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Die Smartwatch bietet eine Reihe innovativer Funktionen, darunter wechselbare MAC-Adressen, die Suche nach WLAN-Netzwerken, einen integrierten LiDAR zur Entfernungsmessung sowie die Möglichkeit, Temperatur, Höhe, Luftfeuchtigkeit, Druck, Gaswiderstand, Neigung und Beschleunigung in Echtzeit anzuzeigen.
Der verwendete LiDAR ist ein äußerst kompakter VL53L1X-ToF-Entfernungssensor (Time of Flight) von STMicroelectronics. Er kann Entfernungen zwischen 4 cm und 4 m mit einer Genauigkeit von weniger als ±1 % messen und eignet sich daher perfekt für Messungen oder einfach, wenn Sie wissen möchten, wie weit Sie gerade von einer Wand entfernt sind. Da er einen 940-nm-Laser verwendet (Infrarot und daher für das menschliche Auge unsichtbar), habe ich daneben zusätzlich einen zuschaltbaren hellroten 650-nm-Laser mit 5 mW platziert, der beim Zielen oder bei Präsentationen unterstützt.
Für die drahtlose Kommunikation nutzt die Uhr ESP-NOW, um Daten bei extrem niedrigem Energieverbrauch schnell zu übertragen. Dieses Funkprotokoll wurde gewählt, weil es herkömmliche WLAN-Verbindungsaufbauten umgehen kann, wodurch die Reaktionszeit zwischen anderen Geräten nahezu unmittelbar ist.
Der integrierte Sensor für flüchtige organische Verbindungen (VOC) der Uhr ermöglicht es Nutzern, Veränderungen der Atmosphäre zu überwachen und zu verstehen. Schalten Sie die Uhr einfach ein und beobachten Sie, wie sich der IAQ-Wert verändert, sobald das Zielgas mit der beheizten Metalloxidschicht des BME680 in Kontakt kommt. Da der Sensor außerdem die Luftfeuchtigkeit und den Druck überwacht, liefert er zusätzlich zu den atmosphärischen Veränderungen einen nützlichen Messwert für die aktuelle Höhe. Wenn beispielsweise der relative Druck in meiner Wohngegend etwa 10 hPa unter dem Normalwert liegt, lassen sich meist bevorstehende Stürme vorhersagen.
Funktionskonzept
Das Herzstück all dieser großartigen Funktionen ist der Mikrocontroller bzw. die MCU ESP32-S3-MINI, der die gesamte Kommunikation zwischen dem Display, verschiedenen Sensoren und anderen drahtlosen Geräten übernimmt.
Zur Kommunikation mit diesen Sensoren verwendet der MCU I2C (Inter-Integrated Circuit), ein weit verbreitetes Zwei-Draht-Kommunikationsprotokoll, das Takt- und Datensignale nutzt, um Daten von verschiedenen adressierten Sensoren zu lesen und zu schreiben.
Der für dieses Projekt verwendete Monitor ist ein 1,5-Zoll-262K-RGB-LCD mit einer Auflösung von 280 × 240, der sich ideal zur Darstellung hochauflösender Bilder eignet.
Die Hardware verstehen
Die Hauptschaltung besteht hier aus fünf Sensoren (mit einem optionalen sechsten), einem Ladegerät für einen Lithium-Polymer-Akku, einem Treiber für das Lasermodul sowie der üblichen Schaltung zur Stromversorgung, Kommunikation und Einrichtung des Mikrocontrollers ESP32-S3. Es gibt Tasten und Anschlüsse. Unten ist der vollständige Schaltplan zu sehen:
Wir können mit dem IAQ-Sensor und dem LiDAR beginnen. Die globale Kennzeichnung dieser beiden Sensoren unterscheidet sich von der der anderen Sensoren, da sie an einem vertikalen Teil der Leiterplatte montiert sind (statt auf der Hauptplatine). Der Grund dafür ist:
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Der LiDAR muss senkrecht zur Uhr ausgerichtet sein, damit er auf Objekte zeigt.
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Je weiter der BME680 von anderen wärmeerzeugenden Komponenten entfernt ist, desto genauer sind seine Messungen der Umgebungsbedingungen.
Außerdem ist zu beachten, dass der VL53L1X-LiDAR bei geringer Umgebungshelligkeit am besten funktioniert. Bei der Verwendung in Innenräumen sind bei mir keine Probleme aufgetreten, und bei ausgeschaltetem Licht funktioniert er sogar noch besser. An einem sonnigen Tag verursacht das Umgebungslicht der Sonne jedoch Störungen in den Messungen des Sensors, wodurch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Entfernungsmessungen abnimmt.
Außerdem dient der Laserpointer zwar dazu, die Ausrichtung des LiDAR zu erleichtern, zeigt die gemessene Position jedoch nicht immer direkt an. Der Entfernungsmessalgorithmus des VL53L1X arbeitet im Wesentlichen, indem er einen Bereich um die Mitte herum erfasst (etwa 9,8 Grad in alle Richtungen vom Zielpunkt aus), um eine größere Menge des einfallenden Lichts zu erfassen. Anschließend verwendet er diese kombinierte Messung, um die Entfernung zu berechnen. Wenn Sie also eine Umgebung in der Nähe eines Laserpunkts messen möchten, entspricht die gemessene Entfernung einer Kombination aus der Entfernung am Zielpunkt und der Messung eines Objekts in der Nähe (innerhalb von 9,8 Grad).
Die Kondensatoren C5, C8, C7 und C10 dienen der Entkopplung, um die Versorgungsspannung des Chips zu glätten. Ihre Werte werden durch die Datenblätter des LiDAR und des BME680 bestimmt.R1 dient als zusätzlicher Pull-down-Widerstand, um sicherzustellen, dass der LiDAR deaktiviert ist, wenn er nicht verwendet wird. Für diese I2C-Kommunikation gibt es keine Pull-up-Widerstände, da die Leitungen in der MCP3427-ADC-Schaltung (zur Batterieüberwachung) bereits mit Pull-ups versehen sind, die wir uns als Nächstes ansehen können.
Dieser MCP3427-Analog-Digital-Wandler (ADC) ähnelt dem vorherigen sehr, da die Werte der Entkopplungskondensatoren durch das Datenblatt des Bauteils bestimmt werden. In diesem Fall ist die I2C-Leitung jedoch mit einem Pull-up versehen, und auf der linken Seite befindet sich ein Spannungsteiler (R13 und R14). Dieser Spannungsteiler ist wichtig, weil wir die Eingangsspannung des LiPo-Akkus proportional auf eine ausreichend niedrige Spannung reduzieren möchten, damit der ADC sie zuverlässig auslesen kann. Da die Akkuspannung beim Entladen abnimmt, liefert diese Messspannung einen guten Hinweis darauf, wie viel Energie noch in der Uhr verbleibt.
Weitere Informationen folgen: LiDAR-Abstandssensor und WLAN-Scannen
