磁吸式墨水屏温度计：一年续航，30天历史，蓝牙同步

创天蓝 · 发表于 1 小时前

4.2寸墨水屏温度计：一年续航，30天历史，蓝牙同步

1. 项目概述

针对传统温湿度计无历史趋势、带曲线设备需持续供电或联网上云的问题，本项目4.2寸磁吸墨水屏温度计：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；待机电流 8µA，标称续航 1 年，按实测功耗外推 1 年 153 天（5 分钟刷屏）到 10 年 324 天（6 小时刷屏）。

单键交互：单击清残影、双击切换 12 档曲线区间、长按 3s 开启蓝牙；环境舒适度表情指示
30 天历史：近 24h 为 1 分钟 / 点，历史时段压缩为 5 分钟 / 点（可切换为 7 天全程 1 分钟）
蓝牙导出：浏览器查看实时数据、曲线缩放、CSV 导出
本项目为首次公开的完全原创项目，未在其他赛事获奖、未在校内答辩，参赛提交为社区复刻版本。

Web 上位机：https://ch58x-th-plot.cacherivulet.cn

2. 开源协议

硬件工程（原理图 / PCB / BOM）：CERN-OHL-P-2.0，可自由学习、修改、打样与商用，仅需保留版权声明与协议出处，衍生设计无需开源。
3D 打印外壳模型：CERN-OHL-P-2.0，可自由打印与修改造型。
墨水屏驱动（SSD1619A 平台无关 C11 驱动 + 依赖注入接口）：https://github.com/createskyblue/ssd1619a-epd，可自由移植到任意主控与任意 SSD1619A 面板；
Web 上位机 + BLE 协议（纯静态前端，含 docs/ble-protocol.md 通道、帧格式与完整指令表）：MIT 协议，https://github.com/createskyblue/ch58x-th-plot/。上层仅含解密原语，不含盐与密钥派生算法，公开协议不影响授权机制本身；
完整固件：保留版权，暂不开放源码，以预编译 .hex 提供社区版；个人免费激活、功能完整无限制，允许个人以学习为目的反编译、逆向，但固件及逆向成果不得二次发布、不得商用。

可复刻性说明：硬件工程、墨水屏驱动、通信协议与上位机四者已开源，社区可据此完整复现「点亮屏幕 → 采集温湿度 → 蓝牙导出 → 画曲线 → 导出 CSV」这条主链路。未开源部分仅限产品应用层（曲线压缩策略、界面绘制、功耗调度），且本文已对上述逻辑的运作机制、关键参数与设计取舍作出详细说明（见 §4 低功耗设计、§5.1 两级缓存与 LTTB 压缩、§5.2 TMOS 状态机拆分、§5.4 刷新与睡眠恢复），读者可依据文档自行实现等效功能，不影响核心功能复刻。

3. 硬件设计

3.1 单芯片集成

主控选用 CH584F（RISC-V，78MHz，内置 BLE5.4），片上 504KB Flash（448KB 用户可用）、96KB SRAM。单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。通过减少器件数量同时优化 BOM 成本与静态功耗，实现 8µA 待机。

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。

选型逻辑：CH584F 集成 BLE5.4 + 大容量 Flash，单芯片完成全部功能，相比"MCU + 蓝牙模块"方案减少器件数量，简化 PCB 布局与焊接工序；内置 RTC 与低功耗模式实现 8µA 待机，为长续航提供硬件基础。

3.2 天线与射频

板载天线及净空区按官方参考设计布局，馈点预留 PI 型匹配网络。开源版本使用 0Ω 电阻直连，未进行 VNA 阻抗匹配调试，可满足近距离数据导出场景；若需进一步优化通信距离或通过射频认证，需配合矢量网络分析仪（VNA）完成匹配网络调试，调整 PI 型网络参数。BLE 依赖外部 32MHz 高速晶振。

量产考量：当前版本为功能验证原型，若后续进入量产需完成：射频匹配优化、EMC 测试、跌落/防水测试、外壳注塑模具开发、供应链稳定性验证等工作。开源社区版本暂时止步于功能原型阶段。

3.3 墨水屏驱动

选用 4.2 寸 400×300 墨水屏，搭载 SSD1619A 控制器，24Pin 上接触 FPC 连接器（下接触版本无法装配）。

SPI 信号完整性设计：

SCK 串联 22Ω 源端匹配电阻：与芯片输出阻抗共同逼近走线特征阻抗，吸收末端反射能量，抑制过冲与振铃；
时钟与数据信号线包地布线：为回流提供紧邻低阻抗路径，并屏蔽相邻走线间的电场耦合。

上电后波形正常、屏幕无花屏，无需额外整改。

3.4 传感器热隔离与误差抑制

硬件兼容 AHT30、SHT40 两款温湿度传感器。如果不做隔离处理会怎样？ 板载热源（主控芯片）工作时发热，热量经 PCB 铜箔与内部空气传到传感器，使温度读数高于真实环境温度；环境凝露在传感器表面形成水膜，湿度测量直接失真；焊接时的热冲击让传感器内部水合层受损，未充分静置 48 小时恢复的话，湿度会暂时性偏低。

三层隔离方案从硬件到结构逐级阻断干扰源：

1. PCB 布局：传感器放置于板边，开槽切断平面热传导路径，同时保留少量连接筋维持机械强度；

2. 铜皮处理：传感器周边不铺连续铜皮，降低铜箔蓄热效应，同时减少凝露附着面积；

3. 外壳结构：传感器独立隔仓 + 侧边通气孔，让传感器直接接触外界空气而非机箱内部热空气。

注意事项：传感器焊接后需静置 48 小时等待水合层恢复，否则湿度读数会暂时偏低。

自热漂移实测：整机在稳定环境中静置 30 分钟，待读数基本无变化后开启蓝牙并保持与上位机连接（此时主控维持在 60MHz 以上高频运行，是整机最热的工况），持续观察温度读数无明显变化，即板载热源经三层隔离后未窜到传感器侧。

3.5 外壳结构

3D 打印分层堆叠外壳（屏幕 / PCB 托盘 / 按键 / 电池 / 后盖），建模阶段完成装配仿真与干涉检查，完整 3D 模型随附件交付。


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04：装入橙色按键	图05：装配PCB与7号电池	图06：合上外壳上盖

图07：整机装配完成	图08：外壳结构仿真，无干涉

4. 低功耗设计与续航

整机低功耗依托器件本身特性实现，未增加专用低功耗电路：墨水屏静态功耗接近零，主控待机在 2.5V 下实测 7.33µA（功耗模型保守取 8µA）。刷屏与采样波形在 3.3V 下实测（两节新碱性电池实际最高约 3.2V，低于该测试电压）。同一颗芯片在 3.3V 下的功耗比 2.5V 略高，电池用到后期电压往下走，实测功耗还会更低；待机取 2.5V、刷屏与采样取 3.3V，两端都按偏保守的电压取值。

电池选型与放电截止：推荐使用紫米 7 号碱性电池（LR03 / ZI7），本文续航测算与外推均基于该型号；不同品牌碱性电池在内阻、自放电与低压段可放出容量上存在差异，会影响实际续航。整机硬件最低工作电压为 2.1V，软件在电池电压降至 2.2V 时即判定电量耗尽并停止刷新，中间留出 0.1V 余量，避免低压下墨水屏刷新异常或 Flash 写入出错；续航计算按放电至 2.2V 时的有效容量取值。


休眠电流实测波形（2.5V，7.33 µA）	单次温湿度采样功耗波形（3.3V，23.2 nAh）

墨水屏局部刷新功耗波形（3.3V，5.78 µAh）	墨水屏全局刷新功耗波形（3.3V，7.16 µAh）

动作	实测值	模型取值
主控待机	7.33 µA	8 µA
单次温湿度采样	23.2 nAh	25 nAh
墨水屏局部刷新	5.78 µAh	—
墨水屏全局刷新	7.16 µAh	—
平均单次刷屏（11 局刷 + 1 全刷）	5.89 µAh	5.9 µAh

刷屏采用 11 次局部刷新 + 1 次全局刷新循环消残影，按实测值算单次平均刷屏功耗：

(5.78 × 11 + 7.16) ÷ 12 = 5.89　→　计算器取 5.9 µAh / 次

在线电池寿命计算器（含加速实测外推模块）：https://createskyblue.github.io/ ... ifetime-calculator/


5 分钟刷新间隔，续航 1 年 153 天	15 分钟刷新间隔，续航 3 年 163 天	6 小时刷新间隔，续航 10 年 324 天

4.1 主频随负载类型切换

功耗还取决于 CPU 干活时跑多快。问题来了：提高主频能加速任务，但也会增加功耗；降低主频省电，但任务完成变慢。怎么平衡？

答案是按任务类型分档变频：画图这种 CPU 密集型任务拉满主频快速干完，刷屏这种 IO 等待任务降频省电，蓝牙通信时保持高频避免断连。CH584F 的 SYSCLK 可选档位从 13MHz 到 78MHz，本机只用两档：

CPU 密集型任务拉到 62.4MHz：画图要扫历史点、按屏幕误差容限连线，30 天窗口得铺满 320 列像素，属于拿算力换时间；渲染期间提频，画完立刻回落；
IO 密集型任务降到 13MHz：刷屏是 DMA 分段搬运加等待控制器 BUSY，CPU 大部分时间在空转，提频换不来速度，只会白白压着高频功耗；这一段跑 13MHz；
蓝牙在广播或连接时保持 62.4MHz：协议栈要靠主循环及时响应连接事件，阻塞几百毫秒就会触发监督超时断连，链路在跑的时候不降频。

升频与降频的时机分别放在渲染流程的首尾：进入画图步骤前升到 62.4MHz，EPD 作业提交后再由主循环依据蓝牙链路状态决定回落 13MHz 还是维持 62.4MHz。当前版本已在多种组合中选定策略（渲染 62.4MHz / 刷屏 13MHz / 蓝牙保持 62.4MHz）。同类取舍在 STM32L496 上做过 19 组时钟树实测，覆盖时钟来源与主频的组合，可对照参考：低功耗时钟树怎么选？19 组实测告诉你。

5. 软件设计

5.1 内存规划与两级缓存

片上 RAM 96KiB，实测固件占用 84,608B（约 82.6KiB），栈堆余量约 13.4KiB；Flash 占用约 183/448KiB。内存不够怎么办？30 天 × 1440 点/天 = 43200 个数据点，全存下来要占用大量 RAM。

两级缓存策略：固定总点数 10080，两种颗粒度模式：

模式 1（默认）：30 天，近 24h 保 1 分钟精度
最近区：1440 点 × 1 分钟，滑动窗口；存满后每次仅将最旧的 5 点用 LTTB 压成 1 个 5 分钟点，1 分钟粒度始终贴合"最近一天"，不会整小时或整天一次性降精度；
长期区（24h 之前）：5 分钟粒度 × 8640 点，写满淘汰最旧。
模式 2：7 天全程 1 分钟：10080 点，无压缩，写满淘汰最旧。

相比全程 1 分钟存储 30 天（需 43200 点），模式 1 压缩约 4.3 倍；LTTB（Largest Triangle Three Buckets）算法保留曲线拐点与极值，避免简单均值降采样抹平温湿度波动峰值。显示端去掉独立画面基线，仅留一块 15,200B 的 U8G2 帧缓冲，同时充当局部刷新的旧值。

5.2 TMOS 协作式调度与状态机

基于芯片配套 TMOS 协作式任务系统：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 < 蓝牙连接间隔的 1/2；所有耗时操作均拆分为非阻塞状态机，每次主循环单步执行，防止蓝牙断连与任务饿死。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。

耗时操作	处理方式
温湿度采样	传感器转换等待分步推进，不阻塞主循环
墨水屏刷新	拆分为复位、等待 BUSY、DMA 分段传输、刷新、休眠五步状态
历史导出	分多帧发送，支持进度上报、取消、超时保护

5.3 硬件无关的驱动抽象

传感器与屏幕驱动均采用结构体 + 函数指针的抽象接口解耦（C 语言模拟面向对象）：实例地址与状态由结构体保存，总线读写、延时逻辑通过回调外部注入，驱动不绑定具体 I²C / SPI 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;

复制代码

运行时可注入软件 I²C；主机单元测试时替换为测试桩即可，驱动无需修改。开机自动探测传感器，AHT30 与 SHT40 共存时优先 SHT40；未识别到传感器时报错，不写入无效数据。

5.4 墨水屏刷新与睡眠恢复

底层 SSD1619A 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；刷新状态机分步执行，刷新期间蓝牙与按键正常响应。按数据时效自适应调整刷新间隔，仅刷新变化区域，11 次局刷触发一次全刷消残影。

睡眠恢复（关键设计）：深度睡眠断电后墨水屏控制器丢失片内画面缓存，若直接刷新会被强制全局刷新。设备在主控侧保存上一帧基线，唤醒时先将基线回送控制器当旧值，再下发差分局部刷新，异常自动降级全刷。

底层驱动已开源：SSD1619A 驱动以平台无关 C11 实现并单独开源，核心不依赖任何 RTOS、芯片厂商库或 GPIO 编号，通过 epd_io_t 回调注入写命令 / 写数据 / 复位 / 读 BUSY / 延时，即可移植到任意主控；支持全屏刷新、窗口局部刷新与 16 级灰度输出。开源地址：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

5.5 数据持久化

激活码、设备配置等少量关键数据使用自研轻量组件 FlashStore，避免引入键值库 / 文件系统的开销：

极轻量：Cortex-M0、-Os 下约 500B Flash，0 静态 RAM，栈开销约 20B，零外部依赖；
掉电安全：A/B 双页备份依次写入，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；
易移植：仅需实现读、擦、写三个底层回调，逻辑页可跨多个物理扇区，不限制单块大小。

开源地址：https://github.com/createskyblue/flashstore-ab-partition

5.6 蓝牙通信与上位机

蓝牙默认关闭，长按开启限时广播窗口，采用三层架构：

底层：自定义 GATT 服务实现 SPP 类虚拟串口（RX 写入、TX 通知）；
中间层：TinyFrame 负责字节流帧解析与校验；
上层：自定义业务协议，路由实时读数、历史导出等指令。

长按开启 60 秒广播，连接后维持链路、断开重新计时、超时自动关闭；设备名 TH-Plot_<UID前2字节>。Web Bluetooth 上位机免安装，支持实时读数、曲线缩放平移、CSV 导出与激活码读写，实测吞吐约 15~60KB/s；设备设置同样在网页中完成：屏幕时间范围、历史颗粒度（30 天 / 5 分钟或 7 天 / 1 分钟，切换会清空已有历史）、温湿度变化立即刷新（默认关闭，开启后增加耗电）。

上位机为纯静态前端：零后端、零安装依赖（three.js 走 CDN），历史数据全部在浏览器本地解密处理，不上传、不留本地缓存。除上述功能外还提供：测试历史导入（本地预览 + 蓝牙写回，用于验证屏幕绘图）、12 档屏幕范围切换、远程软件复位、固件编译时间显示、设备外观 3D 预览与墨水屏刷新序列动画。

上位机与协议已开源（MIT）：https://github.com/createskyblue/ch58x-th-plot/

5.7 历史数据导出

30 天约 40KB 历史数据采用 ChaCha20 加密传输，搭配双向确认分包机制，不丢包、不重复：

导出前告知总点数与时间跨度，数据拆小包有序推送并实时上报进度，上位机完整接收后回传确认才结束传输；
传输期间冻结历史写入防止边发边改，采样、显示、按键保持可用；
支持用户取消、断连、无进度等异常恢复，30 天数据一般数秒内导出完成。

5.8 加密与授权

激活码兼具功能解锁凭证与历史数据解密密钥。设计加密机制主要用于配合一机一码激活，为后续商业化预留授权管理能力。机制包含密钥派生、设备激活、加密传输三个环节：

密钥派生：利用芯片唯一 UID、预置盐与填充，通过 ChaCha20 确定性派生一机一码密钥；UID 相关地址与常量不硬编码，改为多步运算动态获取，增加静态分析与逆向代价；
激活流程：上位机读取 UID，开发者离线算号，用户写入后设备校验匹配即解锁；激活码可回读用于上位机解密；
加密传输：每帧生成独立随机 nonce：ChaCha20 流密码严禁复用同一密钥 + nonce 组合，否则相同明文产生重复密文，存在密码分析风险；密文与 nonce 一并下发，无有效激活码无法解密历史数据。

安全边界：固件逆向可获取派生算法与盐，商业版本依靠芯片读保护与固件加密升级防护，开源测试版公开盐与算法仅供学习。

5.9 固件烧录

使用 WCH_MCU_ProgramTool 烧录：系列设为 "CH581/4/5"，使用 WCH-LinkE 烧录器并处于 WCH-LinkRV (RISC-V) 模式，选择附件中最新固件 .hex 后点击烧录。

6. BOM 与成本

30 套小批量嘉立创打样核算，单套均摊约 52 元（打样含 PCB 制版、贴片加工综合费用）：

项目	单套成本
PCB 打样 + 物料 + SMT 加工（30 套合计 575 元：打样 71 + 物料 367 + 加工 137）	约 19.2 元
4.2 寸 SSD1619A 墨水屏	18 元
两节紫米 7 号电池 + 卡簧 + 磁铁	5 元
3D 打印外壳	10 元
小批量打样合计	约 52 元

说明：上表为嘉立创平台整套打样报价。拆分外购器件参考行情：主控 CH584F 约 3.5 元；SHT40 温湿度传感器约 4.4 元；FPC 连接器 0.33 元；SSD1619A 墨水屏全新货源约 24 元，瑕疵屏幕可低至 5 元；其余阻容等零散小件合计约 3 元。

打样阶段 SMT 制版、工程服务会带来额外均摊开销；实现大批量采购与拼板生产后，单板电子部分具备较大降本空间，因此期待对接具备量产能力的伙伴开展量产合作，优化整机成本。

成本主要来自外购器件（墨水屏约 18 元、传感器约 5 元），主控成本较低；小批量均摊偏高属打样特性。量产拼板后不含屏幕、传感器的电子单板可降至 10 元以内，外购件与基础加工费为成本底线。

7. 大赛LOGO验证

8. 项目演示

附件（可能非最新）：

嘉立创开源地址：https://oshwhub.com/createskyblue/project_itmmifuv
3D结构拓竹社区开源地址：https://makerworld.com.cn/zh/mod ... i#profileId-3645676

build 13 October 2026 21:45 (UTC+8)