Montre intelligente basée sur ESP32
24 Jul 2024
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La montre intelligente dispose d'une gamme de fonctionnalités innovantes, notamment des adresses MAC échangeables, une analyse du réseau WiFi, un LiDAR intégré pour la détection de distance et la capacité de fournir des lectures en temps réel de la température, de l'altitude, de l'humidité, de la pression, de la résistance aux gaz, de l'inclinaison et de l'accélération.
Le LiDAR utilisé est un capteur de distance ToF (Time of Flight) VL53L1X très compact de STMicroelectronics. Il peut mesurer n'importe quelle distance entre 4 cm et 4 mètres avec une précision inférieure à ±1 %, ce qui le rend parfait pour prendre des mesures, ou si vous voulez simplement savoir à quelle distance vous vous trouvez actuellement d'un mur. Comme il utilise un laser de 940 nm (infrarouge et donc invisible à l'œil humain), j'ai également placé un laser rouge vif commutable de 650 nm et 5 mW à côté de lui pour vous aider à viser ou si vous faites une présentation.
Pour la partie sans fil, la montre utilise ESP-NOW pour diffuser rapidement des données avec une consommation d'énergie ultra-faible. Ce protocole sans fil a été choisi en raison de sa capacité à contourner les configurations de connexion WiFi traditionnelles, ce qui rend le temps d'action-réaction entre d'autres appareils presque instantané.
Le capteur de composés organiques volatils (COV) intégré à la montre permet aux utilisateurs de surveiller et de comprendre les changements atmosphériques. Allumez simplement la montre et observez le changement de lecture de la QAI lorsque le gaz cible entre en contact avec la couche d'oxyde métallique chauffée du BME680. Comme le capteur surveille également l’humidité et la pression, il fournit une lecture utile de l’élévation actuelle en plus des changements atmosphériques. Par exemple, chaque fois que les relevés de pression relative dans la région où je vis sont environ 10 hPa inférieurs à la normale, des tempêtes peuvent généralement être prédites.
Concept de travail
Au cœur de toutes ces fonctionnalités impressionnantes se trouve le microcontrôleur ou MCU ESP32-S3-MINI, qui gère toutes les communications entre l'écran, divers capteurs et autres appareils sans fil.
Pour communiquer avec ces capteurs, le MCU utilise I2C (Internal Integrated Circuit), un protocole de communication à deux fils populaire qui utilise des signaux d'horloge et de données pour lire et écrire des données à partir de différents capteurs adressés.
Le moniteur utilisé pour ce projet est un LCD 1,5 pouces 262K RGB de résolution 280x240 , parfait pour éclairer des images haute résolution.
Comprendre le matériel
Le circuit principal se compose ici de cinq capteurs (avec un sixième en option), d'un chargeur de batterie au lithium polymère, d'un pilote de module laser et de circuits typiques pour l'alimentation, la communication et la configuration du microcontrôleur ESP32-S3. Il y a des boutons et des connecteurs. Ci-dessous le schéma complet :
Nous pouvons commencer par le capteur IAQ et le LiDAR. L'étiquetage global de ces deux capteurs est différent des autres capteurs car ils sont montés sur une partie verticale du PCB (plutôt que sur une partie du circuit imprimé principal). C'est parce que :
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Le LiDAR doit être perpendiculaire à la montre pour pouvoir pointer vers des objets.
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Plus le BME680 est éloigné des autres composants générateurs de chaleur, plus ses lectures ambiantes seront précises.
Il convient également de noter que le LiDAR VL53L1X fonctionne mieux dans une faible lumière ambiante. Je n'ai rencontré aucun problème pour l'utiliser à l'intérieur et il fonctionne encore mieux avec les lumières éteintes. Cependant, lors de son utilisation par une journée ensoleillée, la lumière ambiante du soleil introduit du bruit dans les mesures du capteur, réduisant ainsi la précision et la fiabilité des lectures de distance.
De plus, bien que le pointeur laser soit utilisé pour aider à viser le LiDAR, il ne constitue pas toujours un indicateur direct de la position mesurée. L'algorithme de mesure de distance VL53L1X fonctionne essentiellement en prenant une zone autour du centre (environ 9,8 degrés dans toutes les directions à partir d'où vous pointez) afin d'obtenir un échantillon plus large de la lumière incidente. Il utilise ensuite cette lecture combinée pour calculer la distance. Autrement dit, si vous essayez de mesurer un environnement proche d'un point laser, la distance mesurée sera une combinaison de la distance du clic + la lecture de quelque chose à proximité (dans un rayon de 9,8 degrés).
Les condensateurs C5, C8, C7 et C10 sont utilisés pour le découplage afin de lisser l'entrée d'alimentation vers la puce. Ces valeurs sont déterminées par les fiches techniques LiDAR et BME680. R1 est utilisé comme résistance de rappel supplémentaire pour garantir que le LiDAR est désactivé lorsqu'il n'est pas utilisé. Il n'y a pas de résistance de rappel sur ces derniers pour la communication I2C car les lignes sont déjà tirées vers le haut dans le circuit ADC MCP3427 (pour la surveillance de la batterie) que nous pouvons examiner ensuite.
Ce convertisseur analogique-numérique (CAN) MCP3427 est très similaire au précédent, car les valeurs du condensateur de découplage sont déterminées par la fiche technique de la pièce. Cependant, dans ce cas, la ligne I2C est tirée vers le haut et il y a un diviseur de tension (R13 et R14) sur le côté gauche. Ce diviseur de tension est important car nous voulons réduire proportionnellement la tension d'entrée de la batterie LiPo à une tension suffisamment basse pour que l'ADC puisse lire de manière cohérente. Étant donné que la tension de la batterie diminue au fur et à mesure qu'elle est chargée, cette tension de lecture donnera une bonne indication de la quantité d'énergie restante dans la montre.
Plus d'informations à suivre : Capteur de distance LiDAR et numérisation WiFi
