È ormai consuetudine tra gli appassionati di hi-tech, la tendenza a curare molto l’aspetto inerente ai dispositivi indossabili. Alcuni appassionati scelgono di seguire il percorso collaudato di acquistare uno smartwatch da abbinare al resto dei dispositivi in proprio possesso, altri invece (come noi) non sono contenti fino a quando non riescono a mettere a punto un dispositivo interamente sviluppato in base alle proprie esigenze, attraverso una comprensione completa e approfondita del dispositivo.

Espressamente per questo scopo, i ragazzi di SQFMI hanno presentato il loro ultimo progetto a basso consumo di energia: Watchy.

 

Alice:How long is forever?

White Rabbit:Sometimes, just one second.

(Lewis Carroll – Alice in Wonderland)

Cos’è Watchy?

SQFMI è lo stesso team di persone che ha progettato e rilasciato Badgy, un badge con nome digitale che utilizza un modulo ESP-12 per pilotare un display E-Ink, non diversamente da quelli che si trovano comunemente nei dispositivi e-Reader nella maggior parte delle case.

Watchy è una nuova interpretazione di quella tipologia di hardware, con alcune modifiche apportate per rendere disponibile il concetto di smartwatch “pre-costruito” o, come piace a noi, interamente da costruire.

Specifiche Hardware

Al centro del progetto Watchy, SQFMI ha posizionato un modulo ESP32-S. ESP32 è una scelta piuttosto popolare per i progetti che richiedono questo tipo di utilizzo. Offrendo entrambe le interfacce WiFi e BLE, oltre ad una gran quantità di potenza di elaborazione in l’avvio, il modulo ESP32-S prende il chip ESP32, i componenti di supporto necessari e l’antenna PCB, incorporandoli in un formato facile da saldare, perfetto per l’approccio fai-da-te.

Quando si parla di un orologio, non importa quanta potenza di elaborazione si possa avere a disposizione, un orologio è inutile se non  può effettivamente comunicare l’ora esatta, mantenendola aggiornata e sempre perfettamente visibile a colpo d’occhio. Un display è assolutamente necessario per una tale applicazione, tuttavia la necessità di destinare uno spazio limitato per le batterie, ha reso necessaria l’adozione di tecnologie di visualizzazione alternative, rispetto ai display TFT e alle relative retroilluminazione a LED ad elevato consumo di energia.

La necessità di salvaguardare più batteria possibile dall’unità, usando una tecnologia di visualizzazione che sia semplice per i requisiti di alimentazione, ha portato gli sviluppatori a dotare Watchy di un display e-Paper. Avete presente quando voi o la vostra ragazza prendete il Kobo o il Kindle per leggere i vostri e-book preferiti? Ecco, l’idea generale è quella, con quel tipo di display.

Il circuito in questione dovrebbe risultare piuttosto familiare a chiunque abbia già guardato i pannelli EPD: Un EPD (Electronic Paper DIsplay) è ottimo per la durata della batteria, in quanto consuma energia solo quando i contenuti del display vengono aggiornati. Ciò significa che, a meno che non si contino i secondi, è possibile gestire l’intero dispositivo in modalità “Deep Sleep“, avviando il processo di “Wake-Up” una volta al minuto per aggiornare l’ora corrente. A livello di power saving, ipotizzando lo scenario peggiore attivando il processo di “Wake-Up” per un secondo intero al fine di aggiornare l’EPD, il “Deep Sleep” degli altri 59 secondi prolungherà notevolmente la durata della batteria dell’orologio.

Tempus fugit…

Senza dimenticare il consumo relativamente elevato dell’ESP32, costretto a trascorrere più tempo possibile in modalità “Deep Sleep”, è necessario riflettere su come tenere traccia accurata del trascorrere dei secondi. Stiamo comunque parlando di un orologio dopo tutto e vi assicuriamo che basta davvero poco per perdere accuratezza e ritrovarsi con un dispositivo che rimane costantemente indietro con l’ora, facendovi arrivare in ritardo ad un appuntamento importante.

Un orologio in tempo reale (RTC) è un’ottima soluzione per questo compito. Un RTC è un dispositivo dedicato, che è ottimizzato per fare una cosa soltanto: tenere traccia del tempo, consumando piccole quantità di energia.

Una volta programmato infatti, l’RTC terrà traccia del tempo per tutto il tempo in cui viene applicata l’alimentazione all’ingresso VBAT. Quasi ogni RTC possiede anche alcune funzionalità di interruzione GPIO, con la possibilità di attivare o disattivare un pin in base ad un’associazione temporale, sia esso il tick dell’oscillatore interno a 32 kHz, o un’uscita divisoria frazionaria che viene attivata o disattivata ogni secondo, ad esempio. Accoppiando il dispositivo ad un interrupt GPIO su ESP32, abbiamo un modo per mettere in pausa l’ESP, leggere quindi l’ora corrente dall’RTC, aggiornare il display e tornare subito in “Deep Sleep” fino al prossimo aggiornamento.

Questa soluzione è ottimale al fine di risparmiare energia in molte applicazioni, specialmente quando si hanno problemi con i sensori alimentati a batteria e quant’altro. Non tutti i processi devono essere sempre attivi o essere ripetuti infinite volte, quando è possibile è assolutamente necessario disattivarli per risparmiare batteria e rendere il dispositivo meno dispendioso.

Gestione dell’alimentazione e della batteria

Una buona progettazione della gestione dell’alimentazione e relativa gestione dei consumi può essere difficile da ottenere. Una cosa è avere un dispositivo alimentato tramite USB, ma quando il buon funzionamento di un dispositivo è basato su batterie, non si può non tener conto delle problematiche associate alla chimica degli ioni di litio. La mancata considerazione di questi elementi potrebbe comportare mal funzionamenti o a veri e propri problemi intrinsechi al progetto. Il principale elemento da considerare è la selezione della priorità con la quale viene erogata l’energia, attuata dal FET P-Chanel CJ2301, situato in Q3.

Quando SQFMI Watchy è alimentato esclusivamente dalla batteria, non c’è tensione al gate del P-FET. In questa condizione, la corrente è in grado di fluire tra i terminali di Drain e Source. D4 impedisce al gate di essere pilotato dall’uscita del Q3, mentre quando è collegata l’alimentazione USB, è presente una tensione di 5V sul gate del P-FET. In questa condizione, un circuito ad alta impedenza blocca il flusso di corrente tra i terminali di Drain e Source. In questo caso c’è ancora tensione presente sul terminale della batteria, ma il tutto è isolato dall’ingresso al regolatore RT9080 a 3.3V. Ciò consente alla cella di essere caricata dal caricabatterie TP4054.

Non vi preoccupate, se vi state chiedendo quanto sia difficile reperire un TP4054, possiamo dirvi che si tratta di un dispositivo molto comune sulla maggior parte dei moduli caricabatterie agli ioni di litio. Si tratta di un accessorio indispensabile che si prende cura di tutti i processi per caricare in sicurezza una cella agli ioni di litio da 3,7V a 5V. Disponibile in un piccolo pacchetto SOIC-8, questo elemento è semplicissimo da integrare.

Real men don’t need a GUI (ma a volte può essere utile)

Nonostante SQFMI Watchy sia abbastanza autonomo durante il funzionamento, ci sono alcuni elementi circuitali aggiuntivi per facilitare l’interazione con Watchy. Vediamo alcuni interruttori tattili per l’ingresso, un motore vibrazione per l’uscita, ma un’ultima cosa da notare è l’accelerometro Bosch BMA423, sempre con pin di interrupt sul processore ESP32 principale.

Il BMA423 è un piccolo accelerometro MEMS, ottimizzato per dispositivi indossabili. Con il supporto integrato per cose come il conteggio dei passi e il riconoscimento dei gesti, è in grado di tenere traccia dei movimenti e di segnalare autonomamente all’ESP32 il rilevamento di alcuni gesti, ad esempio il movimento del polso mentre si muove il braccio per leggere l’ora sul display dell’orologio.

Il BMA423 è in grado di rilevare quel movimento, segnalando all’ESP di spegnersi e di aggiornare il display con il tempo corrente dall’RTC. Si tratta di una soluzione progettuale davvero molto utile per risparmiare ancora più energia, aggiornando il display solo quando assolutamente necessario, tutto a vantaggio del risparmio energetico.

Abbiamo dato un’occhiata da vicino al cuore di Watchy, ma tutti i componenti che abbiamo nominato sono estranei l’un l’altro e non funzioneranno senza un firmware adeguato alla tipologia di lavoro che dovranno svolgere. Se decidete di acquistare singolarmente componente per componente, dovrete necessariamente integrare il tutto con alcuni sketch che impostino le operazioni da svolgere, altrimenti tutto risulterà vano. Se non avete dimestichezza con la programmazione, vi consigliamo di comprare SQFMI Watchy pre-costruito.

Software

Niente paura, se avete optato per proseguire nella lettura, significa che i dispositivi pre-costruiti non sono in cima alla lista di vostro gradimento. Non vi piace mangiare alla carta? Possiamo capirvi e, a quanto pare, anche i ragazzi di SQFMI. Il team infatti ha fornito un’intera suite di sketch compatibili con Arduino da utilizzare come applicazioni di monitoraggio. Cambiare tra le diverse app è facile come collegare l’orologio al computer tramite USB e caricare un nuovo sketch, come fareste con qualsiasi altro progetto basato su Arduino. SQFMI ha compiuto molti sforzi per far stare l’hardware quanto più possibile in questo fattore di forma e fornire il codice per sfruttare al meglio i componenti utilizzati.

SQFMI Watchy è disponibile per l’acquisto a 55 dollari, oppure potete prendere qui il pacchetto per la produzione e crearne uno tutto vostro.

Non dimenticatevi di controllare il repository di origine per le applicazioni e… Buon divertimento!