Smartwatch oferuje szereg innowacyjnych funkcji, w tym wymienne adresy MAC, skanowanie sieci WiFi, wbudowany LiDAR do pomiaru odległości oraz możliwość dostarczania w czasie rzeczywistym odczytów temperatury, wysokości, wilgotności, ciśnienia, odporności na gazy, nachylenia i przyspieszenia.
Używany LiDAR to bardzo kompaktowy VL53L1X czujnik odległości ToF (Time of Flight) firmy STMicroelectronics. Może mierzyć dowolną odległość między 4 cm a 4 metrami z dokładnością mniejszą niż ±1%, co czyni go idealnym do wykonywania pomiarów lub jeśli chcesz po prostu wiedzieć, jak daleko aktualnie jesteś od ściany. Ponieważ używa lasera 940 nm (podczerwony, a więc niewidoczny dla ludzkiego oka), umieściłem obok niego również przełączalny jasnoczerwony laser 650 nm o mocy 5 mW, który pomaga w celowaniu lub podczas prezentacji.
Dla części bezprzewodowej zegarek wykorzystuje ESP-NOW do szybkiego przesyłania danych przy ultra-niskim zużyciu energii. Ten protokół bezprzewodowy został wybrany ze względu na zdolność do pomijania tradycyjnych konfiguracji połączeń WiFi, co sprawia, że czas reakcji między innymi urządzeniami jest niemal natychmiastowy.
Wbudowany w zegarek czujnik lotnych związków organicznych (VOC) pozwala użytkownikom monitorować i rozumieć zmiany atmosferyczne. Wystarczy włączyć zegarek i obserwować zmianę odczytu IAQ, gdy docelowy gaz styka się z podgrzewaną warstwą tlenku metalu BME680. Ponieważ czujnik monitoruje również wilgotność i ciśnienie, dostarcza użyteczny odczyt aktualnej wysokości nad poziomem morza oprócz zmian atmosferycznych. Na przykład, gdy odczyty względnego ciśnienia w miejscu, gdzie mieszkam, są około 10 hPa poniżej normy, zwykle można przewidzieć burze.
Koncepcja robocza
W sercu wszystkich tych niesamowitych funkcji znajduje się mikrokontroler ESP32-S3-MINI lub MCU, który obsługuje całą komunikację między wyświetlaczem, różnymi czujnikami i innymi bezprzewodowymi urządzeniami.
Aby komunikować się z tymi czujnikami, MCU wykorzystuje I2C (Internal Integrated Circuit), popularny dwukablowy protokół komunikacyjny, który używa sygnałów zegara i danych do odczytu i zapisu danych z różnych adresowanych czujników.
Monitor używany w tym projekcie to 1,5-calowy wyświetlacz LCD RGB 262K o rozdzielczości 280x240, idealny do wyświetlania obrazów o wysokiej rozdzielczości.
Zrozumienie sprzętu
Główne obwody tutaj składają się z pięciu czujników (z opcjonalnym szóstym), ładowarki baterii litowo-polimerowej, sterownika modułu laserowego oraz typowych obwodów do zasilania, komunikacji i konfiguracji mikrokontrolera ESP32-S3. Są przyciski i złącza. Poniżej znajduje się pełny schemat:
Możemy zacząć od czujnika IAQ i LiDAR. Globalne oznaczenie tych dwóch czujników różni się od pozostałych, ponieważ są one zamontowane na pionowej części PCB (zamiast na głównej płytce obwodów). Wynika to z faktu, że:
-
LiDAR musi być prostopadły do zegarka, aby wskazywać na obiekty.
-
Im dalej BME680 jest od innych komponentów generujących ciepło, tym dokładniejsze będą jego odczyty otoczenia.
Należy również zauważyć, że VL53L1X LiDAR działa najlepiej przy niskim oświetleniu otoczenia. Nie miałem żadnych problemów z jego używaniem w pomieszczeniach, a działa jeszcze lepiej przy wyłączonym świetle. Jednak podczas używania go w słoneczny dzień, światło słoneczne wprowadza szumy do pomiarów czujnika, zmniejszając dokładność i niezawodność odczytów odległości.
Ponadto, podczas gdy wskaźnik laserowy służy do celowania LiDAR, nie zawsze jest bezpośrednim wskaźnikiem mierzonej pozycji. Algorytm pomiaru odległości VL53L1X zasadniczo działa poprzez pobieranie obszaru wokół środka (około 9,8 stopnia we wszystkich kierunkach od miejsca, w które celujesz), aby uzyskać większą próbkę padającego światła. Następnie wykorzystuje to połączone odczytanie do obliczenia odległości. To znaczy, jeśli próbujesz zmierzyć środowisko blisko punktu laserowego, to mierzona odległość będzie kombinacją odległości w kliknięciu + odczytu czegoś w pobliżu (w promieniu 9,8 stopnia).
Kondensatory C5, C8, C7 i C10 są używane do odsprzęgania, aby wygładzić zasilanie układu scalonego. Wartości te są określone przez karty katalogowe LiDAR oraz BME680. R1 jest używany jako dodatkowy rezystor podciągający do masy, aby zapewnić wyłączenie LiDAR, gdy nie jest używany. Nie ma rezystorów podciągających dla komunikacji I2C, ponieważ linie są już podciągnięte w układzie MCP3427 ADC (do monitorowania baterii), który możemy teraz omówić.
Ten przetwornik analogowo-cyfrowy MCP3427 (ADC) jest bardzo podobny do poprzedniego, ponieważ wartości kondensatorów odsprzęgających są określone przez kartę katalogową części. Jednak w tym przypadku linia I2C jest podciągnięta, a po lewej stronie znajduje się dzielnik napięcia (R13 i R14). Ten dzielnik napięcia jest ważny, ponieważ chcemy proporcjonalnie zmniejszyć napięcie wejściowe baterii LiPo do na tyle niskiego poziomu, aby ADC mogło je odczytywać konsekwentnie. Ponieważ napięcie baterii maleje podczas jej ładowania, to odczytane napięcie będzie silnym wskaźnikiem, ile energii pozostało w zegarku.
Więcej informacji wkrótce: Czujnik odległości LiDAR i skanowanie WiFi
