用ESP32和RTC做一個“喚醒鬧鐘”吧！

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

本文最初發(fā)布在deviceplus.jp網(wǎng)站上，而后被翻譯成英語。

目錄

前言

關于ESP32鬧鐘

創(chuàng)建日期和時間的“RTC”

在ESP32 LCD上顯示日期和時間

使用MP3模塊發(fā)出鬧鈴響聲

給鬧鐘主機接線

給ESP32鬧鐘分機接線

安裝庫和字體文件

Arduino IDE鬧鐘程序

分機程序

確認運行情況

結論

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前言

您每天早上被什么鬧鐘吵醒？早上人們的一個常見問題是關掉鬧鐘并直接回去睡覺。
這一次，我們決定使用ESP32制作一個“喚醒鬧鐘”，應該有助于解決這個問題。

設計步驟

預計完成時間：120分鐘

名稱	賣方	價格
ESP32-DevKitC(2 件)	貿澤電子	約10.00美元
DS3231 模塊	亞馬遜	約3.00美元
LIR2032（紐扣充電電池）	亞馬遜	約3.60美元
揚聲器	亞馬遜	約1.00~3.00美元
2.8英寸SPI連接器 320×240像素LCD屏幕	亞馬遜	約15.00美元

*除上述物品外，還需要一個輕觸開關、一個LED和一個約100Ω的電阻器。

關于ESP32鬧鐘

我們來使用ESP32完成一個目標吧：像普通鬧鐘一樣在屏幕上顯示日期和時間，并在指定的時間響起。在設計制作這款“喚醒鬧鐘”時，我們需要將分機按鈕（用于關閉鬧鐘）與鬧鐘主機分開放置。之所以這樣設計，是因為想要您必須起床并走到分機按鈕處才能將鬧鐘關掉。

如下面的視頻所示，使用兩個ESP，一個用于主機，另一個用于分機。在視頻中，主機和分機是挨著的，但如果通過Wi-Fi連接，它們是可以在Wi-Fi范圍內分開放置的。

將主機和分機分開放置時，請使用ESP32的Wi-Fi功能。兩個ESP32作為Web服務器和客戶端運行，并相互通信，如圖1所示。

圖 1 主機和分機之間的通信

創(chuàng)建日期和時間的“RTC”

對于Arduino等微控制器來說，通常能夠獲取在啟動程序后經(jīng)過的時間。但是，您獲得的時間通常不是很準確，因為斷電時會重置經(jīng)過時間。

而如果使用ESP32，則可以通過Wi-Fi連接到互聯(lián)網(wǎng)，以定期從互聯(lián)網(wǎng)上的NTP服務器獲取日期和時間，并將其設置到ESP32上。但Arduino Uno等部分微控制器沒有互聯(lián)網(wǎng)連接功能，因此，擁有一種可以更輕松地處理日期和時間的機制會很方便。

這就是為什么經(jīng)常使用一種被稱作“RTC”（實時時鐘）的IC。 RTC是基于周期性發(fā)出信號的元件來計時的IC。此外，通過將其連接到電池等外部電源，即使在微控制器斷電時也可以繼續(xù)計時。

許多產(chǎn)品都采用RTC，此次，我們將使用一種名為“DS3231”的RTC模塊。

在電子設計所用的RTC模塊當中，DS3231模塊很受歡迎，且很容易獲得。由于接口是I2C，因此只需要4根線。除了RTC功能，還具有溫度傳感器功能（不過本文不會用到溫度傳感器）。

此外，在照片1所示的DS3231上，安裝一個名為“LIR2032”的紐扣電池，這樣即使在微控制器關閉的情況下也能繼續(xù)記錄日期和時間。LIR2032的電池尺寸與CR2032的相同，但不同的是它可充電。

照片1 DS3231模塊

在ESP32 LCD上顯示日期和時間

由于鬧鐘用于查看當前日期和時間，因此需要以易于理解的方式顯示日期和時間。以下設備用于顯示日期和時間。

7段LED

LED 矩陣

OLED 顯示器

字符液晶顯示器

圖形液晶顯示器

根據(jù)設備的不同，有不同的庫和不同的編程方法。這還取決于它是否適合您想要制作的作品。例如，7段LED僅適合以低成本顯示數(shù)字，但不適合顯示詳情。其中，圖形液晶顯示器是最通用的，可以用于許多不同的項目，所以我這次決定使用它。

市面上有各種類型的液晶顯示器模塊，但對于今天的項目，我們將使用一個名為“ILI9341”的控制器，并使用SPI接口（照片2）。此外，液晶顯示器通常以2.2英寸/2.4英寸/2.8英寸尺寸出售，因此，請根據(jù)您正在做的作品類型進行相應調整。

照片2 控制器用ILI9341 2.8英寸液晶顯示器

使用MP3模塊發(fā)出鬧鐘鈴聲

既然是鬧鐘，在指定時間發(fā)出鈴聲是必需的。您可以將蜂鳴器連接到ESP32以產(chǎn)生單一鈴聲，但如果您愿意，也可以使用自己喜歡的鈴聲。為此，我們將使用一個名為“DFPlayer Mini”的模塊，它可以播放任何MP3數(shù)據(jù)（照片3）。
DFPlayer Mini是一個可以通過串口發(fā)送命令來播放microSD卡中MP3的模塊?？梢詫⒁粋€小型揚聲器連接到揚聲器輸出引腳以產(chǎn)生鈴聲。

照片3 DFPlayer Mini

給鬧鐘主機接線

讓我們進入實際構建吧。首先，給鬧鐘接線。

使用兩個面包板，一個配有ESP32和DS3231，另一個配有液晶顯示器（LCD）和DFPlayer Mini。各部件接線如圖2所示。

由于ESP32很寬，您只能在普通面包板的一面放一根跳線。因此，請改用電源線只在一側、多一排插孔的面包板（例如Sanhayato的SAD-101）。

ESP32和液晶顯示器通過SPI進行連接。ESP32可以使用兩個 SPI（VSPI和HSPI），但使用的是VSPI（引腳18/19/23）（表1）。

ESP32和DS3231通過I2C進行連接。在ESP32中，I2C可以分配給任何引腳，但我們使用標準引腳（SDA=21和SCL=22）（表 2）。

DFPlayer Mini 進行串行連接。ESP32可以使用3個串口，但為此請同時使用引腳16和引腳17（表3）。此外，將揚聲器連接到DFPlayer Mini“SPK1”和“SPK2”兩個引腳。

圖2 鬧鐘主機接線

ESP32 引腳	液晶顯示器引腳
5V	VCC
GND	GND
5	CS
4	RESET
2	DC
23	MOSI
18	SCK
19	MISO

表 1：ESP32 與液晶顯示器的連接

ESP32 引腳	DS3231 引腳
5V	VCC
GND	GND
21	SDA
22	SCL

表 2：ESP32與DS3231的連接

ESP32 引腳	DFPlayer Mini 引腳
5V	VCC
GND	GND
16	TX
17	RX

表 3：ESP32與DFPlayer Mini的連接

給ESP32鬧鐘分機接線

接下來，我們將給分機接線。分機接線應按圖3所示進行。您所要做的就是將開關和 LED連接到ESP32。將開關的一側連接到ESP32的3V3引腳，另一側連接到引腳4。通過電阻器→LED再通過ESP32的引腳13連接到GND。

在讀取開關狀態(tài)的電路上插入一個上拉電阻或下拉電阻。但是，由于ESP32可以通過內部電阻進行上拉/下拉，因此省略了外部電阻。

圖3 分機接線

安裝庫和字體文件

完成接線工作后，您可以創(chuàng)建程序。首先，從安裝下面的各個庫開始。

Adafruit GFX

Adafruit ILI9341

RTCLib

DFRobotDFPlayerMini

安裝步驟如下：

啟動Arduino IDE。

選擇“Sketch”->“Include Library”->“Manage Library”菜單，以打開Library Manager。

在“Filter search”字段中輸入“Adafruit GFX”。

Adafruit GFX將在庫列表中顯示。單擊“Install”按鈕（圖 4）。

以相同的方式安裝每個庫。

有幾個名稱相似的RTCLib和DFPlayer庫。RTCLib 安裝“RTCLib by Adafruit”，而DFPlayer安裝“DFRobotDFPlayerMini by DFRobot”。

圖 4 Adafruit GFX庫安裝

此外，為通過大字符顯示時間，需要安裝字體文件。如果您下載并解壓縮以下zip文件，將可以獲得一個名為“FreeSans40pt7b.h”的文件。

打開Arduino IDE的標準草圖目標文件夾，再打開“l(fā)ibraries”->“Adafruit_GFX_Library”->“Fonts”文件夾，將字體文件復制到那里。
https://www.h-fj.com/deviceplus/font.zip

Arduino IDE鬧鐘程序

接下來，在Arduino IDE中創(chuàng)建一個鬧鐘程序并將其寫入ESP32。程序內容如清單1所示。

清單1：鬧鐘主機程序
程序內容（放在這里）

但是，第17行到第21行需要改寫如下：

?第17／18行
根據(jù)您的Wi-Fi路由器的SSID/密碼重寫。
?第19行
指定要分配給ESS32的IP地址。根據(jù)您的Wi-Fi路由器的網(wǎng)絡配置自行決定IP地址。
在普通IP地址中，四組數(shù)字用句點分隔，但在這一行中，它是函數(shù)參數(shù)的形式，所以四組數(shù)字用逗號分隔。
?第20行
指定網(wǎng)絡默認網(wǎng)關的IP地址。通常，它是Wi-Fi路由器的IP地址。用逗號分隔IP地址中的四組數(shù)字。
?第21行
根據(jù)分配給分機ESP32的IP地址重寫。

例如，如果您想按照表4所示進行設置，請重寫第17行至第21行，如清單2所示。

項目	設定值
Wi-Fi路由器SSID	my_wifi
Wi-Fi路由器密碼	my_password
分配給主機ESP32的IP地址	192.168.1.101
默認網(wǎng)關IP地址	192.168.1.1
分配給分機ESP32的IP地址	192.168.1.102

表4：主機網(wǎng)絡設置示例
清單 2：重寫第17-21行的示例

分機程序

分機程序如清單3所示。

以與鬧鐘主機相同的方式重寫第5行到第9行。 但是，在第7行，指定分配給分機的IP地址。 此外，在第9行的“Main console IP address（主控臺IP地址）”中指定鬧鐘的IP地址。

清單 3：分機程序

程序內容

#include
#include
#include
#include 
#include 
#include 
#include
#include
#include "time.h"
#include
#include
#include
#include
#include

// Initial setup
const char *ssid = “Wi-Fi SSID”;
const char *pass = “Wi-Fi password”;
IPAddress ip(IP address assigned to main unit);
IPAddress gateway(IP address of default gateway);
const char* notify_url = “http://IP address of extension unit/alarm”;
const char* adjust_time = “04:00:00”;
#define DF_VOLUME 30

// Constants, etc.
#define ALARM_SIG 25
#define TFT_DC 2
#define TFT_CS 5
#define TFT_RST 4
#define TFT_WIDTH 320

Adafruit_ILI9341 tft = Adafruit_ILI9341(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
RTC_DS3231 rtc;
HardwareSerial hs(1);
DFRobotDFPlayerMini myDFPlayer;
WebServer server(80);

char old_date[15];
char old_time[9];
char old_alarm[15];
char alarm_time[9];
char wdays[7][4] = { “Sun”, “Mon”, “Tue”, “Wed”, “Thu”, “Fri”, “Sat” };
bool alarm_checked = false;
bool alarm_on = false;
bool ntp_adjusted = false;
int alarm_ctr;

// Set date and time using NTP
void setTimeByNTP() {
struct tm t;

configTime(9 * 3600L, 0, “ntp.nict.jp”, “time.google.com”, “ntp.jst.mfeed.ad.jp”);

if (!getLocalTime(&t)) {
Serial.println(“getLocalTime Error”);
return;
}
rtc.adjust(DateTime(t.tm_year + 1900, t.tm_mon + 1, t.tm_mday, t.tm_hour, t.tm_min, t.tm_sec));
}

// Display string on LCD
void showMessage(char* s_new, char* s_old, int y0, int height) {
int16_t x1, y1;
uint16_t w, w2, h;
int x, y;
if (strcmp(s_new, s_old) != 0) {
tft.getTextBounds(s_old, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);
w2 = w * 11 / 10;
tft.fillRect((TFT_WIDTH – w2) / 2 , y0 – (height / 2) + 1, w2, height, ILI9341_BLACK),
tft.getTextBounds(s_new, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);
tft.setCursor((TFT_WIDTH – w) / 2, y0 + (h / 2) – 1);
tft.print(s_new);
strcpy(s_old, s_new);
}
}

// Main settings page
void handleRoot() {
int i;

String html =
“n”
“

n”
“n”
“ n”
“ n”
“n”
“n”
“ n”
“

n”
“n”; for (i = 0; i < 24; i++) { html += “html += String(i); html += “”>”; html += String(i); html += “n”; } html += “(h)n”;
html += “n”; for (i = 0; i < 60; i++) { html += “html += String(i); html += “”>”; html += String(i); html += “n”; } html += “(min) n”;
html += “n”;
html += “

n”;
html += “ n”;
html += “ n”;
html += “n”;
html += “

n”;
html += “ n”;
html += “n”;
html += “n”;
server.send(200, “text/html”, html);
}

// Set alarm
void handleSetAlarm() {
int i, hour, min, sec;
bool is_off = false;
String s_hour = “”, s_min = “”, s_sec = “”;

// Get “off/hour/min/sec” parameters from URL
for (i = 0; i < server.args(); i++) {
if (server.argName(i).compareTo(“off”) == 0) {
is_off = true;
break;
}
else if (server.argName(i).compareTo(“hour”) == 0) {
s_hour = server.arg(i);
}
else if (server.argName(i).compareTo(“min”) == 0) {
s_min = server.arg(i);
}
else if (server.argName(i).compareTo(“sec”) == 0) {
s_sec = server.arg(i);
}
}
// Turn off alarm if “off” parameter is set if (is_off) {
strcpy(alarm_time, “Off”);
server.send(200, “text/plain; charset=utf-8”, “Alarm turned off.”);
}
// Set alarm time else if (s_hour.length() > 0 && s_min.length() > 0) {
hour = s_hour.toInt();
min = s_min.toInt();
if (s_sec.length() > 0) {
sec = s_sec.toInt();
}
else {
sec = 0;
}
if (hour >= 0 && hour <= 23 && min >= 0 && min <= 59 && sec >= 0 && sec <= 59) {
sprintf(alarm_time, “%02d:%02d:%02d”, hour, min, sec);
String msg = “Alarm set to “;
msg.concat(alarm_time);
msg.concat(” .”);
server.send(200, “text/plain; charset=utf-8”, msg);
}
else {
server.send(200, “text/plain; charset=utf-8”, “Incorrect date/time.”);
}
}
else {
server.send(200, “text/plain; charset=utf-8”, “Incorrect parameters.”);
}
}

/ Stop alarm
void handleStopAlarm() {
myDFPlayer.pause();
alarm_on = false;
tft.drawRect(30, 180, 260, 40, ILI9341_BLACK);
server.send(200, “text/plain”, “Alarm stop”);
}

// If an invalid URL is specified
void handleNotFound() {
String message = “Not Found : “;
message += server.uri();
server.send(404, “text/plain”, message);
}

// Setup
void setup() {
int16_t x1, y1;
uint16_t w, h;

Serial.begin(115200);

strcpy(old_date, “00000000000000”);
strcpy(old_time, “00000000”);
strcpy(old_alarm, “00000000000000”);
strcpy(alarm_time, “Off”);

// Initialize display
tft.begin();
tft.setRotation(3);
tft.fillScreen(ILI9341_BLACK);
tft.setTextColor(ILI9341_WHITE);
tft.setFont(&FreeSans12pt7b);
String s = “Initializing…”;
tft.getTextBounds(s, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);
tft.setCursor(0, h);
tft.println(s);

// Connect to WiFi
WiFi.begin(ssid, pass);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(“.”);
}
WiFi.config(ip, gateway, WiFi.subnetMask(), IPAddress(8, 8, 8, 8), IPAddress(8, 8, 4, 4));
Serial.println(“”);
Serial.println(“WiFi Connected.”);
tft.println(“WiFi Connected.”);

// Initialize DFPlayer
hs.begin(9600, SERIAL_8N1, 16, 17);
int count = 0;
while (count < 10) {
if (!myDFPlayer.begin(hs)) {
count++;
Serial.print(“DFPlayer initialize attempt “);
Serial.println(count);
}
else {
break;
}
}
if (count < 10) {
Serial.println(“DFPlayer Initialized.”);
tft.println(“DFPlayer Initialized.”);
myDFPlayer.pause();
myDFPlayer.volume(DF_VOLUME);
}
else {
Serial.println(“DFPlayer Error.”);
tft.println(“DFPlayer Error.”);
while(1);
}

// Initialize RTC
if (!rtc.begin()) {
Serial.println(“Couldn’t find RTC”);
while (1);
}
Serial.println(“RTC Initialized”);
tft.println(“RTC Initialized.”);

// Get current date/time via NTP and set to RTC
setTimeByNTP();

// Initialize web server
server.on(“/”, handleRoot);
server.on(“/set”, handleSetAlarm);
server.on(“/stop”, handleStopAlarm);
server.onNotFound(handleNotFound);
server.begin();

// Fill display with black
tft.fillScreen(ILI9341_BLACK);
}

void loop() {
char new_time[9], new_date[15], new_alarm[15];

// Launch web server
server.handleClient();

// Display current date/time on LCD
DateTime now = rtc.now();
sprintf(new_date, “%04d/%02d/%02d “, now.year(), now.month(), now.day());
strcat(new_date, wdays[now.dayOfTheWeek()]);
sprintf(new_time, “%02d:%02d:%02d”, now.hour(), now.minute(), now.second());
strcpy(new_alarm, “Alarm “);
strcat(new_alarm, alarm_time);
tft.setFont(&FreeSans18pt7b);
tft.setTextColor(ILI9341_WHITE);
showMessage(new_date, old_date, 40, 28);
showMessage(new_alarm, old_alarm, 200, 28);
tft.setFont(&FreeSans40pt7b);
showMessage(new_time, old_time, 120, 64);

// Check if current time is time set for alarm
if (strstr(new_time, alarm_time) != NULL) {
if (!alarm_checked) {
// If it’s alarm time, ring out then send message to extension unit
myDFPlayer.loop(1);
alarm_checked = true;
alarm_on = true;
alarm_ctr = 0;
HTTPClient http;
http.begin(notify_url);
int httpCode = http.GET();
}
}
else {
alarm_checked = false;
}
// While alarm is sounding, make red frame flash around alarm time on display
if (alarm_on) {
if (alarm_ctr == 0) {

審核編輯黃宇