Cyberdeck – Michalův brloh

Tento ručně vyrobený cyberdeck je navržen jako odolný, kompaktní a plně funkční mobilní systém inspirovaný postapokalyptickou estetikou.

Srdcem cyberdecku je Raspberry Pi 4 Model B (4GB), doplněný o 120GB SSD.
Napájení zajišťují tři 10Ah Li-Pol baterie (111Wh).

Hlavní ovládání je přes 7″ LCD dotykovou obrazovku, vestavěnou kompaktní klávesnici a přehledný ovládací panel.

Cyberdeck je vybaven řadou vstupů a výstupů pro rozšíření včetně zdířek pro regulovaný zdroj (1,2-39V), univerzálních I/O zásuvek s podporou I2C, 1-Wire a dalších rozhraní, osciloskopu a funkčního generátoru.

Cílem je vytvořit vysoce odolné a funkční zařízení, které zvládne extrémní podmínky a umožní i práci v terénu. Základní koncept je jasný — nezničitelný cyberdeck s dlouhou životností a širokými možnostmi připojení.

O něčem takovém jsem přemýšlel už dávno, přenosný univerzální systém na kterém můžu kdykoli a kdekoli provádět prototypování, ladění, měření, řízení, programování, a vůbec všechny ty super věci. A mimo jiné bude sloužit i pro paření starých her – k tomu slouží DOSbox.

Základní otázkou byl výběr pouzdra které bude sloužit jako ochranný obal a zároveň držet všechno pohromadě. Mělo to být něco dostatečně pevného a robustního, nejlépe voděodolného, ale zase ne moc velkého. Jako rozumný kompromis jsem nakonec vybral plastový vodotěsný kufr Tactix.

Technické parametry:

Rozměry (š x dx v): 345 x 295 x 154 mm
Materiál: plast.
Voděodolný: IP 65
Předřezaná pěnová výplň
Možnost uzamknutí pomocí visacích zámků

Vnitřní rozměry:

Šířka: 315 mm
Délka: 235 mm
Hloubka spodní části: 100 mm
Hloubka horní části: 30 mm

Kufr je opravdu masivní a vypadá že něco vydrží. Tím by byl daný základ do kterého je potřeba naskládat všechno potřebné.

Další na řadě bylo osazení víka. Po rozměřování, prohrabání zásob a rozhodování co tam všechno dát bylo rozhodnuto:

7″ 1024×600 IPS monitor pro Raspberry Pi, HDMI, dotykový
4.0″ 480×320 TFT displej, ST7796, SPI — pro zobrazování systémových informací
Digitální Osciloskop DSO138 200khz
GPS Modul GY-NEO6MV2

Monitor jsem přilepil oboustrannou páskou 3M VHB, GPS modul připáskoval ke kabelům a pojistil tavným lepidlem a zbytek přišrouboval nebo přilepil ke krycímu panelu. Ten je vyřezaný z 3mm překližky. Ovládací prvky osciloskopu jsem musel vybavit novými hmatníky (upravené šrouby M8) a posuvníky (6mm kolíky s vnitřním závitem) a na konektor pro připojení nasadit úhlovou redukci.

Panel drží na několika distančních sloupcích — 6mm kolíky s vnitřním závitem zalisované a zalepené do převrtaných šestihranných matek — přilepených do kufru lepidlem Mamut. Rámečky kolem displejů zakrývající nerovnosti a kraje jsou z izolační pásky. Svazek kabelů je omotaný spirálovým chráničem.

Tím bylo víko dokončené.

Před začátkem osazování těla kufru bylo potřeba vyvrtat jediné díry ve vnějším
obalu a to 4 díry pro konektory v boční straně.

Použil jsem vodotěsné konektory a ještě je pojistil silikonem. Z leva:

USB-C
RJ45
9-pin I/O
4-pin pro nabíjení

Teď už bylo na řadě osazení vnitřku těla.

Jako hlavní mozek slouží RPi 4B s 4GB RAM s chladící krabičkou a 5V ventilátorem řízeným z RPi jednoduchým tranzistorovým spínačem.

Pro uložení systému a dat je použitý 120GB USB SSD disk a pro rozšíření USB 3.2 HUB a USB 2.0 HUB s vypínači. Jako vstupní zařízení je použitá nízká USB klávesnice a bezdrátová USB myš. Případně lze využít dotykový displej nebo připojit USB retro SNES ovladač.

Pro připojení k síti lze použít kabel se standartním RJ45 konektorem. Bohužel použití chladící krabičky odstínilo wifi v RPi která se tím stala nepoužitelnou, proto jsem pořídil USB wifi adaptér který problém vyřešil.

Zdroj energie tvoří tři Li-pol články zapojené do série přes ochranný BMS obvod, které poskytují 111Wh energie při 11,1V.

Napájení všech 5V zařízení zajišťuje DC-DC měnič s výkonem až 300W.

DC měnič s původními obvody pro měření napětí a proudu

K monitorování stavu akumulátoru tj. napětí a poskytovaného proudu jsem použil obyčejný napěťový dělič a proudový modul ACS712. Bohužel se ukázalo že přesnost je silně nevyhovující a tak jsem je nahradil modulem INA219 který monitoruje napětí i proud a odesílá data po I2C.

Pro monitorování systému jsem použil Arduino mega které načítá hodnoty, zobrazuje je na displeji, ovládá vizuální indikátor a řídí ventilátor.

Na displeji se zobrazují následující informace:

aktuální čas a datum — načtené z GPS
aktuální pozice — načtená z GPS
počet GPS satelitů — načtený z GPS
přesnost GPS — načtená z GPS
napětí, proud, výkon a % – stavu akumulátoru
teplota akumulátoru, kufru, venkovní a CPU
využití CPU a RAM RPi
otáčky ventilátoru

Kapacita akumulátoru v % je odhadnutá z napění a výkon ve W je vypočítaný z
napětí a proudu. Teplota CPU a využití CPU a RAM jsou načítané z RPi po sériové
lince. Teploty akumulátorů, v kufru a vzduchu venku monitorují čidla DS18B20 po 1-wire sběrnici. Ventilátor je použitý ns85b01-17f11 ze starého notebooku, otáčky se řídí pomocí PWM podle teploty a načítají přímo z ventilátoru.

Vizuální indikátor je 8ks Neopixel RGB LED diod které se rozsvěcí podle aktuálního stupně nebezpečí který je vypočítaný ze stavu akumulátoru, teplot a vytížení CPU a RAM.

Hlavní panel je opět z 3mm překližky a připevněný na distančních sloupcích ve stejném stylu jako panel ve víku (akorát ve větším).

Na panelu najdeme tyto komponenty:

hlavní vypínač -podsvícený — odpojuje akumulátor
vypínač na RPi- s indikující LED
vypínač na LCD RPi – s indikující LED
vypínač na podsvícení systémového LCD – s indikující LED
vypínač na I/O Arduino – s indikující LED
vypínač na regulovaný zdroj — s indikující LED
vypínač na osciloskop — s indikující LED
vypínač na generátor funkcí — s indikující LED
Generátor funkcí XR2206
regulovaný zdroj s voltmetrem – 1,2-39,2V 3A
I/O konektory
3,5″ audio jack z RPi
HDMI konektor pro druhý monitor RPi
klávesnici
banánkové zdířky na výstupu zdroje a generátoru
vizuální indikátor
výstup USB 3.1 HUBu
výdech ventilátoru

Pro možnost jednoduchého řízení a monitorování slouží zabudované Arduino UNO s vyvedenými piny na boční 9-pinový konektor a panelové I/O konektory. Připojené je přes vypínač k RPi pro možnost programování v terénu. Napájení je vedené zvlášť pro funkci i bez RPi.

I/O konektory jsou zapojené podobně. Napájení je stejné jen levý konektor má DATA připojená na A0 (analogový vstup) a pravý konektor přes pull-up rezistor 4k7 na D9 (1-wire sběrnice).

Na boční 9-pinový konektor jsou vyvedené sběrnice I2C a SPI a pár analogových
vstupů. Zapojený je následovně: