墨水屏温度计：1年超长待机，蓝牙同步+趋势曲线

1. 项目功能介绍

普通温湿度计只能实时读数，没法看温湿度变化趋势。带历史曲线的设备，大多需要持续插电，或是联网上传数据到云端。

本项目解决传统温湿度计无历史趋势、曲线设备需插电 / 联网痛点。基于墨水屏本地存储 30 天温湿度曲线，两节 7 号电池供电，蓝牙按需导出数据；待机电流 8µA，标称续航 1 年，实际可达 2~3 年。

• 30 天历史存储：分级采样，近 1 小时 1 分钟 / 点，更早时段压缩至 5 分钟 / 点，最大保存 30 天数据。
• 环境舒适度指示：表情图标直观展示当前环境舒适等级。
• 单键交互：单击清墨水屏残影；双击切换曲线时间范围（1 小时～30 天）；长按 3s 开启蓝牙。
• 网页端功能：浏览器查看实时温湿度，支持曲线缩放、CSV 数据导出；首次录入激活码烧录至设备，个人使用免费。
• 低功耗优化：电量显示、墨水屏局部刷新、蓝牙按需广播。

2. 项目属性

本项目为首次公开的完全原创项目，未在其他赛事获奖，未在校内进行答辩。参赛提交为社区复刻版本。

3. 开源协议

• 硬件工程（原理图 / PCB / BOM）：CERN-OHL-P-2.0 宽松型开源硬件协议。可自由学习、修改、打样与商用，仅需保留原作者版权声明与协议出处，衍生设计无需开源。
• 墨水屏驱动程序、Web 上位机前端、ChaCha20 密钥注册机 keygen、3D 打印外壳模型：MIT 协议。
• 完整固件：保留作者版权，暂时没有计划开放源码，以预编译 .hex 文件形式提供社区版。个人用户可免费激活注册、功能完整无限制；允许个人以学习为目的反编译、逆向，但固件本身及逆向所得成果均不得二次发布，禁止商用。

4. 硬件部分

单芯片集成

主控选用 CH584F（RISC-V，78MHz，内置 BLE5.4），片上资源包含 504KB Flash（448KB 用户可用）、96KB SRAM。芯片统一完成墨水屏 SPI 驱动、I²C 传感器采集、电池电压 ADC 采样、RTC 定时唤醒与蓝牙通信；除传感器、屏幕外，核心外围仅需双晶振、DCDC 电感与射频匹配网络。

通过减少器件数量优化 BOM 成本与静态功耗，实现 8µA 待机，整机物料成本约 55 元。

支持量产硬件裁剪：无蓝牙版本可省外部晶振，改用内部时钟；也可移除 DCDC 电感切换线性供电，以功耗上升换取更低物料成本。

天线与射频匹配

2.4 GHz 天线按官方参考设计布局：正反面净空、馈线按 50 Ω 阻抗控制，馈点预留 PI 型匹配网络。

射频布板完成后，用矢量网络分析仪实测馈点阻抗，据此计算 PI 网络容感值并完成匹配（完整调试流程另成一篇）。BLE 需外部 32 MHz 高速晶振，低功耗采用片内 DCDC 加外接功率电感。

墨水屏驱动

选用 4.2 寸 400×300 墨水屏，搭载 SSD1619A 显示控制器，24Pin 上接触 FPC 连接器（注意：不可选用下接触版本，否则无法装配）。

屏幕通过 SPI 总线与主控通信。为保证信号完整性：SPI 时钟线串联 22Ω 源端匹配电阻；时钟、数据信号线采用包地布线，抑制高速信号过冲与串扰。

传感器热隔离与误差抑制

支持 AHT20 / SHT40 两种传感器硬件兼容。 板载热源发热、环境凝露均会造成温湿度测量偏差，从 PCB 布局到外壳结构做三层误差抑制设计：

1. PCB 布局：传感器放置在板边，通过开槽切断 PCB 平面热传导；开槽位置保留少量连接筋维持板材强度，避免断裂。
2. 铜皮处理：传感器区域不铺设连续铜皮，减少铜面蓄热，同时降低凝露附着概率。
3. 外壳结构：传感器置于独立隔仓，侧边开设通气孔与外界空气连通；若有条件应增设第二通气孔形成自然对流，提升环境交换效率。

外壳结构与装配

• 外壳：3D 打印，分层堆叠装配（屏幕 / PCB 托盘 / 按键 / 电池 / 后盖）
• 建模阶段开展装配仿真、干涉检查，提前规避装配冲突
• 完整 3D 模型作为附件交付

图01：全套零件全家福	图02：装配4.2寸墨水屏	图03：叠放PCB与内部托盘
图05：装入橙色按键	图06：装配PCB与7号电池	图07：合上外壳上盖
图08：整机装配完成	图09：外壳结构仿真，无干涉

低功耗设计与续航

整机低功耗主要依托器件本身特性实现，未额外增加专用低功耗硬件电路。墨水屏在静态无刷新状态下功耗接近零，主控待机电流实测 8 µA。下表为各动作对应的功耗实测值；采样、刷新与蓝牙启停的软件调度策略详见后续软件章节。

基于上述实测功耗，搭配两节串联 7 号电池（满电 3.2V，容量 1000mAh）进行续航估算：保守标称续航 1 年，实际使用场景可达 2~3 年。

待补：低功耗分析仪实测电流截图。

5. 软件部分

内存规划与两级缓存

片上 RAM 共 96KiB，绘图与局部刷新基线缓存占用约 30KB；实测固件 RAM 占用 93164B，剩余仅约 5.1KB，Flash 占用 170KB/448KB。受限于存储容量，设计两级历史缓存：近 1 小时保留 1 分钟精度原始采样；每小时使用 LTTB 算法将原始数据压缩为 5 分钟粒度点，最多存储 30 天，存储空间满自动淘汰旧数据。相比全量存储压缩约 5 倍；LTTB 保留曲线拐点与极值，避免均值降采样抹平温湿度波动。

• 内存约束：96KiB 片上 RAM，绘图 + 刷新基线占用约 30KB；RAM 余量仅 5.1KB，Flash 170/448KB
• 两级缓存：最近 1h：1 分钟精度；长期历史：LTTB 压缩至 5 分钟粒度
• LTTB 降采样：保留峰谷拐点，优于简单均值平均；总数据压缩约 5 倍
• 图表：RAM 占用分配图、LTTB 压缩效果对比图

TMOS 协作式操作系统与状态机

基于芯片配套 TMOS 协作式任务系统开发；任务由事件 / 定时器唤醒，无独立任务栈，RAM 占用低。协作内核禁止长时间阻塞主循环，约束单次任务时长上限＜蓝牙连接间隔 1/2，为防止蓝牙断连和任务饿死，将耗时堵塞任务全部拆分为非阻塞状态机，每次主循环单步执行。

传感器采样

传感器驱动采用结构体 + 函数指针的抽象接口实现解耦（C 语言模拟面向对象思想）。每种传感器用结构体保存实例地址与状态；总线读写、延时逻辑不硬编码在驱动内部，通过回调函数外部注入。驱动仅依赖这套抽象接口，不绑定具体 I²C 总线实现与主控芯片。

typedef struct {
    void *context;
    void (*delay_ms)(void *context, uint32_t ms);
    int (*write)(void *context, uint8_t addr, const uint8_t *data, size_t len);
    int (*read)(void *context, uint8_t addr, uint8_t *data, size_t len);
} sht40_io_t;
typedef struct {
    const sht40_io_t *io;   // 总线从外部注入
    uint8_t address;
} sht40_t;
void SHT40_Init(sht40_t *sensor, const sht40_io_t *io, uint8_t address);
uint32_t SHT40_StartMeasurement(sht40_t *sensor);
uint32_t SHT40_FinishMeasurement(sht40_t *sensor, sht40_data_t *out);

运行阶段可注入软件 I²C 实现；主机单元测试时，替换为测试桩，驱动代码无需任何修改。固件开机自动探测传感器，当 AHT20 与 SHT40 同时存在时优先选用 SHT40；未识别到传感器时报错，不写入无效采样数据。周期采样交由 TMOS 调度系统非阻塞分步推进。

屏幕刷新

基于 4.2 寸 SSD1619A 墨水屏搭建分层显示架构，底层屏幕驱动搭配上层 U8G2 绘图；采用函数指针抽象 IO 接口，刷新逻辑拆分为非阻塞状态机。设备深度睡眠断电后墨水屏控制器丢失画面状态，依靠双缓存保存基线图像，唤醒时重灌基线再下发差分刷新，异常自动降级全刷，SSD1619A 驱动开源。

• 分层显示：4.2 寸 SSD1619A 墨水屏底层驱动支持局部 / 全局 / 窗口刷新，上层 U8G2 绘图，提交前转换缓冲区格式
• IO 抽象：函数指针注入实现硬件无关，与传感器驱动架构保持一致
• 状态机分步刷新，刷新期间蓝牙、按键正常响应
• 自适应刷新：按数据时效、窗口跨度调整间隔；仅刷新变化区域，9 次局刷触发一次全刷消残影
• 双缓存机制：保存绘图缓冲区 + 画面基线；深度睡眠断电会清空屏控制器内部画面，唤醒先回写基线图像，再下发差分区域；故障时丢弃基线，降级全局刷新

驱动已开源：https://github.com/createskyblue/ssd1619a-epd

棋盘格刷新测试

图像抖动效果

4阶灰度显示测试

数据持久化

为保存激活码、设备配置等少量关键数据，自研轻量单块存储组件 FlashStore，避免引入键值库 / 文件系统带来的资源开销，组件已开源。

• 极轻量：Cortex‑M0、-Os 编译仅占用约 500 字节 Flash，0 静态 RAM，栈开销约 20 字节，零外部依赖、无状态。
• 掉电安全：采用 A/B 双页备份机制，依次写入两个页面；任意时刻断电至少保留一份完整数据，开机校验并自动修复损坏页面。
• 易移植：仅需实现读、擦、写三个底层回调，整块数据读写；逻辑页可跨多个物理扇区，不限制单块数据大小。
• 方案对比

• 场景优势：在小 MCU 仅需持久化单块配置数据时，FlashStore 资源占用最低。
• https://github.com/createskyblue/flashstore-ab-partition

蓝牙通信与上位机

蓝牙通信采用三层协议栈，搭配 Web Bluetooth 网页上位机；蓝牙默认关闭，长按按键开启限时广播窗口，不阻塞主循环。

• 三层蓝牙架构：底层基于自定义 GATT 服务实现 SPP 类虚拟串口（RX 写入、TX 通知）；中间层 TinyFrame 做字节流帧解析与校验；上层自定义业务协议，路由测量读数、历史导出等指令。
• 网页上位机：Web Bluetooth 免安装，支持实时读数、历史曲线查看 / 缩放平移、CSV 导出、激活码读写。Web BLE 默认最小 MTU 为 20 字节，实际吞吐受浏览器与蓝牙适配器影响，实测速率区间约 15~60KB/s。
• 广播策略：设备名TH-Plot_<UID前2字节>；长按按键开启 60 秒广播，连接后维持链路，断开重新计时，超时自动关闭；屏幕蓝牙图标仅代表广播处于开启状态。

蓝牙排障经验

记录项目蓝牙调试过程中的典型问题与定位思路，单核 + TMOS 协作调度的约束决定所有业务必须拆分为非阻塞状态机。

核心约束：单核 MCU 搭配内置蓝牙协议栈必须使用 TMOS，不支持阻塞式任务，和多核 MCU 可隔离业务负载的方案不同。

历史数据导出

针对 30 天约 35KB 历史数据，采用 ChaCha20 加密传输，搭配类 MQTT QoS2 双向确认分包机制，保证蓝牙导出不丢包、不重复且数据安全。

• 分包传输流程：导出前告知上位机总点数与时间跨度，数据拆分为小包有序推送并实时上报进度；基于类 MQTT QoS2 确认机制，上位机完整接收后回传确认，设备再结束传输。
• 数据保护：传输过程冻结历史写入，防止边发边改；传感器采样、屏幕显示、按键交互保持可用。
• 异常恢复：支持用户主动取消、蓝牙断连、长时间无进度等场景自动恢复，可重新发起导出。
• 传输性能：速率受主机蓝牙适配器影响，实测 15~60+ KB/s，30 天历史数据一般数秒内完成导出。

加密与授权

激活码兼具功能解锁凭证与历史数据加密密钥双重作用，整套机制包含密钥派生、设备激活、加密传输三个环节，并明确安全边界。

• 密钥派生：利用芯片唯一 UID、预置盐与填充数据，通过 ChaCha20 确定性派生一机一码的设备密钥；设备以内部派生密钥为准，不直接使用用户写入的激活码。
• 激活流程：上位机读取设备 UID；开发者离线算号生成激活码；用户蓝牙写入设备，设备校验激活码与内部派生密钥匹配后解锁可选功能；激活码可回读用于上位机解密。
• 加密传输：历史数据导出时设备使用内部密钥加密，每帧生成独立随机 nonce。ChaCha20 流密码严禁复用同一密钥 + nonce 组合，防止相同明文产生重复密文，规避密码分析风险；密文连同 nonce 一并下发；上位机依靠激活码 + nonce 解密密文，无有效激活码无法读取历史数据。
• 防逆向策略：固件逆向可获取派生算法与盐；商业版本依靠芯片读保护、固件加密升级防护；开源测试版公开盐与算法，仅用于学习。

低功耗调试流程

通过分步测量、IO 漏电排查与自动化测试完成低功耗调优；基于 TMOS 统一管理睡眠，在维持约 7µA 睡眠电流的同时保留完整 RAM 上下文。

• 分步功耗标定
  1. 基准标定：评估板烧官方低功耗固件，采集各睡眠档位参考电流；
  2. 启动调试窗口：初始化完成后先短暂休眠，稳定供电，同时保留烧录调试入口；
  3. IO 漏电逐点排查：外设反初始化，合理配置 IO 上下拉 / 数字输入，规避引脚寄生漏电，建立 IO 功耗记录表；
  4. 先达标后叠加业务：睡眠电流基线调通后，再接入业务逻辑；
  5. AI 自动化测试：低功耗分析仪配合 MCP 自动烧录、采集电流，设备睡死可外部电源唤醒重烧，无需人工值守。
• 运行时电源管理 TMOS 调度控制进入 / 退出低功耗，回调内处理 IO；睡眠前关闭外设电源域并屏蔽对应中断，唤醒后清除中断 pending，防止误触发；采用 DCDC 供电，动态主频切换（空闲 13MHz / 工作 24MHz），无事件时 RTC 定时唤醒。
• 睡眠模式对比 芯片 Sleep 模式约 7µA，主 RAM 保持供电，唤醒从断点继续执行；对比 ESP32‑S3 同电流级 Deep-sleep，后者 CPU 与大部分 RAM 断电，仅少量 RTC 内存保留，唤醒等价重启，需要状态落盘恢复。
• 电量估算防抖 电池瞬时压降造成电量跳变，电压采样做去极值、中位数多级滤波；开机阶段电量只降不升；仅电压估算，未做电池容量曲线拟合。

6. BOM 清单

基于 30 套小批量打样核算单套均摊成本，同时分析成本构成与量产降本潜力。

• 成本结构：主要成本来自外购器件，4.2 寸墨水屏约 18 元、温湿度传感器约 5 元；主控芯片成本较低。小批量阶段阻容小件全部机器贴片，单板均摊偏高，属于打样特性。
• 降本潜力：量产采用拼板与大批量 SMT，不含屏幕、传感器的电子单板可降至 10 元以内；墨水屏、传感器等外购件与基础加工费为成本底线，下降空间有限。
• 期待和具备量产能力的伙伴合作，将样机打样成本优化为量产成本。

7. 大赛LOGO验证

8. 项目演示

待补：项目演示视频。