Manual Wiki: dSolar
Dexter Industries User Manual Wiki: dSolar

O Philo usa um bastão de cola (para pistolas de colagem a quente) mas eu preferi usar do Polymorph que tenho à disposição. E depois de uma expedição de reconhecimento a um armazém chinês optei por usar um rebite para o contacto positivo da pilha (€0,75 um pacote de 6). Uma ficha para o regulador DC, uma garra e fio eléctrico completam a lista de material:

Com um alicate puxei para fora a cabeça do rebite:

Montei a cabeça ao contrário, ligeiramente saída:

Soldei a cabeça em ambos os extremos e dobrei o rebite:

Depois envolvi o rebite em Polyflex moldando mais ou menos da dimensão de uma pilha e tendo o cuidado de não tapar a cabeça do rebite que fará de contacto:

Depois foi só soldar os fios e a garra (falta isolar com fita isoladora ou manga termoretráctil, fica para depois)

Antes de arriscar queimar um Mindstorms testei o funcionamento «em vazio» com um regulador DC da Hama comprado na Mediamarkt:

É um valor um pouco baixo (6 pilhas AA em vazio fornecem entre 9.0 e 10.0 Volt) mas ainda assim superior aos 7.2 V de uma bateria Li-Ion. Talvez o EV3 aceite o valor acima do regulador (12.0 V) mas é um risco parvo que não vou correr [talvez mais tarde, com 3 díodos em série para abater 2.1 V como fiz na caixa de música LEGO]

A pilha falsa encaixa bem, assim como a garra:

Agora é só ligar:

It works!

Estas e algumas fotos mais no meu espaço Brickshelf.

ev3dev – controlando motores

A utilização básica do LEGO Mindstorms EV3 com ev3dev fica completa com a utilização de motores.

Ligando um motor (45503 EV3 Medium Servo Motor) na ficha A, o sistema operativo acusa o evento:

root@ev3dev:~# dmesg
(...)
tacho-motor tacho-motor0: Tacho motor registered.
ev3-tacho-motor outA:motor: A Tacho Motor connected to port outA gpio 91 irq 192

Uma vez mais é necessário consultar a wiki do projecto ev3dev para entender como aceder aos motores. Estes também são mapeados pelo sistema operativo, desta vez em “/sys/bus/legoev3/devices/” e em ” /sys/class/tacho-motor/”:

root@ev3dev:~# ls /sys/bus/legoev3/devices/
in2  in3  in4  outA  outA:motor  outB  outC  outD
root@ev3dev:~# ls /sys/class/tacho-motor/
tacho-motor0
root@ev3dev:~# ls /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0
device           port_name      pulses_per_second     reset        speed_regulation_K  subsystem
duty_cycle     position       pulses_per_second_sp  run            speed_regulation_P  time_sp
duty_cycle_sp  position_mode  ramp_down_sp        run_mode        state            type
estop           position_sp    ramp_up_sp        speed_regulation_D    stop_mode        uevent
polarity_mode  power          regulation_mode        speed_regulation_I    stop_modes

Muito informação para processar mas para começar podemos confirmar apenas o tipo de motor:

root@ev3dev:~# cat /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/type
minitacho

Os motores Mindstorms são inicializados no modo “run forever”, podemos também confirmar isso:

root@ev3dev:~# cat /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/run_mode
forever

Neste modo podemos controlar o motor controlando 2 parâmetros:

  • /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/duty_cycle_sp
  • /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/run

o shell script abaixo faz o motor rodar 5 segundos num sentido e 5 segundos no sentido inverso, com um duty factor de 50%:

 #!/bin/bash
 echo   0 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/duty_cycle_sp
 echo   1 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/run
 echo   50 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/duty_cycle_sp
 sleep 5s
 echo   0 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/duty_cycle_sp
 sleep 1s
 echo   -50 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/duty_cycle_sp
 sleep 5s
 echo   0 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/duty_cycle_sp
 echo   0 > /sys/class/tacho-motor/tacho-motor0/run

 

 

ev3dev – lendo sensores

Começar a trabalhar com sensores Mindstorms, mais concretamente Touch Sensores. Tenho duas versões: NXT e EV3.

Adicionei touch sensor (NXT) no porto #2. O sistema operativo detecta o acontecimento:

root@ev3dev:~# dmesg
...
msensor sensor0: Mindstorms sensor registered.
touch-sensor in2:nxt-analog-sensor: Touch sensor connected to port in2

Alguma informação útil na wiki do projecto ev3dev:

De acordo com a wiki, os sensores Mindstorms são mapeados em “/sys/class/msensor”:

root@ev3dev:~# ls /sys/class/msensor
 sensor0

Confirma-se a presença de um sensor “sensor0”. Que podemos saber acerca dele?

root@ev3dev:~# ls /sys/class/msensor/sensor0
 bin_data     dp    num_values  subsystem  units   value2  value5
 bin_data_format  mode    port_name   type_id    value0  value3  value6
 device         modes    power        uevent     value1  value4  value7

Muita informação, alguma apenas genérica. Fiquemos por “mode” e “value0”:

root@ev3dev:~# cat /sys/class/msensor/sensor0/mode
 TOUCH

Sim, é um Touch Sensor. E como saber o estado?

root@ev3dev:~# cat /sys/class/msensor/sensor0/value0
 0

O sensor estava em repouso. Vamos repetir enquanto premimos o sensor:

root@ev3dev:~# cat /sys/class/msensor/sensor0/value0
 1

Então e se trocarmos por um sensor EV3?

root@ev3dev:~# dmesg
 ...
 msensor sensor0: Mindstorms sensor unregistered.
 msensor sensor1: Mindstorms sensor registered.
 touch-sensor in2:ev3-analog-sensor: Touch sensor connected to port in2

E qual é o device?

root@ev3dev:~# ls /sys/class/msensor/
 sensor1

Agora é ‘sensor1’ em vez de ‘sensor0’. Talvez a troca tenha sido demasiado rápida ou talvez o sistema operativo nunca liberte os mapeamentos efectuados [até ao próximo boot].

A informação disponível é semelhante:

root@ev3dev:~# ls /sys/class/msensor/sensor1
 bin_data     dp    num_values  subsystem  units   value2  value5
 bin_data_format  mode    port_name   type_id    value0  value3  value6
 device         modes    power        uevent     value1  value4  value7
root@ev3dev:~# cat /sys/class/msensor/sensor1/mode
 TOUCH

E a leitura do estado do sensor funciona da mesma maneira através de ‘value0’.

Este forma do sistema operativo mapear todos os dispositivos no file system dá-nos uma enorme flexibilidade – todas as linguagens de programação permitem aceder a ficheiros… até a própria shell! Eis shell script que se limita a esperar que o sensor seja premido:

#!/bin/bash
 BOTAO=0
 while [ $BOTAO -ne "1" ]; do
 BOTAO=$(cat /sys/class/msensor/sensor0/value0)
 done
 echo "Ouch!" > /dev/tty0

se o ficheiro contendo este script se chamar ’touch.sh’ e tiver permissões de execução podemos invocá-lo directamente da linha de comando:

root@ev3dev:~# chmod +x touch.sh
root@ev3dev:~# ./touch.sh

ou de dentro de outros scripts.

Nota: usei aqui ‘sensor0’, assumo que há apenas um sensor e excepto na situação acima em que retirei um sensor e adicionei outro que por isso ficou ‘sensor1’, será sempre ‘sensor0’.

ev3dev – usando o LCD do EV3

Usando o ev3dev há duas formas de aceder ao LCD do LEGO Mindstorms EV3:

  • modo de texto: terminal via /dev/tty0
  • modo gráfico: framebuffer via /dev/fb0

Ambos os modos estão ainda a sofrer desenvolvimentos mas o segundo modo é seguramente o mais complexo pelo que fico-me por enquanto só pelo modo de texto.

Assim para escrever qualquer coisa basta por exemplo redireccionar o comando echo para /dev/tty0:

echo "Hello world!" > /dev/tty0

Já é qualquer coisa mas para limpar o ecran sem ter de enviar vários “echo” existem formas melhores. Sendo um terminal tty convencional, a maioria dos comandos para terminal devem funcionar (inclusive algumas sequencias de escape). Experimentei o tput:

Para limpar o ecran:

tput clear > /dev/tty0

Para posicionar o cursor:

tput cup linha coluna > /dev/tty0

(tput cup 0 0 envia para o canto superior esquerdo e já agora com tput cols ficamos a saber que o LCD tem 44 colunas)

Para escrever branco sobre negro:

tput smso > /dev/tty0

Para voltar ao negro sobre branco:

tput rmso > /dev/tty0

Muito bem, já escrevo o que quiser em qualquer lado do ecran… mas a fonte é tão pequena que só com uma lupa é que se lê. Como aumentar o texto?

A primeira hipótese que me ocorreu foi instalar o figlet que usa caracteres ASCII para fingir fontes maiores:

apt-get install figlet
figlet -f banner "Teste" > /dev/tty0
figlet -f big "Teste" > /dev/tty0

teste01mas é uma forma um bocado coxa. O melhor mesmo é poder trocar o tamanho dos caracteres e para isso existe o comando “setfont” que felizmente já existe no ev3dev e disponibiliza umas quantas fontes em “/usr/share/consolefonts/”, vejamos só quantas há na variante Lat15 (que serve à maioria das linguas ocidentais incluindo a nossa):

root@ev3dev:~# ls /usr/share/consolefonts/Lat15*
/usr/share/consolefonts/Lat15-Fixed13.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Fixed14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Fixed15.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Fixed16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Fixed18.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus12x6.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus20x10.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus22x11.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus24x12.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus28x14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-Terminus32x16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold20x10.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold22x11.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold24x12.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold28x14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBold32x16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBoldVGA14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TerminusBoldVGA16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-TomThumb4x6.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-VGA14.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-VGA16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-VGA28x16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-VGA32x16.psf.gz
/usr/share/consolefonts/Lat15-VGA8.psf.gz

Bold e 32×16 parece-me bem por isso:

tput clear > /dev/tty0
setfont /usr/share/consolefonts/Lat7-TerminusBold32x16.psf.gz
echo "Hello World" > /dev/tty0

helloworldOs 11 caracteres de “Hello World” encheram uma linha (onde antes, com a fonte default, cabiam 44). Pelo menos já não é precisa a lupa.

ev3dev com USB Hub e USB Audio

Depois de ter Wi-Fi decidi testar mais alguns dispositivos USB que uso com o Raspberry Pi.

Para começar, uma vez que o EV3 apenas tem uma porta USB, imprescindível um hub, de preferência pequeno:

Hub KUNFT 4 Portas USB 2.0 H-088 (na Worten por €6,99)

Com o EV3 ainda desligado liguei-o e a ele o dongle Wi-Fi (ThePiHut).

Da primeira vez não obteve rede, não sei se não esperei tempo suficiente. Retirei o hub, liguei novamente (sem o dongle Wi-Fi) esperei um pouco e depois liguei o dongle e desta vez obtive rede. E a partir daqui cada boot/reboot com tudo ligado funcionou sempre bem.

root@ev3dev:~# lsusb
(...)
Bus 001 Device 002: ID 05e3:0608 Genesys Logic, Inc. USB-2.0 4-Port HUB

Agora o audio:

[Nota: o EV3 já tem uma placa de audio interna, suportada pelo ALSA, e um altifalante interno também. Mas tanto quanto percebi funciona de modo semelhante ao jack audio do Raspberry Pi, por PWM, consumindo CPU… além de ser mono e não permitir ligação externa a um amplificador]

DIY USB to Audio Module for Raspberry PI / Arduino / MAC / PC + More – Green (SKU 315287 na DX – DealExtreme, US$10.88)

root@ev3dev:~# dmesg
(...)
input: Burr-Brown from TI               USB Audio DAC    as /devices/platform/ohci.0/usb1/1-1/1-1.4/1-1.4:1.2/0003:08BB:2704.0001/input/input2
hid-generic 0003:08BB:2704.0001: input: USB HID v1.00 Device [Burr-Brown from TI USB Audio DAC   ] on usb-ohci.0-1.4/input2
(...)
root@ev3dev:~# lsusb
(...)
Bus 001 Device 004: ID 08bb:2704 Texas Instruments Audio Codec
(...)

O ALSA reconhece de imediato a nova placa de som:

root@ev3dev:~# aplay -l
**** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
card 0: legoev3 [LEGO Mindstorms EV3 speaker], device 0: LEGO Mindstorms EV3 [LEGO Mindstorms EV3]
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
card 1: DAC [USB Audio DAC], device 0: USB Audio [USB Audio]
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0
root@ev3dev:~# alsamixer
┌───────────────────────────── AlsaMixer v1.0.28 ──────────────────────────────┐
│ Card: LEGO Mindstorms EV3 speaker                    F1:  Help               │
│ Chip:                                                F2:  System information │
│ View: F3:[Playback] F4: Capture  F5: All             F6:  Select sound card  │
│ Item: Playback                                       Esc: Exit               │
│                                                                              │
│                                     ┌──┐                                     │
│                                     │  │                                     │
│                                     │  │                                     │
│                       ┌───────── Sound Card ─────────┐                       │
│                       │-  (default)                  │                       │
│                       │0  LEGO Mindstorms EV3 speaker│                       │
│                       │1  USB Audio DAC              │                       │
│                       │   enter device name...       │                       │
│                       └──────────────────────────────┘                       │
│                                     │▒▒│                                     │
│                                     │▒▒│                                     │
│                                     │▒▒│                                     │
│                                     │▒▒│                                     │
│                                     └──┘                                     │
│                                      75                                      │
│                                  <Playback>                                  │
│                                                                              │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

E para tocar um ficheiro mp3 (previamente trasnferido por ssh):

root@ev3dev:~# apt-get install mpg321
root@ev3dev:~# mpg321 -a hw:1,0 Thunderstruck.mp3

Rock’n Roll!!!

Durante a execução o mpg321 consome entre 22 a 25% de CPU. É um bocado alto (quando se utiliza a rede em simultâneo, por exemplo um update, ocorrem soluços) e como dizem que o SoX consome menos CPU…

root@ev3dev:~# apt-get install sox libsox-fmt-all
root@ev3dev:~# export AUDIODEV=hw:1,0
root@ev3dev:~# play Thunderstruck.mp3

Durante a execução o play consome  20 a 22% de CPU, apenas marginalmente melhor.
Mas como SoX permite vários formatos (wav, ogg…) permite o redireccionamento (pipe) de outros comandos como o espeak:

root@ev3dev:~# espeak -v pt-pt “olá” –stdout | play -t wav –

E temos o nosso EV3 a falar português 🙂

EV3 wireless com ev3dev

Depois de instalar a última versão do ev3dev (ev3dev-jessie-2014-07-12) experimentei ligar 2 dos dongles Wi-FI que uso com o Raspberry Pi:

  • ThePiHut
  • Wi-Pi

Para o kernel são o mesmo dispositivo:

root@ev3dev:~#lsusb
ID 148f:5370 Ralink Technology, Corp. RT5370 Wireless Adapter

Mas não foram carregados nenhuns drivers por isso actualizei:

root@ev3dev:~#apt-get update
root@ev3dev:~#apt-get upgrade
root@ev3dev:~#apt-get dist-upgrade
root@ev3dev:~#reboot

Agora o Debian já tem os drivers:

root@ev3dev:~#dmesg
(...)
usbcore: registered new interface driver rt2800usb
(...

mas surge uma outra mensagem sobre não carregar o firmware por isso

root@ev3dev:~#dmesg
apt-get install firmware-ralink
ieee80211 phy1: rt2x00_set_rt: Info - RT chipset 5390, rev 0502 detected
ieee80211 phy1: rt2x00_set_rf: Info - RF chipset 5370 detected
ieee80211 phy1: Selected rate control algorithm 'minstrel_ht'
ieee80211 phy1: rt2x00lib_request_firmware: Info - Loading firmware file 'rt2870.bin'
ieee80211 phy1: rt2x00lib_request_firmware: Info - Firmware detected - version: 0.29

E para a ligação wireless, à semelhança do Raspbian no Pi, editei o ficheiro ‘interfaces’:

root@ev3dev:~#nano /etc/network/interfaces
# interfaces(5) file used by ifup(8) and ifdown(8)
# Include files from /etc/network/interfaces.d:
source-directory /etc/network/interfaces.d

### acrescentar as linhas abaixo ###
auto lo
iface lo inet loopback
allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet dhcp
   wpa-ssid "WI-Fi SID"
   wpa-psk "Wi-Fi Password"

iface default inet dhcp

Confirma-se:

root@ev3dev:~#ifconfig
wlan0     Link encap:Ethernet  HWaddr 00:0f:55:a8:ac:0a  
          inet addr:192.168.1.69  Bcast:192.168.1.255  Mask:255.255.255.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:11 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:5 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:1447 (1.4 KiB)  TX bytes:1074 (1.0 KiB)

Só não percebo porque motivo só funciona um dos dongles (o ThePiHut) quando aparentam ser iguais. Talvez o firmware não o seja completamente.

 

EV3MP3 – Um MP3 Player em LEGO

Encontrei quase por total acaso um projecto muito interessante: ev3dev.

Trata-se de uma versão de Debian para o LEGO Mindstorms EV3. Não há qualquer alteração ao firmware do EV3 – o bootloader do EV3 arranca a imagem do ev3dev instalada num cartão micro-SD.

Alguras horas depois de começar (a maior parte delas apenas a fazer actualizações de sistema já que o EV3 é cerca de 4x mais lento que um Raspberry Pi e como a versão do chipset USB é apenas 1.1 por a ligação Wi-Fi nunca fará mais que 11 mbps) descobri que o ev3dev se dá muito bem com muito do hardware que utilizo com o Raspberry Pi, nomeadamente:

  • Hub USB
  • ThePiHut Wi-Fi USB card
  • Audio USB card

Com meia duzia de linhas temos um shell script que nos saúda num português macarrónico e toca uma música em formato MP3 após ser premido um touch sensor:

#!/bin/bash

# play deve usar USB sound card
export AUDIODEV=hw:1,0

# saudar utilizador

tput clear > /dev/tty0
figlet -f small "Carregue" > /dev/tty0
figlet -f small "para" > /dev/tty0
figlet -f small "ouvir" > /dev/tty0
figlet -f small "musica" > /dev/tty0

espeak -v pt-pt "olá  queres ouvir uma música?" --stdout | play -t wav -

BOTAO=0
while [ $BOTAO -ne "1" ]; do
  BOTAO=$(cat /sys/class/msensor/sensor0/value0)
done

tput clear > /dev/tty0
figlet -f small "No ar:" > /dev/tty0
figlet -f mini "Highway To Hell" > /dev/tty0
figlet -f small "(AC/DC)" > /dev/tty0

mpg321 -a hw:1,0 HighwayToHell.mp3 -g 20

tput clear > /dev/tty0

Para quem tmabém possa estar interessado, após os updates de sistema a versão do kernel é a 3.14.7:

root@ev3dev:~# uname -a
Linux ev3dev 3.14.7-2-ev3dev-pre1 #2 PREEMPT Tue Jul 15 22:29:55 CDT 2014 armv5tejl GNU/Linux

e o htop diz que estou a usar 25 dos 57 MB de RAM disponíveis além de 7 dos 63 MB de swap.

O processador é reconhecido como um ARM926EJ-S rev 5 (v5l):

root@ev3dev:~# cat /proc/cpuinfo
processor    : 0
model name    : ARM926EJ-S rev 5 (v5l)
Features    : swp half thumb fastmult edsp java
CPU implementer    : 0x41
CPU architecture: 5TEJ
CPU variant    : 0x0
CPU part    : 0x926
CPU revision    : 5

Hardware    : LEGO MINDSTORMS EV3 Programmable Brick
Revision    : 0000
Serial        : 0000000000000000

 

SmartBrick – em breve num LEGO perto de si

A campanha KickStarter atingiu o primeiro objectivo, 7 dias antes da deadline e posso orgulhar-me de ter dado o meu contributo. Espero poder ajudar ainda mais nos próximos meses, vamos a ver.

To everyone who has made this possible,

We want to thank you from the bottom of our hearts for all the help you have given us over the last three weeks. All the support you have given has led this project to success. We know the hard part only begins now, as we have just placed our order for the first shipment of BLE chips 🙂

We want to thank you for the all the work you have put into spreading the news about the project. You are responsible for the wonderful karma that has been with us all along the way!

Dear Friends,  and we think we can call you that by now, we have worked really hard over the last 8 months in building SBrick for you. Now that we have reached our funding goal, our common dream will become a reality,  and you will be there with us to enjoy all the fun that this project will bring!

Thank you again for all your support, and keep on supporting the SBrick!

Estou ansioso por poder testar um bichinho destes com o Raspberry Pi e com o LEGO Mindstorms EV3. Acho que é desta que vou aprender a programar decentemente em Python 😉

Crowdfunding: SmartBrick

Decidi apoiar um novo projecto de crowdfunding: SmartBrick.

Basicamente um bloco WeDO mais poderoso e sem o cabo USB, apenas Bluetooth.

Para quem estiver interessado, o site do produto e da empresa-mãe, a Vengit.

[actualização de 28 de Julho]

O projecto tem o apoio de figuras como o Philo e o Sariel. Este último participou numa review de um protótipo:

[adição de 6 de Agosto]

O conhecido Nico71 também participou numa review:

 

 

Caixa de música LEGO

This post is part 1 of 2 of  Caixa de Música LEGO

Esta caixa de música foi a minha prenda de aniversário para a minha marida:

A feliz proprietária abre uma pequena painel lateral para ligar a Caixa e enquanto esta «aquece» (≈25 s) levanta o painel superior, retira a «bailarina» do «guarda-jóias» e insere-a no local apropriado. Por essa altura já a Caixa está pronta para ser usada sendo ouvido um «tcham!» indicador de que já se pode carregar no botão dissimulado dentro do «guarda-jóias» para activar a música e a «bailarina».

No coração da montagem está um Raspberry Pi que lê o botão e acciona o motor enquanto  toca uma música, armazenada em formato MP3. Opcional (mas útil) uma ligação Wi-Fi permite acesso remoto para controlo, despiste ou apenas actualização da música.

Componentes:

  • controlador: Raspberry Pi
  • módulo GPIO: PiFace Digital
  • cartão SD: de 4 GB ou mais
  • (opcional) adaptador micro-SD low profile
  • adaptador áudio USB
  • micro-altifalantes: 50 Ω
  • auscultadores velhos
  • adaptador Wi-Fi USB
  • extensão USB
  • bateria: LEGO Power Functions Rechargeable Battery Box
    (84599)
  • 3 díodos 1N4001 ou semelhantes
  • motor: LEGO Power Functions Medium Motor (8883)
  • botão: LEGO Touch Sensor (879)
  • cabos eléctricos LEGO canibalizados
  • peças, muitas peças LEGO

O controlador: Raspberry Pi

Em abono da verdade, o Raspberry Pi deveria ser “model A” em vez de “model B” mas [ainda] não tenho nenhum. Como o “model A” não tem interface de rede e tem apenas metade da RAM (256 MB em vez de 512 MB) e metade das portas USB (1 em vez de 2) o consumo eléctrico é bastante menor (este artigo refere 115 mA contra 400 mA).

O módulo GPIO: PiFace Digital

O PiFace Digital também não é essencial – apenas utilizo uma entrada e uma saída pelo que é quase um desperdicio (o PiFace tem 8 saídas e 8 entradas e além disso 2 relés e 4 teclas). A grande vantagem é simplficar duas ligações sem ocupar muito espaço:

  • o motor LEGO é ligado directamente a uma das saídas (sem o PiFace teria de usar um transistor e uma resistência)
  • a bateria a LEGO é ligada directamente ao PiFace que por sua vez alimenta o Raspberry Pi (sem o PiFace teria de injectar a alimentação através da ligação micro-USB do Raspberry Pi e não tenho nenhum adaptador que o permita)

O cartão SD

O cartão SD de 4 GB permite instalar o sistema operativo Raspbian (uma versão de Debian adaptada para o Raspberry Pi com o qual me sinto confortável após vários anos com Ubuntu Linux). O ideal seria um cartão rápido para que o tempo de arranque da Caixa de Música fosse curto. Mas “rápido” é algo relativo e não notei grandes diferenças entre os vários cartões classe 4 e classe 10 (inclusive UHS-I) que experimentei.

O adaptador micro-SD

Uma opção (que foi encomendada mas infelizmente não chegou a tempo) seria um adaptador para formato micro-SD que quase não se prolonga para fora do slot do Raspberry Pi e permitiria ganhar alguns cm² de espaço útil na montagem da Caixa. Fica para uma próxima revisão.

O adaptador áudio USB e os micro-altifalantes

O adaptador áudio USB (semelhante a este mas sem cabo) foi fruto de várias tentativas-e-erros. O Raspberry Pi tem uma saída áudio (ficha standard para jack de 3,5 mm stereo) mas a impedância de saída é alta e o sinal muito fraco – essencialmente serve apenas para auscultadores ou eventualmente um amplificador aúdio. Além disso a fidelidade não é muito alta (salvo erro o sinal é gerado por PWM tendo mais ou menos 12 bit de resolução) mas ainda assim seria suficiente para o fim pretendido.

Infelizmente as primeiras experiências com micro-altifalantes de 8 Ω foram frustrantes, o volume era muito reduzido. Experimentei depois umas micro-colunas amplificadas (com alimentação USB) e o som era excelente… mas só quando alimentadas por uma ligação USB independente – quando alimentadas pelo Raspberry Pi captavam (e amplificavam!) interferências e o som tinha um ruído de fundo insuportável. Aparentemente o Raspberry Pi gera demasiado ruído eléctrico (no ar ou na massa) para poder utilizar um amplificador que partilhe a mesma alimentação. Talvez umas colunas semelhantes mas com ligação Bluetooth contornem o problema, um dia pode ser que experimente.

Entretanto encontrei uns micro-altifalantes de 50 Ω que sempre ofereciam um som um pouco mais alto mas ainda insatisfatório – apesar da melhor adaptação de impedâncias,o sinal é demasiado fraco. Por isso decidi experimentar um adaptador áudio USB que tinha algures na caixa de spares, ainda suficientemente pequeno para com algum jeito caber na caixa. Com os micro-altifalantes de 50 Ω o resultado foi finalmente satisfatório (com as colunas USB o resultado continuava a ser ruidoso, apesar de o perfil do ruído ser bastante diferente).

Os altifalantes não trazem nenhum cabo, Aproveitei uns auscultadores velhos (deu jeito terem um jack em cotovelo), cortei o cabo para não ficar tão longo, soldei as pontas aos altifalantes e reforcei a zona da soldadura com cola para evitar que algum gesto mais brusco arrancasse os cabos ou mesmo a solda. Colei também um tile redondo (4150) a cada altifalante para facilitar a fixação a outras peças LEGO (“Release the kragle!”).

O adaptador Wi-Fi USB

O adaptador Wi-Fi USB foi precioso na fase de desenvolvimento: em vez de ligar o Raspberry Pi a um monitor e a um teclado, configuro o sistema operativo para ligar-se à minha rede Wi-Fi e acedo remotamente por SSH (“PuTTY” para os que só usam Windows). No final deixa de ser necessário e se o remover até se poupam alguns mA de consumo mas preferi deixar ficar – se quiser alterar a música, mudar o programa ou acrescentar funcionalidades não preciso desmontar a Caixa para retirar o cartão SD (uma funcionalidade que me ocorre é usar como fonte de audio uma Internet Radio ou um Media Center doméstico em vez de um ficheiro local).

Convém um adaptador Wi-Fi de pequenas dimensões (mas que seja reconhecido pelo sistema operativo). O DWA-131 da D-Link é pequeno mas vem a caminho um ainda menor.

A extensão USB

A extensão USB surgiu devido ao tamanho escolhido para a Caixa que não permitia ter o adaptador áudio ligado directamente ao Raspberry Pi. Um cabo USB curto poderia fazer o mesmo efeito mas gostei da extensão, o enrolamento encaixou bem no espaço disponível e o cabo é bastante fino e flexível. Estou a considerar como alternativa um adaptador «em cotovelo» (ou mesmo dois, encadeados), logo se vê.

A bateria e os díodos

A bateria começou por não ser LEGO: queria que a Caixa se ligasse automaticamente quando a tampa fosse aberta por isso montei um pequeno microswitch junto à tampa, ligado (“N.O. – normally open”) a um pack de 4 pilhas AA com um díodo 1N4001 em série (as 4 pilhas AA, alcalinas, fornecem cerca de 6.0 V que o díodo reduz para cerca de 5.3). Infelizmente no dia do aniversário o microswitch partiu-se e apercebi-me que trocar as pilhas quando estivessem gastas ia ser complicado por isso decidi usar uma bateria LEGO Power Functions Li-Po (8878) que é compacta e permite ser recarregada. Só que como não consegui uma forma simples de accionar o botão desta com a abertura da Caixa acabei por fazer uma porta lateral, pequena e discreta, que dá acesso ao botão e à ficha para ligar o carregador externo.

Como a bateria 8878 fornece 7.4 V em vez de 6.0 V utilizei 3 díodos 1N4002 (era o que tinha, qualquer um da famíla server) em série para reduzir a tensão para cerca de 5.3 V. Cortei um cabo Power Functions a meio, aproveitei a metade com a ficha cinza-escura e descarnei os condutores exteriores – com um multímetro identifiquei o positivo (ao qual soldei os 3 díodos) e o negativo. Isolei o conjunto com adesivo isolador e liguei aos terminais de alimentação do PiFace Digital:

Nota: é possível dispensar os díodos e usar os condutores interiores em vez dos exteriores. Nesse caso, com o múltimetro, mede-se a tensão de saída enquanto com um eixo Technic se roda o «controlo de velocidade» laranja que vem na bateria até obtermos algo próximo dos 5.2 V. Mas é imperioso que NUNCA ninguém mexa nesse controlo pois valores superiores a 5.5 V ou negativos convertem o Raspberry Pi e o PiFace Digital num pisa-papéis original e caro.

O motor

O primeiro motor LEGO que utilizei foi um micromotor (2986), a minha preocupação nessa altura era apenas com o espaço disponível. A ligação aos terminais do PiFace Digital é feita com a ajuda de metade de um cabo eléctrico LEGO Technic (a outra metade também é aproveitada para ligar o botão) bastando descarnar as pontas e apertar os parafusos. Como as saídas do PiFace são Open Collector o micromotor não chega a receber sequer 5 V e por isso roda suficientemente devagar para dispensar engrenagens – coloquei a minifig que vai servir de «bailarina» directamente sobre o eixo. Mas o motor é barulhento e as formas trapalhonas que arranjei para o montar deixaram-me a pensar que se calhar não poupava assim tanto espaço quanto isso.

O segundo motor LEGO que utilizei foi um “M” (8883). Roda bastante mais rápido por isso foi necessário um par de engrenagens para reduzir 1:24 (fui buscar inspiração ao livro da No Starch Press  “The LEGO Technic Idea Book: Simple Machines” do Mestre Yoshihito Isogawa). Ocupa mais espaço que a opção anterior mas apenas horizontalmente, lá consegui encaixar. Infelimente é também muito barulhento. A ligação é feita com metade de um cabo Power Functions, à semelhança do que foi feito com a bateria.

Já depois de montada a Caixa descobri no fórum Eurobricks que o motor era bastante menos ruidoso e lembrei-me que tinha 1 (um!) algures. A troca foi quase directa e confirma-se: é muito menos ruídoso, já não abafa a música.

Nota: estou a controlar o motor de uma forma muito simples: quando a música começa a tocar a porta de saída do PiFace que controla o motor é activada e só quando a música pára é que é desactivada. Se me esforçar um pouco na programação talvez consiga activar a porta apenas por períodos de 1 ms em cada 24 ms (controlo PWM) e nesse caso dispensar a engrenagem e provavelmente reduzir um pouco no ruído e no consumo eléctrico.

O botão

Finalmente o botão que controla a música e a «bailarina» consiste num sensor de toque da família Mindstorms RCX, ligado directamente a uma das portas de entrada do PiFace Digital por intermédio da outra metade de cabo eléctrico LEGO Technic que sobrou anteriormente.

As peças LEGO

Pois… foram muitas e ainda não as contabilizei. Mas quase todas pretas e algumas cinzentas. Porque «eu só uso preto… e às vezes cinzento mas muito escuro» (mentira… usei azuis também, para fixar os componentes não-LEGO – como estão por dentro ninguém vê).

A montagem

Começando de baixo:

A base

A base da Caixa é uma peça única, um brick 12×24 preto (30072). A toda a volta desta peça ergui paredes com a espessura de 1 stud – as paredes menores à custa de bricks lisos pretos porque vão ficar expostas, já as paredes maiores não precisam ser lisas nem sequer pretas porque vão ser revestidas cada uma com outro brick 12×24 também preto; optei por bricks Technic onde posso ligar pinos Technic (2780)  para encaixar facilmente as paredes exteriores. Em alguns níveis utilizei cantos 2×2 (2357)

Coloquei o Raspberry Pi (já com o Piface Digital encaixado) e toda a parafernália não-LEGO associada por cima e sei peças azuis para fixar a posição destes dentro da Caixa.

Uma das paredes menores não é completamente sólida – é necessária uma abertura para acesso ao botão de ligar/desligar da bateria e à ficha onde encaixa o recarregador. Montei uma portinhola com um pequeno puxador.

Como o cartão SD sai ligeiramente mais que 2 studs para fora do Raspberry Pi (ainda não chegou o adaptador low profile) coloquei duas camadas de plates em torno deste para sustentar a bateria por cima do cartão.

O piso intermédio

Por cima da electrónica monto uma plataforma para sustentar a componente mecânica e simultâneamente servir de fundo ao «guarda-jóias» e dar firmeza à protilnhola:

Por cima da plataforma ergo mais paredes – as duas menores exteriores já completamente sólidas/lisas enquanto que as outras duas exteriores permancem Tecnhic e agora uma parede interior do «guarda-jóias» que aloja o botão de comando:

O telhado

Por cima das componentes mecânicas é montado um telhado revestido de tiles pretos, assim como o topo das paredes envolventes do «guarda-jóias»:

Este telhado tem 3 plates de espessura, sendo colocado um disco Technic 3×3 (2958) na camada intermédia, sem nenhum tile por cima nem e um plate Technic 2×8 (3738) por baixo de modo a ser atravessado por um eixo Technic sem deixar ver mais do que a abertura em cruz.

O revestimento das paredes laterais

Em dois níveis das paredes laterais coloquei pinos Technic para fixar os bricks 12×24:

Hoje penso que se tivesse mais bricks compridos pretos não-Tecnhic à disposição não valia a pena usar este revestimento…

A tampa

A tampa consistem em 3 tiles gigantes (90498) cinzentos sobre uma série de plates pretos que infelizmente não lhe dá nem solidez suficiente, tendo tendência a empenar:

A união entre a tampa e uma das paredes laterais é assegurada por 4 dobradiças (4315 + 4213). Não é lá muito sólido, quando tiver tempo copio o método utilizado na Caixa de Jóias LEGO Friends (set 40114).

A bailarina

Qualquer minifig serve mas a Pequena Sereia é especial para a minha marida. Basta um eixo Technic (4519) e um plate redondo com furo em cruz (4032) para completar:

Software

Fica para outro post, este já está MUITO longo.

O futuro

Para uma próxima oportunidade há já várias ideias de melhoramentos:

  • diminuir os ruídos mecânicos (menos engrenagens, controlo PWM)
  • aumentar a duração da bateria (Raspberry Pi model A, controlo PWM)
  • melhorar tampa e revestimentos laterais
  • [ideia do forum PLUG] rebater o tecto e substituir tiles por um cenário apropriado ou mesmo cenários substituíveis
  • programação, muita programação

Mais fotos de pormenor estão nesta pasta do Brickshelf e comentários ou sugestões podem ser feitos ou apenas acompanhados nesta thread do fórum da PLUG.