ESP-HaloPanel：用 ESP32-C2 打造超低成本智能家居面板

2024-11-02 17:25:58

项目简介

在生活品质日益提升的今天，智能家居系统已经走进了千家万户，并逐渐成为现代生活的一部份。与此同时，一款设计精致、体积轻盈、操作简便的全屋智能家居控制面板，已经成为众多家庭的新宠。这种高效、直观的智能化的解决方案，以一种前所未有的便捷方式，极大地提升了居住的舒适度，让智能生活变得更加轻松。

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ESP-HaloPanel 是一款基于 ESP32-C2 系列模组（ESP8684-WROOM-02C-N4）开发的超低成本智能家居面板，面板*配备一个圆形屏幕用于显示信息，屏幕周围均匀分布了 6 个触摸按键，用于控制操作。它通过 Wi-Fi 接入 Home Assistant 智能家居系统来实现对多设备的快捷控制。同时具备三个功能界面，分别用于洗衣机控制、灯光控制和温度控制。

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视频展示

ESP-HaloPanel：用 ESP32-C2 打造超低成本智能家居面板

供电方式

ESP-HaloPanel 支持磁吸底座 、锂电池和 USB 三种供电方式。它既可以长时间吸附在墙壁上，作为智能家居的控制中心；也可以取下随身携带，当作遥控器使用。此外，通过 USB 线连接，ESP-HaloPanel 可以实现持续供电。这种多样化的供电选项不仅增强了产品的实用性，也为用户提供了更多的使用场景和便利性。

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功能演示

ESP-HaloPanel 通过其触摸按键技术，为用户提供了一种直观且便捷的智能家居设备控制方式，确保了快速响应，使得智能生活体验更加流畅和高效。

  • 控灯演示

相较于传统开关，ESP-HaloPanel 提供了更为灵活的灯光控制功能，用户可以轻松调节灯光的亮度和色温，以适应不同的环境和个性化需求，从而实现更加个性化和舒适的照明环境。

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  • UI 交互

乐鑫的先进屏幕优化方案，利用分段解码和内存映射技术，在低成本的 ESP32-C2 上实现了流畅的 UI 动画效果，同时保持了帧率的稳定性。用户可以根据个人需求，自定义 UI 界面和交互逻辑，从而为产品带来更加个性化的用户体验，这一方案在提升设备性能的同时，也为用户的创造力提供了广阔的空间。

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  • 模式切换

通过长按静音键，用户可以关闭按键提示音，实现在不同环境下的模式切换，享受更为宁静的操作体验。再次长按该键即可恢复提示音，操作简单，随时满足用户不同的需求。

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  • 睡眠唤醒

ESP32-C2 在节能方面表现卓越，支持高节能的低功耗模式。在轻睡眠 (Light-Sleep) 模式下，设备能够保持Wi-Fi连接；而在深度睡眠 (Deep-Sleep) 模式下，设备的平均电流消耗可降至仅 5 μA，有效延长电池寿命。

此外，ESP32-C2 通过检测 RTC GPIO 的电平实现快速唤醒。并结合 Wi-Fi 快连功能，支持从深度睡眠（Deep-Sleep）模式唤醒并成功建立 Wi-Fi 连接仅需 300 毫秒，为用户提供了高效且流畅的功耗管理体验。

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硬件设计

ESP-HaloPanel 完整的硬件开源资料可在【嘉立创-乐鑫小铁匠】ESP-HaloPanel 获取。ESP 硬件设计指南请参考 《ESP 硬件设计指南》，

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ESP-HaloPanel 的硬件系统由以下部分组成：

  • 主 MCU : ESP8684-WROOM-02C-N4

  • USB & Auto Download（自动下载电路）：通过 USB 连接器的 D+ 和 D- 引脚连接到 USB-to-UART (CP2101) 芯片的 USB 管脚，然后转接到 ESP8684-WROOM-02C-N4 模组的 UART0 管脚上。通过 UART0 的 DTR 和 RST 信号管脚来控制 EN 和 GPIO9 的电平状态为 ESP-HaloPanel 产品提供自动控制电路以进入下载模式，可用于固件下载，同时支持为 ESP-HaloPanel 产品进行常供电，并支持通过 USB 接口实现充电功能。如果是量产产品，自动下载电路可以省去。用户可直接使用外部的 USB-to-TTL 串口工具连接至 ESP8684-WROOM-02C-N4 模组的 UART0 (GPIO19 和 GPIO20) 管脚进行固件下载。另外，乐鑫也提供了 ESP-Module-Prog-SUB-02 烧录底板，可直接为 ESP8684-WROOM-02C-N4 模组烧录固件。

  • LDO：HE9073A33M5R 是一颗低压差稳压器 (LDO) 芯片，具有宽压输入的特性，支持的输入电压范围为 3.3V~7V， 然后将输入电压稳定在 3.3V 输出，为 ESP-HaloPanel 产品提供稳定的供电环境。

  • Power Manage（电源管理）：电源管理电路支持磁吸底座的 5V 输入和 3.7V 锂电池（满电状态下为 4.2V）输入的完美切换。当使用 ESP-HaloPanel 磁吸底座时，ESP-HaloPanel 由 5V 磁吸底座供电，此时锂电池不参与供电工作，并且锂电池将由底座的 5V 经过充电 IC 进行充电。当 ESP-HaloPanel 从磁吸底座离开后，ESP-HaloPanel 将由锂电池继续供电。

  • Lithium Battery Charging（锂电池充电模块）：使用专用的充电管理芯片 (TP4056)，支持控制充电电流和充电状态。与电源管理电路配合工作，确保 ESP-HaloPanel 产品可以使用锂电池供电并安全充电。

  • LCD 模块：使用 ESP8684-WROOM-02C-N4 模组的 GPIO0~GPIO4 作为 SPI 接口，为 LCD 屏幕提供信号控制，用于显示文本、图形等信息，同时支持背光控制，通过一个 S8050 和 AO3401A 进行组合，然后使用 GPIO8（高电平亮；低电平灭）进行屏幕背光控制。

  • Touch Button（触摸按键）：使用 BS8112A-3 电容式触摸按键控制芯片（最多支持 12 个 Touch Pad），通过 ESP8684-WROOM-02C-N4 模组的 I2C 外设管脚读取多个触摸按键的电极（KEY1 到 KEY6，其他 Touch 管脚接 GND）感应来实现按键控制开关机、菜单选择、音量加减和静音的功能。 BS8112A-3 芯片的 IRQ 管脚可用于检测 Touch Pad 的触摸状态。当任意一个按键被触摸时，IRQ 管脚为低电平；当所有触摸按键无触摸时，IRQ 管脚为高电平。在这里我们将 BS8112A-3 芯片的 IRQ 管脚与 ESP32-C2 芯片的 GPIO5 进行连接，用于将 ESP32-C2 芯片从 Deep-Sleep 模式唤醒，以实现低功耗。

  • WS2812B 模块（按键背光模块）：使用 6 颗智能 WS2812B-2020 串接组成 ，通过 ESP32-C2 的 GPIO18 (RGB_CTRL) 轻松控制每个 RGB LED 的颜色和亮度，可实现炫酷的按键背光效果。考虑到低功耗需求，所有的 WS2812B 供电都可控制掉电和上电，和 LCD 的背光控制部分一样，由一个三级管和一个 PMOS 管组合控制，和 LCD 背光控制共同使用 ESP32-C2 的 GPIO8 (POWER_CTRL) 管脚控制。

  • Button（按钮）：使用一个简单的物理按钮电路，连接到 ESP32-C2 芯片的 GPIO9 和 EN 管脚，用于ESP-HaloPanel 产品硬件复位和手动切换 ESP32-C2 的启动模式 (SPI Flash Boot 或 Download Boot)。如果是量产产品，按钮可以省去。

  • Buzzer（蜂鸣器模块）：通过 ESP32-C2 芯片的 GPIO10 引脚控制电路中的三极管导通或截止，从而驱动蜂鸣器发声，用于播放提示音。

  • GPIO Mapping（GPIO 映射）：列出了 ESP32-C2 芯片各个外设（如 LCD、 RGB LED、按键等）管脚的 GPIO 映射关系，便于开发者了解不同管脚的功能。

软件实现

基于 ESP-HaloPanel 的硬件系统构成，需要配套的软件开发以激活产品丰富的功能。 ESP-HaloPanel 的软件设计以深度集成的 ESP-IDF SDK 库为基础，并借助简洁高效的单任务组件为核心，全面实现了产品多功能展示，为用户带来了高效且可靠的软件开发体验。

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  • Deep-Sleep 唤醒 ： ESP-HaloPanel 的省电模式通过进入 Deep-Sleep 模式来实现，同时使用 RTC GPIO5 作为唤醒源，以触发 ESP32-C2 芯片的唤醒。用户可以参考 esp-idf/examples/system/deep_sleep 例程来实现 Deep-Sleep 睡眠、唤醒的功能。此例程集成多种唤醒源方式来唤醒芯片，但 ESP32-C2 在 Deep-Sleep 模式下仅支持 RTC GPIO 和 RTC Timer 两种唤醒源。ESP32-C2 芯片支持的唤醒源方式可以参见《ESP8684 技术参考手册》中的 “唤醒源” 章节说明。如下：

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  • Wi-Fi 快连： ESP-HaloPanel 通过 Wi-Fi 连接路由器，使用 MQTT 上层协议连接 HomeAssistant 云以实现对智能家居设备的远程控制。MQTT 连云的应用例程可以参考：esp-idf/examples/protocols/mqtt ， 对应软件编程指南参见：ESP-MQTT

  • 声音提示：ESP-HaloPanel 使用 ESP32-C2 的 GPIO10 作为 LEDC PWM 接口，通过调节 GPIO10 输出的 LED PWM 占空比来驱动蜂鸣器以实现声音控制功能。乐鑫提供的 LEDC 示例 演示了如何使用 LED PWM 接口，软件使用说明参见：LEDC 编程指南

  • 触摸按键：ESP-HaloPanel 上的触摸按键通过 I2C 总线驱动 BS8112A 芯片（需参考 BS8112A 的芯片规格书 来配置触摸通道的灵敏度等参数），并借助 espressif /i2c_bus 组件轻松读取每个 BS8112A 触摸通道的触摸状态。同时使用 espressif/button 组件实现按键事件的注册。

  • UI 显示： ESP-HaloPanel 使用 ESP32-C2 的 SPI 接口来驱动 LCD 模块，通过 LVGL 图形化工具创建优美的 UI 界面。并通过移植 esp-bsp/ BSP/ esp32_c3_lcdkit 代码来实现 UI 界面显示。在 ESP32-C2 有限的内存上，为了达到更流畅的 UI 显示效果，ESP-HaloPanel 使用 espressif/esp_mmap_assets 组件来减少 ESP32-C2 芯片内存的使用，使用此组件可以在编译时自动实现图片的分割功能。把图片、字体等这些资源自动打包成二进制的 .bin 文件，然后生成头文件，并自动集成到项目，组件使用说明参见：esp_mmap_assets

    使用 espressif/esp_mmap_assets 组件的优势有：

    • 使用源文件进行文件管理，便于维护；
    • 实现 APP bin 与资源文件的解耦，减少升级包的体积；
    • 支持映射多个分区，可将资源文件按需分开管理，如音频、图片、字库等；
    • Freetype、thorvg 等库提供便捷的 memory load 接口，简化调用过程；
    • 针对 Flash XIP ， 优化 .rodata 占用，减少对 PSRAM 的内存消耗。

  • 背光控制：
    由于 ESP32-C2 不支持 RMT 外设，同时可供用户使用的唯一的一组 SPI 接口也用于了 LCD 屏幕显示。在 WS2812 灯光控制应用上， ESP-HaloPanel 使用了一个 GPIO18 来模拟 WS2812 通信时序，以实现灯光调控的功能。软件实现可参考 esp-iot-solution/components/led/led_indicator 组件，文档说明参见：LED 指示灯

物料清单

  • ESP8684-WROOM-02C-N4 * 1
  • 1.28 寸圆形 LCD * 1
  • BS8112A-3 触摸 IC * 1
  • WS2812B-2020 * 6
  • 蜂鸣器 * 1
  • HE9073A33M5R LDO * 1
  • 锂电池充电 IC TP4056 * 1
  • 亚克力面板 * 1
  • 其他物料（电阻、电容、MOS 管、三极管等）

3D 展示

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PCB

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