基于ESP32S3的智能家居控制面板系統設計

智能家居控制面板是一種可控制全屋智能設備的入口設備，通過Wi-Fi 或以太網接口的方式連接云平臺，同步全屋智能設備到面板上，在面板上可以隨時的監控各種設備以及一鍵執行特定場景的功能，它具有操作簡單方便、顯示直觀、方便安裝部署等方面優點。

目前主流的帶屏控制面板基本采用安卓系統，安卓系統功能強大，但系統復雜需經過多方面的適配工作和精簡，另外采用安卓方案的控制面板整體成本會較高，不易推廣；本文基于ESP32S3 方案設計的控制面板開發高效，系統穩定性強，成本上也具有很大的競爭力。

1 硬件設計

硬件系統主控采用樂鑫官方的ESP32S3-WROOM-1 模組，ESP32S3 是一款低功耗的 MCU 系統級芯片(SoC)，支持2.4 GHzWiFi 和低功耗藍牙(Bluetooth^? LE) 雙模無線通信。芯片集成了Xtensa^? 32 位LX7 雙核處理器、超低功耗協處理器、WiFi 基帶、藍牙基帶、RF 模塊以及外設，其運行主頻最高可達240 M，可用GPIO 口高達45 個滿足大部分使用場景，支持QSPI、QuadSPI、Octal SPI 等高速接口。ESP32S3-WROOM-1 模組在ESP32S3 芯片基礎上，內置了時鐘電路、WiFi 電路、擴展Flash和Ram，極大地方便了開發者使用。

整體硬件系統主要包括電源模塊、主控模塊、屏驅動模塊、麥克風電路模塊、喇叭功放模塊，整體的硬件系統如圖1。

圖1 硬件系統框圖

其中電源模塊采用一般常規86盒面板的設計方式，即電源部分和核心部分進行分離，電源部分需接入220 V交流市電，然后再進行變壓、整流、濾波、穩壓處理等到較穩定的5 V 直流電壓供給核心部分，而核心部分根據不同模塊的供電需要再進行降壓處理。主控模塊使用了ESP32S3-WROOM-1 模組，因此極大簡化了硬件設計，但仍要預留UART 下載電路和IO0 下載使能管腳、復位信號這些關鍵的功能管腳；屏驅動模塊接口采用QSPI 方式連接GC9501 屏幕驅動芯片，QSPI 可同時傳輸4 bit 的信號，因此相比于傳統的SPI 接口，QSPI 具有更高的傳輸效率，同時也會增加IO 口的使用數量，背光控制電路上采用了1 個三極管作為開關，當屏需要調光時可控制PWM 信號方式控制屏的亮度大??；麥克風模塊采用模擬雙麥，接到ES8388 ADC 接口上，轉成I2S 信號送入ESP32S3 中，ESP32S3 內部自帶I2S 音頻總線，可采集處理I2S 信號；喇叭驅動電路由ESP32S3 輸出I2S 信號，給到ES8388 的DAC 接口，再由ES8388 輸出模擬信號給到功放電路進行放大再輸出到喇叭中，這里功放采用CS8122 模擬功放這款D 類放大器，最大支持3W 功率輸出，通過設定輸入電阻可設置放大倍數，本設計采用47 K 電阻值，放大倍數約6.3倍，滿足家居的使用場景，在ES8388 電源端需1 μF 去耦電容旁路到地以確保其能有更高的效率和濾除低頻噪音；按鍵則使用3 個GPIO 口并下拉到地。

2 軟件設計

樂鑫以開放生態的理念對自有產品進行管理維護，每個人都可以從樂鑫官方指定的地址獲取開發SDK，本軟件設計采用穩定成熟的esp-idf 開發SDK 對ESP32S3進行開發，整體的軟件架構如圖2。

圖2 軟件架構

esp-idf 是一套以FreeRTOS 為基礎的開發框架，它部署簡單，資料豐富，文件架構清晰。本設計以espidf開發框架為基礎，整體的程序大致可分為4 層，描述如下。

應用開發層，程序最主要的工作就是在這一層開發，包括核心的IOT 網絡通信協議，界面設計等功能；界面設計采用開源的輕量級的嵌入式圖形庫LVGL，LVGL包含大量可用的控件，并且移植簡單，接口豐富，可快速的設計出友好的UI 界面；語音識別則使用esp-sr 這個樂鑫官方推出的AI 語音識別組件，在通過I2S 驅動獲取到原始PCM 音頻數據后送入esp-sr 識別庫中，可快速實現喚醒詞、離線命令詞的響應；IOT 協議是在mqtt 組件基礎上進行了封裝和開發，實現了與云端連接功能；語音播報通過提前內置好語音格式文件，在程序需要的時候加載到內存中，然后將數據通過I2S 輸出到外設上；設備數據管理通過esp-idf 的nvs 存儲功能，將IOT 同步過來的設備數據保存在內存和Flash 中，當需要時顯示在屏幕上。

應用框架則是esp-idf 針對一些常用的功能進行封裝好的庫，用戶無須再去實現或移植這些常用的程序功能，比較典型的有mqtt、lwip、spiffs 文件系統、OTA、加密算法、json 等，這層需要多了解才能更好的設計出上層應用程序。

設備驅動則比較貼近底層，這一層是直接操作硬件，并向上提供可靠的接口，在本系統設計中，用到了屏幕信號傳輸的QSPI 接口驅動和DMA 傳輸驅動、WiFi 驅動、基于GPIO 輪詢方式實現的按鍵響應、I2S 數據傳輸。這一層具體實現一般來說開發者無需關注。

內核層，整個程序架構都是完全基于FreeRTOS 系統實現，FreeRTOS 是一個完全開源免費的嵌入式實時操作系統，具有使用簡單、穩定性強、功能強大、占用資源小等優點。提供了操作系統中常見的任務管理、信號量、隊列、事件組等這些功能，使得在這些功能基礎上可以設計出模塊化的代碼，更好地維護程序。

3 運行流程

控制面板核心的功能便是監控其他智能家居設備，這需要面板接入到云端平臺中，獲取用戶的設備列表同步到面板上，用戶可通過按鍵操作，也可通過語音方式進行控制，形成控制指令后發送到云端平臺，再由云平臺進行轉發，其中設備的同步流程如圖3。

圖3 設備同步流程

面板因為是使用Wi-Fi 連接到云平臺，因此第一次使用需要用戶手動進行配網，ESP32S3 有ble 功能，用戶使用APP 進行藍牙配網后，將同時綁定了控制面板，用戶就可以在手機APP 上對面板進行操作。用戶在手機APP 上操作將其他智能家居設備添加到控制面板設備上時，控制面板會收到一個同步指令，然后向云平臺發起http 請求，請求用戶的設備列表信息，當請求成功后，清除內存中原來的設備列表信息然后更新，并將設備信息顯示在內存上，以下是完整的語音控制流程。

控制面板一直處于外部采集語音狀態中，當從語音系列中檢測到喚醒詞的語音信號，進行內置的喚醒反饋音頻播報后，開始VAD 檢測，VAD 檢測可以檢測出當前的人聲語音的活動狀態，只有檢測到有人聲活動狀態才將語音信號送往在線語音平臺，這樣可以減少數據流量，增加識別率，錄音送往語音平臺后，語音平臺開始進行asr 語音轉文字識別，然后執行nlp 自然語言識別，識別出用戶的操作意圖，當命中后向云平臺發送操作請求，云平臺收到在線語音平臺的操作請求后，向對應的在線設備發送相應的操作指令，而控制面板則等待語音平臺返回的播報音地址，通過播報音地址下載相關的音頻數據后進行播報。另外，面板也可使用按鍵進行操控，,3 個按鍵定義為左、確定、右功能，左右選擇要操作的設備，確定鍵是觸發設備的開關，功能較簡單，當觸發設備開關時，控制面板會往云平臺發送1 條控制指令，云平臺收到后將此指令轉發給相應設備，然后反饋設備狀態給控制面板更新顯示，相比于語音操作，按鍵操作流程較為簡單，這里不再敘述。

圖4 語音控制流程

4 結束語

本文設計一款基于ESP32S3 的帶屏智能家居控制面板，可接入云平臺，具有語音識別功能，使用簡單，功能強大，成本低，具備極為廣闊的市場前景。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年8月期）