Привет, Хабр! Сегодня в мире смартфонов идет гонка за мегапикселями, гигагерцами и складными экранами. Но производители совсем забыли про концепцию «неубиваемой автономности» в полевых условиях. Что делать, если вам нужно устройство для долгих походов, поездок или на случай затяжного блэкаута, которое умеет крутить видео, воспроизводить музыку и не зависит от повербанков и розеток?
Я решил эту проблему радикально: собрал своими руками смартфон, который питается от трёх обычных «пальчиковых» NiMH-аккумуляторов (AA) и работает от одной зарядки более 9 дней в режиме ежедневного активного использования(что я понимаю под активным использованием, напишу ниже - это конечно мое представление и заморочки, но все же).
Зачем я это сделал?
Меня всегда жутко бесили современные быстроразряжающиеся гаджеты. Смартфон, который может внезапно превратиться в кирпич посреди дороги просто потому, что на морозе просел литий или вы забыли повербанк — это мой самый страшный сон. Найти или собрать полноценный карманный КПК на обычных батарейках было моей давней мечтой.
В свое время в поисках решения я даже купил защищенные туристические КПК-навигаторы Lowrance Endura на Windows CE, и Garmin Monterra на андроид 4.4, которые штатно питаются от элементов АА. Но, признаться честно, это было совсем не то. Древний софт, слабая мультимедийная часть, медленный процессор и специфический интерфейс(у Lowrance Endura интерфейс и оболочка были ОЧЕНЬ сложны, приходилось лопатить множество форумов, что бы настроить, Garmin Monterra со своим андроидом, конечно выигрывал - но у него были свои критические недостатки) не позволяли использовать их как удобный и всеядный медиакомбайн для повседневных задач, музыки и видео. Я с ужасом вспоминаю тот мелкий дисплей 2.4 дюйма на Endura и отвратный звук через наушники...Хотя сами гаджеты были очень интересены и заслуживали внимания! Может быть напишу про них обзор, чуть позже...
Мне хотелось иметь устройство, которое дает полную и бескомпромиссную независимость от розетки, но при этом обладает удобством современного Android и качественным экраном. Пальчиковые батарейки или NiMH-аккумуляторы формата АА можно найти в абсолютно любом сельском магазине, на автозаправке, вытащить из настенных часов, пульта ДУ или радиоприемника в экстренной ситуации. К тому же можно иметь при мебе несколько пар полностьбю заряженых NiMH-аккумуляторов. Моей целью было создать надежный медиаплеер, элементы питания для которого можно заменить за 10 секунд прямо на ходу, вернув девайсу 100% заряда.
Глава 1. Выбор «железа»: почему именно Samsung J7 (2016)?
Проект зародился как поиск идеального донора. Смартфон должен был отвечать трем жестким критериям: энергоэффективный процессор, OLED/AMOLED экран (для экономии на темных сценах) и «доверчивый» контроллер питания, который можно легко обмануть. В своих многолетних поисках я перебрал десятки(если не сотни) смартфонов. Тестировал их все по одному сценарию, составлял сводные таблицы. И только 3 гаджета подошли идеально, под мой концепт - они имели САМЫЕ низкие токи разряда, из всего того что я тестировал.
-Samsung J7 (2016)
-Samsung Galaxy J2 Core (2018)
-Lenovo P2(2018)
Они шли с колоссальным отрывом, от остальных гаджетов, в плане энергоэффективности, а это крайне важно для АА аккумуляторов, с их ограниченной емкостью.
Изначально я посматривал в сторону ультрабюджетного Samsung Galaxy J2 Core (2018) на базе Exynos 7570. В некоторых сценариях он даже выигрывал по автономности около 10–15% у J7(2016) и Lenovo P2 из-за урезанного 4-ядерного процессора. Однако у него был огромный минус — дешевая TFT-матрица с плохими углами обзора. Смотреть фильмы на таком экране, еще та боль и унижение... Но главное — на TFT подсветка горит всегда и по всей площади, сводя на нет экономию при воспроизведении видео. Lenovo P2 я отверг, как самый прожорливый из этой троицы (из за FULL HD экрана, разумеется - но все равно это удивительный аппарат, не имеющий аналогов!).
В итоге идеальным выбором стал Samsung Galaxy J7 (2016). Вот его козыри:
Экран Super AMOLED (5.5 дюймов, 720p HD). Черные пиксели здесь физически выключены и потребляют ровно 0 мА. Очень экономичный экран, из за 720p и AMOLED!
Процессор Exynos 7870 (14-нм техпроцесс). 8 энергоэффективных ядер Cortex-A53, которые в простое умеют снижать частоту до минимума и имеют отличный аппаратный медиадекодер.
Разборный корпус и простая архитектура цепи питания.
Глава 2. Аппаратная модификация
Рабочий диапазон родного литий-ионного аккумулятора смартфона составляет от 3.7V (разряжен) до 4.2V (полный заряд).
Я решил использовать три последовательно соединенных NiMH-аккумулятора AA емкостью 2400 мАч. В пике они выдают около 4.2V, а среднее рабочее напряжение под нагрузкой составляет 3.7V. Это идеально укладывается в нижнюю границу рабочего диапазона смартфона. Использовать обычные щелочные (Alkaline) батарейки тоже можно, но свежие элементы могут выдать суммарно до 5V, что опасно для контроллера питания смартфона.
Штатная зарядка через USB-порт телефона была принудительно отключена. Алгоритмы Android (CC/CV) рассчитаны на литий, и попытка зарядить NiMH токами для лития приведет к порче элементов. Аккумуляторы я извлекаю и заряжаю отдельно во внешнем зарядном устройстве, или от солнечных панелей.
Для эстетики и надежности на заднюю крышку смартфона был смонтирован металлический бокс от налобного фонаря FeiRei BA3045. Винтовые зажимы намертво фиксируют элементы питания, а сам девайс теперь выглядит как брутальный КПК специального назначения. Мне очень понравился этот бокс. Он сделан крайне качественно и эргономично.
Механическая часть сборки: Чтобы конструкция была монолитной, я аккуратно просверлил бокс и скрепил его с задней крышкой телефона тремя маленькими болтами. Для максимальной надежности капнул в места соединений эпоксидный клей. Бокс зафиксировался намертво, но при этом сохранилась полная эргономика устройства: при желании заднюю крышку смартфона можно легко снять, чтобы поменять карту памяти или вставить SIM-карту.
К сожалению я не сохранил фото процесса сборки. Есть фото готового результата. Получилось что получилось. Вес конечно прибавился. Вместо стандартных 170 грамм, мое устройство весит 260 граммов(вместе со вставленными аккумуляторами), для меня вполне комфортно. В карман штанов и рубашек прекрасно помещается. За счет округлых форм бокса, устройством все равно удобно пользоваться, бокс прекрасно ложится в ладонь, за него даже удобно держать)) Это конечно сугобо мое мнение и мой опыт, вы можете не согласиться.
Глава 3. Программный Debloat: выжимаем максимум из Android 7.0
Железо — это лишь половина успеха. Чтобы смартфон не «жрал» батарею вхолостую, я провел тотальную чистку операционной системы.
За основу была взята кастомная прошивка MOON OS 2.1.1 на базе Android 7.0 (Nougat). Из неё автором изначально был вырезан весь тяжелый софт, аналитика Samsung и сервисы отслеживания.Сверху я накатил ROOT-права через Magisk 14.0 и вручную заморозил вообще все фоновые службы, которые не требуются для работы устройства в качестве медиаплеера. Система уходит в глубокий сон (Deep Sleep) мгновенно после блокировки экрана.
Для хранения медиатеки используется карта памяти Micro SD Samsung EVO Plus на 512 ГБ (Class 10), забитая контентом на 90%. На ней хранятся тысячи файлов(примерно 5000 песен и 4000 видеороликов). Чтобы процессор не тратил энергию на постоянное сканирование такого огромного массива, в музыкальном плеере Stellio я полностью отключил автоматическое сканирование медиатеки. Теперь я запускаю индексацию вручную только после добавления новых треков. Сканирование ~5000 треков в формате MP3 занимает всего 40–60 секунд благодаря быстрому контроллеру карты Samsung и оптимизированной файловой системе. С просмотром своей огромной видиотеки, я не испытывал проблем ни разу.(смотрю видео через стандартный менеджер файлов от Samsung или через приложение Total Commander)
В планах купить подобную карточку от Samsung EVO, но уже на 1 ТБ. Уверен, она прочитается без проблем.
Ниже привожу сриншот , на котором видно мою карту памяти(для тех кто сомневается, что телефон может прочитать 512 ГБ)
Глава 4. Точные замеры и реальная автономность
Вся эта система была тщательно протестирована мной с помощью амперметра. Результаты замеров токов потребления при питании от AA NiMH аккумуляторов:
Прослушивание музыки (плеер Stellio, экран ВЫКЛ): ~30 мА.
Прослушивание музыки через Bluetooth колонку(плеер Stellio, экран ВЫКЛ): 35-40 мА.
Простой смартфона (главный экран, подсветка ВКЛ): 90–100 мА.
Воспроизведение видео через системный плеер: 95–120 мА.(зависит от яркости экрана и от воспроизводимого контента. Обычно я использую яркость 10-20%, больше и не нужно). Интересная деталь - смотреть фильмы(особенно темные), гораздно более экономично, чем смотреть мультфильмы или анимационные произведения. Сказывается AMOLED экран. Смотрю все строго в кодеке H264.
Воспроизведение Youtube через Wi-fi: 140–160 мА. Яркость 10-20% как и везде.
Геолокация через оффлайн навигатор: 130-160 мА, очень зависит от поиска спутников. Если соединение стабльно, ток падал до 120 мА и держался, несмотря на отслеживание пути через GPS.
Ретро-гейминг (Java-игры через эмулятор): ~130 мА.
Андроид игры: 200–500 мА.(очень сильно зависит от игры, например простенькие фермы потребляли у меня в районе 200 мА, в то время как тяжелые 3D игры могли кушать уже существенные 450-550 мА...)
Низкий ток в 95–120 мА при просмотре видео наглядно подтверждает: видеопоток обрабатывается исключительно аппаратным декодером процессора Exynos 7870. Если бы декодирование шло программно (силами ядер CPU), ток улетел бы за 250–300 мА.
На последок немного сухих цифр, результатов тестирования на аккумуляторах AA VARTA 2400 mah:
Воспроизведение видео через системный плеер: Фильм "Властелин Колец"в полноэкранном режиме - 25 часов!!!! Мультфильмы в полноэкранном режиме - 19 часов. Сказывается SUPER AMOLED экран.
Воспроизведение музыки через плеер Stellio, экран ВЫКЛ, наушники - 78 часов.
А теперь перейдем к главному доказательству — системному графику разряда (скриншот ниже).
Как видите, устройство честно отработало 9 дней 8 часов и 53 минуты от одного комплекта аккумуляторов AA (2400 мАч). График представляет собой привычную «лесенку» без резких обрывов(но справедливости ради отмечу, что такого плавного разряда как на родном аккумуляторе уже нет). При этом я ежедневно слушал музыку, смотрел видео, а иногда даже включал Wi-Fi и геолокацию. Контроллер питания Samsung воспринял разрядную кривую NiMH-элементов, позволив выжать их до честного 1% емкости(напряжение батареи на 1% - 3,33 V).
На втором графике - экономичный режим использования. Такое у меня бывало нечасто, потому что люблю проводить вечера за просмотрами фильмов и играми... Не лежит без дела, он у меня вообщем)
Важная оговорка и уточнение!
Контролер питания не всегда коректно показывает уровень разряда. На одном уровне может задержаться довольно долго, а после начать плавное снижение процентов. Например на 37 % у меня живет несколько дней, я уже давно запомнил эту цифру. Думаю, это зависит от разницы емкостей 3 АА аккумуляторов - не могут же они быть одинакового состояния, это и так понятно. Использованию это никак не мешает! Примерное оставшееся время можно узнать из системной статистики или через приложение GSAM Battery Monitor, оно на удивление удачно "спелось" с моим устройствои и дает точные данные и замеры.
Опыт эксплуатации в экстремальных условиях:Отдельно хочу отметить поведение устройства на суровых морозах (испытано лично при температурах -20 °C и ниже во время регулярных спортивных пробежек). Смартфон ни разу не подвел, емкость аккумуляторов не падала лавинообразно, как это постоянно происходит с родным литием. Химия NiMH элементов в таких условиях показала себя превосходно — вольтаж держится стабильно, телефон не вырубается. Единственный нюанс — на сильном холоде начинает заметно «тупить» и терять отзывчивость сам AMOLED-экран, но к системе питания это не имеет никакого отношения.
И еще о минусах (куда же без них)...В моем проекте есть один сценарий, который устройство физически не способно выдержать — это съемка видео. При включении видеозаписи нагрузка на процессор, камеру и карту памяти возрастает настолько, что токи разряда резко подскакивают. Метал-гидридные АА-аккумуляторы под такой пиковой нагрузкой дают сильную просадку по напряжению, контроллер питания смартфона фиксирует падение вольтажа и мгновенно отправляет аппарат в перезагрузку. Это единственный «запретный» сценарий. При этом обычная фотосъемка работает без каких-либо проблем, короткие импульсные нагрузки цепь переваривает отлично, и я постоянно использую камеру для фото.
Заключение
Правильный выбор донора с AMOLED-экраном, NiMH элементы и жесткий софтверный debloat позволили добиться автономности, которая современным флагманам даже не снилась.
Проект доказал свою жизнеспособность на 100%. Я получил полностью автономный, защищенный медиакомбайн, элементы питания для которого можно купить в любом сельском магазине или вытащить из настенных часов в экстренной ситуации. Я беру его с собой в походы, в велопробеги, он у меня постоянно на работе(работа у меня активная, он не раз падал и цеплялся за окружение - вообщем доказал свою надежность, худшее что у меня с ним случалось - это перезагрузка телефона). Да что там говорить, я всегда ношу с собой в кармане или рюкзаке - водонепроницаемый бокс с 4 комплектами полностью заряженных аккумуляторов. Он и так работает неприлично долго, но если всеже разрядится заменить комплект и перезапустить устройство, занимает у меня 30 секунд. Это по сути вечный КПК, то о чем я всегда мечтал))
Готов ответить на ваши технические вопросы в комментариях!