Açık kaynak kullanabiliyorsanız donanım da yapabilirsiniz
(redeem-tomorrow.com)- Fiziksel kısıtlar nedeniyle donanım hâlâ zorlu, ancak açık kaynak koddan yararlanma becerisi ve bileşen ekosistemi sayesinde yazılım geliştiricilerin de pratik cihazları kendi başına yapması kolaylaştı
- Arduino’dan sonra mikrodenetleyici kartları büyük ölçüde çeşitlendi; ESP32 ve Pico W gibi kartlar, WiFi ve Bluetooth’u da içererek ucuz bileşenler üzerinde özel mantığı tekrar tekrar uygulamayı sağlıyor
- I2C ve StemmaQT/Qwiic tabanlı bileşenler, sensörleri ve giriş aygıtlarını lehim yapmadan bağlamayı sağlıyor; devre tasarımından çok kütüphaneler ve örnek kodları birleştirmeye odaklanmayı mümkün kılıyor
- 3D yazıcılar ve CAD araçları kullanıldığında devreyi içine alacak özel muhafazalar da doğrudan yapılabiliyor; düşük malzeme maliyeti ve hızlı baskı sayesinde yerleşim ve ısı sorunları yinelemeli biçimde düzeltilebiliyor
- Açık kaynak tarzı birleştirilebilirlik, dokümantasyon ve topluluk desteği donanım üretimine de taşındıkça, bireylerin kendi sorunlarını çözen fiziksel ürünler yapabildiği bir ortam oluştu
Donanım üretimi hâlâ zor olsa da neden kolaylaştı
- Donanım, dokunulabilir fiziksel sonuçlar üretmesi bakımından yalnızca yazılımla elde edilmesi zor bir güce sahip; ancak buna karşılık karmaşıklığı da yüksek
- Devrelerin hata ayıklaması koda göre daha zor olabilir; mantık ve voltaj doğru olsa bile kablolama, mekânsal yerleşim, ısı tahliyesi gibi fiziksel kısıtları da birlikte ele almak gerekir
- Donanım ürünü geliştirme, genel ürün geliştirme zorluklarına fiziksel dünyanın kısıtlarının eklendiği bir biçimdir
- ThermTerm projesi, mevcut ısı pompası kumandasının okunması zor kullanıcı arayüzünü ve zahmetli programlama deneyimini değiştirmek, ayrıca ısı pompasını ev otomasyon sistemine entegre etmek için yapıldı
- Tamamlanan cihaz evin içinde 5 yere kuruldu
- Geliştirici elektronik mühendisi değil, ancak açık kaynak kod ve bileşen ekosisteminden yararlanarak cihazı tamamladı
- Açık kaynak kod kullanmak; depoları taramayı, başkalarının kodunu anlamayı, sorun çözmeyi, toplulukta yardım aramayı ve iyi projelerle kötü projeleri ayırt etmeyi de kapsar
- Bu deneyim, bitlerin dünyasının ötesine geçerek elektronların ve atomların dünyasına genişleyebilir
Mikrodenetleyiciler ve yazılım ekosistemi
- Arduino, yeni başlayanların basit C kodu yazarak birkaç dakika içinde fiziksel bilişim deneyimi yaşayabilmesini sağlayan geliştirici deneyiminde bir dönüm noktasıydı
- Sonrasında mikrodenetleyici kartı ekosistemi büyük ölçüde genişledi
- Kartlar sandviç boyutundan posta pulu boyutuna kadar farklı ölçek ve yapılarda sunuluyor
- Mikrodenetleyiciler, ucuz bileşenler üzerinde özel mantığı sürekli yineleyebilmek için bir temel oluşturuyor
- Her kartın konnektörleri, aksesuarları ve çip mimarisi farklı
- ESP32 tabanlı kartlar veya Pico W, WiFi ve Bluetooth özelliklerini de içeriyor
- Çeşitli kartları bir araya getiren eksen yazılım ekosistemidir
- Ağ iletişimi, düğme işleme gibi birçok sorunu çözen açık kaynak Arduino kodları mevcut
- Kart mimarisi farklı olsa bile çoğunlukla Arduino ortamı için port bulunduğundan, mevcut kodlar projelerde kullanılabiliyor
- C/C++ yerine Python tercih ediliyorsa MicroPython ve CircuitPython alternatif olarak kullanılabilir
I2C ve StemmaQT/Qwiic’in oluşturduğu modüler elektronik projeleri
- I2C, 1982’de ortaya çıkan iki telli seri veri standardıdır; güç ve toprak için iki tel daha eklenerek tek bir veri yoluna birden çok cihaz bağlanabilir
- Hobi amaçlı donanım üreticileri için genellikle en zor kısım devre tasarımıdır
- Elektronik, fizik yasaları ile onlarca yıllık bileşen bilgisinin iç içe geçtiği bir alandır
- Voltaj düzenleme, direnç yönetimi ve fiziksel olarak sağlam, yönetilebilir bir yapı da hesaba katılmalıdır
- Modern yazılım geliştirmede veritabanı, UI framework’ü ve HTTP kütüphanesi birleştirildiği gibi donanımda da benzer bir birleştirme yaklaşımı mümkün hâle geldi
- Adafruit’in StemmaQT ve Sparkfun’ın Qwiic standartları, I2C tabanlı kablo standartlarıdır ve birden fazla kartın lehim yapmadan hızla bağlanmasını sağlar
- Isı pompası kontrolcüsünde şu bileşenler I2C ile bağlandı
- ESP32 tabanlı, ekranı entegre mikrodenetleyici
- Işık sensörü: parlak aydınlatmayı otomatik olarak kısmak için
- Sıcaklık ve nem sensörü: odadaki gerçek sıcaklık verisini almak için
- Döner enkoder kartı: sıcaklık ayarı ve güç değiştirme için bir kadran yapmak amacıyla
- Her kart, iyi hazırlanmış bir kütüphane gibi iç uygulama ayrıntılarını gizler
- Güç yönetimi veya döner enkoder sinyalini yorumlama gibi ayrıntılarla doğrudan uğraşmak gerekmez
- Kablolamadan sonra her bileşenin örnek kodu bulunup projeye uygun şekilde değiştirilebilir
- Bileşen satıcıları destek kütüphanelerini ve dokümantasyonu aktif biçimde sürdürüyor; Adafruit bu birleştirme yaklaşımını destekleyen yüzlerce kullanışlı ve kendine özgü kart sunuyor
Devreyi fiziksel bir nesneye dönüştürmek
- Çalışan bir devre yaptıktan sonra doğrudan özel bir muhafaza tasarlayıp üretebilirsiniz
- Yaklaşık $500 karşılığında Prusa’nın 3D yazıcısı alınabilir
- Prusa yazıcılar kutudan çıkar çıkmaz iyi çalışır
- Prusa’nın çapraz platform dilimleyici yazılımıyla iyi entegredir
- Kullanıcı topluluğu çok aktiftir, bu yüzden yardım almak kolaydır
- Bu fiyat aralığında baskı hacmi büyük değildir, ancak elektronik projeleri için yeterlidir
- Açık donanım satıcıları çoğu zaman ürünlerin 3D modellerini sağlar; böylece CAD programında doğru ölçülü kasa tasarımı yapılabilir
- 3D baskının yineleme maliyeti düşüktür ve hızlıdır
- Yeni bir tasarımı denemek için birkaç sentlik malzeme ve baskı süresi yeterli olur
- Isı pompası kontrolcüsünde mikrodenetleyicinin atık ısısı sıcaklık sensörü değerlerini saptırıyordu; iki sensörü muhafazanın üst kısmına taşıyan yinelemeli tasarımla bu çözüldü
- 3D baskının bir öğrenme eğrisi vardır
- Isı ve yerçekimi kısıtlarını hesaba katmak gerekir
- Katmanların üst üste birikme biçimi çıktının sağlamlığını ve dayanıklılığını etkiler; baskı yönü sonucu değiştirebilir
- Malzeme seçimi de önemlidir
- PETG kolay işlenebilir ve dayanıklı olduğu için bu tür işler için uygundu
- PLA daha yaygın olsa da fazla kırılgandı
CAD ve topluluğun düşürdüğü giriş engeli
- CAD becerisi de gerekir; ancak beklenenden daha az sancılı ve daha eğlenceli olabilir
- CAD çalışması, basit düzlemsel şekiller çizip bunları 3D nesnelere itip çekmeye ve küçük ayrıntıları yontmaya yakın bir süreçtir
- Birçok ucuz masaüstü CAD yazılımı, eski bir Flash uygulamasını IE6’da kullanıyormuş hissi verecek kadar kullanışsızdı; ancak iPad için Shapr3D, Apple Pencil ile sezgisel modellemeyi mümkün kılıyor
- 3D baskı gibi yeni teknolojileri öğrenirken topluluk büyük rol oynar
- Hobi kullanıcıları 3D baskıya derin biçimde dahil olmuş durumda
- Model planlamadan baskı sırasında ısıyla ilgili sorunları ayıklamaya kadar yardım bulunabilir
- Günümüzdeki donanım üretim ortamına açık kaynağın iş yükünü azaltma, birleştirilebilirlik ve eğlence yönleri girmiş durumda
- Bireyler de ihtiyaç duydukları cihazları doğrudan yapabilir; ısı pompası kontrolcüsünde olduğu gibi evdeki en büyük enerji tüketen cihazı otomatikleştirme ve uzaktan kontrol etme sonucuna kadar ulaşabilir
1 yorum
Hacker News yorumları
“Açık kaynak kullanabiliyorsan donanım prototipi de yapabilirsin” diye biraz daha karmaşık ifade etmek isterim.
Donanım yapmak, uzun süre gerçek dünyada dayanacak kadar sağlam yapmayı da içerir. Bir nem sensörünün çevresel koşullardan nasıl etkilendiğini, ambalaj poşetine kadar hesaba katmanız gerekir; gerçekten de orada başıma geldi. Sapma büyüdüğünde yeniden kalibrasyon planınız da olmalı. Kablo demeti konnektörleri, ürün ömrü boyunca beklenen takma/çıkarma sayısına dayanabilmeli; pil değişimi vb. için muhafazayı açarken zarar görmemesi için demet uzunluğu da doğru ayarlanmalı.
Çevresel koşulların tasarımın geri kalanına etkisini de düşünmek gerekir. Örneğin nemli bir ortamda hem demet hem de konnektör tarafında altın kaplama kontaklar kullanmayıp kontakları periyodik olarak temizlemek zorunda kalacağınız bir durumdan kaçınmalısınız.
Elbette bunların çoğunu kendi kendime öğrendim ve hobi geliştiricilerinin de buna ulaşması gayet mümkün. Ancak bir akıllı röle denetleyicisini başka bir şeyle değiştirmek ile, Noel hediyesi olarak baldızınıza/eniştenize verilebilecek düzeyde bir akıllı röle denetleyicisi yapmak arasında büyük fark var.
Prototip aşamasına gelseniz bile açık kaynak donanım çoğu zaman yalnızca onu yapan tek kişiye yararlı olabilir.
Bir prototip yapmak ile, başka bir hobi geliştiricisinin kopyalayabileceği, değiştirebileceği ve kullanabileceği kadar ayrıntılı bir şekilde yapım sürecini belgelemek arasında büyük fark vardır. Donanım dokümantasyonu yazılım dokümantasyonundan çok daha zordur; proje havalıysa lehimleme ya da lazer kesim parça siparişi konusunda hiç deneyimi olmayan insanlar da atlayacaktır ve onları desteklemek zordur.
Bunun bir adım ötesinde, Tindie’de birkaç tane daha satmak bile tasarımı başka hobi geliştiricilerine satmak anlamına gelir; genel halka satmak isterseniz FCC parazit sertifikasyonu gerekir ve tasarım hatası yüzünden birkaç ev yanarsa şirketin sorumlu tutulacağı bir seviyeye gelirsiniz. Donanım şirketlerinin profesyonel standartları izleyen gerçek mühendisleri işe almasının bir nedeni var. Yazılımdaki gibi birim başına marjinal maliyetin 1 sentin altında olmadığı bir durumda nakit akışı ve iş sorunları da beraberinde gelir.
Bu aşamaların her birinde donanımı çoğu zaman birçok kez yinelemek gerekir; bu da teslim süresi ve maliyet demektir.
Bozulursa yenisini satın alamazsınız, makul bir fiyata tamirci çağırmanız da zordur. Üzerinde yazılım varsa büyük olasılıkla bakım da gerekecektir. Bir tane istediyseniz, projeyi genişletmek için bir tane daha gerekeceği de çok olasıdır.
Güvenilir bir donanım cihazı tasarlayabilirsiniz; ama bütçeniz büyük değilse beyzbol sopasıyla darbe almasına ya da konnektörün üzerine epoksi dökülmesine dayanacak hale getiremezsiniz. Bu yüzden biri benden gerçekten bir şey yapmamı istediğinde, mümkün olduğunca hazır parçalarla çözmeye çalışırım.
Elektronik projeler gerçekten eğlenceli, ama sonunda tamamen benzersiz ve yeri doldurulamaz bir nesne kalması eğlenceyi azaltıyor. Kritik bir amaçla kullanılırsa sorumluluk unsuruna dönüşüyor; genellikle tek bir kullanıma bağlı kalıyor ve artık gerek kalmadığında genel amaçlı hazır ürünlerin aksine çöpe dönüşüyor.
ESPHome ve Amazon modülleri, 3D baskı birçok durumda oldukça iyi bir denge sunuyor. Yeniden yapılandırılabilirlik, makine lehimi düzeyinde güvenilirlik ve hazır bir yazılım yığını elde ederken yeni şeyler yapmak için yeterli esnekliğe sahip oluyorsunuz.
Donanım tasarımı, gerçek dünyaya zarar verilmeden önceki son savunma hattıdır.
Sigortalar, elektrostatik deşarj ve aşırı gerilim koruması, watchdog zamanlayıcıları gibi unsurlar hobi projelerinde ya da açık kaynak tasarımlarda sıkça eksik olur. Bunlara ne zaman ihtiyaç duyulduğunu bilmek bazen acı deneyimlerle öğrenilir.
Tasarıma kadar yardım etmekten kaçınmaya çalıştım ama ısrar edince TO-3 paketli birkaç 7812’yi paralel bağlamayı önerdim. Tezgâh testinde çalıştı ve o da gitti.
Birkaç yıl sonra bunun böyle yapılmaması gerektiğini öğrendim. Çünkü regülatörlerden biri yükü üstlenip aşırı yüklenebilir. Bunun yerine pass transistör ya da başka bir mekanizmayla işi tek bir regülatöre yaptırmak gerekir. Hâlâ o kişinin uçağının alevler içinde düşmemiş olmasını umuyorum.
Küçük paketli MCU geliştirme kartlarının yapabildiğinin ötesinde bir şey yapmaya çalışırken bakındım ama kafamda oturmadı. İyi olmadığım çok fazla unsur vardı.
Buradaki yorumlarda çok fazla kapı bekçiliği ve sinizm var. Zor işler kolaylaştığında, en çok eziyet çekmiş püristler ortaya çıkıp senin kolayca yaptığın şeyin, onların çok küçük yaştan beri yaptığı zor iş kadar iyi olmadığını söylemeye bayılır.
Bileşenleri birleştirme yaklaşımı prototipler ve küçük ölçekli üretim için harika. Beceriniz arttıkça, BOM optimizasyonunu ve üretilebilirlik için tasarımı (DFM) öğrendikçe MCU kartını kendi tasarladığınız kartla değiştirmeye başlayacaksınız. 10 dolarlık bir I2C rotary encoder’ın direnç, kapasitör, Schottky diyot ve hex inverterdan oluşan 1 dolarlık parçalarla değiştirilebileceğini de göreceksiniz.
JLBPCB ya da PCBWay gibi şirketler 3D baskı ve CNC hizmetleri sunduğundan, başlamak için 3D yazıcı almanız bile gerekmiyor.
Üstelik https://wokwi.com/ varsa prototip parçalarına bile ihtiyacınız olmayabilir.
Donanım mühendisleri için yazılım pazarı, saf yazılım ya da DevOps, altyapı tarafı kadar yaratıcı veya iddialı hissettirmiyor.
Büyük bir fırsat var.
İlginç; ben de yazarla aynı durumdayım. Son zamanlarda gömülü cihazlarla daha fazla uğraşmaya başladım ve bir kuyu su seviyesi sensörü yapıyorum.
Başta NRF tabanlı bir kart kullanmayı düşündüm ama SDK ekosisteminde takıldım. Daha çok deneyimli şirket gömülü mühendislerini hedefliyor gibi hissettirdi. Bu yüzden çok daha basit ESP32-C3/S3 kartlarına geri döndüm; harikalar, yaygın destek görüyorlar, kurulumları kolay ve oldukça kararlılar. Mesafe sensörü HC-SR04’e bağlayıp mesafe hesabının çalışmasını sağladım. Pille çalıştırmak için sensör 5V istediğinden bir voltaj dönüştürücü de eklemem gerekiyor; biraz okuyup birkaç kez başarısız olunca bunun yeterince kolay olduğunu gördüm.
Sonra kart ve kablolar ortalığa saçılıyor; karta lehim yapmak gerekiyor, bu da alet ve biraz deneme yanılma istiyor. Şimdi de muhafazam olmadığı için piyasadaki birkaç bağlantı kutusunu denedim ama hiçbiri tam olmadı; sonunda kendi 3D yazıcımı almaya karar verdim. Gelecek geldi; kendin basıyor ve modellemeyi öğreniyorsun.
3D yazıcı, diğer her şeye kıyasla aslında epey kolaydı. Yazıcıyı aldıktan bir saatten kısa süre sonra ilk modelimi bastım; programatik OpenSCAD’i ya da şu an tercih ettiğim CadQuery ile modellemeyi de birkaç saat kurcalayınca öğrenmesi kolaydı. Yazıcıya sahip olalı tam bir hafta oldu; neredeyse 12 başarılı baskı aldım ve kullanılabilir, işlevsel birkaç parça da tasarladım.
3D yazıcıdan korkmaya gerek yok. İyi bir yazıcıyı 500 dolardan çok daha ucuza da alabilirsiniz. Az kullanılmış ikinci el bir Sovol SV06’yı 150 avroya aldım; yenisi 220 avro ve gayet iyi çalışıyor.
Amacıma uygun mevcut bir kuyu su seviyesi sensörü bulamadığım için kendim yapıyorum. Nihai BOM fiyatı muhtemelen 20 avro civarında olacak. Öğrenmeye ve kurcalamaya harcadığım süre yüzlerce saat; bunun için aldığım şeylerin maliyeti de yazıcı, konnektör krimperi, kablolar, MCU, lehim kartı, sensörler, pil yuvaları, elektronik bileşenler, filament, havya vb. derken şimdi yaklaşık 500 avroya geldi. Yine de hepsine değdi.
3D baskının bir öğrenme eğrisi var ve buradaki en dik unsur da bu olabilir.
CAD’i seviyorum ama 3D baskıdan gerçekten nefret ediyorum. “Yanlış gidebilecek her şey yanlış gider” diyen Murphy kanununu açıklamak için icat edilmiş bir cihaz gibi.
Baskı nozulu her seferinde tıkanıyor. Filament en kötü yerde kopuyor ve çıkarmak için kısmen sökmek gerekiyor. Uzun bir baskının ortasında sebepsiz yere duruyor. Tabla asla tam düz olmuyor. Filament makarasının yeterince serbest dönmesine izin vermezseniz makine filamenti çekerken makarayı düşürüyor; makara da intikam alır gibi tüm makineyi aşağı çekiyor.
Tabii saatler sürüyor.
Dosyayı gönderince nesneyi size gönderen dış hizmetleri kullanınca çok daha şanslıydım. Pahalı ve çoğu zaman evde yapmaktan daha uzun sürüyor ama iç huzuruna paha biçilemez.
Örneğin bazı sorunlar için endüstriyel çözüm, her işte yazıcıyı kontrol listesiyle denetlemek olurdu; ama evde bu inanılmaz sıkıcı bir işe dönüşür.
Gerçeklikle doğrudan temas eden yazılımlar da bu sorunları yaşar.
Metalurjide döküm çok eski bir tekniktir. En basiti olduğunu söylemem ama sanayi öncesi insanların bile çözebileceği kadar basit olması, karmaşıklığı hakkında bir şey söylüyor.
Torna işleri bir silindirden ya da çokyüzlüden başlar.
Oysa biz yalnızca çokyüzlüden şekil yontmayı ya da yoktan başlayıp üst üste ekleyerek inşa etmeyi kullanıyoruz. Karmaşık, içbükey ya da düğümlü nesneler söz konusuysa düşük çözünürlüklü katmanlı baskı ile yüksek çözünürlüklü talaşlı imalatı birleştirmek daha makul görünüyor.
CNC makinesinin bir serbestlik derecesine daha ihtiyacı olabilir. Tam bir “kavrayıcı kuyruk” olmasa bile kesici kafayı yaklaşık 45 derece eğebilmek, eklemeli imalat ile talaşlı imalatın üretebildiği şekiller arasındaki farkı epey azaltırdı.
Yalnızca yazılım yapmış biri olarak bu yazı, ileride donanım projeleri denemek için bana büyük cesaret veriyor.
Dürüst olmak gerekirse daha büyük sorun, kendi yaptığım bir donanım projesiyle çözecek belirgin bir kullanım alanımın olmaması gibi. Hayatımda ya da evimde bir donanım projesiyle gidermem gereken bir eksiklik hissetmiyorum.
Ayrıca genelde karşılayabileceğim aralıkta en iyi çözümü isterim. Şimdiye kadar ticari ürünler yeterince tatmin ediciydi. Para verip sorunu çözen bir ürün alabiliyorsam, kendim yapıp kafa yormak yerine bunu memnuniyetle yaparım; çünkü zamanımın her şeyden değerli olduğunu düşünüyorum.
Sonuçta donanıma adım atmak için, piyasadaki hazır ürünlerle çözülmeyen yeterince sinir bozucu bir sorun olması gerekiyor gibi. Yani hazır ürünlerin berbat olduğu ya da hiç bulunmadığı durumlar.
Bugünün internetindeki tipik içerik gibi geliyor. Arama motorlarının bulacağı kadar buzzword var, ama gerçekten faydalı olmak için fazla soyut.
“Prusa’yı yenemezsiniz; yazıcı kutudan çıkar çıkmaz kusursuz çalışır” sözünün bedeli, eski ve yavaş olması.
Prusa fiilen pazarı diğer şirketlere bıraktıktan sonra sadece övgü dizmek zor.
200 dolara MK3/MK3S’in daha akıllıca yinelenmiş hâli olan Sovol SV06 alınabiliyor; hem donanımı hem yazılımı açık kaynak. 500 dolara çok daha hızlı ve slicer’a kadar daha iyi dikey entegre edilmiş Bambu P1P alınabiliyor. Üstüne 100 dolar daha verirseniz P1S alabiliyorsunuz; P1P ile aynı işi yapıyor, ayrıca yüksek sıcaklık baskıya hazır geliyor.
Ben yapamam gibi geliyor
Askerde mikrodalga iletişim ekipmanlarının tamirini yapmıştım. Eğitim sürecinin en acı verici kısmı temel lehimlemeydi. Bir türlü lehim yapamıyordum; parmak çevikliğim tuğla seviyesindeydi.
Birkaç yıl önce parmak çevikliği testi de içeren kapsamlı bir mesleki yetenek değerlendirmesine girdim. Sınavdan çıkınca epey iyi yaptığımı düşünmüştüm ama sonucumun en alttaki %5'lik dilimde olduğunu duydum. Cerrah olsaydım, tıbbi hata sigortası primim maaşımdan daha pahalı olurdu.
Bu, donanım yapmak değil; mevcut donanım parçalarını birbirine bağlayıp arayüzlemek.
Çoğu kullanım için donanım parçalarını bizzat tasarlamaktan büyük olasılıkla daha mantıklı olan da bu.
Ama devre tasarımı gibi şeylerle aynı değil; bu açıdan başlık biraz yanıltıcı.
Ahşabı bir CNC makinesine koyup işlesem de bir şey yapmış sayılırım. Ağacı yetiştirmemiş, kesmemiş, kurutmamış, hatta CNC'ye koymak için tam doğru boyuta kesmemiş olsam bile.
Bir donanım projesini ya da ürününü gerçekten üretip pazara sunmak konusunda yardıma ihtiyacınız olursa istediğiniz zaman ulaşabilirsiniz. İletişim bilgilerim profilimde.