ESP32flight - zbuduj radar lotniczy z ekranem dotykowym (bez lutowania, bez łączenia modułów i bez programatora)

[theqkash]

Cześć! Chcę Wam pokazać projekt, nad którym siedzę od kilku miesięcy: esp32flight, samodzielny radar lotniczy na biurko. Małe urządzenie z dotykowym ekranem stoi sobie na półce i pokazuje na żywo samoloty przelatujące nad Waszą okolicą: kto leci, skąd dokąd, jak wysoko, a nawet jak wygląda ta konkretna maszyna. Stuknięcie w ekran daje szczegóły, a telefon może dostać powiadomienie, że za trzy minuty coś ciekawego przeleci nad domem.

Przykładowy interfejs jednej z wersji systemu

To nie jest projekt tylko dla elektroników. Nie trzeba nic lutować, nie trzeba programować, nie trzeba stawiać żadnego serwera ani niczego opłacać. Kupujecie gotową płytkę z ekranem, podłączacie kablem USB do komputera, klikacie jeden przycisk na stronie projektu i po kilku minutach macie na biurku działający radar. Dla tych, którzy lubią grzebać głębiej, całość jest open source (licencja MIT), więc można zajrzeć w każdą linijkę i dołożyć swoje.

Jak zrobić swoją wersje?

1. Kupujecie jedną ze wspieranych płytek (potrzebny będzie też kabel USB typu C):
   1. Waveshare 7 - większa, ale bez obudowy
   2. M5Stack Tab5 - mniejsza, ale z lepszym wyświetlaczem w obudowie
   3. Inne, mniej popularne - opisane niżej
2. Otwieracie instalator w przeglądarce (Chrome/Edge), klikacie Install, wybieracie port.
3. Na urządzeniu: ikona zębatki, wybór Wi-Fi ze skanu, zapis. Lokalizacja ustawia się sama po IP (albo wpisujecie miasto).

Kabel jest potrzebny tylko raz, potem aktualizacje przychodzą OTA i aktualizację można wykonać przez web panel. Jest też wersja na Androida budowana z tych samych źródeł (ten sam radar można uruchomić jako apka na starym tablecie), APK do pobrania z releases na GitHubie.

Skąd pomysł?

Mieszkam pod trasą podejścia i zawsze zerkałem w aplikacje typu Flightradar24, ale chciałem mieć coś, co działa samo z siebie, bez wyciągania telefonu. Gotowe rozwiązania "zrób to sam" wymagają zwykle Raspberry Pi z anteną, czyli osobnego komputerka, karty SD, zasilania i wieczoru konfiguracji. Pomyślałem, że da się prościej.

Widok z większością dostępnych w aplikacji warstw - strefy lotnicze, mapa chmur, samoloty, statki

Skąd w ogóle biorą się dane o samolotach? Każdy samolot komunikacyjny nadaje przez radio swoją pozycję, wysokość i prędkość. Ten system nazywa się ADS-B. Tysiące hobbystów na całym świecie odbiera te sygnały małymi antenkami i wrzuca do darmowych, społecznościowych serwisów internetowych. Mój radar po prostu pyta te serwisy: "co teraz lata w promieniu X kilometrów od tego punktu?". Dzięki temu nie potrzebuje własnej anteny, wystarczy mu domowe Wi-Fi.

Najbardziej "klasyczny" widok w aplikacji oraz widok jednego samolotu

A sercem urządzenia jest ESP32, mikrokontroler za kilkanaście złotych, ulubieniec majsterkowiczów: ma wbudowane Wi-Fi i wystarczy mu tyle prądu, co ładowarce od telefonu. Producenci sprzedają go zintegrowanego z ekranem dotykowym jako gotowe płytki, i to na takiej płytce działa cały projekt. Bez Raspberry, bez Linuksa, bez wentylatorów: jeden układ robi wszystko.

Co potrafi ESP32flight?

Podstawowy widok to lista samolotów w wybranym promieniu (od 1 do 250 mil morskich), odświeżana co 8 sekund: logo linii lotniczej, typ maszyny, wysokość ze strzałką trendu (wznosi się czy schodzi), prędkość i odległość od Ciebie. Stuknięcie w samolot otwiera kartę szczegółów: trasa z miastami i flagami państw, pasek postępu lotu, przewidywana godzina lądowania w czasie lokalnym, no i zdjęcie tej konkretnej maszyny z serwisu planespotters.net. Dodatkowy bajer to "linia spottera": urządzenie podpowiada, w którą stronę nieba patrzeć (kierunek plus wysokość nad horyzontem) i przewiduje przeloty: "przeleci nad Tobą za ~3 minuty". Idealne do wyjścia na balkon w odpowiednim momencie.

 
Widok na Gdańsk oraz mapa burzowa (wygaszacz ekranu)

Widoków jest pięć: lista ze szczegółami, tryb ambient (urządzenie samo przełącza ciekawe loty), radar na prawdziwej mapie Waszej okolicy z zaznaczonymi pasami startowymi, statystyki (wykres ruchu godzina po godzinie, ranking linii, rekordy dnia, komunikaty pogodowe METAR w wersji surowej albo przetłumaczonej na ludzki) i retro radar stylizowany na wojskowy ekran CRT z zieloną poświatą. Opcjonalnie na mapie pojawią się też: Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, gdy akurat przelatuje, balony meteorologiczne z sieci SondeHub, statki (system AIS, morski odpowiednik ADS-B) i granice przestrzeni powietrznej dla fanów lotnictwa.

Widok na kategorię Statki dostępną po wpisaniu bezpłatnego klucza API AIS

Skąd dane, skoro bez klucza API? Tu ukłon w stronę społeczności: radar korzysta z trzech darmowych agregatorów ADS-B (airplanes.live, adsb.lol, adsb.fi) z automatycznym przełączaniem. Padnie jeden, urządzenie w locie przechodzi na następny i nawet tego nie zauważycie. Informacje o trasach są weryfikowane krzyżowo w trzech bazach danych i konfrontowane z rzeczywistą pozycją samolotu: jeśli baza twierdzi, że lot leci z Madrytu do Oslo, a samolot jest nad Grecją w drodze na wschód, wpis jest odrzucany zamiast wyświetlany. Wolę pokazać "trasa nieznana" niż zmyślać.

Statki, samoloty na podzielonym widoku

Dla zaawansowanych: jeśli macie własny odbiornik dump1090/readsb (czyli klasyczne Raspberry z anteną), radar podepnie się do niego bezpośrednio po sieci lokalnej, z internetem jako zapasem. Własna antena daje szybsze odświeżanie i samoloty, których agregatory czasem nie widzą.

Alerty i integracje

Radar umie wezwać Wasz telefon: sygnał awaryjny (squawk 7700, lotniczy odpowiednik wołania o pomoc), samolot z Waszej listy obserwowanych albo nadchodzący przelot mogą wysłać push przez darmowy serwis ntfy.sh. Konfiguracja to wpisanie jednej nazwy w ustawieniach, bez zakładania konta.

Interfejs WebUI dostępny pod adresem esp32.local

Dla domowych automatyków: jest MQTT z automatyczną integracją z Home Assistant (samoloty jako sensory, gotowe do własnych automatyzacji w stylu "przyciemnij światła, gdy nadlatuje An-124") i webhooki JSON. Do tego panel WWW pod adresem http://esp32flight.local: mapa na żywo w przeglądarce, dziennik spottera z eksportem do CSV, pełna konfiguracja i aktualizacje firmware przez przeglądarkę (OTA). Jest nawet endpoint Prometheus dla fanów Grafany, bo czemu nie mierzyć ruchu lotniczego nad domem jak ruchu na serwerze.

Zaczęło się od płytki Waveshare... później pojawiły się inne platformy

Projekt powstał na płytce Waveshare ESP32-S3-Touch-LCD-7: 7 cali, 800x480, dotyk pojemnościowy, wszystko zintegrowane, porządna dokumentacja. Ideał na taki radar i na niej powstała cała pierwsza wersja. Problem pojawił się, gdy projekt zaczęli instalować inni i okazał się bardzo popularny: Waveshare 7 stał się praktycznie nie do kupienia (aktualnie już jest dostępny). Sklepy pokazywały brak towaru, a ja dostawałem wiadomości "na czym mam to uruchomić?". I to pytanie ustawiło dalszy rozwój projektu: zamiast jednej płytki, wsparcie dla wszystkiego sensownego, co jest realnie dostępne. Brzmi niewinnie, ale każda płytka to inne podłączenie ekranu, inny układ dotyku i inne pułapki, o których niżej. Dziś dzięki społeczności i potrzebie rozruszania projektu firmware działa na kilkunastu konfiguracjach.

W polskich sklepach z elektroniką takich jak Botland dostaniecie już pierwotnego Waveshare'a oraz M5Stack Tab5, o którym za chwilę. Gdzie nie gdzie można także nabyć pozostałe rozmiary rodziny Waveshare (4.3" i 5", technicznie bliźniacze z siódemką, więc jeden firmware sam rozpoznaje, na czym wylądował), wariant Waveshare 7B z panelem 1024x600. Z AliExpress i Amazona wspierane są tanie płytki od chińskich przyjaciół: Guition JC8048W550 (5 cali, często około 100 zł), Sunton ESP32-4827S043 (4.3"), Elecrow CrowPanel 5.0, a w kanale testowym CrowPanel 7.0 i Sunton 8048S070. Ciekawostka z życia: sporo bezmarkowych 7-calówek z Amazona to potajemnie przebrandowane CrowPanele. Rozszyfrowanie jednej z nich wyglądało jak śledztwo: nazwa sterownika ekranu w specyfikacji i linki do supportu Elecrow ukryte na stronie produktu zdradziły prawdziwego producenta. Polecam jednak trzymanie się Waveshare 7 albo Tab5. Wydaje mi się, że stosunek ceny do możliwości jest tutaj najlepszy.

Tab5, czyli port na grubszy sprzęt

M5Stack Tab5 to inna liga cenowa i sprzętowa: procesor ESP32-P4 (nowy, mocniejszy układ Espressifa), ekran 5 cali o rozdzielczości 1280x720, czyli gęstości piksela znanej z telefonów, nie wymaga obudowy. Wygląda jak mały tablet, bo w zasadzie nim jest.

Tab5 po lewej, Waveshare 7 po prawej stronie

Dla zainteresowanych techniką: P4 nie ma własnego radia, więc Wi-Fi obsługuje osobny układ ESP32-C6 wlutowany obok, z którym główny procesor rozmawia po magistrali SDIO. Do tego ekran podłączony jest przez MIPI-DSI (ten sam standard co w smartfonach), a panel wymaga pełnej, vendorowej sekwencji inicjalizacyjnej: bez niej podświetlenie działa, a obraz jest czarny, co bywa mylące przy debugowaniu. W nagrodę radar wygląda na tym ekranie fenomenalnie, a zapas mocy P4 otwiera drzwi na przyszłość.

Czego nauczyły mnie porty na inne urządzenia?

Firmware to czyste C na ESP-IDF 5.5 z biblioteką graficzną LVGL 8. Dwie największe lekcje z przenoszenia go między płytkami:

Po pierwsze, pamięć. ESP32-S3 ma tylko pół megabajta szybkiej pamięci wewnętrznej, resztę dokłada zewnętrzny układ PSRAM, przez który przechodzi dosłownie wszystko: bufory ekranu, kafle map, cache logo. Sam ekran 800x480 pobiera z tej pamięci duże ilości danych, tylko po to, żeby obraz w ogóle był wyświetlany. Na wariancie 7B obraz potrafił "trząść się" przy każdym dotknięciu i po tygodniu polowania okazało się, że producent w swoim demo taktuje PSRAM na 120 MHz tam, gdzie ESP-IDF domyślnie ustawia 80. Znalezienie tego wymagało wgrania fabrycznego demo na wadliwy egzemplarz (działało idealnie) i porównania konfiguracji bajt po bajcie.

 
Radar - jeden z widoków pożądanych przez użytkowników oraz widok szczegółowy samolotu

Po drugie, klony. Ta sama z pozoru "800x480 z dotykiem" potrafi mieć trzy różne mapowania pinów, zamienione kolory, inne timingi panelu i połowę deklarowanego flasha: oznaczenie modułu N4 to fizycznie 4 MB, choćby aukcja przysięgała, że 8. Firmware część płytek rozpoznaje automatycznie przy starcie (sondując układy na magistrali I2C), a dla reszty są dedykowane wersje w instalatorze.

Podsumowanie

Zaczęło się od jednej płytki Waveshare, a skończyło na wspieraniu całego spektrum: od sprzętu z polskich sklepów (Waveshare, M5Stack Tab5) po stuzłotowe płytki z AliExpress. Projekt jest w pełni otwarty: kod na GitHubie na licencji MIT, do tego Discord społeczności, gdzie użytkownicy testują kolejne płytki i zgłaszają znaleziska. Wersja 0.4.4 to czternaście wariantów firmware budowanych z jednego drzewa źródeł, plus apka Android.

Jeśli macie którąś ze wspieranych płytek w szufladzie, spróbujcie: od podłączenia kabla do pierwszego samolotu na ekranie mija kilka minut.   

[Treker (Damian Szymański)]

@theqkash witam na forum i dziękuję za opis tego ciekawego projektu również na Forbocie  Ciekawy rodzaj DIY, bo nie dość, że projekt jest praktyczny to dosłownie każdy może stworzyć swoją wersję w kilka minut. Również dołączyłem do grona użytkowników tego projektu. Na razie uruchomiłem wersję na M5Stack Tab5, wydrukowałem też już obudowę do wersji na wyświetlaczu Waveshare 7. Poszło bez problemów, zaskoczył mnie pozytywnie interfejs i liczba dostępnych opcji. Pewnie spokojnie mogłoby to być sprzedawane jako gotowy produkt