Series: Caixa de Música LEGO

Caixa de música LEGO

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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.

Caixa de música LEGO – o software

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Tópicos:

  • Pré-requisitos
  • Preparação do cartão SD
  • Configurações do sistema
  • Script em python
  • Automatismo
  • Vários

Pré-requisitos

Convém ter um cartão SD com capacidade 4 GB ou superior, categoria 4 ou superior. O cartão pode ser micro- ou mini-SD desde que se disponha de um adaptador para o formato SD.

É também necessário um computador equipado para lidar com cartões SD ou então um adaptador SD USB.

Estas indicações são para um sistema Linux (mais concretamente Ubuntu 14.04). Não é difícil adaptar para um sistema Windows mas já há  muito não uso nenhum.

Preparação do cartão SD

É necessário um sistema operativo para Raspberry Pi. Eu prefiro o Raspbian por ser baseado em Debian tal como o Ubuntu que venho utilizando há já alguns anos. A versão mais recente está sempre disponível na Raspberry Pi Foundation – o ficheiro .zip contém um ficheiro único, uma imagem de um cartão inteiro pronto a usar (na versão de Junho de 2014 a imagem tem 3.0 GB pelo que um cartão de 4 GB continua a ser suficiente).

O Ubuntu tem uma aplicação gráfica “Disks” (na linha de comando “gnome-disks”) que permite entre outras coisas escrever imagens. Seleccionamos o cartão SD (qualquer coisa como “4 GB Block Device | /dev/mmcblk0”) e depois “Restore disk image” escolhendo o ficheiro .img do Raspbian.

O cartão tem agora duas partições:

  • BOOT
  • 2.9 GB Volume

A primeira será usada como “/boot” e a segunda como “/” como é habitual ma maioria das instalações Linux. Não existe a habitual partição para swap porque [pelo menos no Raspbian] é utilizado um ficheiro dentro de “/”.

Antes de colocar o cartão no Raspberry é necessário alterar alguns ficheiros para ter um sistema funcional. Se montamos a segunda partição (“2.9 GB Volume”) como /X precisamos criar ou editar 2 ficheiros:

  • /X/etc/hostname
  • /etc/network/interfaces

sudo /X/etc/hostname

Este ficheiro deve conter uma única linha, com o nome pelo qual o sistema operativo vai responder:

caixademusica

sudo /X/etc/network/interfaces

Este ficheiro contém a configuração da rede Wi-Fi:

auto lo

allow-hotplug wlan0
iface wlan0 inet dhcp
   wpa-ssid "RedeWiFi"
   wpa-psk "PasswordDaRedeWifi"

iface default inet dhcp

Podemos mais tarde utilizar um endereço IP estático em vez de recorrer ao cliente DHCP (deve acelerar ligeiramente o arranque e utilizar ligeiramente menos RAM). Neste exemplo defini só uma rede Wi-Fi mas é possível definir várias, ver o meu artigo “Raspberry Pi – headless + wireless” (para mim é suficientemente uma única rede já que tenho um router 3G de  bolso configurado de forma semelhante à rede de casa e assim quando levo um Raspberry Pi comigo para testes ou demonstrações uso sempre a mesma configuração).

O cartão já pode ser colocado no Raspberry Pi, podemos confirmar o endereço IP na página de configuração do router (se estivermos a usar DHCP) e aceder remotamente por SSH:

ssh pi@192.168.1.67

(“pi” é o utilizador pré-configurado no Raspbian – a password é “raspberry”, convém alterar mais tarde com o comando “passwd” – e 192.168.1.67 é o endereço que no router aparece atribuido ao host “caixademusica”).

Configurações do sistema

Tendo acesso remoto à Caixa de Música é necessário expandir o file system do cartão de modo a utilizar toda a capacidade deste (como referi, até Junho de 2014 a imagem ocupa apenas 3 GB pelo que num cartão de 4 GB fica 1 GB por alocar e que pode fazer falta)

sudo raspi-config

Escolher “Expand Filesystem” e no final se não for dada opção de reboot (não recordo) dar o comando

sudo reboot

No próximo login o cartão deverá ter cerca de 1.4 GB disponíveis:

df -h

Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
rootfs          3.6G  2.0G  1.4G  60% /
/dev/root       3.6G  2.0G  1.4G  60% /
devtmpfs        211M     0  211M   0% /dev
tmpfs            44M  232K   44M   1% /run
tmpfs           5.0M     0  5.0M   0% /run/lock
tmpfs            88M     0   88M   0% /run/shm
/dev/mmcblk0p1   56M   19M   38M  34% /boot

Já é bastante mas como não vou utilizar ambiente gráfico (desktop) posso libertar mais algum espaço (cerca de 1.2 GB mais) e reduzir o peso de futuros updates com os dois comandos:

sudo apt-get --purge remove cups.* xserver.* x11.*
sudo apt-get autoremove

Vamos agora actualizar o Raspbian para a última versão de todos os pacotes instalados:

sudo apt-get update
sudo apt-get dist-upgrade

E instalar as ferramentas necessárias:

sudo apt-get install htop mpg321 mp3gain
  • htop não é necessário mas gosto de utilizá-lo em vez do top nativo.
  • mpg321 é um player não-gráfico de ficheiros mp3 que vai servir para tocar a música que acompanha a «bailarina».
  • mp3gain permite ajustar o ganho dos ficheiros mp3, muito útil quando estes parecem ouvir-se pior que a maioria dos restantes
sudo apt-get install python-pip python3-pip
sudo pip install sh
sudo pip3 install sh
  • sh é uma library de python que permite invocar comandos da shell (do sistema operativo) e que vou usar no meu programa por isso preciso de instalar primeiro.
  • pip é um gestor de libraries para python (instalo duas versões – para python v2 e python v3 – provavelmente bastará a última)

 

Script em pyhton

[por completar]

Automatismo

[por completar]

Vários

[por completar]