Smartwatchet har en række innovative funktioner, herunder udskiftelige MAC-adresser, WiFi-netværksscanning, indbygget LiDAR til afstandsmåling samt evnen til at levere realtidsmålinger af temperatur, højde, fugtighed, tryk, gasmodstand, hældning og acceleration.
Den anvendte LiDAR er en meget kompakt VL53L1X ToF (Time of Flight) afstandssensor fra STMicroelectronics. Den kan måle enhver afstand mellem 4 cm og 4 meter med en nøjagtighed på mindre end ±1 %, hvilket gør den perfekt til at tage målinger, eller hvis du bare vil vide, hvor langt du i øjeblikket er fra en væg. Da den bruger en 940 nm laser (infrarød og derfor usynlig for det menneskelige øje), har jeg også placeret en skiftbar klar rød 650nm 5mW laser ved siden af den for at hjælpe med sigtning eller hvis du holder en præsentation.
Til den trådløse del benytter uret ESP-NOW til hurtigt at udsende data med ultra-lavt strømforbrug. Denne trådløse protokol blev valgt på grund af dens evne til at omgå traditionelle WiFi-forbindelsesopsætninger, hvilket gør handling-reaktionstiden mellem andre enheder næsten øjeblikkelig.
Urets indbyggede sensor for flygtige organiske forbindelser (VOC) gør det muligt for brugerne at overvåge og forstå atmosfæriske ændringer. Tænd blot uret og observer IAQ-aflæsningen ændre sig, når den målrettede gas kommer i kontakt med det opvarmede metaloxidlag på BME680. Da sensoren også overvåger fugtighed og tryk, giver den en nyttig aflæsning af den aktuelle højde udover atmosfæriske ændringer. For eksempel, når de relative trykaflæsninger i det område, hvor jeg bor, er omkring 10 hPa under normalen, kan storme som regel forudsiges.
Arbejdsprincip
Kernen i alle disse fantastiske funktioner er ESP32-S3-MINI mikrocontrolleren eller MCU'en, som håndterer al kommunikation mellem displayet, forskellige sensorer og andre trådløse enheder.
For at kommunikere med disse sensorer benytter MCU'en I2C (Internal Integrated Circuit), en populær to-lednings kommunikationsprotokol, der bruger clock- og datasignaler til at læse og skrive data fra forskellige adresserede sensorer.
Skærmen, der bruges til dette projekt, er en 280x240 opløsning 1,5 tommer 262K RGB LCD, perfekt til at oplyse billeder i høj opløsning.
Forståelse af hardwaren
Hovedkredsløbet her består af fem sensorer (med en valgfri sjette), en lithium-polymer batterioplader, en laser modul driver og typisk kredsløb til strømforsyning, kommunikation og opsætning af ESP32-S3 mikrocontrolleren. Der er knapper og stik. Nedenfor er det komplette skema:
Vi kan starte med IAQ-sensoren og LiDAR'en. Den globale mærkning af disse to sensorer er forskellig fra de andre sensorer, fordi de er monteret på en lodret del af PCB'en (i stedet for en del af hovedkredsløbspladen). Dette skyldes:
-
LiDAR skal være vinkelret på uret for at pege på objekter.
-
Jo længere væk BME680 er fra andre varmeproducerende komponenter, desto mere nøjagtige vil dens omgivende aflæsninger være.
Det skal også bemærkes, at VL53L1X LiDAR fungerer bedst i lavt omgivende lys. Jeg har ikke oplevet problemer med at bruge den indendørs, og den fungerer endnu bedre med slukkede lys. Men når den bruges på en solrig dag, introducerer det omgivende sollys støj i sensorens målinger, hvilket reducerer nøjagtigheden og pålideligheden af afstandsaflæsningerne.
Derudover, mens laserpekeren bruges til at hjælpe med at sigte LiDAR'en, er den ikke altid en direkte indikator for den målte position. VL53L1X afstandsmålealgoritmen fungerer grundlæggende ved at tage et område omkring centrum (ca. 9,8 grader i alle retninger fra hvor du peger) for at få et større udsnit af det indkommende lys. Den bruger derefter denne kombinerede aflæsning til at beregne afstanden. Det vil sige, hvis du prøver at måle et miljø tæt på en laserprik, vil den målte afstand være en kombination af afstanden i klik + aflæsningen af noget i nærheden (inden for 9,8 grader).
Kondensatorerne C5, C8, C7 og C10 bruges til afkobling for at udjævne strømforsyningen til chippen. Disse værdier bestemmes af LiDAR og BME680 databladene. R1 bruges som en ekstra pull-down modstand for at sikre, at LiDAR er deaktiveret, når den ikke er i brug. Der er ingen pull-up modstande på disse til I2C-kommunikation, da linjerne allerede er trukket op i MCP3427 ADC-kredsløbet (til batteriovervågning), som vi kan se på næste.
Denne MCP3427 analog-til-digital konverter (ADC) ligner meget den forrige, da værdierne for afkoblingskondensatorerne bestemmes af komponentens datablad. Dog er I2C-linjen i dette tilfælde trukket op, og der er en spændingsdeler (R13 og R14) på venstre side. Denne spændingsdeler er vigtig, fordi vi ønsker at reducere LiPo-batteriets indgangsspænding proportionalt til en lav nok spænding, så ADC'en kan aflæse den konsekvent. Da batterispændingen falder, efterhånden som det aflades, vil denne aflæsning give en klar indikation af, hvor meget strøm der er tilbage i uret.
Mere information følger: LiDAR afstandssensor og WiFi-scanning
