Die Konstruktion des Bausatzes LoDa ist Grundlage der LoDa-Workshops und wird daher hier separat dokumentiert. Hierbei muss die Hardware korrekt aufgebaut und verkabelt werden sowie der Microcontroller ESP32 mit dem LoDa.OS Betreibssystem geflasht werden.
Bauteile & Werkzeuge:
Für den Bausatz sind die hier gelisteten Bauteile erforderlich. Auf Wunsch kann zusätzlicher Kleber oder Klebeband verwendet werden, um Teile zu befestigen oder zu fixieren.
Für das Flashen der Software wird außerdem einmalig ein Computer benötigt. Für die erste Einrichtung der Software durch die Teilnehmer*innen wird ein Gerät mit einem Webbrowser wie ein Rechner, Tablet oder Smartphone benötigt.
1. Flashen des Microcontroller ESP32
Ohne Software bietet der ESP32 zunächst keine Funktion, deshalb muss das LoDa.OS zuerst auf den Controller gebracht werden. Damit die Lernenden sich möglichst wenig mit der Programmierung und dem Überspielen des Programms auseinandersetzen müssen, sollten Lehrkräfte bereits vor dem Workshop die ESP32 mit dem LoDa-Betriebssystem bespielen. Die Lernenden sollten das Flashen nur selbst durchführen, wenn sie bereits Erfahrung in dem Bereich haben, da hier unter Umständen Probleme auftreten können.
Vorbereitung
Um die Software LoDa.os auf den ESP32 zu bringen, verwenden wir die Entwicklungsumgebung Visual Studio Code. Dabei handelt es sich um eine Open Source Software von Microsoft, die für alle gängigen Betriebssysteme erhältlich ist.
Zunächst muss Visual Studio Code auf dem eigenen Rechner installiert und gestartet werden. Weil innerhalb der Entwicklungsumgebung nicht nur Programmiert werden, sondern auch der Programmcode auf den ESP32 übertragen werden soll, muss noch eine Erweiterung (“Extension”) dem Programm hinzugefügt werden. Dafür klickt man im Visual Studio Code in der Spalte links auf das Symbol mit den vier Kästen und sucht nach der Erweiterung PlatformIO. Diese muss installliert werden.
Installation LoDa.os
Nach dem Download von LoDa.os auf den eigenen Rechner, öffnet man dieses Projekt mit Visual Studio Code. Mit einem Klick auf den kleinen Haken in der Leiste links unten, lässt man die geladene Software überprüfen, ob sie keine Fehler enthält. Erscheint hier keine Fehlermeldung, kann die Software als nächstes auf den ESP32 übertragen werden.
Dafür muss der ESP32 an den Rechner angeschlossen werden und die Pfeiltaste (Pfeil zeigt nach rechts) unten links in der Menüleiste gedrückt werden. Nun wird der Quellcode auf den ESP32 übertragen. Dabei entstehen im Terminal-Fenster unten verschiedene Informationen zum Übertragungstext.
Bei dieser Überprüfung wird unten im Terminal auch eine individuelle Bezeichung für den temporären WLAN-Hotspot ausgegeben. Sollte man mehrere LoDas mit Teilnehmer*innen bauen, können die unterschiedlichen, aber sehr ähnlich klingenden Hotspots verwechselt werden. Daher wird dringend empfohlen diese in gedruckter Form zum jeweiligen Bausatz dazuzugeben.
2. Aufbau des Bausatz LoDa
Hardware-seitig müssen sowohl das Gehäuse und der Leuchkörper zusammengesetzt und die Elektronik verkabelt werden.
Ziel ist es, das Gehäuse so aufzubauen, dass der ESP32 innerhalb des Gehäuses verschwindet. Dabei muss die Stromversorgung des ESPs seitlich über ein USB-Kabel sichergestellt sein. Die LED muss innen an den ESP32 angeschlossen werden und oben im Deckel des Gehäuses befestigt werden, um den Leuchtkörper anstrahlen zu können.
Elektronik
Die LED verfügt über vier Anschlüsse (Pins), von denen drei ausgewählte mit den entsprechenden Pins auf dem ESP32 verbunden werden müssen. Dafür stehen die drei Kabel zur Verfügung, die am besten noch miteinander verbunden sind.
Legt man den ESP32 auf den Tisch, dass die Pins nach unten zeigen, kann man oben die Bezeichnung der Pins ablesen. Nun müssen die anderen Enden der Kabel an die entsprechenden Pins des ESP32 angeschlossen werden:
- Der LED Pin links wird mit D13 verbunden.
- Der LED Pin in der Mitte wird mit GND (sprich: Ground) verbunden.
- Der verbleibende LED Pin wird mit 3V3 verbunden.
Varianten des ESP32
Hinweis: nicht alle ESP32-NodeMCU-Ausführungen sind identisch. Die Belegung der Pins kann sich bei verschiedenen Modellen unterscheiden, deshalb sind die gesuchten Pins nicht immer an der gleichen Position. Manche Pins sind mehrfach vorhanden. Achten Sie daher immer auf die Beschriftung der Pins!
Im folgenden haben wir beispielhaft die Verdratung von zwei gebräuchlichen Modellen, die auch wir in Verwendung haben:
Variante A - 2x19 Pins, gelbe Pin-Leiste
Variante B - 2x15 Pins, schwarze Pin-Leiste
Die GND und 3V3 Pins versorgen die LED mit Strom, durch das korrekte Anschließen entsteht ein Stromkreis. Über den Pin links werden die Daten transportiert, so dass der ESP32 die LED Farbwerte übermitteln kann. Der vierte, nicht verwendete Pin, könnte genutzt werden, um Farbinformationen an eine weitere LED weiterzugeben. Da LoDa jedoch nur eine LED verwendet, bleibt der Pin frei.
Wurde der ESP32 mit der LoDa.OS Software geflasht und hat alles funktioniert, leuchtet die LED rot, sobald der ESP32 testweise über das USB-Kabel mit Strom versorgt wird. Leuchtet die LED nicht, liegt ein Fehler vor. Entweder ist die LED defekt, nicht richtig angeschlossen oder es liegt ein Software-Fehler vor.
Gehäuse und Leuchtkörper
Die Teile für das LoDa.case werden auf Basis der verlinkten Vorlagen von einem Lasercutter zugeschnitten. Folgende Teile entstehen dabei:
- Unter- und Oberseite (weitgehend identisch mit dem Unterschied, dass die Oberseite zusätzliche Öffnungen für die Befestigung des Leuchkörpers und die LED hat),
- zwei identische breite Außenwände,
- zwei schmale Außenwände (eine davon mit Öffnung für ein Kabel).
Hinweis: Je nachdem, wie präzise die Teile geschnitten wurden, kann es ausreichen, sie einfach ineinander zu stecken. Sollte die Konstruktion nicht ausreichend stabil sein, bietet es sich an, die Bauteile durch zusätzlichen Kleber zu verbinden. Allerdings wäre es dann nicht mehr möglich, den Bausatz für mehrere Aufbau-Sessions in unterschiedlichen Workshops zu verwenden.
Zunächst werden die vier Außenwände ineinander und dann auf die Unterseite gesteckt. Die Öffnung für das USB-Kabel in einer der Seitenwände muss dabei nach unten angebracht werden. Mit einem Stück doppelseitigem Klebeband wird der ESP32 so auf den Boden geklebt, dass er zwischen den Außenwänden positioniert ist, die Pins nach oben zeigen und der Micro-USB-Anschluss durch die Öffnung so von außen erreichbar ist, dass das USB Kabel problemlos verbunden werden kann. Funktioniert dies, wird nun die LED in die noch lose Oberseite gesteckt. Damit diese hält, ist es erforderlich, sie entweder mit Kleber oder einem Klebestreifen an ihrer Position zu fixieren. Danach kann die Oberseite auf das Gehäuse gesteckt werden. Die Oberseite sollte nicht verklebt werden, damit die Elektronik weiterhin erreichbar ist. Als letztes wird der transparente Leuchtkörper oben aufgesteckt. Versorgt man den ESP32 nun mit Strom, sollte LoDa die ersten Farben anzeigen.
Variante ohne Lasercutter
Sollte kein Lasercutter zur Verfügung stehen und ein gekauftes Kleingehäuse und ein Leuchtkörper verwendet werden, wird der Bausatz ähnlich aufgebaut. Das Gehäuse ist mit Schrauben verschlossen, die geöffnet werden müssen. Mit einem kleinen Bohrer (zum Beispiel einem Akkuschrauber) werden vorsichtig Öffnungen für die LED oben mittig und für den USB-Anschluss an der Gehäuseseite gebohrt. Darin wird die Elektronik verstaut. Der Leuchtkörper muss auf dem Gehäuse befestigt werden. Hier eignet sich evtl. eine weitere Schraube oder Klebstoff (zum Bespiel aus einer Heißklebepistole).
Auf Basis dieses LoDa-Bausatzes können die Workshops durchgeführt werden.