ESP32-gebaseerde smartwatch
De smartwatch beschikt over een reeks innovatieve functies, waaronder verwisselbare MAC-adressen, WiFi-netwerkscannen, ingebouwde LiDAR voor afstandsdetectie en de mogelijkheid om realtime temperatuur-, hoogte-, vochtigheids-, druk-, gasweerstand-, kantel- en versnellingsmetingen te leveren.
De gebruikte LiDAR is een zeer compacte VL53L1X ToF (Time of Flight) afstandssensor van STMicroelectronics. Hij kan elke afstand tussen 4 cm en 4 meter meten met een nauwkeurigheid van minder dan ±1%, waardoor hij perfect is voor het uitvoeren van metingen, of als u gewoon wilt weten hoe ver u zich op dit moment van een muur bevindt. Omdat hij een 940 nm laser gebruikt (infrarood en dus onzichtbaar voor het menselijk oog), heb ik er ook een schakelbare felrode 650 nm 5 mW laser naast geplaatst om te helpen bij het richten of als u een presentatie geeft.
Voor het draadloze gedeelte gebruikt het horloge ESP-NOW om snel gegevens uit te zenden met een ultralaag stroomverbruik. Dit draadloze protocol werd gekozen vanwege het vermogen om traditionele WiFi-verbindingsinstellingen te omzeilen, waardoor de actie-reactietijd tussen andere apparaten bijna onmiddellijk is.
Met de ingebouwde sensor voor vluchtige organische stoffen (VOC) van het horloge kunnen gebruikers atmosferische veranderingen volgen en begrijpen. Zet gewoon het horloge aan en observeer de verandering van de IAQ-waarde wanneer het doelgas in contact komt met de verwarmde metaaloxidelaag van de BME680. Omdat de sensor ook de luchtvochtigheid en druk bewaakt, biedt deze naast atmosferische veranderingen ook een nuttige aflezing van de huidige hoogte. Als de relatieve drukwaarden in het gebied waar ik woon bijvoorbeeld ongeveer 10 hPa lager zijn dan normaal, kunnen er meestal stormen worden voorspeld.
Werkconcept
De kern van al deze geweldige functies is de ESP32-S3-MINI-microcontroller of MCU, die alle communicatie tussen het display, verschillende sensoren en andere draadloze apparaten afhandelt.
Om met deze sensoren te communiceren, maakt de MCU gebruik van I2C (Internal Integrated Circuit), een populair tweedraadscommunicatieprotocol dat klok- en datasignalen gebruikt om gegevens van verschillende geadresseerde sensoren te lezen en te schrijven.
De monitor die voor dit project wordt gebruikt, is een 1,5 inch 262K RGB LCD met een resolutie van 280x240 , perfect voor het belichten van afbeeldingen met een hoge resolutie.
Het begrijpen van de hardware
Het hoofdcircuit bestaat hier uit vijf sensoren (met een optionele zesde), een lithium-polymeerbatterijlader, een lasermoduledriver en typische circuits voor het voeden, communiceren en instellen van de ESP32-S3-microcontroller. Er zijn knoppen en connectoren. Hieronder vindt u het volledige schema:
We kunnen beginnen met de IAQ-sensor en de LiDAR. De globale etikettering van deze twee sensoren verschilt van de andere sensoren omdat ze op een verticaal deel van de printplaat zijn gemonteerd (in plaats van op een deel van de hoofdprintplaat). Dit komt omdat:
-
LiDAR moet loodrecht op het horloge staan om naar objecten te kunnen wijzen.
-
Hoe verder de BME680 verwijderd is van andere warmtegenererende componenten, hoe nauwkeuriger de omgevingsmetingen zullen zijn.
Er moet ook worden opgemerkt dat de VL53L1X LiDAR het beste werkt bij weinig omgevingslicht. Ik heb geen problemen ondervonden bij het gebruik binnenshuis en het werkt zelfs nog beter als de lichten uit zijn. Wanneer u de sensor echter op een zonnige dag gebruikt, introduceert het omgevingslicht van de zon ruis in de metingen van de sensor, waardoor de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de afstandsmetingen afnemen.
Hoewel de laseraanwijzer wordt gebruikt om de LiDAR te helpen richten, is deze bovendien niet altijd een directe indicator van de gemeten positie. Het VL53L1X-algoritme voor afstandsmeting werkt in principe door een gebied rond het midden te nemen (ongeveer 9,8 graden in alle richtingen vanwaar u wijst) om een groter monster van het invallende licht te krijgen. Vervolgens gebruikt het deze gecombineerde meting om de afstand te berekenen. Dat wil zeggen, als u een omgeving dichtbij een laserpunt probeert te meten, dan zal de gemeten afstand een combinatie zijn van de afstand in de klik + de aflezing van iets dichtbij (binnen 9,8 graden).
Condensatoren C5, C8, C7 en C10 worden gebruikt voor ontkoppeling om de stroomtoevoer naar de chip te verzachten. Deze waarden worden bepaald door de LiDAR- en BME680- datasheets. R1 wordt gebruikt als een extra pull-down-weerstand om ervoor te zorgen dat de LiDAR wordt uitgeschakeld wanneer deze niet wordt gebruikt. Er zijn geen pull-up-weerstanden op deze voor I2C-communicatie, omdat de lijnen al omhoog worden getrokken in het MCP3427 ADC-circuit (voor batterijbewaking), waar we hierna naar kunnen kijken.
Deze MCP3427 analoog-naar-digitaal converter (ADC) lijkt erg op de vorige, omdat de waarden van de ontkoppelingscondensator worden bepaald door het onderdeelgegevensblad. In dit geval wordt de I2C-lijn echter omhoog getrokken en bevindt zich aan de linkerkant een spanningsdeler (R13 en R14). Deze spanningsdeler is belangrijk omdat we de ingangsspanning van de LiPo-batterij proportioneel willen verlagen tot een spanning die laag genoeg is voor de ADC om consistent te kunnen lezen. Omdat de batterijspanning afneemt naarmate deze wordt opgeladen, geeft deze leesspanning een sterke indicatie van hoeveel vermogen er nog in het horloge zit.
Meer informatie volgt: LiDAR-afstandssensor en wifi-scanning
