基于ESP32S3的智能家居控制面板系统设计.pdf

2023.8电子产品世界设计应用消费类电子Design&Application基于ESP32S3的智能家居控制面板系统设计Smart home control panel system design based on ESP32S3谭伟伟（深圳康佳电子科技有限公司，深圳518057）摘 要：设计了一款用于控制智能家居设备的带屏控制面板，主控部分采用乐鑫ESP32S3系统级芯片并自带WIFI功能，屏幕使用LCD液晶屏QSPI接口；面板自带3个按键可自定义控制功能；语音采用ES8388编解码芯片和双麦拾音；系统可支持语音控制。关键词：ESP32S3；智能家居；控制面板；WiFi；语音智能家居控制面板是一种可控制全屋智能设备的入口设备，通过 Wi-Fi 或以太网接口的方式连接云平台，同步全屋智能设备到面板上，在面板上可以随时的监控各种设备以及一键执行特定场景的功能，它具有操作简单方便、显示直观、方便安装部署等方面优点。目前主流的带屏控制面板基本采用安卓系统，安卓系统功能强大，但系统复杂需经过多方面的适配工作和精简，另外采用安卓方案的控制面板整体成本会较高，不易推广；本文基于 ESP32S3 方案设计的控制面板开发高效，系统稳定性强，成本上也具有很大的竞争力。1 硬件设计硬件系统主控采用乐鑫官方的ESP32S3-WROOM-1 模组，ESP32S3 是一款低功耗的 MCU 系统级芯片(SoC)，支持 2.4 GHz WiFi 和低功耗蓝牙(Bluetooth LE)双模无线通信。芯片集成了 Xtensa 32 位 LX7 双核处理器、超低功耗协处理器、WiFi 基带、蓝牙基带、RF 模块以及外设，其运行主频最高可达 240 M，可用 GPIO 口高达 45 个满足大部分使用场景，支持 QSPI、Quad SPI、Octal SPI 等 高 速 接 口。ESP32S3-WROOM-1 模组在 ESP32S3 芯片基础上，内置了时钟电路、WiFi 电路、扩展 Flash和 Ram，极大地方便了开发者使用。整体硬件系统主要包括电源模块、主控模块、屏驱动模块、麦克风电路模块、喇叭功放模块，整体的硬件系统如图 1。其中电源模块采用一般常规86盒面板的设计方式，即电源部分和核心部分进行分离，电源部分需接入220 V 交流市电，然后再进行变压、整流、滤波、稳压处理等到较稳定的 5 V 直流电压供给核心部分，而核心部分根据不同模块的供电需要再进行降压处理。主控模块使用了 ESP32S3-WROOM-1 模组，因此极大简化了硬件设计，但仍要预留 UART 下载电路和 IO0 下载使能管脚、复位信号这些关键的功能管脚；屏驱动模块接图1 硬件系统框图80ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$消费类电子电子产品世界Design设计应用&Application口采用 QSPI 方式连接 GC9501 屏幕驱动芯片，QSPI 可同时传输 4 bit 的信号，因此相比于传统的 SPI 接口，QSPI 具有更高的传输效率，同时也会增加 IO 口的使用数量，背光控制电路上采用了 1 个三极管作为开关，当屏需要调光时可控制 PWM 信号方式控制屏的亮度大小；麦克风模块采用模拟双麦，接到 ES8388 ADC 接口上，转成 I2S 信号送入 ESP32S3 中，ESP32S3 内部自带I2S 音频总线，可采集处理 I2S 信号；喇叭驱动电路由ESP32S3 输出 I2S 信号，给到 ES8388 的 DAC 接口，再由 ES8388 输出模拟信号给到功放电路进行放大再输出到喇叭中，这里功放采用 CS8122 模拟功放这款 D 类放大器，最大支持 3W 功率输出，通过设定输入电阻可设置放大倍数，本设计采用 47 K 电阻值，放大倍数约 6.3倍，满足家居的使用场景，在 ES8388 电源端需 1 F 去耦电容旁路到地以确保其能有更高的效率和滤除低频噪音；按键则使用 3 个 GPIO 口并下拉到地。2 软件设计乐鑫以开放生态的理念对自有产品进行管理维护，每个人都可以从乐鑫官方指定的地址获取开发 SDK，本软件设计采用稳定成熟的 esp-idf 开发 SDK 对 ESP32S3进行开发，整体的软件架构如图 2。图2 软件架构esp-idf 是一套以 FreeRTOS 为基础的开发框架，它部署简单，资料丰富，文件架构清晰。本设计以 esp-idf 开发框架为基础，整体的程序大致可分为 4 层，描述如下。应用开发层，程序最主要的工作就是在这一层开发，包括核心的 IOT 网络通信协议，界面设计等功能；界面设计采用开源的轻量级的嵌入式图形库 LVGL，LVGL包含大量可用的控件，并且移植简单，接口丰富，可快速的设计出友好的 UI 界面；语音识别则使用 esp-sr 这个乐鑫官方推出的 AI 语音识别组件，在通过 I2S 驱动获取到原始 PCM 音频数据后送入 esp-sr 识别库中，可快速实现唤醒词、离线命令词的响应；IOT 协议是在mqtt 组件基础上进行了封装和开发，实现了与云端连接功能；语音播报通过提前内置好语音格式文件，在程序需要的时候加载到内存中，然后将数据通过 I2S 输出到外设上；设备数据管理通过 esp-idf 的 nvs 存储功能，将 IOT 同步过来的设备数据保存在内存和 Flash 中，当需要时显示在屏幕上。应用框架则是 esp-idf 针对一些常用的功能进行封装好的库，用户无须再去实现或移植这些常用的程序功能，比较典型的有 mqtt、lwip、spiffs 文件系统、OTA、加密算法、json 等，这层需要多了解才能更好的设计出上层应用程序。设备驱动则比较贴近底层，这一层是直接操作硬件，并向上提供可靠的接口，在本系统设计中，用到了屏幕信号传输的 QSPI 接口驱动和 DMA 传输驱动、WiFi 驱动、基于GPIO轮询方式实现的按键响应、I2S数据传输。这一层具体实现一般来说开发者无需关注。内核层，整个程序架构都是完全基于 FreeRTOS 系统实现，FreeRTOS 是一个完全开源免费的嵌入式实时操作系统，具有使用简单、稳定性强、功能强大、占用资源小等优点。提供了操作系统中常见的任务管理、信号量、队列、事件组等这些功能，使得在这些功能基础上可以设计出模块化的代码，更好地维护程序。 2023.8电子产品世界设计应用消费类电子Design&Application3 运行流程控制面板核心的功能便是监控其他智能家居设备，这需要面板接入到云端平台中，获取用户的设备列表同步到面板上，用户可通过按键操作，也可通过语音方式进行控制，形成控制指令后发送到云端平台，再由云平台进行转发，其中设备的同步流程如图 3。图3 设备同步流程面板因为是使用 Wi-Fi 连接到云平台，因此第一次使用需要用户手动进行配网，ESP32S3 有 ble 功能，用户使用 APP 进行蓝牙配网后，将同时绑定了控制面板，用户就可以在手机 APP 上对面板进行操作。用户在手机 APP 上操作将其他智能家居设备添加到控制面板设备上时，控制面板会收到一个同步指令，然后向云平台发起 http 请求，请求用户的设备列表信息，当请求成功后，清除内存中原来的设备列表信息然后更新，并将设备信息显示在内存上，以下是完整的语音控制流程。控制面板一直处于外部采集语音状态中，当从语音系列中检测到唤醒词的语音信号，进行内置的唤醒反馈音频播报后，开始 VAD 检测，VAD 检测可以检测出当前的人声语音的活动状态，只有检测到有人声活动状态才将语音信号送往在线语音平台，这样可以减少数据流量，增加识别率，录音送往语音平台后，语音平台开始进行 asr 语音转文字识别，然后执行 nlp 自然语言识别，识别出用户的操作意图，当命中后向云平台发送操作请求，云平台收到在线语音平台的操作请求后，向对应的在线设备发送相应的操作指令，而控制面板则等待语音平台返回的播报音地址，通过播报音地址下载相关的音频数据后进行播报。另外，面板也可使用按键进行操控，,3 个按键定义为左、确定、右功能，左右选择要操作的设备，确定键是触发设备的开关，功能较简单，当触发设备开关时，控制面板会往云平台发送 1 条控制指令，云平台收到后将此指令转发给相应设备，然后反馈设备状态给控制面板更新显示，相比于语音操作，按键操作流程较为简单，这里不再叙述。图4 语音控制流程4 结束语本文设计一款基于 ESP32S3 的带屏智能家居控制面板，可接入云平台，具有语音识别功能，使用简单，功能强大，成本低，具备极为广阔的市场前景。