Smartwatch basato su ESP32
Lo smartwatch vanta una gamma di funzionalità innovative, tra cui indirizzi MAC scambiabili, scansione della rete WiFi, LiDAR integrato per il rilevamento della distanza e la capacità di fornire letture in tempo reale di temperatura, altitudine, umidità, pressione, resistenza ai gas, inclinazione e accelerazione.
Il LiDAR utilizzato è un sensore di distanza ToF (Time of Flight) VL53L1X molto compatto della STMicroelectronics. Può misurare qualsiasi distanza tra 4 cm e 4 metri con una precisione inferiore a ±1%, il che lo rende perfetto per effettuare misurazioni o se vuoi semplicemente sapere quanto sei lontano da un muro. Poiché utilizza un laser da 940 nm (infrarosso e quindi invisibile all'occhio umano), ho anche posizionato un laser rosso brillante commutabile da 650 nm e 5 mW accanto per aiutarti a mirare o se stai tenendo una presentazione.
Per la parte wireless, l'orologio utilizza ESP-NOW per trasmettere rapidamente dati a bassissimo consumo energetico. Questo protocollo wireless è stato scelto per la sua capacità di bypassare le tradizionali configurazioni di connessione WiFi, il che rende il tempo di azione-reazione tra altri dispositivi quasi istantaneo.
Il sensore di composti organici volatili (VOC) integrato nell'orologio consente agli utenti di monitorare e comprendere i cambiamenti atmosferici. Basta accendere l'orologio e osservare il cambiamento della lettura IAQ quando il gas target entra in contatto con lo strato di ossido metallico riscaldato del BME680. Poiché il sensore monitora anche l'umidità e la pressione, fornisce una lettura utile dell'elevazione attuale oltre ai cambiamenti atmosferici. Ad esempio, ogni volta che le letture della pressione relativa nell’area in cui vivo sono circa 10 hPa inferiori al normale, di solito è possibile prevedere i temporali.
Concetto di lavoro
Al centro di tutte queste fantastiche funzionalità c'è il microcontrollore ESP32-S3-MINI o MCU, che gestisce tutte le comunicazioni tra il display, vari sensori e altri dispositivi wireless.
Per comunicare con questi sensori, la MCU utilizza I2C (Internal Integrated Circuit), un diffuso protocollo di comunicazione a due fili che sfrutta segnali di clock e dati per leggere e scrivere dati da diversi sensori indirizzati.
Il monitor utilizzato per questo progetto è un LCD RGB da 1,5 pollici con risoluzione 280x240 , perfetto per illuminare immagini ad alta risoluzione.
Comprendere l'hardware
Il circuito principale qui è costituito da cinque sensori (con un sesto opzionale), un caricabatterie per batterie ai polimeri di litio, un driver del modulo laser e un circuito tipico per l'alimentazione, la comunicazione e la configurazione del microcontrollore ESP32-S3. Ci sono pulsanti e connettori. Di seguito lo schema completo:
Possiamo iniziare con il sensore IAQ e il LiDAR. L'etichettatura globale di questi due sensori è diversa da quella degli altri sensori perché sono montati su una parte verticale del PCB (piuttosto che su una parte del circuito principale). Questo perché:
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Il LiDAR deve essere perpendicolare all'orologio per poter puntare verso gli oggetti.
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Quanto più lontano è il BME680 da altri componenti che generano calore, tanto più precise saranno le sue letture ambientali.
Va inoltre notato che il VL53L1X LiDAR funziona meglio in condizioni di scarsa illuminazione ambientale. Non ho riscontrato alcun problema nell'utilizzo in ambienti chiusi e funziona ancora meglio a luci spente. Tuttavia, quando lo si utilizza in una giornata soleggiata, la luce ambientale proveniente dal sole introduce rumore nelle misurazioni del sensore, riducendo la precisione e l'affidabilità delle letture della distanza.
Inoltre, anche se il puntatore laser viene utilizzato per puntare il LiDAR, non è sempre un indicatore diretto della posizione misurata. L'algoritmo di misurazione della distanza VL53L1X funziona fondamentalmente prendendo un'area attorno al centro (circa 9,8 gradi in tutte le direzioni da dove che stai indicando) per ottenere un campione più ampio della luce incidente. Quindi utilizza questa lettura combinata per calcolare la distanza. Cioè, se stai cercando di misurare un ambiente vicino a un punto laser, la distanza misurata sarà una combinazione della distanza nel clic + la lettura di qualcosa nelle vicinanze (entro 9,8 gradi).
I condensatori C5, C8, C7 e C10 sono utilizzati per il disaccoppiamento per livellare l'ingresso di potenza al chip. Questi valori sono determinati dai datasheet LiDAR e BME680 . R1 è utilizzato come resistore pull-down aggiuntivo per garantire che il LiDAR sia disattivato quando non è in uso. Non ci sono resistori pull-up su questi per la comunicazione I2C poiché le linee sono già tirate su nel circuito ADC MCP3427 (per il monitoraggio della batteria) che possiamo esaminare in seguito.
Questo convertitore analogico-digitale (ADC) MCP3427 è molto simile al precedente, poiché i valori del condensatore di disaccoppiamento sono determinati dalla scheda tecnica del componente. Tuttavia, in questo caso la linea I2C viene tirata su e c'è un partitore di tensione (R13 e R14) sul lato sinistro. Questo partitore di tensione è importante perché vogliamo ridurre proporzionalmente la tensione di ingresso della batteria LiPo a una tensione sufficientemente bassa affinché l'ADC possa leggere in modo coerente. Poiché la tensione della batteria diminuisce durante la carica, questa tensione di lettura fornirà una forte indicazione di quanta energia è rimasta nell'orologio.
Ulteriori informazioni seguiranno: Sensore di distanza LiDAR e scansione WiFi
