Älykellossa on useita innovatiivisia ominaisuuksia, kuten vaihdettavat MAC-osoitteet, WiFi-verkon skannaus, sisäänrakennettu LiDAR etäisyyden mittaamiseen sekä kyky tarjota reaaliaikaisia lämpötila-, korkeus-, kosteus-, paine-, kaasunvastus-, kallistus- ja kiihtyvyysmittauksia.
Käytetty LiDAR on erittäin kompakti VL53L1X ToF (Time of Flight) etäisyysanturi STMicroelectronicsilta. Se voi mitata etäisyyksiä 4 cm:n ja 4 metrin välillä tarkkuudella alle ±1 %, mikä tekee siitä täydellisen mittausten tekemiseen tai jos haluat vain tietää, kuinka kaukana olet tällä hetkellä seinästä. Koska se käyttää 940 nm laseria (infrapunaista ja siksi näkymätöntä ihmisen silmälle), olen myös sijoittanut sen viereen kytkettävän kirkkaan punaisen 650 nm 5 mW laserin auttamaan tähtäyksessä tai esityksen aikana.
Langattomaan osaan kello käyttää ESP-NOW:ta tietojen nopeaan lähettämiseen erittäin alhaisella virrankulutuksella. Tämä langaton protokolla valittiin sen kyvyn vuoksi ohittaa perinteiset WiFi-yhteysasetukset, mikä tekee toimintojen ja reaktioiden välisestä ajasta muiden laitteiden kanssa lähes välittömän.
Kellon sisäänrakennettu haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) anturi antaa käyttäjille mahdollisuuden seurata ja ymmärtää ilmakehän muutoksia. Kytke vain kello päälle ja seuraa IAQ-arvon muutosta, kun kohdekaasu joutuu kosketuksiin BME680:n lämmitetyn metallioksidikerroksen kanssa. Koska anturi seuraa myös kosteutta ja painetta, se tarjoaa hyödyllisen lukeman nykyisestä korkeudesta ilmakehän muutosten lisäksi. Esimerkiksi aina kun suhteelliset painelukemat asuinalueellani ovat noin 10 hPa normaalia alhaisemmat, myrskyt voidaan yleensä ennustaa.
Toimintaperiaate
Kaikkien näiden mahtavien ominaisuuksien ytimessä on ESP32-S3-MINI-mikrokontrolleri eli MCU, joka hoitaa kaiken viestinnän näytön, erilaisten anturien ja muiden langattomien laitteiden välillä.
Kommunikoidakseen näiden anturien kanssa MCU käyttää I2C:tä (Internal Integrated Circuit), suosittua kaksilankaista tiedonsiirtoprotokollaa, joka käyttää kello- ja datasignaaleja tietojen lukemiseen ja kirjoittamiseen eri osoitteellisista antureista.
Tässä projektissa käytetty näyttö on 280x240-resoluutioinen 1,5 tuuman 262K RGB LCD, täydellinen korkean resoluution kuvien valaisemiseen.
Laitteiston ymmärtäminen
Tässä pääpiirissä on viisi anturia (valinnainen kuudes), litium-polymeeriakun laturi, laser-moduulin ohjain sekä tyypillinen piiri ESP32-S3-mikrokontrollerin virransyöttöön, kommunikointiin ja asetuksiin. Siellä on painikkeita ja liittimiä. Alla on täydellinen kytkentäkaavio:
Voimme aloittaa IAQ-anturin ja LiDARin kanssa. Näiden kahden anturin yleinen merkintä eroaa muista antureista, koska ne on asennettu pystysuoralle PCB:n osalle (eivät pääpiirilevyn osaan). Tämä johtuu siitä, että:
-
LiDARin täytyy olla kohtisuorassa kelloa vasten osoittaakseen kohteisiin.
-
Mitä kauempana BME680 on muista lämpöä tuottavista komponenteista, sitä tarkempia sen ympäristön lukemat ovat.
On myös huomattava, että VL53L1X LiDAR toimii parhaiten heikossa ympäristön valossa. En ole kokenut ongelmia sen käytössä sisätiloissa, ja se toimii vielä paremmin valot sammutettuna. Kuitenkin aurinkoisena päivänä auringon ympäristön valo aiheuttaa kohinaa anturin mittauksiin, mikä heikentää etäisyyslukemien tarkkuutta ja luotettavuutta.
Lisäksi, vaikka laserosoitinta käytetään auttamaan LiDARin suuntaamisessa, se ei aina ole suora osoitus mitatusta sijainnista. VL53L1X-etäisyysmittausalgoritmi toimii periaatteessa ottamalla alueen keskuksen ympäriltä (noin 9,8 astetta kaikkiin suuntiin osoittamastasi kohdasta) saadakseen suuremman otoksen saapuvasta valosta. Sitten se käyttää tätä yhdistettyä lukemaa etäisyyden laskemiseen. Toisin sanoen, jos yrität mitata ympäristöä lähellä laserpistettä, mitattu etäisyys on yhdistelmä klikkauksen etäisyydestä + jonkin lähellä olevan kohteen lukemasta (9,8 asteen sisällä).
Kondensaattoreita C5, C8, C7 ja C10 käytetään erotteluun tasoittamaan piirin virtasyöttöä. Nämä arvot määritellään LiDAR ja BME680 tietolehdissä. R1 toimii lisävetoalaspainona varmistaen, että LiDAR on pois päältä, kun sitä ei käytetä. Näissä ei ole vetoalaspainoja I2C-kommunikaatiota varten, koska linjat on jo vedetty ylös MCP3427 ADC -piirissä (akun valvontaa varten), jota voimme tarkastella seuraavaksi.
Tämä MCP3427 analoginen-digitaalimuunnin (ADC) on hyvin samanlainen kuin edellinen, sillä erottelukondensaattorien arvot määritellään komponentin tietolehdessä. Tässä tapauksessa I2C-linja on kuitenkin vedetty ylös ja vasemmalla puolella on jännitejakaja (R13 ja R14). Tämä jännitejakaja on tärkeä, koska haluamme suhteellisesti alentaa LiPo-akun tulojännitteet tarpeeksi matalalle tasolle, jotta ADC voi lukea ne johdonmukaisesti. Koska akun jännite laskee latauksen aikana, tämä lukuarvo antaa vahvan viitteen siitä, kuinka paljon virtaa kellossa on jäljellä.
Lisätietoja tulossa: LiDAR-etäisyysanturi ja WiFi-skannaus
