Chytré hodinky se pyšní řadou inovativních funkcí, včetně vyměnitelných MAC adres, skenování WiFi sítí, vestavěného LiDARu pro měření vzdálenosti a schopnosti poskytovat v reálném čase údaje o teplotě, nadmořské výšce, vlhkosti, tlaku, odolnosti vůči plynům, náklonu a zrychlení.
Použitý LiDAR je velmi kompaktní VL53L1X ToF (Time of Flight) snímač vzdálenosti od STMicroelectronics. Může měřit jakoukoli vzdálenost mezi 4 cm a 4 metry s přesností lepší než ±1 %, což ho činí ideálním pro měření, nebo pokud chcete jen vědět, jak daleko právě jste od zdi. Protože používá 940 nm laser (infračervený a tedy neviditelný pro lidské oko), umístil jsem vedle něj také přepínatelný jasně červený 650nm 5mW laser, který pomáhá s mířením nebo pokud děláte prezentaci.
Pro bezdrátovou část hodinky využívají ESP-NOW k rychlému vysílání dat při ultra nízké spotřebě energie. Tento bezdrátový protokol byl zvolen kvůli své schopnosti obejít tradiční nastavení WiFi připojení, což činí dobu odezvy mezi ostatními zařízeními téměř okamžitou.
Vestavěný senzor těkavých organických sloučenin (VOC) v hodinkách umožňuje uživatelům sledovat a porozumět změnám atmosféry. Stačí hodinky zapnout a sledovat změnu hodnoty IAQ, když cílový plyn přijde do kontaktu s vyhřívanou vrstvou kovového oxidu BME680. Jelikož senzor také sleduje vlhkost a tlak, poskytuje užitečné údaje o aktuální nadmořské výšce kromě změn atmosféry. Například kdykoli jsou relativní tlakové hodnoty v oblasti, kde bydlím, asi o 10 hPa nižší než obvyklé, obvykle lze předpovědět bouřky.
Pracovní koncept
V jádru všech těchto úžasných funkcí je mikrokontrolér ESP32-S3-MINI nebo MCU, který zajišťuje veškerou komunikaci mezi displejem, různými senzory a dalšími bezdrátovými zařízeními.
Pro komunikaci s těmito senzory MCU využívá I2C (Internal Integrated Circuit), populární dvouvodičový komunikační protokol, který používá hodinové a datové signály pro čtení a zápis dat z různých adresovaných senzorů.
Monitor použitý pro tento projekt je 1,5palcový 262K RGB LCD s rozlišením 280x240, ideální pro zobrazování vysoce kvalitních obrázků.
Pochopení hardwaru
Hlavní obvod zde sestává z pěti senzorů (s volitelným šestým), nabíječe lithium-polymerové baterie, ovladače laserového modulu a typického obvodu pro napájení, komunikaci a nastavení mikrokontroléru ESP32-S3. Jsou zde tlačítka a konektory. Níže je kompletní schéma:
Můžeme začít senzorem IAQ a LiDARem. Globální označení těchto dvou senzorů se liší od ostatních senzorů, protože jsou namontovány na vertikální části PCB (spíše než na hlavní desce plošných spojů). Je to proto, že:
-
LiDAR musí být kolmo na hodinky, aby mohl mířit na objekty.
-
Čím dále je BME680 od ostatních komponent generujících teplo, tím přesnější budou jeho měření okolního prostředí.
Je také třeba poznamenat, že VL53L1X LiDAR funguje nejlépe při nízkém okolním osvětlení. Nepociťoval jsem žádné problémy při jeho používání uvnitř a funguje ještě lépe, když jsou světla zhasnutá. Nicméně při použití za slunečného dne způsobuje okolní světlo ze slunce šum v měřeních senzoru, což snižuje přesnost a spolehlivost měření vzdálenosti.
Kromě toho, i když je laserové ukazovátko používáno k usnadnění zaměření LiDARu, není vždy přímým ukazatelem měřené pozice. Algoritmus měření vzdálenosti VL53L1X v podstatě funguje tak, že bere oblast kolem středu (asi 9,8 stupně ve všech směrech od místa, kam ukazujete), aby získal větší vzorek dopadajícího světla. Poté používá tento kombinovaný údaj k výpočtu vzdálenosti. To znamená, že pokud se snažíte změřit prostředí blízko laserového bodu, naměřená vzdálenost bude kombinací vzdálenosti v místě kliknutí + odečtu něčeho v blízkosti (v rámci 9,8 stupně).
Kondenzátory C5, C8, C7 a C10 se používají k oddělení a vyhlazení napájení čipu. Tyto hodnoty jsou určeny podle LiDARu a BME680 datasheetů. R1 je použit jako další pull-down rezistor, aby bylo zajištěno, že LiDAR je deaktivován, když není používán. Na těchto linkách nejsou žádné pull-up rezistory pro I2C komunikaci, protože linky jsou již přitaženy nahoru v obvodu MCP3427 ADC (pro monitorování baterie), který si můžeme prohlédnout dále.
Tento MCP3427 analogově-digitální převodník (ADC) je velmi podobný předchozímu, protože hodnoty odrušovacích kondenzátorů jsou určeny datovým listem součástky. Nicméně v tomto případě je I2C linka přitažena nahoru a na levé straně je napěťový dělič (R13 a R14). Tento napěťový dělič je důležitý, protože chceme proporcionálně snížit vstupní napětí LiPo baterie na dostatečně nízké napětí, aby ho ADC mohl konzistentně číst. Protože napětí baterie klesá, jak se nabíjí, toto měřené napětí poskytne silný indikátor, kolik energie v hodinkách zbývá.
Více informací bude následovat: Senzor vzdálenosti LiDAR a WiFi skenování
