Skip to main content

Endlich: die LibertySticks sind fertig

erstellt: 20.12.2024
bearbeitet: 28.12.2024

Seit fast einem Jahr entwickle ich nun an meinen LED-Pixel-Sticks. Die sind jetzt endlich soweit, dass die Prototypen sich auf realen Veranstaltungen bewähren konnten und etliche Verbesserungen - speziell am Design - bereits eingeflossen sind.

"SHOP"

Im "SHOP"-Bereich findest du die Teile, die ich zur Verfügung stellen kann. Die Basis-Platine, eine Aufbauanleitung mit Stückliste oder die 3D-Modellen bzw. Ausdrucke kann ich gegen Rechnung anbieten.

LibertySticks Mk1 – Flexibles Showlicht mit smarter Steuerung

Die LibertySticks MK1 sind innovative LED-Leuchten, die speziell für beeindruckende Lichteffekte auf Bühnen, Veranstaltungen oder im kreativen Einsatz entwickelt wurden. Mit einem LED-Pixel-Strip, der von WLED gesteuert wird, bieten sie vielseitige Steuerungsmöglichkeiten: Ob per IR-Fernbedienung, Browser, App, oder via WLAN mit ArtNet – jedes der 37 Pixel kann individuell angesteuert werden. Dank Audio-reaktiver Funktionen und dem akkubetriebenen Design sind die LibertySticks MK1 besonders mobil und für dynamische Lichtinstallationen geeignet.

Da die wesentlichen Funktionen und die Steuerungs-Interfaces bereits durch die quelloffene WLED-Software gegeben sind, sah ich meine Aufgabe darin, die Sticks möglichst mobil und universell einsetzbar zu gestalten. Alle Gehäuseteile sind 3D-gedruckt, der LED-Streifen findet seinen Platz in einer stabilen Plexiglas-Röhre auf einem eloxierten Alu-Flachstab.

Die Elektronik sitzt in der Basis des Stabes. Das Gehäuse ist fest mit der Akku-Adapterplatte verbunden, so dass der Akku selbst als Teil des Standfußes fungiert. Zur Vergrößerung der Stellfläche gibt es einen Fuß, in den der Akku eingesetzt werden kann.

Main-Features

  • vollständig kabellos, Akku-betrieben
  • 37 LEDs, jeweils vorn und hinten
  • Rückseite auf Wunsch auch als einzeln steuerbar
  • statische Farben, zahllose RGB Pixel-Effekte
  • Sound-Mode mit AGC (Automatic Gain Control)
  • viele Audio-reaktive Effekte
  • customisierte Effekte (Farben, Speed) speicherbar, über Presets direkt aufrufbar
  • Effekt-Playlisten mit beliebig vielen Presets speicherbar
  • Steuerungs-Modi
    • IR-Remote, ohne Netzwerk, Sync per ESP-NOW
    • Browser / App, WLAN, Sync per UDP/Netzwerk
    • ArtNET via WLAN
  • alle Modi ohne Umstellung sofort nutzbar
  • WLED wird automatisch deaktiviert bei Empfang von  ArtNET-Daten

technische Daten

  • LED-Leistung max.: 13 W
  • Anzahl LEDs: 2 x 37 = 74 (vorn/hinten)
  • LED-Typ: WS2812B, RGB, ca. 35mA pro LED
  • Abmessungen (L,B,H,):
  • Rohrdurchmesser: 25mm
  • Akku-Adapter: Typ Einhell
  • verwendeter Akku: Einhell Power X-Change, 4 Ah oder 5,2 Ah
  • mögliche Eingangsspannung: ca. 7V bis 24V 
  • Akku-Sicherung: BMS im Akku, Unter- und Überspannungsschutz
  • Ladegerät: Original Einhell Doppellader
  • Mindestlaufzeit bei LEDs weiß und 100% Helligkeit: ca. 4-6h (4Ah, 72 Wh)
  • Laufzeit, Bemessungsgrundlage weiß, 50%: >9h bei ca. 7,7W
  • realistische Laufzeit, praktisch ermittelt: WLED-Patterns bei 30-70% Helligkeit, ca. 12h
  • DMX-Modi (Art-Net): 3, 4, 15 oder 111 Kanäle (37 Leds x 3 Channels für rot, grün und blau)

Betriebsmodi, jeweilige Vor und Nachteile

[1] Router-Modus

Ein separater Router (z. Bsp. Fritz!Box 6890 5G) stellt ein stabiles 2,4 GHz WLAN bereit, an dem sich die LibertySticks automatisch anmelden. Die Steuerung erfolgt über Smartphone, Browser oder PC via Browser oder App. Der "Master"-Stick wird gesteuert, dieser gibt die ausgewählten Presets, Farben usw. über das Netzwerk an alle anderen LibertySticks weiter.

Vor- & Nachteile

beste Verbindungsqualität auch bei stärkerer Funkbelastung durch viele 2,4GHz Geräte
alle Clients (Smartphone, Tablet & Co.) haben weiterhin Internet, wenn Router LTE oder 5G-Netzzugang weiterreicht
Musik-Streaming am Notebook parallel möglich
Sync sehr schnell und zuverlässig
weitere Geräte (LAN/WLAN) einfach integrierbar, wie z. Bsp. MAESTRO-DMX, Audio-Mixer oder ArtNET-Nodes
Bedienung via App oder Browser möglich
separater Router notwendig, muss mobil immer dabei sein

 

[2] Smartphone AP-Modus

Statt eines Routers übernimmt ein Smartphone oder Tablet die Funktion des Access-Points. Alle Liberty-Sticks melden sich am Smartphone-Hotspot an.

Die Bedienung erfolgt wie im Router-Modus über Browser oder App. Vom Notebook fuktioniert die Steuerung nur, wenn es auch der am Hotspot angemeldet ist.

Vor- & Nachteile

einfaches Setup
kein teurer Router notwendig
Verbindung nicht ganz so stabil wegen kleinerer WLAN-Kapazität am Handy
Sync via UDP ist etwas schwieriger, nicht so stabil
kabelgebundene Geräte nur schwer mit einzubinden


[3] Smartphone direct-Modus

Steht kein WLAN bereit, wo sich die LibertySticks anmelden können, stellen sie selbst einen AP zur Verfügung. Das steuernde Smartphone meldet sich direkt am AP des ersten Sticks an und steuert diesen. Alle weiteren sind nicht mit einem WLAN verbunden und synchronisieren sich über ein separates Funkprotokoll (ESP-NOW).

Vor- & Nachteile

überall einsetzbar
kein teurer Router notwendig
Verbindungmöglicherweise schwierig, da der AP im Stick nur eingeschränkte Möglichkeiten als AP hat
Sync via ESP-NOW funktioniert, jedoch meist leicht zeitverzögert
ESP-NOW nutzt auch 2,4GHz-Band, daher relativ anfällig für Störungen durch andere starke Netzwerke/Geräte vor Ort.

[4] IR-Fernbedienung

neben allen anderen Möglichkeiten, lässt sich WLED auch per IR-Remote steuern.

Alle wichtigen Funktionen sind vorhanden und je nach verwendeter Fernbedienung sind einige Presets/Playlists direkt aufrufbar. 

Sync erfolgt ohne WLAN-Netzwerk ebenfalls per ESP-NOW.

Vor- & Nachteile

einfachste Steuerung
komplett autark nutzbar, auch ohne Smartphone oder Netzwerk
IR-Empfänger muss ggf. nachgerüstet werden, ist erst ab MkII standardmäßig vorgesehen
Einschränkungen bzgl. Sync via EPS-NOW im 2,4GHz-Band gelten auch hier
am wenigsten Steuerungsmöglichkeiten

kein Display
Sichtverbindung zum Master-Stick notwendig


Warum die LibertySticks?

Ganz einfach - weil ich es kann. Und, weil ich vor allem mehr LEDs wollte. Die 16 LEDs der Chauvet DJ Freedom Sticks waren mir für den aufgerufenen Preis deutlich zu wenig. Zumal man ja meist mehr als 4 Sticks benötigt, wenn es gut aussehen soll.

Meine grobe Vorgabe war: bei ähnlichen Features muss so ein Stick günstiger sein, bei gleichem Preis von ca. 200,- € pro Stück müssen die Vorteile deutlich überwiegen.

Durch den DIY-Ansatz lässt sich einerseits ein relativ preiswerter Aufbau erreichen, welcher andererseits sehr flexibel an eigene Anforderungen anpassbar ist (mehr/weniger LEDs). Bei höherer Anzahl LEDs lassen sich z. Bsp. deutlich schönere Pixeleffekte erzielen. 

WLED als Basis bietet weitaus mehr eingebaute Effekte als jedes klassische Lichteffektgerät bieten kann.

Relativ kostengünstiges Akku-Ökosystem mit hohen Kapazitäten, einfachem Austausch und unkomplizierter Schnelladung durch sichere kommerzielle, geprüfte Akkus und Ladegeräte.

Warum kein klassisches DMX:

Kabelgebunden macht das keinen Sinn. Einen W-DMX-Empfänger einzubauen, wäre möglich, aber nicht sinnvoll, denn die Anzahl der DMX-Kanäle wäre für ein einzelnes Universum zu hoch. 

Nebenbei bemerkt ist die Programmierung von eigenen Pixel-Effekten per DMX viel zu aufwändig. Die internen WLED-Effekte sind sehr stark und sobald MAESTRO-DMX mehrere Universen per ArtNET ausgeben kann (ab 2025 geplant), muss man sowieso nicht mehr selbst programmieren. Dann bietet sich die Möglichkeit, einen Satz LibertySticks in ein separates Universum zu legen. Hier sind mit 37 LEDs (111 Kanälen) immerhin 4 unabhängige Sticks möglich, weitere kann man einfach mit gleichen Startadressen ausstatten oder mehrere Universen nutzen.

Warum sind die LibertySticks so besonders?

Grundsätzlich ist für den Bau von eigenen LED-Pixel-Sticks nicht viel Know-How nötig, da ja mit der WLED-Software bereits die Basis gelegt ist. Hier muss man ja nichts mehr tun, als installieren und nach seinen Bedürfnissen einrichten.

Auch fertige Platinen mit dem Microcontroller und allen notwendeigen Komponenten sind bereits in größeren Mengen und für beinahe jeden Bedarf erhältlich.

Was ist also der Vorteil meiner Lösung und was genau habe ich nun zum Gesamtprojekt beigetragen?

Also. Zuerst einmal kommt WLED bisher im Wesentlichen für DIY-Projekte zum Einsatz. Von ganzen Raum-Deko-Beleuchtungen bis hin zu speziellen Design-Leuchten gibt es hier zahllose Ideen von kreativen Köpfen. Der Einsatz als bühnentaugliches Effektlicht ist mir so bisher nicht oft begegnet.

Mein Ansatz war nun der direkte Ersatz der Chauvet Freedom Sticks X4, mit folgenden Features im Lastenheft:

  • Akku-betrieb, mindestens 8-10h, so dass eine Veranstaltung komplett abgedeckt ist
  • idealerweise Standard-Akkus
  • Akkus wechselbar, idealerweise auch während eines Einsatzes
  • komplett Kabellos, Steuerung per Funk/WLAN
  • mehr als 16 LEDs, so dass schönere Pixeleffekte möglich sind
  • stabiles Plexiglasrohr (sollte sich nicht so leicht biegen oder krumm werden)
  • eingebaute Effekte / Standalone-Betrieb ohne DMX-Steuerung
  • Betrieb per W-DMX oder ArtNET 
  • Verfügbarkeit einer gepolsterten Tasche für den Transport

Mein Anteil hier ist ganz klar die Recherche zu Akku, Stromversorgung, ESP32-Modul und LED-Strip, so dass alle gewünschten Features abgedeckt sind. Wesentlichster Anteil jedoch ist das technische Design, um alle Gehäuseteile per 3D-Druck herstellen zu können. Aufwändig war u. a. das Design der Akku-Adapterplatte, so dass die Sticks problemlos auf den Akku zu stecken sind und anschließend wackelfrei auf dem Akku als Standfuß stehen.

Weitere Designentscheidungen wurden erst in der Prototypenphase getroffen. So zum Beispiel die Änderung vom 480LEDs/5m auf einen 150LEDs/5m Streifen und die Entscheidung, die Streifen auf dem Alu-Stab zusätzlich mit 3d-gedruckten Elementen zu verkleiden, so dass der Streifen selbst nicht mehr sichtbar ist.

Fragen & Antworten

Frage: Wieso eine eigene Platine für den ESP32?

Ich hatte einige ESP32 DEV Module herumliegen und wusste, dass diese von WLED unterstützt werden. Nur, um die engültige Größe halbwegs im Rahmen zu halten und eine Handverdrahtung von ESP, Mikrofon und Anschlussblock zu vermeiden, erstellte ich eine Platine, die ich anfertigen ließ.

Was ist eigentlich ArtNET?

Ich halte hier mal die Erklärung kurz und einfach:

Klassisches DMX wird per symmetrischem Kabel mit XLR-Steckern übertragen. Hier ist maximal 1 Universum mit 512 Steuerkanälen übertragbar.

Die Weiterentwicklung ist die Übertragung von DMX-Signalen als IP-Pakete über ein normales Ethernet/WLAN Netzwerk. Hier sind viele Universen möglich. Hierbei begrenzt im Wesentlichen die Netzwerkbandbreite die Anzahl der möglichen Universen.

Bei Software-Steuerungen (wie z. Bsp. DMX-Control) benötigt man kein separates DMX-Interface, da die DMX-Daten direkt über WLAN oder Kabel-Netzwerk gesendet werden. Auf der Empfängerseite muss man aber einen Umsetzer/Node haben, wenn man übliche DMX-Geräte ansteuern will.

Die LibertySticks arbeiten mit WLED, welches bereits ArtNET empfangen kann. Das muss nur eingeschaltet und Adressmäßig korrekt konfiguriert werden. Empfängt WLED Daten via Netzwerk, wird die interne Berechnung der Effekte unterbrochen und die ArtNET/DMX-Daten an die LEDs weitergereicht. Fällt der Datenstrom weg, wird der zuletzt verwendete interne Effekt (Preset) aktiviert.

Geht auch DMX?

Die klassische Ansteuerung per DMX512 habe ich aktuell nicht vorgesehen. Folgende Gründe:

[1] WLED bietet standardmäßig keinen DMX-Eingang. Hier hätte es ein sog. Usermod benötigt, also eine Erweiterung, die ich selbst hätte programmieren müssen. Wegen der üblicherweise hohen LED-Anzahl bei klassischen WLED-Projekten macht die Begrenzung auf 512 Kanäle aber keinen Sinn. Das wären ja maximal 170 LEDs. Die WLED-Programmierer selbst empfehlen für externe Steuerung per ArtNET maximal 3 Universen (510 LEDs), damit die nötige Framerate von 25ms (40fps) erreicht wird.

[2] DMX wird normalerweise per Kabel angeschlossen. Das macht für komplett kabellose akkubasierte Geräte keinen Sinn. Meinen Prototyp hatte ich testweise mal mit einem MAX485 Chip versehen, der für DMX-Signale als Umsetzer geeignet ist. Mit einer externen W-DMX-Transceiver-Strecke (China) konnte ich erfolgreich Daten zum Stick senden. Allerdings nicht mit WLED, sondern nur mit einer eigenen Programmierung. Da fehlen dann aber die integrierten Effekte komplett.

Warum nur 37 LEDs ?

Auch sehr einfach zu beantworten. Ursprünglich hatte ich den Prototypen mit 120 LEDs ausgestattet und wollte wahlweise eine klare Plexiglasvariante und eine matte Version bauen können. Der "NEON-Effekt" ohne sichtbare Einzelpixel stellt sich aber nur ein, wenn man ein satiniertes 30mm-Rohr verwendet und den Streifen an der Innenwand rückseitig montiert. Dazu hatte mein erster Prototyp 2 Einbaupositionen für den Alu-Streifen. Einen mittig und einen ganz an die Rohr-Innenwand hinten versetzt. 

Mit 120 LEDs wäre aber nur ein Streifen einsetzbar gewesen, da dieser bereits eine Maximalleistung von mehr als 20W verbraucht hätte (gemischtes weiß bei 100%). Da die meisten Kollegen das Design mit den einzeln strahlenden LEDs bevorzugen, dafür aber gerne vorn und hinten LEDs haben wollen, stellte ich auf einen anderen LED-Streifentyp um.

Wesentlicher Grund war aber ganz klar die Anzahl der RGB-DMX-Kanäle, die bei direkter Ansteuerung aller LEDs benötigt würde. Bei 120 LEDs sind das ja schon 360 Kanäle... da passen in ein DMX-Universum ja nicht einmal 2 Sticks hinein. Die Alternative war daher der Wechsel auf ein 5m-Streifen mit 150 LEDs, der geteilt durch 4 die geplante Länge von 1,25m und eben 37,5 LEDs pro Streifensegment ergibt. Damit passen mit 37 x 3 = 111 Kanälen nun mindestens 4 Sticks in ein DMX-Universum.

Wie lange reicht denn nun ein Akku?

Die Recherche hat ergeben, dass man realistisch mit etwa 50% weiß (gemischt) rechnen kann. Bei den Streifen sind das etwa 35mA pro LED, also ca. 1,3A. Bei 5V sind das 6,5W. Beim Spannungswandler muss man mit etwa 20% Verlust rechnen, auch wenn die Werbung hier gern etwas anderes verspricht. Damit sind wir schon bei 7,8W. Mit etwas Energie für den ESP32 selbst können wir gut mit etwa 8W rechnen. Der kleinere von mir verwendete Akku (4Ah) hat bei nominal 18V eine Kapazität von 72Wh. 72/8 sind dann 9h. Beim der größeren 5,2Ah-Version sind das dann ca. 94Wh und eine Laufzeit von mehr als 11h.

Warum keine eigenen Akku-Packs?

Es gab hier diverse Diskussionen im DJ-Kollegenkreis. Sicherlich hätte man mit relativ einfachen Mitteln auch eigene Akku-Pakete zusammensetzen und mit einem entsprechenden BMS versehen können. Ich habe mich entschieden, fertige handelsübliche Akkus zu verwenden, wie sie für Akku-Werkzeuge eingesetzt werden. Da ich bereits EINHELL-Geräte habe und die Original-Akkus halbwegs günstig zu bekommen sind, fiel die Wahl auf die EINHELL Power-X Change Akkus mit 4Ah und 5,2 Ah sowie einen passenden Doppel-Schnelllader.

Meine Gründe:

[1] Die Brandgefahr. Auch wenn ich die Geräte nicht als fertiges Produkt auf den EU-Markt bringe, sind für solche Leuchten, die naturgemäß auch auf Bühnen und Tanzflächen mit Kontakt zu Menschen stehen werden, höchste Anforderungen anzusetzen. Da die Akkus hier der der kritischste Teil des gesamten Projektes sind, muss verhindert werden, dass durch Probleme beim Laden oder Entladen irgendwelche Schäden verursacht werden können. Originale Werkzeug-Akkus sind sehr robust, Hochstrom- und schnelladefähig, fehler-unanfällig und ggf. unkompliziert zu ersetzen. Und die Hersteller haben für die Markteinführung bereits alle sicherheitsrelevanten Prüfungen durchgeführt.

[2] Know-How. Wenn man preiswert eigene Akkupakete zusammensetzen will, muss man viele Dinge Beachten. Angefangen vom möglichst gleichen Innenwiderstand und gleicher Kapazität .... bis hin zur fehlerfreien Kontaktierung ohne Kurzschlussgefahr und korrekte Einbindung von BMS-Platinen (Unter- und Überladeschutz). Hier gilt es, keine Fehler zuzulassen.

[3] Minderwertige Akku-Zellen. Möchte man den Preis für seine Pakete im Rahmen halten, ist man auf chinesische Zulieferer von Akku-Zellen angewiesen. Hier zeigt sich, dass Qualitäten und Kapazitäten schwer einzuschätzen sind. Kauft man qualitativ hochwertige, geprüfte Zellen in Deutschland, kann man auch gleich fertige Akkus verwenden. Die sind kaum teurer.

[4] Aufladung. Zusätzlich zu den Akkus müsste man ja auch ein passendes Ladegerät vorsehen. Ein Standard-Labornetzgerät ist für den Einsatzzweck und den möglichen Einsatz unterwegs nicht geeignet. Werkzeug-Akku-Ladegeräte sind ebenfalls robust und meist auch für den mobilen Einsatz im Werkstattwagen vorgesehen.

[5] Die Kapazitätsanzeige. Die EINHELL-Akkus bringen bereits eine gut funktionierende Ladezustandsanzeige mit. Ein Rätselraten, ob ein Akku voll ist oder nicht, gibt es hier nicht.