Si vous savez utiliser l’open source, vous pouvez aussi fabriquer du matériel
(redeem-tomorrow.com)- Même si le matériel reste difficile en raison des contraintes physiques, la capacité à exploiter du code open source et l’écosystème des composants permettent désormais aux développeurs logiciels de fabriquer plus facilement eux-mêmes des appareils pratiques
- Depuis Arduino, les cartes à microcontrôleur se sont beaucoup diversifiées, et des cartes comme ESP32 et Pico W, intégrant même le WiFi et le Bluetooth, permettent d’itérer sur une logique personnalisée avec des composants peu coûteux
- Les composants basés sur I2C et StemmaQT/Qwiic permettent de connecter capteurs et dispositifs d’entrée sans soudure, et de se concentrer sur l’assemblage de bibliothèques et de code d’exemple plutôt que sur la conception de circuits
- Avec une imprimante 3D et des outils de CAO, on peut même fabriquer soi-même un boîtier personnalisé pour contenir le circuit, et corriger par itérations les problèmes de placement et de chaleur grâce à des matériaux peu coûteux et des impressions rapides
- Les possibilités de composition façon open source, la documentation et le soutien des communautés arrivant aussi dans la fabrication matérielle, l’environnement permet désormais à des particuliers de créer des produits physiques pour résoudre leurs propres problèmes
Pourquoi fabriquer du matériel reste difficile, mais est devenu plus facile
- Le matériel a une force que le seul logiciel peut difficilement offrir, puisqu’il produit un résultat physique que l’on peut toucher, mais il apporte aussi une grande complexité
- Les circuits peuvent être plus difficiles à déboguer que du code, et même lorsque la logique et les tensions sont correctes, il faut aussi gérer des contraintes physiques comme le câblage, l’agencement spatial et l’évacuation de la chaleur
- Le développement d’un produit matériel ajoute aux difficultés classiques du développement produit les contraintes du monde physique
- Le projet ThermTerm a été créé pour remplacer l’interface peu lisible et l’expérience de programmation peu pratique de la télécommande existante d’une pompe à chaleur, et pour intégrer la pompe à chaleur à un système domotique
- Cinq appareils terminés ont été installés dans la maison
- Le développeur n’est pas électronicien, mais il a achevé l’appareil en s’appuyant sur du code open source et sur l’écosystème des composants
- Utiliser du code open source implique de parcourir des dépôts, de comprendre le code d’autres personnes, de résoudre des problèmes, de chercher de l’aide dans les communautés, et de distinguer les bons projets des mauvais
- Cette expérience peut s’étendre au-delà du monde des bits, vers celui des électrons et des atomes
Microcontrôleurs et écosystème logiciel
- Arduino a marqué un tournant dans l’expérience développeur, en permettant à des débutants d’écrire quelques lignes de C simples et de vivre en quelques minutes une expérience d’informatique physique
- Depuis, l’écosystème des cartes à microcontrôleur s’est considérablement élargi
- Les cartes existent dans une grande variété de tailles et de configurations, de la taille d’un sandwich à celle d’un timbre-poste
- Les microcontrôleurs offrent une base pour itérer en continu sur de la logique personnalisée avec des composants peu coûteux
- Chaque carte a ses propres connecteurs, accessoires et architectures de puce
- Les cartes basées sur ESP32 ou Pico W intègrent même le WiFi et le Bluetooth
- Le dénominateur commun de ces cartes diverses est l’écosystème logiciel
- Il existe du code Arduino open source qui résout de nombreux problèmes, comme le réseau ou la gestion des boutons
- Même lorsque l’architecture des cartes diffère, il existe généralement un portage de l’environnement Arduino, ce qui permet d’utiliser du code existant dans son projet
- Si l’on préfère Python à C/C++, MicroPython et CircuitPython peuvent servir d’alternatives
Les projets électroniques assemblables rendus possibles par I2C et StemmaQT/Qwiic
- I2C est un standard de données série à deux fils apparu en 1982 ; avec deux fils supplémentaires pour l’alimentation et la masse, il permet de connecter plusieurs appareils sur un même bus
- Pour les amateurs qui fabriquent du matériel, la partie la plus difficile est généralement la conception de circuits
- L’électronique est un domaine où les lois physiques se mêlent à des décennies de connaissances sur les composants
- Il faut aussi tenir compte de la régulation de tension, de la gestion des résistances, ainsi que d’une configuration physiquement robuste et maintenable
- Comme dans le développement logiciel moderne, où l’on assemble bases de données, frameworks d’interface et bibliothèques HTTP, le matériel permet désormais une approche par composition similaire
- StemmaQT d’Adafruit et Qwiic de Sparkfun sont des standards de câbles basés sur I2C, qui permettent de connecter rapidement plusieurs cartes sans soudure
- Dans le contrôleur de pompe à chaleur, les composants suivants sont connectés en I2C
- Microcontrôleur basé sur ESP32 avec écran intégré
- Capteur de luminosité : pour réduire automatiquement un éclairage trop fort
- Capteur de température et d’humidité : pour obtenir les données de température réelle dans la pièce
- Carte d’encodeur rotatif : pour créer une molette de réglage de la température et de mise sous tension
- Chaque carte masque ses détails internes de mise en œuvre comme une bibliothèque bien conçue
- Il n’est pas nécessaire de gérer soi-même des détails comme la gestion de l’alimentation ou l’interprétation des signaux de l’encodeur rotatif
- Une fois le câblage fait, il suffit de trouver le code d’exemple de chaque composant et de l’adapter au projet
- Les vendeurs de composants maintiennent activement bibliothèques de support et documentation, et Adafruit propose des centaines de cartes utiles et originales qui soutiennent cette approche par composition
Transformer un circuit en objet physique fini
- Après avoir créé un circuit fonctionnel, on peut concevoir et fabriquer soi-même un boîtier personnalisé
- Pour environ 500 $, on peut acheter une imprimante 3D de Prusa
- Les imprimantes Prusa fonctionnent bien dès leur sortie de la boîte
- Elles s’intègrent bien avec le logiciel de slicing multiplateforme de Prusa
- Leur communauté d’utilisateurs est très active, ce qui facilite l’obtention d’aide
- Le volume d’impression dans cette gamme de prix n’est pas très grand, mais il suffit pour des projets électroniques
- Les vendeurs de matériel open hardware fournissent souvent des modèles 3D de leurs produits, ce qui permet de concevoir des boîtiers précis dans un logiciel de CAO
- L’impression 3D a des coûts d’itération faibles et une cadence rapide
- Tester une nouvelle conception ne nécessite que quelques centimes de matériau et du temps d’impression
- Dans le contrôleur de pompe à chaleur, la chaleur perdue du microcontrôleur faussait les valeurs du capteur de température ; le problème a été résolu par itérations en déplaçant les deux capteurs vers le haut du boîtier
- L’impression 3D implique une courbe d’apprentissage
- Il faut tenir compte des contraintes que sont la chaleur et la gravité
- La façon dont les couches s’empilent influe sur la solidité et la durabilité de la pièce, et l’orientation d’impression peut influencer le résultat
- Le choix du matériau est également important
- Le PETG était adapté à ce travail, car il est facile à manipuler et durable
- Le PLA est plus courant, mais il était trop cassant
La CAO et les communautés ont abaissé la barrière à l’entrée
- Des compétences en CAO sont également nécessaires, mais cela peut être moins pénible et plus amusant que prévu
- Le travail de CAO ressemble davantage à un processus où l’on esquisse des formes planes simples, où l’on pousse et tire ces formes pour en faire des objets 3D, puis où l’on rogne de petits détails
- Plusieurs logiciels de CAO de bureau bon marché étaient pénibles à utiliser, comme de vieilles applications Flash dans IE6, mais Shapr3D pour iPad permet une modélisation intuitive avec l’Apple Pencil
- Lorsque l’on apprend une nouvelle technologie comme l’impression 3D, la communauté joue un rôle important
- Les amateurs sont très impliqués dans l’impression 3D
- On peut trouver de l’aide depuis la planification des modèles jusqu’au débogage des problèmes liés à la chaleur pendant l’impression
- L’environnement actuel de fabrication matérielle a intégré les gains de temps, les possibilités de composition et le plaisir de l’open source
- Les particuliers peuvent eux aussi créer les appareils dont ils ont besoin, avec des résultats comme ce contrôleur de pompe à chaleur, qui automatise et commande à distance l’appareil le plus énergivore de la maison
1 commentaires
Avis de Hacker News
Je formulerais ça de façon un peu plus nuancée : « si vous savez utiliser l’open source, vous pouvez aussi fabriquer un prototype matériel »
Fabriquer du matériel, c’est aussi le rendre assez robuste pour tenir longtemps dans le monde réel. Il faut prendre en compte la façon dont un capteur d’humidité est affecté par son environnement, jusqu’au sachet d’emballage inclus, et je me suis déjà fait avoir là-dessus. Il faut aussi prévoir un plan de recalibrage quand la dérive devient importante. Les connecteurs pour faisceaux de câbles doivent supporter le nombre de branchements/débranchements prévu sur la durée de vie du produit, et la longueur du faisceau doit être adaptée pour ne pas l’endommager quand on ouvre le boîtier, par exemple pour remplacer une batterie
Il faut aussi réfléchir à l’impact de l’environnement sur le reste de la conception. Par exemple, en environnement humide, éviter de se retrouver à devoir nettoyer régulièrement les contacts parce qu’on n’a pas utilisé de contacts plaqués or à la fois côté faisceau et côté connecteur
Bien sûr, j’ai appris la plupart de ces choses en autodidacte, et un bidouilleur peut tout à fait y arriver. Mais il y a une grande différence entre remplacer un contrôleur de relais intelligent par un autre, et fabriquer un contrôleur de relais intelligent qu’on pourrait offrir à sa belle-sœur à Noël
Même arrivé au stade du prototype, le hardware open source risque souvent de n’être utile qu’à la seule personne qui l’a fabriqué
Il y a une grande différence entre fabriquer un prototype et documenter le processus de construction avec assez de détails pour qu’un autre bidouilleur puisse le reproduire, le modifier et l’utiliser. Documenter du matériel est beaucoup plus difficile que documenter du logiciel, et si le projet est sympa, des gens qui n’ont jamais soudé ni commandé de pièces découpées au laser vont vouloir s’y mettre ; les accompagner est difficile
À l’étape suivante, même vendre quelques exemplaires de plus sur Tindie revient déjà à vendre une conception à d’autres bidouilleurs ; vendre au grand public implique des certifications FCC contre les interférences, et si quelques maisons brûlent à cause d’un défaut de conception, l’entreprise devient responsable. Ce n’est pas pour rien que les fabricants de matériel emploient de vrais ingénieurs qui suivent des standards professionnels. Et comme le coût marginal par unité n’est pas inférieur à un centime comme dans le logiciel, les questions de trésorerie et de business arrivent aussi
À chacune de ces étapes, il faut souvent itérer plusieurs fois sur le matériel, avec les délais et les coûts que cela implique
En cas de panne, on ne peut pas simplement acheter un nouvel exemplaire, ni faire venir un réparateur à un prix raisonnable. S’il y a du logiciel, il faudra probablement aussi de la maintenance. Si vous en vouliez un, il y a de fortes chances qu’il vous en faille un autre pour étendre le projet
On peut concevoir un appareil matériel fiable, mais sans gros budget, on ne peut pas le rendre capable de résister à un coup de batte de baseball ou à de l’époxy renversée sur un connecteur. C’est pourquoi, quand quelqu’un me demande de fabriquer quelque chose, j’essaie autant que possible de m’en sortir avec des composants du commerce
Les projets électroniques sont vraiment amusants, mais le fait qu’il reste au final un objet complètement unique et irremplaçable enlève une partie du plaisir. S’il sert à un usage important, il devient une source de responsabilité ; il est généralement lié à un seul usage et, quand on n’en a plus besoin, il devient un déchet, contrairement à un produit standard du commerce polyvalent
ESPHome, les modules Amazon et l’impression 3D offrent dans beaucoup de cas un assez bon compromis. On obtient de la reconfigurabilité, une fiabilité de niveau soudure machine, une stack logicielle déjà prête, tout en gardant assez de flexibilité pour créer de nouveaux objets
La conception matérielle est la dernière ligne de défense avant les dégâts dans le monde réel
Des éléments comme les fusibles, la protection contre les décharges électrostatiques et les surtensions, ou les watchdog timers, manquent souvent dans les projets hobby ou les conceptions open source. Savoir quand ils sont nécessaires demande parfois une expérience acquise à la dure
J’ai essayé d’éviter de l’aider jusqu’à la conception, mais il a insisté, alors j’ai suggéré de mettre en parallèle quelques 7812 en boîtier TO-3. Sur banc d’essai, ça fonctionnait, et il est reparti
Quelques années plus tard, j’ai appris qu’il ne fallait pas faire comme ça. Un des régulateurs peut prendre toute la charge et se retrouver en surcharge. Il aurait plutôt fallu utiliser un transistor ballast ou un autre mécanisme pour qu’un seul régulateur fasse le travail. Je me demande encore si son avion n’a pas fini par s’écraser en flammes
J’ai regardé ce qu’il faudrait faire pour construire quelque chose qui dépasse les capacités des petites cartes de développement MCU en format module, et je n’arrivais pas vraiment à me le représenter. Il y avait trop d’aspects que je maîtrisais mal
Il y a beaucoup de gatekeeping et de cynisme dans ces commentaires. Chaque fois qu’une chose difficile devient plus facile, les puristes qui ont le plus souffert surgissent pour vous expliquer que ce que vous faites facilement n’est pas aussi bien que la chose difficile qu’ils font depuis leur plus jeune âge
L’approche par assemblage est excellente pour le prototypage et la petite série. À mesure que vous progressez et que vous apprenez l’optimisation de la BOM et la conception pour la fabrication (DFM), vous commencerez à remplacer les cartes MCU par vos propres conceptions. Vous verrez aussi qu’un encodeur rotatif I2C à 10 dollars peut être remplacé par pour 1 dollar de composants : résistances, condensateurs, diode Schottky et inverseur hexadécimal
Comme des entreprises telles que JLBPCB ou PCBWay proposent des services d’impression 3D et de CNC, il n’est même pas nécessaire d’acheter une imprimante 3D pour commencer
Et avec https://wokwi.com/, vous n’aurez peut-être même pas besoin de composants de prototypage
Le marché du logiciel destiné aux ingénieurs hardware me semble moins créatif ou ambitieux que celui du pur logiciel, du DevOps ou de l’infrastructure
Il y a une grosse opportunité
Intéressant, et je suis dans la même situation que l’auteur. Récemment, j’ai commencé à bricoler davantage avec des appareils embarqués et je suis en train de fabriquer un capteur de niveau d’eau pour puits.
Au départ, je voulais utiliser une carte basée sur NRF, mais je me suis heurté à l’écosystème du SDK. J’ai eu la forte impression qu’il visait des ingénieurs embarqués expérimentés en entreprise. Je suis donc revenu à une carte ESP32-C3/S3 beaucoup plus simple : excellente, largement prise en charge, facile à configurer et plutôt stable. Je l’ai connectée à un capteur de distance HC-SR04 et j’ai réussi à faire fonctionner le calcul de distance. Pour l’alimenter sur batterie, comme le capteur exige du 5 V, il faut aussi ajouter un convertisseur de tension ; après un peu de lecture et quelques échecs, c’était assez facile.
Ensuite, la carte et les câbles deviennent un bazar, et il faut souder sur la carte, ce qui demande des outils et un peu d’essais-erreurs. Comme je n’avais pas de boîtier, j’ai essayé quelques boîtes de jonction du commerce, mais ce n’était pas parfait, et j’ai fini par décider d’acheter moi-même une imprimante 3D. Le futur est arrivé : on imprime soi-même et on apprend la modélisation.
L’imprimante 3D a en fait été assez facile par rapport à tout le reste. Moins d’une heure après l’avoir reçue, j’imprimais mon premier modèle, et après quelques heures à manipuler OpenSCAD, façon programmation, ou CadQuery, que je préfère maintenant, c’était facile à prendre en main. Cela fait exactement une semaine que j’ai l’imprimante ; j’ai réalisé près d’une douzaine d’impressions réussies et conçu quelques pièces utilisables et fonctionnelles.
Il ne faut pas avoir peur des imprimantes 3D. On peut aussi acheter une bonne imprimante pour bien moins de 500 dollars. J’ai acheté une Sovol SV06 d’occasion, peu utilisée, pour 150 euros ; neuve, elle coûte 220 euros, et elle fonctionne très bien.
Comme je n’ai pas trouvé de capteur de niveau de puits existant adapté à mon besoin, je le fabrique moi-même. Le coût final de la BOM sera probablement autour de 20 euros. Le temps passé à apprendre et bricoler se compte en centaines d’heures, et le coût du matériel acheté pour ça — imprimante, pince à sertir les connecteurs, câbles, MCU, plaques à souder, capteurs, supports de batterie, composants électroniques, filament, fer à souder, etc. — atteint maintenant environ 500 euros. Mais ça en valait totalement la peine.
L’impression 3D a une courbe d’apprentissage, et c’est peut-être l’élément le plus abrupt ici.
J’aime la CAO, mais je déteste vraiment l’impression 3D. On dirait un appareil inventé pour illustrer la loi de Murphy : « tout ce qui peut mal tourner tournera mal ».
La buse d’impression se bouche à chaque fois. Le filament casse au pire endroit possible, et il faut démonter une partie de la machine pour le retirer. L’impression s’arrête sans raison au milieu d’un long tirage. Le plateau n’est jamais parfaitement plat. Si vous ne laissez pas la bobine de filament tourner assez librement, la machine tire sur le filament, fait tomber la bobine, et celle-ci, comme pour se venger, entraîne toute la machine avec elle.
Et bien sûr, cela prend des heures.
J’ai eu beaucoup plus de chance en passant par des prestataires externes auxquels on envoie un fichier et qui vous renvoient l’objet. C’est cher et souvent plus long que de le faire à la maison, mais la tranquillité d’esprit n’a pas de prix.
Par exemple, une solution industrielle à certains problèmes consisterait à vérifier l’imprimante à chaque tâche à l’aide d’une checklist, mais à la maison cela devient incroyablement fastidieux.
Les logiciels en contact direct avec le monde réel rencontrent aussi ce genre de problèmes.
En métallurgie, la fonderie est une technique très ancienne. Je n’irais pas jusqu’à dire que c’est la plus simple, mais le fait que des gens préindustriels aient pu la découvrir en dit long sur sa complexité.
Le travail au tour part d’un cylindre ou d’un polyèdre.
Pourtant, nous n’utilisons que des méthodes qui enlèvent de la matière à un polyèdre, ou qui construisent à partir de rien. Pour des objets complexes, concaves ou noués, combiner une impression additive basse résolution et un usinage soustractif haute résolution paraît plus plausible.
Il faudrait peut-être un degré de liberté supplémentaire à la machine CNC. Sans aller jusqu’à une véritable « queue de préhension », si l’on pouvait incliner la tête de coupe d’environ 45 degrés, l’écart entre les formes que peuvent produire la fabrication additive et la fabrication soustractive se réduirait nettement.
En tant que personne qui n’a fait que du logiciel, cet article m’encourage beaucoup à me lancer dans des projets hardware à l’avenir.
Honnêtement, le plus gros problème est sans doute que je n’ai pas vraiment de cas d’usage à résoudre avec un projet hardware fait maison. Je ne ressens pas, dans ma vie ou chez moi, de manque qu’un projet hardware devrait corriger.
En plus, je veux généralement la meilleure solution dans les limites de ce que je peux me permettre. Jusqu’ici, les produits commerciaux m’ont pleinement satisfait. Si je peux payer pour acheter un produit qui résout mon problème, je suis tout à fait prêt à le faire plutôt que de me prendre la tête à le fabriquer moi-même. J’estime que mon temps est ce qu’il y a de plus précieux.
Au final, pour mettre un pied dans le hardware, il me faudrait probablement un problème suffisamment agaçant que les produits prêts à l’emploi du marché ne résolvent pas — soit parce qu’ils sont mauvais, soit parce qu’ils n’existent pas.
Ça ressemble au contenu typique d’Internet aujourd’hui. Il y a assez de buzzwords pour que les moteurs de recherche le trouvent, mais c’est trop abstrait pour être réellement utile.
Dire « on ne peut pas battre Prusa, l’imprimante fonctionne parfaitement dès la sortie de la boîte » a pour contrepartie qu’elle est ancienne et lente.
Depuis que Prusa a pratiquement laissé le marché à d’autres acteurs, il est difficile de n’en dire que du bien.
Pour 200 dollars, on peut acheter une Sovol SV06, une itération plus intelligente de la MK3/MK3S, avec du matériel et du logiciel tous deux open source. Pour 500 dollars, on peut acheter une Bambu P1P, beaucoup plus rapide et mieux intégrée verticalement jusqu’au slicer. En ajoutant 100 dollars, on peut prendre la P1S, qui fait la même chose que la P1P tout en étant prête pour l’impression à haute température.
Je ne pense pas que j’y arriverais
À l’armée, je réparais du matériel de communication par micro-ondes. Dans la formation, la partie la plus pénible était la soudure de base. Je n’arrivais vraiment pas à souder, et ma dextérité manuelle était du niveau d’une brique.
Il y a quelques années, j’ai passé une évaluation complète d’aptitude professionnelle qui comprenait un test de dextérité des doigts. Après l’examen, je pensais m’en être plutôt bien sorti, mais on m’a annoncé que j’étais dans les 5 % les plus faibles. Si j’étais devenu chirurgien, ma prime d’assurance pour faute médicale aurait été plus élevée que mon salaire.
Ce n’est pas fabriquer du matériel, c’est connecter des composants matériels existants et les interfacer.
Pour la plupart des usages, il est probable que ce soit beaucoup plus logique que de concevoir soi-même des composants matériels.
Mais ce n’est pas la même chose que de faire de la conception de circuits, et de ce point de vue le titre est un peu trompeur.
Si je mets du bois dans une machine CNC pour l’usiner, je considère quand même que j’ai fabriqué quelque chose. Même si je n’ai pas fait pousser l’arbre, ne l’ai pas abattu, ne l’ai pas séché, ni découpé aux dimensions exactes pour le mettre dans la CNC.
Si vous avez besoin d’aide pour concrétiser un projet ou un produit hardware et le mettre sur le marché, n’hésitez pas à me contacter. Mes coordonnées sont dans mon profil.