Wie man eine Smartwatch baut: Chip-Auswahl

• Für Core Time 2 wurde der SF32LB52J von SiFli als Chip ausgewählt
• Bei der Entwicklung einer Smartwatch ist die Chip-Auswahl eine der wichtigsten Entscheidungen
• Software-Kompatibilität, Stromverbrauch und Stückkosten haben großen Einfluss auf die Chip-Wahl
• Der SiFli-Chip bietet ein Open-Source-SDK, niedrigen Stromverbrauch und reichlich Speicher
• Diese Serie wird künftig auch die Auswahl anderer wichtiger Komponenten wie etwa des Displays behandeln

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Überblick

• Dieser Beitrag ist der erste Teil einer Serie darüber, wie man selbst eine Smartwatch baut
• Ziel ist zu zeigen, dass im Jahr 2025 praktisch jeder mit etwas Aufwand eine brauchbare Smartwatch bauen kann
• Es wird erwartet, dass die Open-Source-Freigabe von PebbleOS die Entwicklung kreativerer Smartwatches fördert
• Eine Smartwatch besteht im Wesentlichen aus drei Hauptelementen: Hardware, Software (Firmware/Betriebssystem) und mobile App

Aufschlüsselung der Hardware-Komponenten

• Die Hardware einer Smartwatch lässt sich grob in fünf Systemelemente unterteilen
  • Mikrocontroller-Chip (meist inklusive Bluetooth-Funk)
  • Display
  • Sensoren und Ausgabegeräte (Buttons, Touch, Mikrofon, Beschleunigungsmesser, Lautsprecher usw.)
  • Sonstige elektronische Bauteile (Chips, passive Bauelemente, PCB, Batterie usw.)
  • Mechanische Struktur (Uhrengehäuse, Glas, Buttons, Armband, Ladekabel usw.)
• Sensoren, Batterie, Armband, Mikrofon usw. lassen sich heute relativ leicht auswählen, da es in vielen Preisklassen zahlreiche Optionen gibt
• Die schwierigsten Entscheidungen betreffen den Mikrocontroller mit Bluetooth-Funk sowie das Display

Warum die Chip-Auswahl wichtig ist

• Die MCU ist das „Herz“ der Smartwatch und integriert CPU, RAM, Flash-Speicher, I/O und Funk auf einem einzigen Chip
• Die Wahl einer geeigneten MCU ist ein Balanceakt zwischen mehreren Rahmenbedingungen wie Kosten, Stromverbrauch und Software-Kompatibilität
• Da sich SDK, Treiber und Build-System je nach MCU unterscheiden, steigt die Komplexität der Software-Entwicklung
• PebbleOS war nur auf die MCU eines bestimmten Unternehmens (STM) zugeschnitten, daher sind bei einem Wechsel zu einer anderen MCU Anpassungen an Treibern und Build-System erforderlich
• Manche MCUs unterstützen das für PebbleOS benötigte FreeRTOS nur unzureichend
• Da keine Massenproduktion geplant ist, machen die Software-Entwicklungskosten einen großen Teil der Produktkosten aus

Bisher genutzte Chips und der Auswahlprozess

• Frühere Pebble-Uhren nutzten den STM32F2; anfangs wurden Chips oft auf Basis von Beziehungen und Empfehlungen aus dem Umfeld ausgewählt
• In jüngerer Zeit wurde der Nordic nRF52840 verwendet, um einen Core 2 Duo Smartwatch-Prototyp zu bauen
  • Die Entwicklung erfolgte nach dem Wechsel auf den Open-Source-BLE-Stack nimBLE
• Für die speicher- und leistungsintensivere Core Time 2 stößt der nRF52840 an seine Grenzen
  • Beim aktuellen günstigen Nordic-Chip (nRF54L15) ist der RAM zu knapp, und der High-End-Chip (nRF54H) ist teuer
  • Für das Farbdisplay der Core Time 2 wird außerdem eine spezielle Schnittstelle benötigt

Entdeckung und Auswahl des SiFli-Chips

• Mehrere Kandidaten (Apollo, BES, Dialog usw.) wurden geprüft, erfüllten die Anforderungen aber nicht, unter anderem wegen fehlender Open-Source-SDKs

• Bei einigen Chips wie BES war die Entwicklungsumgebung wegen NDA, nicht veröffentlichtem Beispielcode usw. ungeeignet

• Nach einer zufälligen E-Mail vom CEO von SiFli und anschließendem Austausch wurde klar, dass das Unternehmen dem Open-Source-Ökosystem sehr aufgeschlossen gegenübersteht

• SiFli-Chips werden bereits in Smartwatches in einer Stückzahl von mehreren zehn Millionen eingesetzt (Marken: Redmi, Oppo, Noise usw.)

  • Das kleinste Modell (SF32LB52x) bietet mehr als 512K SRAM, 16M PSRAM und einen dedizierten MIP-Display-Controller
  • Niedriger Stromverbrauch (~50uA bei BLE-Verbindung), Preis unter 2 US-Dollar
  • Option auf zusätzlich 1–2MB SRAM
  • Open-Source-SDK auf GitHub verfügbar, Unterstützung für das Portieren von PebbleOS zugesagt

• Als Chip für die Core Time 2 wurde schließlich der SF32LB52J (1,8-V-Version) ausgewählt

Fazit und Ausblick

• Die Core Time 2 soll mit dem SiFli-Chip SF32LB52J entwickelt werden
• Im nächsten Beitrag geht es um den Prozess der Display-Auswahl

Weiterführende Links

• Vergleichstabelle der Uhrenspezifikationen von PebbleA2
• SiFli SF32LB52x Produktbeschreibung
• SiFli GitHub Open-Source-SDK

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Es wird betont, dass PebbleOS nicht der einzige Player in diesem Bereich ist; außerdem wird Espruino vorgestellt, eine kleine JavaScript-Implementierung für Mikrocontroller, die unter anderem in bangle.js und dem Fallout Pip-Boy verwendet wird. Geräte lassen sich damit leicht in Echtzeit hacken, und es wird auch ein GitHub-Discussion-Link zu Espruino geteilt.
  • Ich höre zum ersten Mal von bangle.js und mag, dass man damit in einer Sprache herumspielen kann, die man bereits kennt. Schade, dass ich die Version der ersten Generation gern gekauft hätte, sie aber aktuell nicht mehr verkauft wird.
  • Danke, dass auch die großartige Arbeit weniger beachteter Konkurrenten erwähnt wird. Pebble ist zwar großartig, aber auch sie verdienen Aufmerksamkeit. Und die Amazon-Fallout-Serie ist ziemlich unterhaltsam, also empfehlenswert, falls sich die Gelegenheit ergibt.
  • Zur Info: Es gibt auch die PineTime.
• Die Formulierung „SDK ist Open Source“ fällt auf. Die Idee eines BLE-MCU mit einem Open-Source-Code-SDK ist interessant, aber in Wirklichkeit liegt der BLE-Code als Binary Blob vor. Wenn es als Open Source bezeichnet wird, sollte man meiner Meinung nach den vollständigen Quellcode lesen können.
  • Firmware für BLE-Funkgeräte wird aus IP- und regulatorischen Gründen praktisch immer als Binary Blob bereitgestellt.
• Diese Smartwatch ist nach heutigen Maßstäben nicht besonders smart. Komfortfunktionen wie NFC-Zahlung, Dual-Band-GPS und 4G-LTE-Konnektivität meiner aktuellen Smartwatch würde ich ziemlich vermissen. Pebble (und repebble) tauscht das gegen eine Akkulaufzeit von mehreren Wochen ein. Aber der Nachteil, meine Galaxy Watch alle zwei Tage laden zu müssen, ist für mich nicht groß genug, um auf all diese leistungsstarken Funktionen zu verzichten.
  • Umgekehrt interessieren mich all diese Funktionen nicht, und eine lange Akkulaufzeit ist mir wichtig. Es ist gut, dass es verschiedene Geräte für verschiedene Nutzer gibt. Nur weil diese Smartwatch nicht zu jemandem passt, ist sie nicht „nicht smart“, sondern einfach für diesen Nutzer ungeeignet.
  • Garmin bietet bereits die meisten dieser Funktionen plus eine Akkulaufzeit von mehreren Wochen. Nur 4G fehlt noch, und ich habe gehört, dass das in Geräten etwa nächstes Jahr verbaut werden soll.
  • Mir würde GPS zwar auch fehlen, aber ich habe immer noch kein Gerät gefunden, das das Gefühl ersetzt, das mir Pebble gegeben hat. Bei Garmin gibt es an anderen Stellen Kompromisse (Akku, Widgets, Kalender, Display-Ablesbarkeit usw.). Alles ist ein Trade-off.
  • Für mich sind all diese Funktionen unnötig. Ich bin mit einer Uhr zufrieden, die Benachrichtigungen empfängt, einfach den Puls misst und sich ein wenig anpassen lässt. Wenn ich sie öfter als einmal pro Woche laden müsste, würde ich sie nicht tragen wollen.
  • Schon allein die Akkulaufzeit ist ziemlich beeindruckend.
• Es wird ein Link zu einem cnx-software-Artikel mit weiteren Informationen zu diesem Chip geteilt.
• Interessant ist die Entscheidung für ein Single-Chip-Design statt getrennter Chips für den Hauptprozessor und BLE. Hochleistungs-MCUs haben oft kein RF, daher kann ein Zwei-Chip-Design häufig passender sein.
  • Selbst bei aktuellen High-End-MCUs gibt es Chips, die wie NRF oder ESP32 sowohl Bluetooth als auch Wi-Fi zusammen nutzen können. Heute würde ich persönlich ESP32 bevorzugen; die kontinuierlichen Verbesserungen und der gute Community-Support sind attraktiv. Ich entwickle selbst ebenfalls eine auf MicroPython basierende Smartwatch-Plattform.
  • Der Cortex-M33-Kern des SiFli-Chips ist deutlich schneller als der M4-Kern, der in den bisherigen Pebble-Geräten verwendet wurde. Noch schnellere MCUs braucht man nicht wirklich; wichtiger ist eher die Akkulaufzeit. Dass diesmal ein MCU mit integriertem Bluetooth genutzt wird und sich die Laufzeit dadurch von etwa 1 Woche auf etwa 1 Monat verlängert, ist ein großes Upgrade.
  • Wenn es einfach nur eine Uhr ist, braucht man nicht unbedingt gleich einen UNIX-Computer. Zeitanzeige, Pulsmessung, Kommunikation mit AWS und Ähnliches lassen sich auch mit einem einfachen MCU umsetzen.
  • Mehr Chips machen ein Projekt komplexer. Für jeden Chip braucht man Passivbauteile und Oszillatoren, außerdem muss man die Kommunikation zwischen den Chips, Firmware-Updates und Debugging-Methoden berücksichtigen. Dann ist es womöglich besser, stattdessen lieber etwas Akkulaufzeit aufzugeben.
• Es ist erfreulich, dass in der Low-Power-Chip-Branche endlich ein Open-Source-orientiertes Produkt erscheint. Ich habe mich direkt nach der Ankündigung von rePebble angemeldet. Später wurde mir allerdings klar, dass ich eigentlich keine Smartwatch, sondern eher eine „dumme“ Uhr nur mit Vibrationsbenachrichtigungen wollte. Das ist zwar eine Nische mit kleiner Nachfrage, aber für manche sehr interessant. Nachdem ich in den letzten zwei Jahren eine Casio F105 getragen habe, kann ich nichts Größeres, Schwereres oder Dickeres mehr ertragen. Wenn sie nur Bluetooth hätte, würde ich sogar wöchentliches Laden in Kauf nehmen. Deshalb plane ich gerade, einen winzigen Bluetooth-Chip, einen Vibrationsmotor und eine kleine Lithium-Batterie zwischen den Armbandteilen anzubringen, damit ich alle Benachrichtigungen meines iPhones empfangen kann. Ich erinnere mich noch gut an mein erstes Mi Band 1: Es hatte kein Display, nur drei RGB-LEDs, deren Farben sich je nach App unterschieden. So konnte man sofort leicht erkennen, welche Art Nachricht eingegangen war.
  • Erwähnt wird ein Produkt namens W770 von Citizen. Ich habe kürzlich gebraucht eines für unter 200 Dollar gekauft; es ist eine ziemlich gute Kombination aus Chronograph, BLE, Alarm und Vibrationsmotor. Statt eines Displays zeigt es die meisten Informationen über die Uhrzeiger an, daher sollte man unbedingt das Handbuch lesen, um die Bedienung zu verstehen. Dank solarer Ladung auf Superkondensator-Basis muss man sich selbst bei völliger Dunkelheit über Monate keine Gedanken um den Akku machen. Der Superkondensator ist ein austauschbares Teil, wenn er nach etwa 15 bis 20 Jahren verbraucht ist. Die Uhr verlangt nichts und erfüllt einfach zuverlässig ihren Zweck. Möglicherweise hat Citizen noch weitere Modelle mit BLE-Funktion. Wenn jemand das Benachrichtigungs-/Bluetooth-Protokoll per Reverse Engineering analysieren und eine Open-Source-App bauen würde, ergäben sich spannende Möglichkeiten für Hacker.
  • Ich nutze immer noch eine OG Pebble und freue mich, dass sie zurückkommt, plane aber kein Upgrade. Vibrationsalarm und Benachrichtigungen reichen mir völlig. Das Display muss allerdings auch bei hellem Licht gut ablesbar und für Alterssichtigkeit geeignet sein. Das eInk-Display der OG Pebble erfüllt diese Aufgabe völlig ausreichend. Man kann SMS lesen, ohne das Smartphone herauszuholen. Gebraucht bekommt man sie für 30 Dollar, und ein neuer Akku kostet nur etwa 15 Dollar, also ist das Preis-Leistungs-Verhältnis gut. Auch die Rebble.io-Community funktioniert weiterhin vollkommen ordentlich.
  • Ich wünsche mir ebenfalls, dass man ein „smartes“ Uhrenarmband oder eine smarte Schließe an eine Vintage-Seiko-Uhr anbringen könnte. Es würde reichen, wenn in sehr spezifischen Situationen nur Vibrationsbenachrichtigungen kommen. Alle anderen Funktionen oder ein Display wären eher störend.
  • Die UX der Apple Watch ist umständlich (mit 1-cm-Fingern einen 2-cm-Bildschirm antippen ...), und mir gefällt auch nicht, dass sie zu viel auf einmal machen will. Mit Pebble konnte ich einfach nur Anruf- oder SMS-Benachrichtigungen empfangen, und das reichte, damit ich Abstand von meinem Handy gewinnen konnte. Pebble ist außerdem sehr leicht. Wenn ich ein bestimmtes Watchface aufspiele, fühlt es sich an, als käme ich nach Hause.
  • Ich will ebenfalls nur eine „dumme“ Uhr mit Vibrationsbenachrichtigungen. Die meisten Benachrichtigungen sind kaum zeitkritisch und reißen nur unnötig aus der Konzentration. Am Ende schaltet man sowieso alle Benachrichtigungen aus und schaut nur alle paar Stunden selbst aufs Handy. Was ich wirklich brauche, ist eher eine Funktion, die mich per Vibration an Alarme erinnert, etwa „Bus kommt bald“ oder „Zeit für eine Pause“. Unnötige Sensoren brauche ich nicht.
  • Die Withings ScanWatch eignet sich für diesen Einsatzzweck ebenfalls gut; die Akkulaufzeit beträgt fast einen Monat.
  • Auch mein Wunsch nach einem Fitness-Tracker statt einer Uhr ist ziemlich selten. Ich mag keine Ringe und hätte lieber ein Armband oder idealerweise sogar ein Band für den Knöchel. Allerdings wäre damit die Pulsmessung oder zusätzliche Datenerfassung vermutlich schwierig.
  • Geräte wie das Mi Band füllen diese Nische gut aus. Sie sind klein und leicht, stören nicht und bieten trotzdem ein Display sowie eine ordentliche Akkulaufzeit.
• Jemand hat begonnen, den günstigen chinesischen Freqchip-SoC zu hacken. Bei Ali bekommt man Smartwatches mit diesem Chip schon für 3 Euro.
  • Es wird um einen Link zu einem Uhrenprodukt mit diesem Chip gebeten; trotz mehrerer Suchversuche wurde offenbar nichts gefunden.
  • Es überrascht, dass manche Chips bei einer MOQ von 3.000 Stück nur 2,6 Yuan (0,36 $) kosten und dabei Arm Cortex-M3, BLE und SIG-Mesh-Unterstützung bieten. Es besteht Neugier auf die Nutzbarkeit des SDK.
• Es ist schön, etwas halbwegs Open-Source-Hardware zu sehen, die mit PebbleOS läuft. Hoffentlich verschwindet 2025 endlich dieses linksbündige Blogformat; bei der Verbreitung von Breitbildschirmen ist es schade, das Lesen unnötig schwer zu machen.
• Zur Aussage, die „interessanteste und schwierigste Einschränkung sei die Software-Kompatibilität“: Ich denke eher, dass genau dieser Punkt so leicht lösbar ist, dass er ganz ans Ende der Liste gehören sollte.
  • Gerade bei diesem Produkt ist Software-Kompatibilität aus zwei wichtigen Gründen sehr entscheidend. Erstens ist das Team heute viel kleiner als zu alten Pebble-Zeiten, daher hat es oberste Priorität, den Softwareaufwand zu reduzieren. Zweitens werden alle Apps und Watchfaces als ARM-Binärdateien verteilt; bei einer anderen MCU-Architektur geht die Abwärtskompatibilität verloren. Das gilt auch für ESP32.
  • Wenn alles proprietär ist, kann man schnell in viele Sackgassen geraten. Das ist ganz anders als bei standardisierter PC-Hardware.
• Ich fand diesen Artikel sehr spannend. nimBLE ist ein hervorragender Bluetooth-Stack, und es ist spannend, dass dadurch Möglichkeiten für die zukünftige Weiterentwicklung von Core Devices entstehen.