El reloj inteligente cuenta con una gama de características innovadoras, que incluyen direcciones MAC intercambiables, escaneo de redes WiFi, LiDAR incorporado para detección de distancia y la capacidad de proporcionar lecturas en tiempo real de temperatura, altitud, humedad, presión, resistencia al gas, inclinación y aceleración.
El LiDAR utilizado es un sensor de distancia ToF (tiempo de vuelo) VL53L1X muy compacto de STMicroelectronics. Puede medir cualquier distancia entre 4 cm y 4 metros con una precisión de menos de ±1 %, lo que lo hace perfecto para tomar medidas o si simplemente desea saber a qué distancia se encuentra actualmente de una pared. Como utiliza un láser de 940 nm (infrarrojo y, por lo tanto, invisible para el ojo humano), también he colocado un láser rojo brillante conmutable de 650 nm y 5 mW junto a él para ayudar con la puntería o si está dando una presentación.
Para la parte inalámbrica, el reloj utiliza ESP-NOW para transmitir datos rápidamente con un consumo de energía ultrabajo. Se eligió este protocolo inalámbrico por su capacidad para eludir las configuraciones de conexión WiFi tradicionales, lo que hace que el tiempo de acción y reacción entre otros dispositivos sea casi instantáneo.
El sensor de compuestos orgánicos volátiles (COV) incorporado en el reloj permite a los usuarios monitorear y comprender los cambios atmosféricos. Simplemente encienda el reloj y observe el cambio de la lectura de IAQ a medida que el gas objetivo entra en contacto con la capa de óxido metálico calentada del BME680. Como el sensor también monitorea la humedad y la presión, proporciona una lectura útil de la elevación actual además de los cambios atmosféricos. Por ejemplo, siempre que las lecturas de presión relativa en el área donde vivo son aproximadamente 10 hPa por debajo de lo normal, generalmente se pueden predecir tormentas.
Concepto de trabajo
En el corazón de todas estas increíbles características se encuentra el microcontrolador o MCU ESP32-S3-MINI, que maneja todas las comunicaciones entre la pantalla, varios sensores y otros dispositivos inalámbricos.
Para comunicarse con estos sensores, la MCU utiliza I2C (circuito integrado interno), un popular protocolo de comunicación de dos cables que utiliza señales de reloj y datos para leer y escribir datos de diferentes sensores direccionados.
El monitor utilizado para este proyecto es un LCD RGB 262K de 1,5 pulgadas con una resolución de 280x240 , perfecto para iluminar imágenes de alta resolución.
Entendiendo el Hardware
El circuito principal aquí consta de cinco sensores (con un sexto opcional), un cargador de batería de polímero de litio, un controlador de módulo láser y un circuito típico para alimentar, comunicar y configurar el microcontrolador ESP32-S3. Hay botones y conectores. A continuación se muestra el esquema completo:
Podemos empezar por el sensor IAQ y el LiDAR. El etiquetado global de estos dos sensores es diferente del de los otros sensores porque están montados en una parte vertical de la PCB (en lugar de en parte de la placa de circuito principal). Esto se debe a que:
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LiDAR debe ser perpendicular al reloj para poder apuntar a objetos.
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Cuanto más lejos esté el BME680 de otros componentes que generan calor, más precisas serán sus lecturas ambientales.
También cabe señalar que el LiDAR VL53L1X funciona mejor con poca luz ambiental. No he tenido ningún problema al usarlo en interiores y funciona aún mejor con las luces apagadas. Sin embargo, cuando se utiliza en un día soleado, la luz ambiental del sol introduce ruido en las mediciones del sensor, reduciendo la precisión y confiabilidad de las lecturas de distancia.
Además, si bien el puntero láser se utiliza para ayudar a apuntar el LiDAR, no siempre es un indicador directo de la posición medida. El algoritmo de medición de distancia VL53L1X básicamente funciona tomando un área alrededor del centro (aproximadamente 9,8 grados en todas las direcciones desde donde estás señalando) para obtener una muestra más grande de la luz incidente. Luego utiliza esta lectura combinada para calcular la distancia. Es decir, si intenta medir un entorno cercano a un punto láser, entonces la distancia medida será una combinación de la distancia en el clic + la lectura de algo cercano (dentro de 9,8 grados).
Los condensadores C5, C8, C7 y C10 se utilizan para desacoplar y suavizar la entrada de energía al chip. Estos valores están determinados por las hojas de datos de LiDAR y BME680. R1 se utiliza como una resistencia pull-down adicional para garantizar que el LiDAR se desactive cuando no se utiliza. No hay resistencias pull-up en estos para la comunicación I2C, ya que las líneas ya están activadas en el circuito ADC MCP3427 (para el monitoreo de la batería), que podemos ver a continuación.
Este convertidor analógico-digital (ADC) MCP3427 es muy similar al anterior, ya que los valores del condensador de desacoplamiento están determinados por la hoja de datos de la pieza. Sin embargo, en este caso, la línea I2C se levanta y hay un divisor de voltaje (R13 y R14) en el lado izquierdo. Este divisor de voltaje es importante porque queremos reducir proporcionalmente el voltaje de entrada de la batería de LiPo a un voltaje lo suficientemente bajo para que el ADC lea de manera consistente. Dado que el voltaje de la batería disminuye a medida que se carga, este voltaje de lectura dará una indicación clara de cuánta energía queda en el reloj.
Próximamente más información: Sensor de distancia LiDAR y escaneo WiFi
