ESP32-S3低功耗極限挑戰：硬件定時上電 + 電子墨水 + 太陽能自給

2025-11-18 10:34:07 38

想做一塊全天候、完全無線、幾乎“零待機功耗”的天氣看板？這個項目把關鍵路徑走通了：ESP32-S3 + 三色電子墨水屏 + 太陽能采能 + 硬件定時上電。目標形態是——貼在窗邊，白天靠陽光給電池充電，定時聯網取天氣，刷新電子墨水后完全斷電，安靜等下一個喚醒周期。

項目亮點

真·低功耗：用 TPL5110 做“硬件定時電源開關”，刷新完成后由 MCU 拉 DONE 腳斷電，待機泄漏接近零；不是單靠深睡。
貼窗即用：小尺寸單晶硅太陽能片 + 采能管理，室內漫反射下也能起充。
“斷電保持”天然適配：電子墨水屏刷新后無需供電，圖像自然保持。
固件來源清晰：基于成熟氣象站代碼適配，填好 OpenWeatherMap 憑據即可運行。

工作原理（Power & Wake 策略）

采能與儲能：太陽能板 → 采能管理（如 SPV1050）→ LiPo 充電。
定時上電：TPL5110 周期性閉合電源，整機上電；ESP32-S3 快速聯網取數。
一次性任務：渲染當前天氣/預報、溫度體感、濕度、風力等到 2.13" 三色墨水屏。
任務即斷電：MCU 拉 DONE → TPL5110 斷電 → 進入“硬斷電待機”。

實測要點：Wi-Fi 上電沖擊大，電池端并 1000 μF 電解電容可顯著改善瞬態掉壓導致的“斷電回跳”問題。

主要硬件

ESP32-S3 Mini（主控）
2.13" 三色電子墨水屏（SSD1680 系）
三片小型單晶硅太陽能電池
SPV1050（太陽能采能/充電管理）
TPL5110（超低功耗硬件定時器/電源開關）
3.7 V 500 mAh LiPo 電池
TPS73733 低壓差 LDO（替換板載 LDO）
1000 μF/10 V 電解電容
三段式 3D 打印外殼

低功耗“外科手術”

拆掉板載 RGB LED：消除常亮/漏電。
替換板載 LDO → TPS73733：降低壓差與靜態電流，擴大可用電量區間。
加粗供電走線：VBUS/+3V3 改粗，抬升上電瞬態穩定性。

連接與裝配

電源鏈路：太陽能板 → SPV1050 → 電池 → TPL5110 →（系統電源）→ ESP32-S3 & 墨水屏。
DONE/DRIVE：MCU 通過 DONE 通知 TPL5110 斷電；定時到達由 DRIVE 重新上電。
外殼與走線：先打印外殼做“線長擬合”，再裁線/端子化（JST-XH 建議），減少返工。

固件與數據

數據源：OpenWeatherMap（需自備 API Key）。
配置要點：在憑據頭文件填入 API Key 與城市（或經緯度），設定刷新周期（與當地采光匹配）。
UI 內容：當前天氣圖標、溫度/體感溫度、濕度、風力、未來若干小時/天的簡版預報。

開源代碼庫：https://github.com/rsappia/Solar_E-Ink_Weather_Station

工程師避坑清單

別只靠深睡：μA 級也會把電池慢慢拖空；硬斷電是關鍵。
抗沖擊：Wi-Fi 上電電流峰值用大電容緩沖；必要時評估 MOSFET SOA。
室內光預期：漫反射環境下刷新頻率要降；優先保證“必刷信息”完整。
機械細節：屏幕壓框與支撐柱留出熱脹冷縮余量，防止長時間翹角。
時間基準：若斷電周期過長，建議在上電后先校時（NTP/本地 RTC）再刷新。

把“超低功耗”沉淀成可復用的工程積木

這不是“屏 + 單片機 + 電池”的拼裝，而是一套可遷移的范式：采能管理 → 定時上電 → 任務即斷電 → 電子墨水保持。跑通一次，你就得到一塊能直接移植到離線告示牌、門口提示屏、環境儀表盤的低功耗積木。接下來，把刷新節奏、數據排版和 PCB 集成做成你的版本，讓窗邊的陽光，持續為它“供電”。

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