开源电子宠物Weathergotchi带你关注气候变化

背景

近年来，随着物联网和低功耗嵌入式技术的普及，个人环境监测设备逐渐从专业实验室走向爱好者与创客社区。传统的温湿度记录仪通常体积较大、成本较高，且依赖专用软件或云端服务查看数据。与此同时，复古电子宠物（如 Tamagotchi）的设计理念启发了许多开发者将功能性与趣味性结合。Weathergotchi 项目正是这一趋势的产物——它是一款开源、电池供电的气候数据记录器，采用常亮电子墨水屏显示，旨在以极低功耗实现长时间的环境监测，同时保持硬件的完全开放和可定制性。

核心内容

Weathergotchi 是一个完整的开源硬件+固件项目，核心是一个基于 ESP32-S3 微控制器的温湿度数据记录器。它配备了一块 1.54 英寸的电子墨水屏（常亮显示），通过外部 EEPROM 存储历史读数，并能在屏幕上同时显示当前数据与历史曲线图。设备由一块小型锂聚合物电池（如 400 mAh）供电，在深度睡眠模式下仅消耗不到 20 µA，配合 DS3231 RTC 定时唤醒，默认每 1 分钟记录一次数据，可连续运行超过一周。

其主要硬件特性包括：

• ESP32-S3 主控，支持深度睡眠与 RTC 定时唤醒
• 温湿度传感器（SHT45）与外部 EEPROM（24LC512）用于数据记录
• 精准电池监测（BQ27441 电量计）与充电管理（BQ24075 充电芯片）
• 软电源按钮控制器（LTC2954），可实现真正的开/关控制
• 1.54 英寸电子墨水屏（兼容 Waveshare 引脚）
• 定制 PCB 与 3D 打印外壳

所有设计文件均开源，包括：

• CAD/ – 3D 外壳设计（OpenSCAD 源文件与 STL 导出文件），完全参数化，可通过修改 constants.scad 调整尺寸
• PCB/ – KiCad 硬件设计文件（原理图、PCB 布局、元器件数据手册），参考了 SparkFun 和 Waveshare 的参考设计
• firmware/ – 基于 PlatformIO 的固件（ESP32-S3，Arduino 框架），负责传感器读取、计时、EEPROM 数据记录、电子墨水屏更新、按钮处理、电源管理（深度睡眠与唤醒源配置）

组装与使用步骤：

1. 将固件通过 PlatformIO 上传至 ESP32-S3（需安装 PlatformIO Core 或 VS Code 扩展）
2. 使用高分辨率 FDM 打印机（推荐 0.1 mm 层高）打印外壳 STL 文件，外壳使用 M2 热熔嵌件与 M2 螺丝固定
3. 将 PCB、电池、电子墨水屏装入外壳，合上前后面板

所有 I2C 外设（SHT45、DS3231、24LC512、BQ27441）共享同一总线，电子墨水屏通过 SPI 驱动，LTC2954 软电源按钮通过 BQ24075 控制系统断电。

关键要点

• 超低功耗设计：深度睡眠时 ESP32-S3 电流低于 20 µA，DS3231 与 BQ27441 保持激活但电流可忽略。DS3231 闹钟以可配置间隔（默认 1 分钟）唤醒 ESP32，唤醒后约 400 ms（50 mA 电流）完成一次记录并更新显示，随后再次进入睡眠。
• 真正的电源开关：LTC2954 提供软开关功能，可完全切断系统电源，避免电池耗尽后无法重启的问题。
• 已知问题与限制：
  • 电池电量报告不准确：作者认为是 BQ27441 配置错误所致。
  • 低电量无法恢复：当电池电压接近 3.4V 时，设备可能进入不可恢复状态，只能通过断开电池并外部充电后重新连接解决。作者怀疑是使用了廉价 AliExpress 电池所致。
  • 温度读数受手持影响：ESP32 激活时发热会影响 SHT45 读数，固件在唤醒后立即读取传感器以最小化误差，但长时间浏览菜单或手持设备仍会使环境读数偏移数分钟。
  • 电子墨水屏低温限制：模块额定工作温度高于 0°C，低于冰点时屏幕可能无法可靠刷新，但数据记录仍在后台进行，温度回升后显示功能恢复。
  • 无无线连接：本版本未包含蓝牙或 Wi-Fi 数据导出功能，以最大化电池寿命，数据仅能在设备屏幕上查看。
• 开源许可：项目根目录下的 LICENSE 文件规定了开放且宽松的许可条款，鼓励修改与贡献。
• 贡献指南：欢迎提交 Issue、Pull Request，要求遵循现有代码风格，并记录硬件或固件的任何变更。

意义与影响

Weathergotchi 项目展示了开源硬件在低功耗环境监测领域的成熟实践。它并非简单的“温湿度计”，而是将电子墨水屏的常亮特性、深度睡眠微控制器、精确 RTC 唤醒与 EEPROM 数据持久化相结合，实现了极低功耗下的长时间自主运行。这一设计思路对物联网终端节点的能效优化具有参考价值。

更重要的是，该项目完全开放了从 PCB 设计到 3D 外壳的每一层文件，使得任何人可以自由复制、修改、扩展。对于教育、创客、甚至小批量定制化生产（如博物馆展柜环境监测、冷链运输记录）而言，Weathergotchi 提供了一个低门槛、可验证的起点。它不依赖任何云服务或专有协议，数据完全本地存储，适合对隐私和自主性有要求的场景。

尽管存在电池电量不准、低温显示受限等已知问题，但作者坦率地指出了这些局限性，并鼓励社区参与改进。这种开放透明的做法正是开源精神的体现。未来，若加入无线数据导出功能（如蓝牙低功耗），或优化电池管理算法，Weathergotchi 有望成为极低成本、超长续航的个人气候记录仪标杆。