LightInk – สมาร์ตวอตช์ E-ink พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ ESP32 แบตเตอรี่ใช้งานสูงสุด 10 เดือน

Daniel Ansorregui ได้พัฒนา LightInk เป็นนาฬิกา E-ink ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar) แบบโอเพ่นซอร์ส ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากนาฬิกาดิจิทัลพลังงานแสงอาทิตย์ในยุค 90 โดยตัวอุปกรณ์มาพร้อมหน้าจอ e-paper ขนาด 1.54 นิ้ว และรองรับการเชื่อมต่อทั้ง Wi-Fi, Bluetooth, LoRa และ GPS ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ขนาด 100mAh

โปรเจกต์นี้มีการออกแบบระบบพลังงานแบบกำหนดเองที่ใช้พลังงานต่ำมาก โดยใช้ตัวแปลงแรงดัน TPS63900 buck-boost converter พร้อมระบบสัมผัสแบบ capacitive และเฟิร์มแวร์ Deep Sleep นอกจากนี้ยังมีจุดเด่น เช่น การอัปเดตหน้าจอ E-ink แบบบางส่วนที่รวดเร็วมาก (ใช้เวลาทำงานน้อยกว่า 1 มิลลิวินาที), ระบบนาฬิกา RTC ที่มีความแม่นยำ พร้อมการปรับแก้ค่า drift, รองรับการทำงานแบบใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นหลัก (ไม่ใช้วงจรชาร์จ), การควบคุมการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ แบบไดนามิก ทั้งหมดนี้ช่วยให้นาฬิกาสามารถใช้งานได้ยาวนานประมาณ 9–10 เดือน ด้วยแบตเตอรี่ขนาดเล็กและพลังงานแสงอาทิตย์

สเปคของ LightInk :

System-in-package – ESP32-PICO-D4 SiP
- CPU – โปรเซสเซอร์แบบ Dual-core ความเร็ว 240MHz
- หน่วยความจำ – 520KB SRAM
- ที่เก็บข้อมูล – Flash ขนาด 4MB
- การเชื่อมต่อไร้สาย (Wireless) – Wi-Fi 2.4GHz มาตรฐาน Wi-Fi 4 ความเร็วสูงสุด 150 Mbps และ Bluetooth 4.2 (BR/LE)
หน้าจอ – จอ e-Paper ขนาด 1.54 นิ้ว ความละเอียด 200×200 ขาว-ดำ รุ่น GDEH0154D67 หรือเทียบเท่า
ระบบเสียง – ลำโพงแบบ Piezo electric ขนาด 10–15 มม.
การเชื่อมต่อเพิ่มเติม
- Wi-Fi 802.11b/g/n 2.4GHz และ Bluetooth 4.2 (BR/EDR) ผ่าน ESP32 SiP
- LoRa ผ่านทรานซีฟเวอร์ Wio-SX1262
- GPS
อื่น ๆ
- ปุ่มสัมผัสแบบ Capacitive ใช้ขา Touch ภายในของ ESP32
- มอเตอร์สั่นแบบวงกลมขนาด 3V (เส้นผ่านศูนย์กลาง 2.0 มม.)
- ขาเชื่อมต่อ LED
- RTC พร้อมการปรับค่า drift แบบแมนนวล (เป้าหมาย 1ppm ปัจจุบัน ~10ppm)
ระบบพลังงาน
- ตัวแปลงแรงดันแบบบัค-บูสต์ TPS63900 (รองรับ 1.8V ถึง 5.5V, กระแสขณะพัก 75nA) ทำงานแบบไดนามิกที่ 2.6V / 2.9V
- รองรับพลังงานจากโซลาร์เซลล์
- แบตเตอรี่ขนาด 100mAh
ขนาด – ยังไม่ระบุ (TBD)
ตัวเครื่อง – พิมพ์ด้วย 3D Printer

Daniel Ansorregui กล่าวว่าการพัฒนาโปรเจกต์นี้เริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ปี 2019 โดยใช้บอร์ด Heltec Wireless Stick Lite แม้ว่าแพลตฟอร์มอย่าง SQFMI Watchy จะเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี แต่ Ansorregui เลือกที่จะมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพด้านการใช้พลังงาน พร้อมทั้งเพิ่มฟีเจอร์อย่าง LoRa และการรองรับพลังงานแสงอาทิตย์ โดยไม่ทำให้ขนาดของอุปกรณ์เพิ่มขึ้น

เขาอธิบายเพิ่มเติมว่า ความท้าทายหลักในการสร้างอุปกรณ์สวมใส่ที่ใช้พลังงานต่ำมาก (ultra-low-power) ด้วย ESP32 คือ “กระบวนการบูต” เนื่องจากโดยทั่วไป ESP32 จะใช้เวลาประมาณ 28 มิลลิวินาทีในการบูต และกินกระแสไฟหลายมิลลิแอมป์ก่อนที่จะเริ่มทำงานที่เป็นประโยชน์ได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ Daniel Ansorregui ได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า wake stub ของ ESP32 ซึ่งเป็นตัวชี้ฟังก์ชัน (function pointer) ที่อยู่ในหน่วยความจำ RTC ทำให้ซีพียูสามารถเริ่มรันโค้ดได้ทันทีหลังจากตื่นขึ้นมา ภายในระดับไมโครวินาที โดยไม่ต้องโหลดโปรแกรมจากแฟลช

นอกจากนี้ เขายังเขียนระบบสื่อสาร SPI ขึ้นมาใหม่ทั้งหมดภายใน wake stub ส่งผลให้อุปกรณ์สามารถบูต ส่งข้อมูล และอัปเดตบัฟเฟอร์ของตัวควบคุมหน้าจอได้ภายในเวลาไม่ถึง 1 มิลลิวินาที หลังจากนั้น ESP32 จะถูกสั่งให้กลับเข้าสู่โหมด Deep Sleep ทันที ในขณะที่รอให้หน้าจอ e-Paper รีเฟรชเสร็จ วิธีนี้ช่วยลดการใช้พลังงานในช่วง Light Sleep ได้อย่างมาก ทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้นเป็นประมาณ 6 ถึง 10 เดือน จากแบตเตอรี่ขนาดเพียง 100mAh เท่านั้น

A typical GxEDP2 display update cycle using the standard Arduino core showing the massive energy overhead required during the initial ESP32 boot sequence — วงจรอัปเดต GxEDP2 แบบทั่วไป แสดงการใช้พลังงานสูงช่วงบูต ESP32

Power consumption before optimization highlighting the significant energy draw required for the ESP32 to boot from flash memory prior to updating the display — การใช้พลังงานก่อนปรับแต่ง แสดงว่า ESP32 ใช้พลังงานสูงระหว่างบูตจากแฟลชก่อนอัปเดตหน้าจอ

Power consumption after implementing the RTC wake stub completely elemeneting the flash boot sequence so the ESP32 instantly goes to deep sleep while the display refreshes — หลังใช้ RTC wake stub ตัดขั้นตอนบูตจากแฟลช ทำให้ ESP32 เข้าสู่ Deep Sleep ได้ทันทีระหว่างรีเฟรชหน้าจอ ช่วยลดการใช้พลังงานอย่างมาก

ฮาร์ดแวร์ของ LightInk ใช้แผงวงจร PCB แบบหน้าเดียว (single-sided) เพื่อให้หน้าจอ e-paper สามารถวางแนบด้านหลังได้พอดี ช่วยให้ตัวอุปกรณ์มีความบางและดีไซน์เรียบง่าย ตัวเคสที่พิมพ์ด้วย 3D Printer ถูกออกแบบเป็น 2 ชิ้น (ด้านหน้าและด้านหลัง) และสามารถยึดอุปกรณ์ทั้งหมดให้อยู่ในรูปแบบที่กะทัดรัด นอกจากนี้เพื่อประหยัดพลังงาน ยังมีการตัดอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานสูงออกไป เช่น เซ็นเซอร์, accelerometer และชิปชาร์จแบตเตอรี่ โดยเลือกใช้โซลาร์เซลล์ในการจ่ายและรักษาระดับพลังงานแทน

LightInk เป็นโปรเจกต์ฮาร์ดแวร์แบบโอเพ่นซอร์ส โดยมีเฟิร์มแวร์ ESP-IDF ไฟล์ออกแบบฮาร์ดแวร์จาก EasyEDA และโมเดลเคสสำหรับพิมพ์ 3D เผยแพร่บน GitHub นอกจากนี้ยังมีคำแนะนำในการประกอบและบันทึกการพัฒนาโปรเจกต์อยู่บน Hackaday ซึ่งโปรเจกต์นี้เพิ่งถูกส่งเข้าร่วมการแข่งขัน Green Powered Challenge อีกด้วย