ESP-Knob：用 ESP32-H2 打造多功能智能旋钮

乐鑫科技 Espressif

已于 2024-12-03 09:58:41 修改

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文章标签：智能家居 ESP32 乐鑫科技 Wi-Fi iot

于 2024-12-02 17:55:41 首次发布

本文链接：https://blog.csdn.net/espressif/article/details/144187668

版权

简介

在这个科技飞速发展的时代，用户所追求的不再是层出不穷的智能平台，而是能够实现不同智能设备协同工作的智能生态系统，以及简化智能设备管理的工具。这不仅要求智能设备之间能够实现互联互通，还要求它们能够深入理解并响应用户的多样化需求，提供更加个性化和智能化的服务。因此，实现跨品牌和跨平台的通信已成为智能领域中日益凸显的挑战。

ESP-Knob 是一款基于 ESP32-H2 芯片自主开发的多功能智能旋钮控制器。它不仅能够接入 Home Assistant，还广泛支持 BLE-HID、Thread 、Matter 、ESP-BLE-MESH 和 Zigbee 等无线通信协议。通过与苹果 Homepod、亚马逊 Echo 等主流智能设备同时建立连接，它轻松打破了跨平台的壁垒，使得跨平台的设备间的协同工作变得十分简单、直观，为用户提供了一种全新的智能家居控制方式。

ESP-Knob 正面为一个铝合金外壳的按压旋钮，能够读取按压、旋转等事件；背部自带磁吸底座，可以稳固地吸附在金属表面，实现设备的便捷操控。

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视频展示

ESP-Knob：用 ESP32-H2 打造多功能智能旋钮

供电方式

ESP-Knob 仅需一节纽扣电池，即可实现高效稳定的运行；同时支持低功耗管理，来延迟电池的使用寿命。

在硬件设计上，ESP-Knob 预留了 USB TYPE-C 接口，通过 USB 连接可以实现持续供电，也便于程序下载和调试，为用户提供了更多的使用场景，增强了便利性。
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功能演示

1. BLE ADV 广播功能

ESP-Knob 通过 BTHome 协议接入 Home Assistant 智能家居系统，通过发送符合 BTHome 格式的广播包，以轻松控制第三方智能设备，例如控制米家床头灯的灯光亮度、颜色和开、关灯。
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2. Matter 控制功能

ESP-Knob 还适配 Matter Over Thread 协议，能够轻松与苹果 HomePod、亚马逊 Echo 等智能设备同时建立连接，允许用户通过 Matter 协议无缝管理和控制家中的多种智能家居设备，轻松实现跨平台的智能家居控制系统，提升用户体验的连贯性和便捷性。
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3. BLE-HID Device 控制功能

ESP-Knob 也支持 BLE-HID 协议，通过连接蓝牙即可作为 音量调节设备 和 无线 PPT 翻页器。

ESP-Knob 能够轻松与智能手机或其他蓝牙设备配对，即可作为一个直观的音量调节器。用户可以通过旋钮轻松调整音量大小，无论是在家中享受音乐，还是在办公室进行视频会议，都能提供便捷的音量控制。

在需要演示或演讲的场合，ESP-Knob 可作为一款便捷的无线 PPT 翻页器，借助其对 BLE-HID 协议的支持即可实现 PPT 远程翻页。

4. BLE-Mesh & Zigbee 组网控制功能

对于多设备组网场景，ESP-Knob 同时支持 ESP-BLE-MESH 和 Zigbee 协议，可实现高效率和高可靠性的多设备群体控制。

多设备灯光控制演示

5. 远距离 & 穿墙控制功能

凭借 ESP32-H2 高达 20dBm 的发射功率和最高 -106.5 dBm 的接收灵敏度， ESP-Knob 不仅能够轻松实现穿墙通讯，还能在远距离条件下保持稳定连接。这意味着即使在障碍物众多、信号易受干扰的复杂环境中，ESP-Knob 依然能够提供可靠、连续的无线连接，确保智能家居设备的远程控制和数据传输的稳定性和响应速度。

穿墙 & 远距离控制演示

硬件设计

ESP-Knob 的硬件设计比较简洁，除了基础的电池供电电路、旋钮电路和下载、调试电路外，只有一个简单的 LED 指示灯电路。ESP-Knob 的硬件系统组成如下：

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主控 MCU : ESP32-H2-MINI-1-H2 模组
EC11 （旋转编码器）：用于用户输入，能够检测旋转和按压操作。通过 EC11 的按压信号控制 VCC_EN，用于电源开关或模式切换。
5V —> 3.3V （电源模块）：通过 XC6206P332MR-G 低压差线性稳压器，将 USB 供电（5V）降压为 ESP32-H2 所需的 3.3V 电压。
VBAT —> 3.3V （电源模块）：通过 TPS61291 升压芯片适应宽输入电压范围，在 ESP32-H2 工作时为芯片提供 3.3V 电压；在 ESP32-H2 休眠时通过电池直接供电，从而支持低功耗的休眠唤醒功能。
USB-C 接口：使用 USB-C 接口，连接到 ESP32-H2 ，用于数据传输和供电。
LED （指示灯模块）：使用 ESP32-H2 的 GPIO2 和 GPIO3 引脚控制双色 LED 的点亮与熄灭，用于指示 ESP-Knob 不同的工作状态。
BATTERY（电池管理模块）：通过 BT1 连接外部锂电池（VBAT）并监测电池电压，将电压分压到 BAT_ADC ，引入 ESP32-H2 以监控电池电压。
DEBUG（下载 & 调试接口）：为 ESP-Knob 设备预留下载接口和硬件复位接口的测试点。通过连接到 ESP32-H2 的 UART0 接口（TXD0 、RXD0）可用于固件烧录和调试；通过拉低 ESP_EN 管脚可用于 ESP-Knob 的硬件复位。

ESP-Knob 完整的硬件开源资料可在【嘉立创-乐鑫小铁匠】ESP32-H2-Knob 获取，更多 ESP 硬件设计说明请参考《ESP 硬件设计指南》。

软件设计

目前，ESP-Knob 设备提供了 BLE-HID、BTHOME 和 Matter Switch 三种固件，烧录对应固件后即可接入不同的智能家居系统，用户可直接在 ESP-LAUNCHPAD 下载 ESP-Knob 的三种固件。

1. BLE-HID 的固件功能：

默认开启 BLE 广播，设备广播名称为 ESP-HID-X（其中 X 代表第几个设备）
通过旋转旋钮进行音量调节
通过按压旋钮进行 PPT 翻页
长按旋钮切换绑定设备
断开 BLE 连接 30s 后自动进入DeepSleep 深度睡眠模式，通过旋转或者长按旋钮即可再次唤醒。

【技术解析】

BLE HID Device 应用例程可参考：esp-idf/examples/bluetooth/bluedroid/ble/ble_hid_device_demo，BLE HID 组件使用说明参见：BLE HCI 组件；
使用按压旋钮来切换工作模式，软件使用 espressif/button 组件实现不同类型的按键事件的注册。更多用户指南参见：按键；
借助 espressif/knob 组件实现 EC11 编码器的解码以实现多种旋钮功能，更多用户指南参见：Knob；
使用普通 GPIO 驱动两个 LED 指示灯，通过不同类型的闪烁来指示 ESP-Knob 不同工作模式。对于 LED 指示灯应用，可以使用乐鑫提供的 espressif/led_indicator 组件，快速定义多组不同的 LED 闪烁类型。更多用户指南参见：LED 指示灯；
使用 EXT1 作为唤醒源，通过 RTC GPIO10、RTC GPIO11 以及 RTC GPIO12 触发中断唤醒 DeepSleep 深度睡眠模式。DeepSleep 应用例程参考：esp-idf/examples/system/deep_sleep。

2. BT Home 的固件功能：

集成了一个 Button 和一个 Dimmer ，发送符合 BTHome 格式的广播包进行按压和旋转控制；
可接入Home Assistant；
支持低功耗管理，发完 BTHome 广播包后自动进入 DeepSleep 深度睡眠状态。

【技术解析】

通过 BLE HCI 组件来创建满足 BTHome 协议规范的广播包进行旋钮控制，相关控制代码可参考如下：

 uint8_t adv[31] = {0};
    uint8_t payload_len = 0;
    uint8_t payload[31];

    settings_read_parameter_from_nvs();
    sys_param_t *sys_param = settings_get_parameter();
    sys_param->counter = sys_param->counter + 100;
    bthome_set_counter(s_dimmer->bthome, sys_param->counter);
    settings_write_parameter_to_nvs();
    ESP_LOGI(TAG, "counter %lu", sys_param->counter);
    ble_hci_set_random_address(local_mac);

    ble_hci_adv_param_t adv_param = {
        .adv_int_min = 0x50,
        .adv_int_max = 0x50,
        .adv_type = ADV_TYPE_NONCONN_IND,
        .own_addr_type = BLE_ADDR_TYPE_RANDOM,
        .peer_addr_type = BLE_ADDR_TYPE_PUBLIC,
        .channel_map = ADV_CHNL_ALL,
        .adv_filter_policy = ADV_FILTER_ALLOW_SCAN_ANY_CON_ANY,
    };
    memcpy(adv_param.peer_addr, peer_mac, BLE_HCI_ADDR_LEN);
    ble_hci_set_adv_param(&adv_param);

设置 Auto Light Sleep 模式来进行 BLE 保活，同时降低 BLE 广播功耗。Auto Light Sleep 模式代码参考如下：

#if CONFIG_PM_ENABLE
    // Configure dynamic frequency scaling:
    // maximum and minimum frequencies are set in sdkconfig,
    // automatic light sleep is enabled if tickless idle support is enabled.
    esp_pm_config_t pm_config = {
        .max_freq_mhz = 96,
        .min_freq_mhz = 32,
#if CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE
        .light_sleep_enable = true
#endif
    };
    ESP_ERROR_CHECK(esp_pm_configure(&pm_config));
#endif // CONFIG_PM_ENABLE

`【注意】`

由于 Auto Light Sleep 模式本质上是根据空闲任务，配置一个 Timer 唤醒源进行自动唤醒。如果在 Auto Light Sleep 模式下直接进入 DeepSleep 模式，则芯片会自动被 Timer 唤醒源进行唤醒。应在进入 DeepSleep 深度睡眠模式前，先通过 esp_pm_config_t pm_config 配置关闭 Light Sleep 模式，代码如下：

esp_err_t bsp_enter_deep_sleep(void)
{

    ESP_LOGI(TAG, "enter deep sleep");
#if CONFIG_PM_ENABLE
    // Configure dynamic frequency scaling:
    // maximum and minimum frequencies are set in sdkconfig,
    // automatic light sleep is enabled if tickless idle support is enabled.
    esp_pm_config_t pm_config = {
            .max_freq_mhz = 96,
            .min_freq_mhz = 96,
#if CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE
        .light_sleep_enable = false
#endif
    };
    ESP_ERROR_CHECK(esp_pm_configure(&pm_config));
#endif // CONFIG_PM_ENABLE

    bsp_power_ctrl_set(false);
    esp_deep_sleep_start();
}

使用按压旋钮来切换工作模式，软件使用 espressif/button 组件实现不同类型的按键事件的注册。更多用户指南参见：按键
借助 espressif/knob 组件实现 EC11 编码器的解码以实现多种旋钮功能，更多用户指南参见： Knob

3. Matter 通用开关的固件功能：

配网后成为一个 Matter 开关，能够提供旋钮按压事件对智能设备进行控制。

【技术解析】

基于乐鑫官方的 ESP MATTER SDK，提供简化的 API、常用的外围设备、用于安全、制造和生产的工具和实用程序，并附有丰富的 Matter 应用例程：esp-matter/examples ；以及详尽的文档说明：ESP-Matter 编程指南
借助 espressif /esp_bsp_generic 组件初始化通用按键和 LED 指示灯功能。

对于 ESP-Knob 的 BLE-Mesh 组网应用可以参考乐鑫官方的 esp-idf/examples/bluetooth/esp_ble_mesh 应用例程，软件编程指南参见：ESP-BLE-MESH。

ESP Zigbee Mesh 组网应用可参考：esp-zigbee-sdk ，软件编程指南参见：ESP Zigbee SDK Programming Guide。