DIY беспроводной электропривод для окна со штатным запиранием на рукоятку

Доброго времени суток!

C появлением 3д принтеров появились огромные возможности в разработке самодельных устройств. В данной статье я хочу рассказать о своем изобретении - «умном открывателе пластикового окна», а если по-научному, то «беспроводном электроприводе ПВХ окна», который можно собрать самостоятельно дома при наличии 3д принтера и 2-х свободных дней. Вы можете посмотреть видео-обзор этого устройства, если Вам лень читать эту статью:Это уже вторая версия данного устройства. У первой версии есть очень подробное видео с обзором и инструкцией по сборке - тоже рекомендую к просмотру, если решите делать 2-ую версию.

Первый вариант более простой, и я считаю он то же имеет право на жизнь в теплицах или на даче, а вот для квартиры или дома он всё-таки не очень подходит. Поэтому, по просьбе желающих, я разработал вторую версию и добавил ряд преимуществ.

I. Характеристики и преимущества

1) Штатный механизм закрытия и плотность закрытия.

Первая версия прижимала окно с усилием до 8 кг. Пообщавшись с профессиональными «оконщиками», мне объяснили, что даже усилия в 30 кг будет не достаточно, чтобы окно не «дуло» зимой. Особенно это актуально в случае со старыми окнами, когда резиновый уплотнитель уже стал жестким. Дело в том, что усилие должно приходить не в одну точку, а распределяться равномерно по периметру окна. Поэтому, не нужно изобретать велосипед, ведь штатная запирающая фурнитура отлично с этим справляется.

Новая версия как раз устанавливается вместо штатной ручки и может поворачивать ее с усилием до 4 кг на рычаге 11 см в зависимости от типа и кол-ва двигателей, которые вы поставите. Кстати, 11 см - это средняя длина (рычаг) стандартной рукоятки, так что можете померить усилие ручными весами у себя дома.

Т.к. новые окна закрываются легко, а старые - с большим усилием, даже усилия в 4 кг может не хватить, поэтому придется усилить червячную передачу. Но мне кажется, если у вас окно туго закрывается, то в 1-ую очередь его нужно отрегулировать и смазать, а только потом делать привод еще мощнее.

Таблица с возможными комбинациями приводов представлена ниже.   

Как видите, я уже провел краш-тесты и выявил максимальные возможные усилия и слабые места для того, чтобы вы могли заранее проверить совместимость с вашим окном.

Я себе сделал версию с 3-мя - 6-вольтовыми двигателями, и настроил крутящий момент рукоятки около 3 кг на 11см, что для моего окошка достаточно.

Усиливать ось основного привода я не стал, так как не планирую колоть орехи между рамой и окном, в результате чего может быть вызвано максимальные усилие, разрушающее ось) Но в крайнем случае,  распечатаю новую ось).

В общем, использование штатного запирания дало сразу ряд мелких преимуществ:

• Тягу основного привода теперь можно уменьшить, при этом увеличив скорость закрытия. В моем случае, окно открывается/закрывается на 14 см за 45 сек.
• Прищемить палец даже ребенку теперь не получится, так как окно начнёт плотно прижиматься только после того, как зазор полностью прикроется.
• Сверлить створку для установки теперь не нужно, т.к. привод ставится на место штатной рукоятки, на те же винты.
• Открыть окно злоумышленникам снаружи становится сложнее, ведь теперь оно заперто штатной системой.

2) Компактный и аккуратный механизм.

В первой версии многим показалась убогим торчащая из рамы шпилька. Конечно, ее можно было сделать короче, но для кого-то даже 10 см-ая шпилька показалось опасной. Может быть действительно, стоя у окна и любуюсь видами, если неаккуратно чихнуть, то шпилька из леруа мерлен может сыграть роковую роль. Поэтому я прислушался к критике и сделал компактный рычажный механизм как в классическом доводчике дверей.  

Да, механизм стал сложнее, но увеличилась скорость открывания в 1,5 раза по сравнению с первой версией и эстетически привод стал выглядеть лучше.

3) Упрощенный монтаж.

Теперь монтаж данного устройства на окно можно сделать за 3 минуты.

1. Выкручивается штатная рукоятка, квадратный штырек при этом остаться в окне и на ее место прикручивается корпус устройства, штырек входит в привод;

2. На саморезы к раме окна крепится ответная часть и регулируется по длине;

3. Защелкиваем крышку на корпусе привода, включаем устройство и подключаем к телефону.

Но ложка дегтя в том, что сборка самого устройства стала сложнее. Больше деталей и проводов, которые нужно предварительно распечатать, собрать и спаять соответственно. Лично у меня ушли на это целые выходные (2 дн.).

4) Съемный аккумулятор.

 Теперь у устройства есть аккуратный переносной аккумулятор, емкость которого вы выбираете сами. В аккумуляторный блок можно установить до 3 литио-ионных батареек 18650, благодаря чему устройство может работать от 2 до 3 месяцев без подзарядки. Еще съемный аккумулятор можно использовать как повербанк (переносную зарядку) для телефона.

Еще приятная новость, что потребление тока на столько мало, что одна солнечная панель размерами 11х7 см обеспечит непрерывную работу устройства!* (при условии попадании на нее солнечных лучей в среднем не менее 3 часов в день) .

5) Защита аккумулятора.

 В первой версии есть один недостаток, а именно отсутствие физической защита аккумулятора от переразряда. Я реализовал его на программном уровне, но как показывает практика, если долго игнорировать предупреждение о разряженной батареи, она все же может разрядиться ниже 2.5 вольт, что крайне нежелательно для литио-ионных аккумуляторов. В новой версии устанавливается контроллер заряда-разряда аккумуляторов, который устраняет этот недостаток.

6) Быстрый демонтаж.

Теперь для того, чтобы открыть окно на распашку, не понадобится брать в руку отвертку. Достаточно отвернуть барашек и снять рычаг, если конечно окно не заперто.

7) Регулировка силы/скорости закрытия.

 В самый последний момент я всё-таки решил гальванически разъединить силовое питание от логического. Цена вопроса еще один DC-DC преобразователь (30 руб.), а в результате при помощи мелкой отвёртки можно менять напряжение подаваемое на двигатели и таким образом добиться нужного крутящего момента/скорости вращения/громкости работы.

Главное имейте в виду, что напряжение на данном модуле можно поднять до 28 вольт, а при напряжении выше 12 вольт у вас уже сгорит драйвер двигателя! Так что будьте аккуратны.

II. Программа и принцип работы

Программу я унаследовал от первой версии и особо ничего нового в нее не добавил. Процесс запирания я реализовал следующим образом, от 10 до 100 процентов окно открывается/закрывается основным приводом, остальные от 0 до 10 процентов окно запирается/отпирается на рукоятку.

На второй закладке в Blynk сделал режим тестирования, при помощи которой можно в режиме реального времени крутить моторчики и проверять работу концевых выключателей, только не забудьте предварительно выключить эко режим на первой закладке (должна гореть кнопка only ON).

Т.к. у меня за управлением окна отвечает домашняя метеостанция, то она будет стараться лишний раз не запирать окно на рукоятку, что бы не насиловать штатный механизм и не тратить заряд батареи. Запирание будет происходить только по моей просьбе к Алисе «закрыть окно полностью», например, когда я ухожу из дома, либо если температура в комнате будет ниже положенной по причине сквозняка из-за неплотно запертого окна.

Конечно, если вы владеете программированием, то можете сделать свой алгоритм так, как вашей душе угодно.

Касаемо принципа работы, оба привода используют червячную передачу.

Я очень люблю данный вид передачи, т.к. они в компактном корпусе дают очень высокое передаточные числа, а главное, очень легко печатаются на 3д принтере! Главное, когда будете печатать червяк, толщину слоя и скорость ставьте меньше, обдув на максимум. Есть и другие плюсы данных редукторов, но об этом вам может рассказать гугл, если интересно:

Червячные передачи: достоинства и недостатки

Еще я поменял концевые выключатели с кнопок на датчики холла. Очень советую их использовать в паре, т.к. просто меняя полярность магнита вы можете определить положения механизмов. У меня в шестеренках проделаны пазы под магнит, которые можно отрегулировать под свои размеры и углы поворота окна и рукоятки.

На самом деле, деталей получилось не так уж много, а именно 30 шт, и по картинкам выше их можно собрать без проблем. Все детали я распечатал из белого (полупрозрачного) PLA пластика, но не потому, что так рекомендую, а просто за неимением другого.

Что касается электроники, то ниже представлена наглядная схема подключения:

Лично я спаял все на половинке макетной платы, разводить печатную плату пока не стал.

Паять все это даже мне показалось скучным занятием, поэтому печатаная плата здесь будет очень актуальна, тем более у Wemos D1 mini нахватает стандартных пинов и приходится паять напрямую к ESP8266-12 модулю.

Теперь давайте традиционно поговорим о себестоимости механизма. Просмотреть полную таблицу со всеми материалами, необходимыми для изготовления, а также с ссылками на интернет-магазины, вы можете по ссылке.

В силу того, что версии исполнения данного устройства разные, то начальная цена материалов у меня получилась приблизительно от 1100 руб., а максимальная комплектация обойдётся до 1540 руб.Данные цены актуальны на 01.06.2020 при курсе $ 68 руб. Как обычно, я не считают людские трудозатраты, т.к. на проектирование данного устройство и написание данной статьи у меня ушло около 150 часов. А вот моим читателям с готовыми моделями и инструкцией, наверное, придется повозиться часов 10 с данным проектом.

Ссылка на все материалы и модели

Статья получилась очень большая, но все равно раскрыть все не получилось: Например как связать Blynk и Яндекс Алису; Как автоматизировать открытие окна в зависимости от температуры и уровня углекислого газа и работы кондиционера.

Может быть, когда-нибудь я найду в себе силы и время, чтобы еще оптимизировать и улучить данный механизм и довести его до коммерческого выпуска, благо мыслей на это счет очень много, но все будет зависеть от активности моих читателей. Ну а если будет много вопросов по сборке, то я выпущу еще одну подробную видео инструкцию.

Данной статьей я хотел показать, что даже сидя у себя дома, не имея приборостроительного или радиотехнического образования, Вы уже можете конструировать подобные механизмы и делиться своими результатами с другими людьми. Поэтому, при проектировании я старался использовать самые дешевые и распространённые материалы и большинство узлов сделал пластиковыми, чтобы любой желающий мог их распечатать у себя дома или на ближайшей 3д ферме. Надеюсь данной статьей у меня получилось замотивировать кого-нибудь сделать что-то подобное и приобрести личный 3-д притер. Удачи!