Jika Bisa Menggunakan Open Source, Anda Juga Bisa Membuat Hardware
(redeem-tomorrow.com)- Meski hardware masih rumit karena batasan fisik, berkat kemampuan memanfaatkan kode open source dan ekosistem komponen, developer software kini lebih mudah membuat perangkat praktis sendiri
- Setelah Arduino, papan mikrokontroler menjadi jauh lebih beragam, dan papan seperti ESP32 serta Pico W sudah menyertakan WiFi dan Bluetooth, sehingga memungkinkan implementasi logika khusus secara berulang di atas komponen murah
- Komponen berbasis I2C dan StemmaQT/Qwiic memungkinkan sensor dan perangkat input dihubungkan tanpa solder, sehingga Anda bisa fokus pada penggabungan library dan contoh kode ketimbang desain rangkaian
- Dengan printer 3D dan alat CAD, Anda juga bisa membuat sendiri enclosure kustom untuk menampung rangkaian, serta memperbaiki masalah tata letak dan panas secara iteratif berkat biaya material rendah dan pencetakan cepat
- Seiring kemungkinan kombinasi ala open source, dokumentasi, dan dukungan komunitas masuk ke pembuatan hardware, kini tercipta lingkungan tempat individu dapat membuat produk fisik untuk menyelesaikan masalah mereka sendiri
Mengapa Pembuatan Hardware Masih Sulit, tetapi Sudah Lebih Mudah
- Hardware memiliki kekuatan yang sulit didapat hanya dari software karena menghasilkan keluaran fisik yang bisa disentuh, tetapi kompleksitasnya juga besar
- Rangkaian bisa lebih sulit di-debug daripada kode, dan meski logika serta tegangannya sudah benar, Anda tetap harus menangani batasan fisik seperti pengkabelan, tata letak ruang, dan pembuangan panas
- Pengembangan produk hardware adalah bentuk pengembangan produk umum yang ditambah dengan batasan dunia fisik
- Proyek ThermTerm dibuat untuk mengganti UI remote heat pump yang sulit dibaca dan pengalaman pemrograman yang tidak nyaman, serta mengintegrasikan heat pump ke sistem otomasi rumah
- Perangkat yang selesai dipasang di 5 titik di dalam rumah
- Developernya bukan insinyur elektronika, tetapi berhasil menyelesaikan perangkat dengan memanfaatkan kode open source dan ekosistem komponen
- Menggunakan kode open source mencakup menelusuri repository, memahami kode orang lain, memecahkan masalah, mencari bantuan di komunitas, hingga membedakan proyek yang baik dan buruk
- Pengalaman seperti ini dapat diperluas melampaui dunia bit ke dunia elektron dan atom
Mikrokontroler dan Ekosistem Software
- Arduino adalah titik balik dalam pengalaman developer, karena memungkinkan pemula menulis kode C sederhana dan merasakan physical computing dalam hitungan menit
- Setelah itu, ekosistem papan mikrokontroler meluas pesat
- Papan tersedia dalam berbagai ukuran dan konfigurasi, dari sebesar roti lapis hingga sebesar prangko
- Mikrokontroler menjadi fondasi untuk terus mengiterasikan logika khusus di atas komponen murah
- Tiap papan memiliki konektor, aksesori, dan arsitektur chip yang berbeda
- Papan berbasis ESP32 atau Pico W bahkan menyertakan fitur WiFi dan Bluetooth
- Poros yang menyatukan berbagai papan ini adalah ekosistem software
- Ada kode Arduino open source yang menyelesaikan berbagai masalah seperti networking dan penanganan tombol
- Meski arsitektur papan berbeda, biasanya ada port lingkungan Arduino, sehingga kode yang sudah ada dapat dimanfaatkan dalam proyek
- Jika lebih menyukai Python daripada C/C++, MicroPython dan CircuitPython bisa dipakai sebagai alternatif
Proyek Elektronik Modular yang Dibuat oleh I2C dan StemmaQT/Qwiic
- I2C adalah standar data serial dua kabel yang muncul pada 1982; dengan menambahkan dua kabel untuk daya dan ground, beberapa perangkat dapat dihubungkan ke satu bus
- Bagian tersulit bagi pembuat hardware hobi biasanya adalah desain rangkaian
- Elektronika adalah bidang yang memadukan hukum fisika dengan pengetahuan komponen selama puluhan tahun
- Anda harus mempertimbangkan penyesuaian tegangan, pengelolaan resistansi, hingga konfigurasi yang secara fisik kokoh dan mudah dikelola
- Seperti pengembangan software modern yang menggabungkan database, framework UI, dan library HTTP, hardware kini juga memungkinkan cara kombinasi yang serupa
- StemmaQT dari Adafruit dan Qwiic dari Sparkfun adalah standar kabel berbasis I2C yang memungkinkan beberapa papan dihubungkan cepat tanpa solder
- Pada pengontrol heat pump, komponen berikut dihubungkan lewat I2C
- Mikrokontroler berbasis ESP32 dengan layar bawaan
- Sensor cahaya: untuk meredupkan pencahayaan terang secara otomatis
- Sensor suhu dan kelembapan: untuk memperoleh data suhu aktual di ruangan
- Papan rotary encoder: untuk membuat dial pengaturan suhu dan pengalih daya
- Setiap papan menyembunyikan detail implementasi internal seperti library yang dibuat dengan baik
- Anda tidak perlu menangani sendiri detail seperti manajemen daya atau interpretasi sinyal rotary encoder
- Setelah pengkabelan, Anda tinggal mencari contoh kode untuk tiap komponen dan menyesuaikannya dengan proyek
- Para penjual komponen secara aktif memelihara library pendukung dan dokumentasi, dan Adafruit menyediakan ratusan papan yang berguna dan unik yang mendukung cara kombinasi seperti ini
Menyelesaikan Rangkaian Menjadi Objek Fisik
- Setelah membuat rangkaian yang berfungsi, Anda dapat merancang dan membuat sendiri enclosure kustom
- Dengan sekitar $500, Anda bisa membeli printer 3D dari Prusa
- Printer Prusa bekerja dengan baik begitu dikeluarkan dari kotak
- Terintegrasi dengan baik dengan software slicer lintas platform dari Prusa
- Komunitas penggunanya sangat aktif, sehingga mudah mendapatkan bantuan
- Volume cetak di kisaran harga ini tidak besar, tetapi cukup untuk proyek elektronik
- Vendor open hardware sering menyediakan model 3D produk mereka, sehingga desain case yang akurat bisa dibuat di program CAD
- 3D printing memiliki biaya iterasi rendah dan kecepatan tinggi
- Untuk menguji desain baru, cukup beberapa sen material dan waktu cetak
- Pada pengontrol heat pump, panas buangan dari mikrokontroler membuat nilai sensor suhu melenceng, dan masalah ini diselesaikan lewat desain iteratif dengan memindahkan kedua sensor ke bagian atas enclosure
- 3D printing memiliki kurva belajar
- Anda harus mempertimbangkan batasan berupa panas dan gravitasi
- Cara lapisan ditumpuk memengaruhi kekuatan dan ketahanan hasil cetak, dan orientasi pencetakan dapat memengaruhi hasilnya
- Pemilihan material juga penting
- PETG mudah ditangani dan tahan lama, sehingga cocok untuk pekerjaan seperti ini
- PLA lebih umum, tetapi terlalu mudah patah
CAD dan Komunitas yang Menurunkan Hambatan Masuk
- Keterampilan CAD juga dibutuhkan, tetapi bisa jadi tidak sesulit yang dibayangkan dan lebih menyenangkan
- Pekerjaan CAD lebih mirip proses membuat sketsa bentuk datar sederhana, mendorong dan menariknya menjadi objek 3D, lalu memangkas detail-detail kecil
- Beberapa software CAD desktop murah terasa tidak nyaman, seperti memakai aplikasi Flash lama di IE6, tetapi Shapr3D untuk iPad memungkinkan pemodelan intuitif dengan Apple Pencil
- Saat mempelajari teknologi baru seperti 3D printing, komunitas memainkan peran besar
- Para pengguna hobi sangat terlibat dalam 3D printing
- Bantuan bisa ditemukan mulai dari perencanaan model hingga debugging masalah terkait panas saat pencetakan
- Lingkungan pembuatan hardware saat ini sudah menyerap penghematan kerja, kemampuan kombinasi, dan kesenangan dari open source
- Individu juga dapat membuat perangkat yang mereka butuhkan sendiri, bahkan sampai menghasilkan sesuatu seperti pengontrol heat pump yang mengotomatisasi dan mengendalikan jarak jauh perangkat dengan konsumsi energi terbesar di rumah
1 komentar
Pendapat Hacker News
Saya ingin mengatakannya sedikit lebih rumit: “Jika bisa memakai open source, Anda juga bisa membuat prototipe hardware.”
Membuat hardware juga mencakup membuatnya cukup tangguh untuk bertahan lama di dunia nyata. Kita harus mempertimbangkan bagaimana sensor kelembapan dipengaruhi lingkungan sekitarnya, bahkan sampai kantong kemasannya, dan saya benar-benar pernah kena masalah di situ. Saat drift membesar, harus ada rencana kalibrasi ulang. Konektor untuk wiring harness harus mampu menahan jumlah sambung/lepas yang diperkirakan selama umur produk, dan panjang harness juga harus pas agar tidak rusak saat enclosure dibuka untuk mengganti baterai, dan sebagainya.
Kita juga harus memikirkan dampak lingkungan sekitar terhadap sisa desain. Misalnya, dalam lingkungan yang lembap, hindari situasi ketika kontak harus dibersihkan secara berkala karena tidak memakai kontak berlapis emas di kedua sisi, baik harness maupun konektor.
Tentu saja, sebagian besar hal ini saya pelajari sendiri, dan pengembang hobi pun sangat mungkin mencapainya. Namun ada perbedaan besar antara mengganti satu smart relay controller dengan yang lain, dan membuat smart relay controller yang cukup layak diberikan kepada ipar perempuan sebagai hadiah Natal.
Bahkan setelah mencapai tahap prototipe, hardware open source biasanya besar kemungkinan hanya berguna bagi satu orang yang membuatnya.
Ada perbedaan besar antara membuat prototipe dan mendokumentasikan proses build dengan cukup detail agar pengembang hobi lain bisa meniru, memodifikasi, dan menggunakannya. Dokumentasi hardware jauh lebih sulit daripada dokumentasi software, dan jika proyeknya keren, orang yang sama sekali belum pernah menyolder atau memesan komponen laser-cut pun akan ikut mencoba; mendukung mereka itu sulit.
Naik satu tingkat lagi, bahkan sekadar menjual beberapa unit tambahan di Tindie berarti menjual desain kepada pengembang hobi lain. Jika menjualnya ke publik umum, sertifikasi interferensi FCC menjadi diperlukan, dan jika beberapa rumah terbakar karena cacat desain, perusahaan harus menanggung tanggung jawab. Ada alasan mengapa perusahaan hardware mempekerjakan engineer sungguhan yang mengikuti standar profesional. Karena biaya marginal per unit tidak kurang dari 1 sen seperti software, masalah arus kas dan bisnis juga ikut muncul.
Di setiap tahap seperti ini, hardware sering kali harus diiterasi berkali-kali, yang berarti lead time dan biaya.
Jika rusak, Anda tidak bisa begitu saja membeli produk baru, dan sulit memanggil teknisi dengan harga masuk akal. Jika ada software yang menempel, kemungkinan besar juga perlu maintenance. Jika awalnya ingin satu unit, besar kemungkinan nanti butuh satu lagi untuk memperluas proyek.
Kita bisa merancang perangkat hardware yang andal, tetapi tanpa anggaran besar, kita tidak bisa membuatnya tahan dipukul tongkat bisbol atau tetap selamat saat konektornya ketumpahan epoksi. Karena itu, kalau ada orang benar-benar meminta saya membuat sesuatu, saya sebisa mungkin menyelesaikannya dengan komponen siap pakai.
Proyek elektronika memang sangat menyenangkan, tetapi kesenangannya berkurang karena pada akhirnya yang tersisa adalah benda yang benar-benar unik dan tidak tergantikan. Jika dipakai untuk tujuan penting, ia menjadi unsur tanggung jawab; biasanya terikat pada satu fungsi, dan saat tidak diperlukan lagi, tidak seperti barang siap pakai serbaguna, ia menjadi sampah.
ESPHome dan modul Amazon, serta 3D printing, dalam banyak kasus memberi keseimbangan yang cukup baik. Kita mendapat kemampuan konfigurasi ulang, keandalan setingkat penyolderan mesin, dan stack software siap pakai, sambil tetap punya fleksibilitas yang cukup untuk membuat benda baru.
Desain hardware adalah garis pertahanan terakhir sebelum kerusakan terjadi di dunia nyata.
Hal-hal seperti fuse, perlindungan electrostatic discharge dan surge, serta watchdog timer sering kali absen bahkan dalam proyek hobi atau desain open source. Untuk mengetahui kapan hal-hal ini diperlukan, kadang dibutuhkan pengalaman yang didapat dengan susah payah.
Saya berusaha menghindari membantu sampai tahap desain, tetapi ia terus mendesak, jadi saya menyarankan menghubungkan beberapa 7812 paket TO-3 secara paralel. Dalam pengujian di bench itu berfungsi, lalu ia pergi.
Beberapa tahun kemudian saya belajar bahwa cara seperti itu tidak boleh dilakukan, karena satu regulator bisa memikul beban dan overload. Sebagai gantinya, seharusnya satu regulator saja yang bekerja dengan pass transistor atau mekanisme lain. Sampai sekarang saya masih bertanya-tanya apakah pesawat orang itu tidak jatuh dalam kobaran api.
Saya pernah mencoba melihat-lihat untuk membuat sesuatu yang melampaui kemampuan development board MCU kecil berbentuk paket, tetapi itu tidak mudah masuk ke kepala saya. Terlalu banyak elemen yang bukan keahlian saya.
Di komentar-komentar di sini banyak gatekeeping dan sinisme. Setiap kali sesuatu yang sulit menjadi lebih mudah, para puris yang paling banyak menderita muncul dan memberi tahu bahwa hal yang Anda lakukan dengan mudah tidak sebagus hal sulit yang sudah mereka lakukan sejak masih sangat muda.
Pendekatan perakitan/modular sangat bagus untuk prototipe dan produksi skala kecil. Saat kemampuan meningkat dan Anda mempelajari optimasi BOM serta design for manufacturability (DFM), Anda akan mulai mengganti board MCU dengan desain sendiri. Anda juga akan melihat bahwa rotary encoder I2C seharga 10 dolar bisa digantikan oleh komponen senilai 1 dolar berupa resistor, kapasitor, dioda Schottky, dan hex inverter.
Karena perusahaan seperti JLBPCB atau PCBWay menyediakan layanan 3D printing dan CNC, Anda bahkan tidak perlu membeli printer 3D untuk memulai.
Selain itu, dengan adanya https://wokwi.com/, Anda mungkin bahkan tidak membutuhkan komponen prototipe.
Pasar software untuk hardware engineer terasa tidak sekreatif atau seambisius software murni, DevOps, atau infrastruktur.
Ada peluang besar
Menarik, dan saya juga berada dalam situasi yang sama dengan penulis. Belakangan saya mulai lebih banyak mengutak-atik perangkat embedded dan sedang membuat sensor ketinggian air sumur
Awalnya saya mencoba memakai board berbasis NRF, tetapi mentok di ekosistem SDK-nya. Rasanya sangat ditujukan untuk engineer embedded perusahaan yang sudah berpengalaman. Jadi saya kembali ke board ESP32-C3/S3 yang jauh lebih sederhana; bagus, didukung luas, mudah dikonfigurasi, dan cukup stabil. Saya menghubungkannya ke sensor jarak HC-SR04 dan berhasil membuat perhitungan jaraknya berjalan. Agar bisa ditenagai baterai, karena sensornya membutuhkan 5V, saya juga harus menambahkan konverter tegangan; setelah sedikit membaca dan beberapa kali gagal, ternyata cukup mudah
Setelah itu, board dan kabel menjadi berantakan, dan karena harus menyolder ke board, perlu alat serta sedikit trial and error. Sekarang masalahnya tidak ada enclosure, jadi saya mencoba beberapa kotak junction komersial, tetapi tidak ada yang sempurna, dan akhirnya saya memutuskan membeli printer 3D sendiri. Masa depan sudah tiba: mencetak sendiri dan belajar modeling
Printer 3D justru cukup mudah dibandingkan semua hal lainnya. Belum sampai 1 jam setelah menerima printer, saya sudah mencetak model pertama, dan modeling dengan OpenSCAD yang programatis atau CadQuery yang sekarang lebih saya sukai juga mudah dipelajari setelah beberapa jam mengutak-atik. Saya baru punya printer tepat satu minggu, sudah membuat hampir 12 hasil cetak yang sukses, dan juga merancang beberapa komponen yang bisa dipakai dan fungsional
Tidak perlu takut pada printer 3D. Printer yang bagus juga bisa dibeli jauh di bawah 500 dolar. Saya membeli Sovol SV06 bekas ringan seharga 150 euro; unit barunya 220 euro dan bekerja dengan sangat baik
Karena tidak menemukan sensor ketinggian air sumur yang sesuai kebutuhan, saya sedang membuatnya sendiri. Harga BOM final mungkin sekitar 20 euro. Waktu untuk belajar dan mengutak-atik sudah ratusan jam, dan biaya barang yang saya beli untuk ini—printer, crimper konektor, kabel, MCU, board solder, sensor, dudukan baterai, komponen elektronik, filament, soldering iron, dan sebagainya—sekarang sekitar 500 euro. Meski begitu, semuanya sepadan
3D printing punya kurva belajar, dan mungkin merupakan faktor paling curam di sini
Saya suka CAD, tetapi benar-benar benci 3D printing. Rasanya seperti perangkat yang diciptakan untuk menjelaskan hukum Murphy: “apa pun yang bisa salah, akan salah”
Nozzle cetak tersumbat setiap kali. Filament putus di posisi terburuk dan untuk melepasnya perlu membongkar sebagian. Di tengah cetakan panjang, mesin berhenti tanpa alasan. Bed tidak pernah benar-benar rata. Kalau spool filament tidak dibiarkan berputar cukup bebas, mesin akan menarik filament, menjatuhkan spool, lalu spool itu seperti membalas dendam dengan menyeret seluruh mesin jatuh
Tentu saja semuanya memakan waktu berjam-jam
Saya jauh lebih beruntung memakai penyedia eksternal: kirim file, mereka kirim objeknya. Memang mahal dan sering lebih lama daripada melakukannya di rumah, tetapi ketenangan pikiran tidak ternilai
Misalnya, solusi industrial untuk sebagian masalah adalah memeriksa printer berdasarkan checklist pada setiap pekerjaan, tetapi di rumah itu menjadi pekerjaan yang sangat membosankan
Software yang bersentuhan langsung dengan realitas juga mengalami masalah seperti ini
Dalam metalurgi, pengecoran adalah teknik yang sangat tua. Saya tidak akan bilang itu yang paling sederhana, tetapi fakta bahwa orang-orang pra-industri pun bisa mengetahuinya menunjukkan sesuatu tentang tingkat kompleksitasnya
Pengerjaan dengan mesin bubut dimulai dari silinder atau polihedron
Namun kita hanya memakai cara mengikis bentuk dari polihedron, atau membangunnya dari ketiadaan. Untuk objek yang kompleks, cekung, atau bersimpul, menggabungkan pencetakan aditif resolusi rendah dengan pemesinan subtraktif resolusi tinggi tampak lebih masuk akal
Mungkin mesin CNC membutuhkan satu derajat kebebasan tambahan. Tidak harus sampai memiliki “ekor pencengkeram” penuh, tetapi jika kepala pemotong bisa dimiringkan sekitar 45 derajat, kesenjangan bentuk yang bisa dibuat oleh manufaktur aditif dan manufaktur subtraktif akan cukup banyak berkurang
Sebagai orang yang selama ini hanya berkutat di software, tulisan ini memberi saya banyak keberanian untuk mencoba proyek hardware ke depannya
Sejujurnya, masalah yang lebih besar mungkin adalah saya tidak punya kegunaan tertentu untuk diselesaikan dengan proyek hardware buatan sendiri. Dalam hidup atau rumah, saya tidak merasa ada kekurangan yang perlu diperbaiki dengan proyek hardware
Selain itu, saya biasanya menginginkan solusi terbaik dalam batas yang mampu saya tanggung. Sejauh ini produk komersial sudah cukup memuaskan. Kalau saya bisa membayar dan membeli produk yang menyelesaikan masalah, saya bersedia melakukannya daripada pusing membuatnya sendiri. Karena menurut saya, waktu saya adalah yang paling berharga
Pada akhirnya, agar saya mulai terjun ke hardware, sepertinya harus ada masalah yang cukup menjengkelkan yang tidak bisa diselesaikan oleh produk jadi di pasar. Entah karena produk jadi yang ada buruk, atau sama sekali tidak ada
Kedengarannya seperti konten internet tipikal masa kini. Cukup banyak buzzword supaya ditemukan mesin pencari, tetapi terlalu abstrak untuk benar-benar berguna
Pernyataan “Prusa tidak bisa dikalahkan; printernya bekerja sempurna begitu dikeluarkan dari kotak” punya harga: sudah tua dan lambat
Setelah Prusa pada dasarnya menyerahkan pasar kepada vendor lain, sulit untuk hanya memberi pujian
Dengan 200 dolar, Anda bisa membeli Sovol SV06, iterasi MK3/MK3S yang lebih cerdas, dan baik hardware maupun software-nya open source. Dengan 500 dolar, Anda bisa membeli Bambu P1P yang jauh lebih cepat dan bahkan lebih terintegrasi vertikal hingga slicer-nya. Tambah 100 dolar lagi, Anda bisa membeli P1S, yang memiliki fungsi sama seperti P1P sekaligus siap untuk pencetakan suhu tinggi
Sepertinya saya tidak bisa melakukannya
Saat di militer, saya pernah memperbaiki peralatan komunikasi gelombang mikro. Bagian paling menyakitkan dalam pelatihan adalah menyolder dasar. Saya sama sekali tidak bisa menyolder, dan ketangkasan jari saya setara batu bata
Beberapa tahun lalu saya mengikuti penilaian bakat kerja komprehensif yang mencakup tes ketangkasan jari. Setelah tes, saya merasa cukup bagus, tetapi hasilnya ternyata saya berada di 5% terbawah. Kalau saya menjadi dokter bedah, premi asuransi malapraktik medis saya mungkin lebih mahal daripada gaji tahunan saya
Itu bukan membuat hardware, melainkan menghubungkan dan membuat interface dengan komponen hardware yang sudah ada
Untuk sebagian besar penggunaan, kemungkinan besar cara itu lebih masuk akal daripada merancang sendiri komponen hardware
Namun itu tidak sama dengan hal-hal seperti desain rangkaian, dan dari sisi itu judulnya agak menyesatkan
Kalau saya memasukkan kayu ke mesin CNC untuk diproses, menurut saya saya tetap membuat sesuatu. Meskipun saya tidak menanam kayunya, tidak menebangnya, tidak mengeringkannya, dan tidak memotongnya ke ukuran yang tepat untuk dimasukkan ke CNC
Kalau butuh bantuan untuk benar-benar membuat proyek atau produk hardware dan membawanya ke pasar, silakan hubungi saya kapan saja. Kontak ada di profil saya