Hier kommt meine persönliche Implementierung einer Word Clock. Ziel war es, möglichst wenig baulichen Aufwand zu haben und die Einzelteile aus dem Bastelfundus zu nehmen oder selbst zu erstellen. Ergänzt habe ich Erfahrungen und Anregungen von Leuten, die die Uhr nachgebaut haben — herzlichen Dank dafür.
Für die Elektronik verwende ich einen WS2812-Strip und ein ESP8266-Modul (Wemos D1 mini), dazu kommt dann noch ein wenig Kabelmaterial sowie der mehr oder minder obligatorische Angstkondensator und -widerstand, außerdem ein USB-Netzteil mit USB-Kabel. Die „Mechanik“ besteht aus einem RIBBA-Rahmen von IKEA (oder einem kompatiblen, siehe unten), einem 3D-gedruckten Gitter sowie einer mittels Schneidplotter angefertigten Buchstabenmaske, dazu dann noch ein Transparentpapier als Diffusor und ein paar Klebestreifen. Es gibt kein RTC-Modul und keine Bedienelemente, da die Uhr sich die Zeit automatisch per NTP aus dem Netz holt und ansonsten keine steuerbaren Funktionen hat. Wenn es mal eine Konfigurationsmöglichkeit geben soll, würde ich das als Webserver implementieren (s.u.). Die Hardware selbst hat aber noch reichlich Reserven, so dass man da auch noch eine Menge an Erweiterungen anbauen könnte.
Der zeitliche Aufwand hält sich in Grenzen, mit etwas Routine ist eine Uhr in deutlich unter zwei Stunden fertig (3D-Druckzeit nicht mitgerechnet, das dauert bei mir etwas über drei Stunden). Wenn man alles zum ersten Mal macht, braucht es sicher etwas länger, ist aber auch in unter vier Stunden erledigt.
- IKEA RIBBA Rahmen (23 cm Höhe und Breite, tiefe Version mit 4,5 cm)
- inzwischen gibt es den Artikel bei IKEA nur eingeschränkt oder gar nicht mehr, ersatzweise gehen evtl. die Nachfolgermodelle.
- bei Nanu-Nana gibt es ebenfalls einen kompatiblen Rahmen.
- NodeMCU-Modul ESP8266 (o.ä.; siehe Text)
- optional: Breadboard(s) für die Schaltung
- WS2812-LED-Strip mit 60 LEDs/m; selbstklebend, weißes Trägermaterial ohne Beschichtung oder Silikonschlauch; 169 LEDs werden gebraucht
- Widerstand 470 Ω (unbedingt)
- Elko mind. 1000 µF / 16 V (eventuell; kann auch weggelassen werden, je nach Qualität des Netzteils)
- USB-Netzteil (2 A) und Micro-USB-Kabel
- geplottete Maske auf Folie/Glas/Plexiglas
- ggf. Transparentpapier (23 cm x 23 cm)
- 3D-gedrucktes Gitter
- Kabel, Montagematerial (Klebestreifen u.ä.)
Ich habe mal sämtliche Zwischenstufen der Firmware ins Repository gepackt (unter ESP8266), damit man die Entwicklungsschritte nachvollziehen kann, wenn man denn möchte. Ansonsten einfach die höchste Version verwenden, das ist derzeit WordClock_V1.6_Marquee.
Beim allerersten Start wird die verwendete WiFiManager-Bibliothek keinen WLAN-Zugang haben und öffnet daher einen eigenen Access Point namens "Katers-WordClock" (ohne WLAN-Passwort). Wenn man sich mit PC oder Smartgerät dort anmeldet, kann man sein WLAN dort auswählen und das Passwort hinterlegen. Die Uhr merkt sich den Zugang im EEPROM und verwendet ihn fortan automatisch beim Start.
Die Software ist einigermaßen ausführlich kommentiert und auch nicht allzu kompliziert. Nach dem Booten wird (in startup()) als erstes eine Art Hintergrund-Farbverlauf auf die Matrix gelegt (set_matrix()). Danach wird versucht, sich ins WLAN einzubuchen, die Zeit per NTP zu holen und schließlich die Zonendefinition für Deutschland zu holen. Damit wird auch die geplante Abschaffung der Sommerzeitumstellung automatisch berücksichtigt. In dieser Phase wird zunächst "WAN" angezeigt, dann "ZEIT" und schließlich "DE" (bzw. "WZ", wenn nur die Weltzeit (UTC) angezeigt werden kann). Außerdem zeigt die Uhr zu Beginn eine Art Signatur an.
Sobald das Setup beendet ist, wird die Matrix schwarz geschaltet und einmal pro Sekunde die aktuelle Zeit angezeigt (show_time()). Der Text zur jeweiligen Uhrzeit wird nach einem relativ einfachen Schema bestimmt (encode_time()). Für regionale Abweichungen („Dreiviertel Zwölf“ statt „Viertel vor Zwölf“ etc.) muss hier angepasst werden; die Matrix braucht dann ggf. auch weitere Änderungen für die benutzten Wörter. Der generierte Text wird anschließend auf die Matrix gelegt (show_text()). Dabei wird bei den erleuchteten Pixeln (set_led()) wieder der Farbverlauf (xy2col()) unterlegt, der zusätzlich jede Sekunde (action()) um ein Feld weiterwandert (change_colorscheme()). Jede volle Minute wird der Farbverlauf komplett neu zufällig bestimmt (change_colorscheme(1)). Außerdem wird dann jeweils festgestellt, ob die Helligkeit für den Nachtmodus heruntergesetzt werden soll (is_day()).
Die Codierung der Wörter in der Matrix ist durch die Konstantendefinitionen C_... gegeben. Das sind 4-Byte-Werte, deren unterste drei Bytes der Reihe nach x-Koordinate, y-Koordinate und Länge des Worts angeben. Das oberste Byte ist ungenutzt. Wenn die Belegung der Matrix geändert wird, muss hier angepasst werden.
Einfacher geht es nicht: Ein ESP8266-Modul, das mit Port D2 (das ist konfigurierbar) an den WS2812-Strip angeschlossen wird, ist eigentlich schon alles. In die Datenleitung sollte in Serie ein 470Ω-Widerstand eingefügt werden, zwischen 5V und Masse kann ein hinreichend großer Elko gesetzt werden. Grund: Der Widerstand sorgt dafür, dass die erste LED in der Matrix überlebt, wenn auf der Datenleitung Spannung anliegt, ohne dass die 5 Volt Versorgungsspannung anliegen – wenn sich also im laufenden Betrieb mal die 5-Volt-Leitung löst oder man in der falschen Reihenfolge anschließt oder so. Der Elko glättet die Versorgungsspannung, hat sich aber als nicht unbedingt erforderlich erwiesen.
Wichtig: Wenn der Strip über den USB-Anschluss des ESP-Moduls versorgt wird (beim NodeMCU wäre das der Anschluss Vin), fließt die Stromversorgung des Strips über das µController-Modul. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass das bei einem NodeMCU kein Problem darstellt, manch ein Wemos D1 mini dann aber schon streng riecht und heiß wird – keine gute Lösung. Alternativ kann man sich also eine anderweitige 5V-Versorgung verschaffen, von der das ESP-Modul und der LED-Strip nebeneinander versorgt werden. YMMV, es scheint auch vom jeweiligen Hersteller/Nachbauer der Boards abzuhängen.
Das Controllermodul kann optional auf ein Breadboard (oder zwei, je nach Format) aufgesteckt werden, um die Anschlüsse zu realisieren, ansonsten wird alles direkt angesteckt oder angelötet. Die Breadboards haben normalerweise eine Klebefläche auf der Unterseite, mit der das Modul dann bequem an der Rückwand befestigt werden kann.
Von der Rolle LED-Streifen werden jetzt 13 Stücke zu je 13 LEDs abgeschnitten. Es empfiehlt sich, vom Ende her zu arbeiten, damit der Anfang mit dem angelöteten Anschluss noch in einem anderen Projekt genutzt werden kann. Wenn man den Ausgang der Uhrenmatrix nutzen will, muss man typischerweise auch am Ende auf mindestens eine LED verzichten. Da insgesamt knapp mehr als die Hälfte verbraucht wird, geht es ohnehin nicht glatt auf.
Manchmal sind die LED-Strips nicht ganz exakt gefertigt, außerdem sorgen die Lötungen, mit denen die Einzelabschnitte der Strips in der Produktion verbunden wurden, für einen kleinen Versatz – am besten aufpassen, dass die LEDs möglichst mittig in den Zellen zu liegen kommen.
Die LED-Streifen werden waagerecht auf die Rückwand des Rahmens geklebt, als Hilfe gibt es bei den Plotter-Dateien ein PDF mit dem Layout. Das kann man ausdrucken und zum Anzeichnen auf der RIBBA-Rückwand nehmen, um die Streifen exakt aufkleben zu können.
Wichtig: im Druckertreiber 100% einstellen, sonst stimmen die Abmessungen nicht. Da die Matrix eine Breite von 23 Zentimetern hat, passt die Zeichnung nicht komplett auf ein A4-Blatt. Das macht aber nichts, denn zum Anzeichnen reicht der gedruckte Ausschnitt. Die linke Seite des Ausdrucks kann genutzt werden, um jeweils die Oberkante der einzelnen Streifen mit Bleistift auf der Presspappe anzuzeichnen. Die Oberseite zeigt die Grenzlinien zwischen den LED-Modulen und dementsprechend auch die Schnittkanten der LED-Streifen.
Die Streifen werden im Zickzack verlegt, d.h. der oberste Streifen läuft von links nach rechts (Din → Dout ist auf dem Strip aufgedruckt), der nächste dann von rechts nach links und so weiter. Der Din-Anschluss oben links ist mit dem µController verbunden, der Dout-Anschluss oben rechts wird in den Din der zweiten Reihe (ebenfalls rechts) geführt. Deren Dout links geht dann in den Din der dritten Reihe usw., der letzte Dout ganz unten rechts bleibt dann entweder offen oder wird erstmal mit einem Kabel wieder auf die andere Seite der Rückwand geführt (blau gestrichelt gezeichnet). Dann könnte man auch mal mehrere Uhren zu einer größeren Matrix zusammenschalten, aber das ist ein neues Projekt ;-).
Das zweite PDF zeigt auch die Verkabelung: Grün für die Datenleitung, Rot für 5 Volt, Schwarz für Masse.
Die Stromversorgung wird am besten folgendermaßen durchgeführt: Man bereitet zwei „Stromschienen“ aus etwas dickerem Kupferlackdraht (0,2 bis 0,5 mm könnte passen) vor, die senkrecht über alle Reihen geführt werden. Die Masse-Leitung etwa auf 1/3, die für 5 Volt auf 2/3 der Breite. Idealerweise sucht man sich Spalten, in denen keine werksseitigen Verlängerungen mit verlöteten Pads vorkommen, das macht die Arbeit etwas einfacher. Dort, wo die Drähte verlaufen sollen, verzinnt man die dazugehörigen Lötpads der LED-Streifen. Aufgepasst: Durch die Zickzack-Anordnung sind das abwechselnd obere und untere Pads!
Nun nimmt man den Kupferlackdraht für die Masseleitung und erhitzt das Ende mit dem Lötkolben, bis die Isolierung schmilzt, so dass man die letzten zwei Millimeter des Drahts verzinnen kann. Diesen Abschnitt lötet man nun auf das vorbereitete Pad auf dem untersten LED-Streifen und führt den Draht bis zur Oberkante der Rückwand. Anschließend arbeitet man sich vom zweituntersten bis zum obersten LED-Streifen vor, indem man jeweils das Stück des Drahts, das auf einem Lötpad zu liegen kommt, mit der Lötkolbenspitze vom Lack befreit und verzinnt und anschließend mit dem Pad verlötet. Der Draht liegt nun natürlich auch auf unbeteiligten Pads, diese sind aber durch die Lackschicht vom Draht isoliert.
Für den 5-Volt-Draht wiederholt man die Prozedur, diesmal mit den jeweils anderen Lötpads. In der Zeichnung kann man das Prinzip sehen. Ans obere Ende der beiden Drähte werden isolierte Litzen angeschlossen, die wie die Datenleitung auf die andere Seite der Rückwand geführt werden.
Die drei (oder vier) Kabel sollten dann auf der Rückseite mit Klebestreifen fixiert werden.
Wichtig: Der Draht und auch die Litzen müssen dick genug sein, um den Gesamtstrom zu transportieren, ohne sich zu erwärmen.
Nicht so optimal wäre es übrigens, die Masse- und Plus-Leitungen analog zu den Datenleitungen im Zickzack durch alle Streifen zu führen. Das kann zur Folge haben, dass am Ende dann nicht mehr die volle Spannung ankommt – zu sehen daran, dass die blauen LEDs nicht mehr voll aufleuchten können und die Farben zum Ende hin „vergilben“. Außerdem wäre das deutlich aufwendiger.
Unter Plotter finden sich die Masken (für Silhouette Cameo), außerdem die erwähnten PDFs zum Anzeichnen und Verdrahten. Wenn man die Schriftart in der Maske ändern möchte, kann man einfach alles selektieren und dann eine andere Schriftart wählen. Man sollte dann aber spaltenweise die Textobjekte (also die Buchstaben) selektieren und gemeinsam neu zentrieren, sonst wirkt das Ergebnis unregelmäßig. Die Datei wird dann auf dem Plotter in eine Klebefolie geschnitten, die Buchstaben werden entfernt (Achtung, die „Öffnungen“ in den Buchstaben stehen lassen) und dann mittels Transferfolie auf einen Träger aufgebracht. Das kann entweder eine (Plexi-)Glasplatte im selben Format wie die RIBBA-Glasplatte sein oder einfach eine Kunststofffolie, die nur nicht zu weich sein sollte, weil sonst die Maske nicht ordentlich plan liegt. Wenn eine milchige Plexiglasplatte verwendet wird, entfällt die Transparentpapierlage. Oder man klebt die Folie auf das Transparentpapier und legt das dann zwischen zwei Glasplatten – so wäre ein Austausch der Matrix relativ einfach machbar und die Maske würde einigermaßen plan liegen. Weniger gut geeignet ist übrigens eine milchige Platte mit mehreren Millimetern Dicke, weil hier deutliches Überstrahlen von einer beleuchteten LED-Kammer in die umliegenden dunklen Kammern zu sehen ist.
Bewährt hat sich Transparentpapier als Träger für die Maske, die RIBBA-Platte darüber und das 3D-gedruckte Gitter darunter.
Wer will, kann die Klebefolie auch außen auf die RIBBA-Scheibe aufbringen, aber ich denke, dass es dann ein Problem mit Staub geben wird.
Alternative Lösung: Die Maske direkt auf das Transparentpapier drucken, mit Laser oder Tinte. Da wäre zu testen, ob der Kontrast dann ausreicht oder ob zuviel Störlicht durch die schwarzen Bereich dringt. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass 23 Zentimeter die Druckbreite eines A4-Druckers übersteigen.
Im Verzeichnis 3D_Printer schließlich liegt eine OpenSCAD-Quelldatei für das Gitter. Da mein Drucker Objekte mit maximal 20 cm Kantenlänge drucken kann, habe ich das Gitter in vier Viertel aufgeteilt, die ineinandergesteckt werden können. Wer nichts weiter verändern möchte, kann direkt die STL-Datei WordClockMatrix13x13_quarter.stl in den Slicer laden. Um die genauen Maße auszutesten, hatte ich eine kleine Version mit insgesamt 5x5 Zellen gedruckt (WordClockMatrix13x13_TEST5x5.stl). Das Werkstück enthält selbst schon eine minimale Stützstruktur, im Slicer braucht es also keine weitere. Die vier dünnen Stäbe an jedem Viertelteil können dann nach dem Druck leicht entfernt werden. Das zusammengesetzte Gitter passt genau in den 23 mal 23 Zentimeter großen Rahmen, dabei ergibt sich rund um die LEDs ein Rand von 0,67 cm, der gut zur Überlappung von Rahmen und Glasscheibe passt, sodass keine LED-Zelle verdeckt wird.
Alternativ kann unten am Ende der Quelldatei anstelle des Viertelteils auch ein einzelnes Gitter erzeugt werden, wenn der Drucker die Abmessungen drucken kann. Hierzu anstelle von MatrixQuarter() einfach SingleMatrix() aufrufen. Zum Testen gibt es noch CompoundMatrix(), um vier Viertelteile zu erzeugen; der Parameter dist gibt den Abstand der Teile untereinander an. Mit CompoundMatrix(dist=0) werden sie direkt ineinandergefügt – nicht zum drucken, sondern nur zur direkten Kontrolle in OpenSCAD.
Außerdem kann mit FitTest() ein Testobjekt gedruckt werden, das bei der Anpassung der Maße für die Wandaufnahmen (trichterförmige Strukturen) helfen kann. Nach dem Druck wird das Teil mit dem Zylinder am rechten Ende an der Sollbruchstelle abgetrennt. Die Wand hat die parametrierte Stärke und kann nun testweise in die verschieden breiten Aufnahmetrichter gedrückt werden, um den passendsten zu finden. Von schmal bis weit entsprechen die Trichter dem Faktor 1,2, dann 1,3, dann 1,4 usw. in Zehntelschritten bis 2,2. Den gefundenen Faktor trägt man oben in der Parameterliste ein, um schließlich die Gitterobjekte zu erzeugen. Dabei sollten die Slicing- und Druck-Parameter nicht geändert werden.
In der Datei werden oben die Parameter für die Matrix gesetzt, also die Außenmaße, Anzahl der LED-Zellen, Zellengröße, Wandstörke, Höhe des Gitters sowie Größe der kleinen rautenförmigen Stabilisierungsstrukturen an den Gitterkreuzungspunkten, außerdem der Faktor für die Wandaufnahmen, der mit dem FitTest-Teil ermittelt wurde. Die Werte für den kleinen RIBBA-Rahmen (23 cm) sind erprobt, die für den großen noch nicht – mit meinem Drucker werde ich da ohnehin noch weiter aufteilen müssen; das wird in einer zukünftigen Version geschehen.
Als Druckmaterial hat sich schwarzes PLA bewährt. Die Lichtverluste gegenüber dem weißen Material machen sich nicht wesentlich bemerkbar, dafür gelangt aber kein Störlicht in benachbarte Zellen, auch bei den vergleichsweise dünnen Wänden.
Hinweis: Je nach Slicerprogramm und Druckparametern darin kann es vorkommen, dass die Wände nicht gerendert werden. In diesem Fall muss die Wandstärke höher gesetzt werden. Die voreingestellten 0,4 mm reichen aber für die Stabilität und auch Licht-Dichtigkeit aus.
Man kann auch auf den Druck komplett verzichten und das Gitter aus Karton bauen, entweder selbst geschnitten oder mit Unterstützung durch einen Schneidplotter.
Der lose Innenrahmen-Einsatz des RIBBA-Rahmens wird nicht benötigt, ebensowenig das Passepartout. In den Rahmen kommen jetzt der Reihe nach:
- Die vordere, originale Glasplatte
- Die Maske, auf Folie/Glas/Plexiglas geklebt
- Ein zugeschnittenes Transparentpapier
- Das Gitter (die rautenförmigen Stabilisatoren an den Kreuzungspunkten liegen auf der Seite mit den LED-Streifen)
- Die Rückwand mit den aufgeklebten LED-Streifen vorne und der Elektronik auf der Rückseite
Die Rückwand wird dann schließlich im Rahmen befestigt, etwa mit Klebestreifen oder Heißkleber oder den vorhandenen Blechstreifen, die nach innen versetzt werden müssten. Man könnte sich auch ordentliche 3D-Winkel anfertigen, die obendrein die Elektronik aufnehmen können.
Mit der Zeit ist das eine oder andere Feature hinzugekommen. So gibt es nach der Basisversion 1.0 jetzt folgende Erweiterungen:
- 1.1 OTA: Hier wurde die Möglichkeit vorgesehen, die Software "over the air" aus der Arduino-Umgebung direkt auf eine Uhr zu flashen. Einfach die Uhr über ihre IP-Adresse auswählen anstelle der seriellen Verbindung (Tools → Port → Network Port).
- 1.2 Startinfos: Beim Start gibt die Uhr Informationen über die einzelnen Stufen des Startvorgangs (WAN: Netzwerkverbindung, ZEIT: Verbindung zum Zeitserver, DE: Standortbestimmung).
- 1.3 Nightmode: Die Uhr kann nachts die Helligkeit reduzieren. Die beiden Umschaltzeiten sowie die Helligkeitslevel Tag/Nacht können in der
config.hkonfiguriert werden. - 1.4 WiFiManager: Die WLAN-Zugangsdaten müssen nicht mehr in der
config.hangegeben werden, sondern können interaktiv konfiguriert werden – siehe oben. - 1.5 MQTT: Es kann ein Doorstatus angezeigt werden. Dazu müssen die Zugangsinformationen für einen MQTT-Broker sowie das dazugehörige Topic konfiguriert werden. Über die Konstante
LAYOUT_SPACESTATUSkann festgelegt werden, ob eine dafür angepasste Schablone montiert ist; anderenfalls werden nur einzelne LEDs hierfür verwendet. Hier sind ggf. spezifische Anpassungen notwendig, da das Setup für die Hackerhütte des c3RE in Recklinghausen ausgelegt ist. - 1.6 Marquee: Ein zweites MQTT-Topic kann festgelegt werden, über das der Uhr Textnachrichten gesendet werden können. Diese werden (einmalig) als Laufschrift auf der LED-Matrix angezeigt. Danach wechselt die Anzeige wieder in den Wortuhr-Modus. Weitere Nachrichten, die noch während der Laufschrift-Anzeige eintreffen, werden ignoriert. Optional kann vor dem Lauftext eine Intro-Animation gezeigt werden. Wenn der Text mit "
!#xxyyzz" beginnt, setzt dies den Farbwert für die Anzeige; ansonsten wird der übliche Farbverlauf verwendet.
Wie schon erwähnt, für Hardwareerweiterungen sind noch jede Menge Ressourcen frei, softwareseitig sowieso. Ein paar Ideen:
- Hardware
- Lichtsensor, um die Helligkeit automatisch an die Umgebung anzupassen
- größere Matrix (s.u.)
- Bedienelemente (Taster oder auch Lichtsensoren, die auf kurzes Abdecken mit dem Finger reagieren. Oder eine Infrarot-Fernbedienung)
- Soundinput/-output
- Bewegungssensor (PIR-Modul)
- Software
- Konfigurationsseite per Web
- besondere Animation zur vollen Stunde
- Ansteuerung per MQTT
- Ansteuerung per TPM2 oder Artnet als Matrixdisplay (auch mehrere Wortuhren zusammen!)
- weitere Informationsanzeigen (Mondphase, Wetter, MQTT-Statusinformationen …)
Im Prinzip kann man das Ganze auch in größer anfertigen; ich habe es noch nicht versucht, werde das aber möglicherweise als nächstes Projekt angehen. Notwendige Änderungen:
Es gibt beispielsweise einen weiteren „tiefen“ RIBBA-Rahmen mit 50 cm (statt 23 cm) Kantenlänge, der sich anbietet. Das Passepartout darin hätte 30 x 30 cm.
Man kann entweder den gleichen WS2812-Strip mit 60 LEDs pro Meter nehmen und erhält dann z.B. 25 x 25 (also 625) LEDs — das ist vielleicht etwas viel. Da könnte die Matrix auch etwas kleiner gemacht werden: Ins mitgelieferte Passepartout passen 18 x 18, also immerhin noch 324 LEDs. Oder man greift zu einem Strip mit 30 LEDs pro Meter, von denen dann also maximal 15 x 15 (also 225) untergebracht werden können (im Passepartout nur 9 x 9, das wird schon knapp). Dann ist dementsprechend das Gitter anzupassen, und wir brauchen bei über 35 cm Kantenlänge auch mehr als nur vier Teilstücke (oder einen größeren Drucker). Auch mag es nötig sein, die Höhe des Gitters auf mehr als 10 mm zu erhöhen, damit die größeren Zellen gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Hier kommt dann auch die Alternative mit dem Kartongitter wieder ins Spiel.
Wichtig bei sehr vielen LEDs: Auf den Stromverbrauch achten, sonst qualmt es irgendwo. Oder in der Software dafür sorgen, dass niemals zu viele LEDs gleichzeitig leuchten.
Dort ist im Prinzip alles vorbereitet, es müssen nur die diversen Konstanten angepasst werden.
Inzwischen ist die oben beschriebene Glasplatte beim kleinen Rahmen durch eine Kunststoffplatte ersetzt worden… typisch IKEA ;-)