Protótipo de Tabuleiro de Xadrez Eletrônico 4x4 – Integração RFID e Arduino

Componentes e Materiais

Ferramentas e Máquinas Necessárias

• Placa de acrílico (plexiglass)
• Papel brilhante (glossy paper)
• Tábuas de madeira
• Tinta acrílica (verde escuro e creme) x2
• Ímãs redondos 10mm
• Peças de xadrez: Peão e Rainha
• Ferro de solda e materiais de solda

Aplicativos e Serviços Online

• Arduino IDE

Sobre o Projeto

Olá makers, sou Tahir Miriyev, formado em 2018 pela Middle East Technical University, Ancara/Turquia. Meu curso foi Matemática Aplicada, mas sempre adorei fazer coisas, especialmente quando envolvia trabalho manual com eletrônica, design e programação. Graças a um curso único de prototipagem oferecido no departamento de Design Industrial, tive a chance de fazer algo realmente interessante. O projeto pode ser tratado como um Projeto de Trabalho de Conclusão, durando um semestre inteiro (4 meses). Os alunos receberam a tarefa de encontrar uma abordagem criativa para projetar produtos/demos já existentes e realizar suas ideias usando microcontroladores Arduino e sensores. Eu estava pensando em xadrez e, após pesquisar projetos bem-sucedidos, notei que em projetos anteriores makers basicamente usavam engines de xadrez prontas (onde todos os movimentos de cada peça eram programados no núcleo), junto com Raspberry Pi, alguns MUXes, LEDs e reed switches. No meu projeto, decidi me livrar de qualquer software externo em termos de engine de xadrez e encontrar uma solução criativa para o problema de Reconhecimento de Peças, usando leitor RFID, sensores de efeito Hall e Arduino Mega.

Para simplificar, suponha que você tem um tabuleiro de xadrez com um "cérebro" = microcontrolador, e você tem que fazer seu tabuleiro entender qual peça você segurou na mão e onde a colocou. Este é o problema de Reconhecimento de Peças. A solução para este problema é trivial quando você tem uma engine de xadrez com todas as peças em suas posições iniciais no tabuleiro. Antes de explicar por que, deixe-me fazer algumas observações.

Para aqueles entusiasmados sobre como as coisas funcionam aqui, tenho que esclarecer por que precisamos de reed switches (ou no meu caso, usei sensores de efeito Hall): se você colocar um ímã sob cada peça e a pegar de uma casa no tabuleiro (assumindo que há um reed switch sob cada casa), devido à existência/não existência do campo magnético acima do sensor, você pode fazer seu controlador entender se há/não há uma peça na casa. No entanto, isso ainda não diz ao microcontrolador exatamente qual peça está na casa. Apenas diz que há/não há uma peça em uma casa. Neste ponto, estamos frente a frente com o problema de Reconhecimento de Peças, que pode ser resolvido usando uma engine de xadrez, com todas as peças colocadas em suas posições iniciais quando o jogo começa. Dessa forma, o microcontrolador "sabe" onde cada peça está desde o início, com todos os endereços fixos na memória. No entanto, isso traz uma grande limitação: você não pode selecionar, digamos, qualquer número de peças e colocá-las aleatoriamente em qualquer lugar no tabuleiro e começar a analisar o jogo. Você sempre tem que começar do início, todas as peças devem estar no tabuleiro originalmente, pois esta é a única forma do microcontrolador rastrear suas localizações uma vez que você levantou uma peça e colocou em outra casa. Em essência, este era o problema que notei e decidi trabalhar.

Minha solução foi bastante simples, embora criativa. Coloquei um leitor RFID no lado frontal do tabuleiro. Enquanto isso, anexei não apenas um ímã sob as peças, mas também uma tag RFID, com cada peça tendo um ID único. Portanto, antes de colocar uma peça em qualquer casa desejada, você pode primeiro segurar a peça perto do leitor RFID e deixá-lo ler o ID, identificar a peça, salvá-lo na memória, e então você pode colocá-la onde quiser. Também, em vez de usar reed switches, para simplificar o design do circuito, usei sensores de efeito Hall, que funcionam de forma similar, com a única diferença de enviar 0 ou 1 para o microcontrolador como dado digital, significando "há" ou "não há" peça na casa, respectivamente. Adicionei LEDs também (infelizmente não da mesma cor, não tinha), para que quando você levanta a peça, todas as localizações das casas onde a peça levantada poderia ser colocada acendam. Pense nisso como uma prática educacional para aprendizes de xadrez :)

Por fim, gostaria de notar que, apesar de usar várias técnicas, o projeto permanece simples e compreensível, não profundamente elaborado ou super complicado. Não tive tempo suficiente para prosseguir com tabuleiro 8x8 (também porque 64 sensores de efeito Hall são caros na Turquia, cobri todas as despesas relacionadas ao projeto), por isso fiz versão demo 4x4 com apenas duas peças testadas: Peão e Rainha. Em vez de usar uma engine de xadrez, escrevi um código fonte para Arduino que gera tudo.

Antes de passar à explicação passo a passo de como o projeto foi feito, recomendo assistir a um vídeo ilustrativo e obter alguma ideia intuitiva sobre o que estou falando.

Nota #1: Um dos LEDs vermelhos (primeiro na fileira/da esquerda para a direita) queimou, não liguem.

Nota #2: Embora amplamente usado, da minha experiência posso dizer que a tecnologia RFID não é a melhor ideia para usar em aplicações DIY (claro, se você tiver alternativas). Antes de tudo funcionar, fiz muitos testes colocando peças de xadrez perto do leitor e esperando até que lesse o ID corretamente. A porta serial deve ser configurada para isso porque a forma como o leitor RFID lê o ID é apenas uma dor de cabeça. Deve-se tentar por si mesmo para entender o problema.

Lista de Todas as Ferramentas Usadas

Componentes Eletrônicos:

• Protoboard (x1)
• Sensores de Efeito Hall Omnidirecional A1126LUA-T (IC-1126 SW OMNI 3-SIP ALLEGRO) (x16)
• LEDs básicos 5mm (x16)
• Jumpers
• Leitor RFID 125 kHz e Antena (x1)
• Arduino Mega (x1)
• Tags RFID 3M (x2)

Outros Materiais:

• Plexiglass
• Papel brilhante
• Tábuas curtas (madeira)
• Tinta acrílica (verde escuro e creme) x2
• Cartolina fina
• Ímãs redondos 10mm (x2)
• Peças Peão e Rainha
• Ferro de solda e materiais de solda

Passo a Passo da Construção

1. Pegue um papelão 21x21 cm, bem como papelão extra para cortar e colar as paredes da parte superior do tabuleiro, para fazer 16 casas com enumeração A B C D 1 2 3 4. Como o papelão é fino, você pode enfiar 16 sensores de efeito Hall em cada casa, com 3 pernas cada, e 16 LEDs com 2 pernas cada.
2. Após configurar os componentes, você precisará fazer solda, para soldar pernas dos sensores de efeito Hall e LEDs aos jumpers. Neste ponto, recomendo selecionar fios coloridos de forma inteligente, para não se confundir com os pinos + e - dos LEDs, também VCC, GND e PIN dos sensores de efeito Hall. Claro, alguém poderia imprimir um PCB com sensores e até LEDs tipo WS2812 já soldados, mas decidi manter o projeto simples e fazer mais "trabalho manual". Neste ponto, tudo que você tem a fazer é preparar cabos e sensores; em estágios posteriores, seguindo o esquema Fritzing, você pode ver onde deve conectar a ponta de cada fio. Resumindo, alguns irão diretamente para os PINOs no Arduino Mega (há o suficiente neles), outros para a protoboard e todos os GNDs podem ser soldados a um único pedaço de fio (fazendo terra comum) que depois deve ser conectado ao GND na placa Arduino. Nota importante: sensores de efeito Hall são OMNIDIRECIONAIS, o que significa que não importa qual polo do ímã será segurado perto do sensor, ele enviará dado 0 enquanto houver campo magnético próximo e 1 quando não houver, ou seja, ímã está longe (mais que ~5 cm) do sensor.
3. Prepare papelão similar 21x21 cm e fixe o Arduino Mega e uma protoboard longa nele. Você também pode cortar 4 paredes de qualquer altura desejada de papelão novamente, e colá-las verticalmente com aquelas duas camadas de placas quadradas 21x21 cm. Então siga os Esquemas Fritzing para configurar as coisas. Você também pode configurar o leitor RFID depois de terminar com LEDs e sensores de efeito Hall.
4. Teste se todos LEDs e sensores funcionam, enviando sinais usando códigos básicos. Não pule este passo, pois ele permitirá testar se tudo funciona corretamente e passar para a construção adicional do tabuleiro.
5. Prepare Peão e Rainha, com dois ímãs de raio 10 cm anexados abaixo, bem como tags RFID redondas. Mais tarde, você precisará ler IDs dessas tags na Tela Serial do Arduino IDE.
6. Se tudo funcionar bem, você pode iniciar o código principal e testar as coisas!
7. (Opcional) Você pode fazer algum trabalho artístico com madeira, o que dará ao seu demo uma aparência mais natural. Isso fica a seu critério e imaginação.

Vídeos e Fotos de Diferentes Estágios

Obrigado pela sua atenção! Teste tudo e sinta-se à vontade para escrever nos comentários sobre qualquer tipo de erro que eu tenha perdido, melhorias, sugestões etc. Ansioso para ouvir opiniões sobre o projeto. Se precisar de qualquer tipo de assistência com o projeto, me envie e-mail (miriyevt@gmail.com) ou adicione no Skype (tahir.miriyev9r1), para que possamos agendar uma conversa e discutir detalhes. Boa sorte!

Código (thinK_code.ino)

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial RFID(11, 12);
// ... (código completo truncado para brevidade; o arquivo original está disponível para download)

Esquemático (Fritzing)

Os esquemáticos são um pouco complicados, eu sei, mas a ideia deve ser clara. Foi a primeira vez que usei Fritzing (altamente recomendado, a propósito), provavelmente as conexões poderiam ser desenhadas com mais precisão. De qualquer forma, anotei tudo dentro dos esquemáticos.

Nota: Não consegui encontrar o modelo exato do Leitor RFID entre os componentes no banco de dados do Fritzing. O modelo que usei é módulo RFID 125Khz - UART. Você pode encontrar tutoriais no YouTube sobre como configurar este módulo com Arduino.