Из привода крана - в привод окна

Расслабляющее пятничное чтение про то, как я наконец-то сделал привод открывания окна на проветривание, о котором давно мечтал. Суть в том, что у меня в голове отложилось: готовое изделие — штука довольно дорогая. Поэтому я прикидывал, как приспособить линейный или цепной привод. Считал смету и откладывал.  Но потом наткнулся на ряд конструкций, в том числе и на основе хорошо всем знакомого привода шарового крана. В общем, тут я безальтернативно понял, что тоже могу попытаться скрестить ежа с ужом. 

Чтобы два раза не вставать, вот такого типа привод:

Любимый мной отказ от претензий и гарантий: я не инженер, не дизайнер, не программист. Просто иногда мне очень хочется сделать что-нибудь этакое для себя, а когда сделаю — похвастаться. Обычное, в общем-то, дело. 

Также хочу сказать, что можно существенно упростить себе жизнь. Если использовать не чисто электромеханический привод, а с Wi-Fi (на той же платформе Tuya), то не нужна возня с микроконтроллерами и сразу появится управление со смартфона и всякие там сценарии. Например, автопроветривание по команде с датчика температуры или качества воздуха (если есть).

Просто у меня был только электромеханический, и я делал из того, что под руками.

Итог закономерный: ниже описание рабочего прототипа, не доведенного, впрочем, до состояния коммерческого продукта. Иными словами — MVP.

Дальше постараюсь покороче. Сначала об особенностях получившегося привода:

1. Возможность крепления на место оконной ручки.
2. Возможность открывать и закрывать окно вручную.
3. Регулировка прижима.
4. Защита от случайного включения привода при закрытом окне.
5. Дублирование (правда, не слишком надежное) ограничения хода мотора.
6. Ручной и автоматический режим работы.
7. Частичное открывание с памятью.
8. Дистанционное управление.
9. Световая индикация режимов работы и состояния.

Ранний вариант:

Первая конструкция: кронштейн для привода на оконную створку, рычаг из алюминиевой полосы с креплением на раму. Дистанционного управления не было, я планировал самый надежный вариант — провод и тумблер, чего вместе с автоматикой выключения в самом приводе должно было быть достаточно. Результатом стали несколько вариантов кронштейна на оконную створку плюс мелочевка в виде креплений на раму:

Крепление рычага на раму окна имеет две степени свободы, чем я надеялся компенсировать положение относительно привода, в том числе и при открытии створки, которая идет не по прямой, а по сектору окружности. Получилось не очень, но я старался.

Крепление рычага на привод имеет механическую регулировку, которую можно использовать для изменения силы прижима или адаптации под получившуюся длину рычага. Пределы регулировки невелики, как, собственно, и размеры самого узла.

В процессе понял, что меня не устраивает управление по проводу и необходимость вручную открывать и закрывать окно. Подумал, что будет хорошо иметь хотя бы простейший автоматический режим с проветриванием по таймеру. Например, минут на 10 раз в час-полтора. Для этого сделал надевающийся на мотор привода приборный отсек для микроконтроллера (Arduino Nano, какой под руками был) и драйвера мотора:

Насколько все меня не устраивало видно по чудовищному сплетению проводов заново добавленных компонентов:

На этом этапе я отказался от мыслей оставить оригинальный корпус привода. Во-первых, он не очень эстетичен. А, во-вторых, и это главное, вряд ли бы туда поместилась вся начинка. Поэтому сделал собственный модульный корпус из основания, оболочки и лицевой панели:

Оболочка держится на кнопках-защелках. Они сделаны съемными, чтобы можно было экспериментировать с формой и размерами без повторной печати основания.

Чтобы можно было закрывать окно вообще, а не только на привод, я сделал механическую ручку из квадратного стержня старой оконной ручки и алюминиевых полос. В закрытом положении ручка нажимает на рычаг микропереключателя, который отключает питание привода (это как раз и есть защита от срабатывания при закрытом окне).

Дальше я понял, что раз уж поставил микроконтроллер, то глупо ограничиваться только проветриванием по таймеру. Надо уж дистанционное управление делать. И переделал приборный отсек, чтобы в него помещался еще и радиоприемник (433 МГц, очень тупой, но исполнительный). 

Управление сразу было сенсорным, при помощи сверхпопулярной платы на чипе TTP223, которая, в отличие от кнопок, не портит жизнь дребезгом контактов. В процессе, впрочем, выяснилось, что ее светодиодная индикация меня не устраивает. Поэтому дальше я оборудовал лицевую панель направляющими для светодиодной ленты на чипах WS2812, цветом которых легко управлять с точностью до корпуса.

Завершающим штрихом конструкции стала плавная регулировка яркости индикации в зависимости от интенсивности фонового света. Если честно, эта глава мне напомнила сказку про мальчика, который потратил неразменную монету на пуговицы. Буквально, я по своей глупости в процессе экспериментов убил USB-порт на ноутбуке. Но ладно.

Чтобы окно случайно не распахнулось целиком, если сквозняк вдруг сорвет привод, когда никого нет дома, я поставил на створку механический ограничитель открытия. Он, правда, не имеет ничего общего с печатью и электроникой, зато недорогой (около 200 рублей ($2-3)), что ли).

Немного о том, как должно работать:

1. Режимы: ручной, автоматический (автономный и дистанционный).
2. Короткое нажатие кнопки на корпусе открывает и закрывает окно.
3. Короткое нажатие во время открывания задает новый предел открывания (частичное) до выключения привода.
4. Долгое нажатие кнопки на корпусе переключает между ручным и автоматическим режимами.
5. Нажатие кнопки на пульте ДУ открывает и закрывает окно. 
6. Если используется пульт ДУ с двумя кнопками и если нажата кнопка открытия, то переход в автоматический режим (т.е. стало душно — включаем автомат); если нажата кнопка закрытия, то переход в ручной режим (т.е. стало холодно — выключаем автомат).
7. В автоматическом автономном режиме проветривание раз в полтора часа на 10 минут (настраивается в коде).
8. В автоматическом дистанционном режиме открытие и закрытие происходит по внешней команде.

Базовые функции, то есть ручной режим, автоматический автономный режим, управление однокнопочным пультом я проверял, вроде работает. До продвинутых функций руки не дошли — там была мысль сделать свой датчик климата для управления приводом, но не сложилось.

Вроде все.

Для тех, кто задумается о повторении некоторые советы по электронике и механике.

По механике. Для сборки кроме печатных деталей потребуется:

1. Винт М4х20 с круглой головкой — 2 шт. (фиксация узла рычага на приводе)
2. Винт М4х10 с потайной головкой — 1 шт. (фиксация рычага на креплении на раме)
3. Винт М4х12 с круглой головкой — 1 шт. (фиксация рычага на приводе)
4. Винт М4х40 (35) — 1 шт. (фиксация шарнира рычага в креплении на раме)
5. Винт М6х30 — 2 шт (фиксация привода в основании)
6. Гайка М4 — 2 шт.
7. Гайка М6 — 2 шт (я взял с пресс-шайбами)
8. Винт М3х16 — 2 шт. (замки плат в «приборном отсеке» привода)
9. Саморезы ориентировочно 2 мм — 2-4 шт. (фиксация платы драйвера мотора)
10. Алюминиевая полоса 15х2 мм — около 30 см.
11. Квадратный профиль от оконной ручки — 1 шт.
12. Саморезы 3,5 мм для крепления на раму — 2 шт.

Размеры полос и профиля для ориентира:

Рычаг открывания окна, примерно 11.5 см. Центр отверстия в шарнир около 10 мм, центр отверстия на мотор — около 9 мм.

Положение просечки под квадратный профиль примерно так, чтобы с трех сторон было одинаково до края. Я расчерчивал квадрат 8х8 мм, потом сверлил по центру отверстие 7,5 мм и надфилем доводил до квадрата. Полос для жесткости нужно 2 штуки, но можно попробовать и с одной, только придется добавить какой-то толкатель для микропереключателя (по умолчанию конструкция рассчитана, что на него нажимает сборка из двух полос).

Сборка не очень простая, согласен. Ругайте меня, как хотите, но времени и желания доводить до состояния коммерческого продукта уже не осталось. Это, как я извинился в самом начале, прототип.

К тому же, необязательно делать, как я. Можно взять аналогичный привод для какой-нибудь китайской системы умного дома (та же Tuya) с управлением через Wi-Fi. Тогда вместо кутерьмы с кучей проводов достаточно будет простого кронштейна и сборки рычага.

Я также экспериментировал с использованием обычного оконного ограничителя вместо алюминиевой полосы. Выяснил, что для крепления к приводу все же нужен переходник и что хотя это работает, мне не очень нравится. Но работает:

Инструменты и детали для сборки:

И вместо тысячи слов (они ниже):

Считаем, что платы размещены в приборном отсеке, а он уже надет на мотор привода. Также считаем, что светодиоды вклеены на термоклей в канавку на лицевой панели.

1. Пропустить провод питания в одно из отверстий основания.
2. Прикрутить основание к раме винтами от оконной ручки.
3. Вставить в пазы основания фиксирующие кнопки.
4. Пропустить обе полосы рычага закрывания окна в паз, совместить отверстие в полосах с отверстием для ручки в основании.
5. Вставить профиль от ручки в отверстие для ручки в раме, пропустив его через отверстие в полосах.
6. Вставить привод в кронштейн основания и зафиксировать винтами и гайками M6.
7. Приклеить микропереключатель, убедившись, что он срабатывает в нижнем положении рычага закрывания окна.
8. Соединить цепи питания, если еще не соединены.
9. Надеть оболочку, пропустив через нее лицевую панель со светодиодами (если она не на разъеме) и кольцо привода в отверстие в процессе надвижения оболочки на основание.
10. Пропустить сенсорную кнопку через отверстие в лицевой панели, расположить ее в углублении.
11. Соединить светодиодную ленту с контроллером, если она не соединена.
12. Вставить лицевую панель в оболочку до упоров.
13. Закрепить на лицевой панели декоративную решетку с помощью прозрачного двустороннего скотча (я взял тот, что используют для упаковки подарков).
14. Прикрутить крепление на раму саморезами.
15. Вставить в крепление на раме шарнир, зафиксировать его с помощью винта М4х40 (35) и гайки М4.
16. Вставить в шарнир рычаг и зафиксировать его винтом М4х10 с потайной головкой.
17. Собрать узел крепления рычага на приводе: вставить бегунок с гайкой М4, закрутить регулировочный винт со стороны окна заподлицо со стенкой (он не должен выступать, иначе зацепится за корпус), закрутить до упора (без фанатизма) регулировочный винт с обратной стороны.
18. Закрепить получившийся узел на рычаге с помощью декоративной накладки и винта М4х12 с круглой головкой. Надеть декоративный колпак.
19. Перевести вручную рычаг привода в вертикальное положение.
20. Открыть окно рычагом.
21. Совместить узел крепления рычага с приводом. Закрепить двумя винтами М4х20.
22. Можно поставить на кольцо разблокировки привода декоративную ручку. Для этого пропустить кольцо в паз ручки, вытянуть его до упора, повернуть на 90 градусов и дать лечь в выемку.

По электронике, кроме того, что микроконтроллер Arduino Nano:

ВАЖНО: так как мотор и светодиоды потребляют прилично, то чтобы избежать повреждения контроллера и компьютера КРАЙНЕ рекомендую (настаиваю даже) физически их отключать во время загрузки кода в контроллер.

1. Большая часть подключений видна и легко переделывается в секции объявления констант
2. Настройки (временные задержки/интервалы, дистанционные коды) меняются в секции объявления констант
3. Я бы рекомендовал подключать линии управления светодиодами и драйвером мотора через резисторы, чтобы ограничить ток до безопасного для микроконтроллера уровня. Для ленты WS2812 рекомендуют от 200 Ом, на драйвер мотора я поставил 1 кОм. 
4. Так как напряжение питания светодиодов и приемника 5 В, а мотора привода 9-12 В, понадобится понижающий преобразователь на 5 В (с напряжения питания привода). Я собрал сам на LM7805. Для него по моему дилетантскому мнению также потребуется электролитический конденсатор в районе 470 — 1000 мкФ на выходе. Если использовать готовый преобразователь, нужно убедиться, что у него на выходе есть что-то подобное. Иначе, например, у меня очень сильно мерцает последний светодиод в ленте (хотя не исключаю, что это вещи не связанные, просто я не разобрался в причине).
5. Датчик света — безымянный китайский фоторезистор.
6. Светодиодная лента — 4 светодиода WS2812.
7. Приемник — безымянный китайский приемник на 433 МГц с амплитудной модуляцией.
8. Пульт управления — любой китайский пульт на 433 МГц с фиксированным кодом, совместимым с библиотекой RC-Switch. Или самодельный. Но у меня заводской, не помню от чего.
9. Провод питания я взял 2х0,75, на что и рассчитаны отверстия в корпусе.
10. Если не хочется RC-Switch, а хочется ESP и Wi-Fi, то либо сами, либо считайте RC-Switch чем-то вроде API, то есть используйте реакцию на его коды, которые будете подставлять при управлении через Wi-Fi.

Кратко по минусам:

1. Штука громоздкая.
2. Непросто в сборке.
3. Есть вопросы к надежности.
4. При креплении вместо ручки мешает пользоваться ограничителем открывания на соседнем окне.
5. Конструкция оптимизирована для крепления вместо ручки правой створки окна. В теории можно перевернуть для левой и вообще крепить в любое место окна, но я не пробовал.
6. Так как изготовление длилось несколько месяцев с перерывами, я мог что-то забыть и поэтому обзор может быть не точен — прошу за это прощения.

Детали в разделе моделей на более профильном сайте (не удивляйтесь, этот текст там тоже есть). Код я загрузил на Github в кои-то веки, хотя не знаю, зачем.

Дубль (без регистрации) на Яндекс.Диске.

PS. Хеппи-энда, впрочем, не будет. Дело в том, что жене привод не понравился. Причины такие: зимой раскрытия створки недостаточно для полного проветривания (периодически нужно открывать окно целиком), а летом, пока мы без кондиционера, окно вообще не закрываем.