ESP32智能设备：蓝牙音箱、AI语音助手、环境监测与调节以及智能控制，基于BLE与MQTT技术（代码详解）

发布时间：2024-12-23 17:21

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本文将介绍如何实现一个功能丰富的ESP32项目，集成蓝牙音箱、AI语音助手、智能设备控制器、环境监测与调节等功能。通过本项目，您将学习到硬件设计、嵌入式编程、蓝牙技术、音频处理、人工智能与语音识别、物联网平台、数据分析及用户界面构建等技术。

一、项目概述

1.1 项目目标与用途

该项目的目标是构建一个集成多种功能的智能设备，能够在家庭或办公室环境中提供音频播放、语音控制、智能设备管理和环境监测等服务。通过这个项目，用户将能够通过语音命令控制设备、播放音乐、监测环境状况并进行相应调节。

二、系统架构

2.1 系统架构设计

本项目的系统架构包括以下几个部分：

ESP32开发板：作为核心控制单元，负责数据处理和设备控制。

麦克风模块：用于接收用户的语音指令。

扬声器：用于播放音频和语音反馈。

传感器：包括温度、湿度、空气质量传感器，用于环境监测。

继电器模块：用于控制智能设备的开关。

蓝牙模块：实现蓝牙音频播放和设备连接。

云服务或本地服务器：用于数据存储和分析。

2.2 技术栈选择

单片机：ESP32开发板

通信协议：BLE（蓝牙低功耗）、MQTT

传感器：DHT11（温度和湿度传感器）、MQ-135（空气质量传感器）

音频库：ESP-ADF（音频开发框架）

2.3 系统架构图

以下是项目的系统架构图：

控制

蓝牙连接

数据传输

ESP32开发板

麦克风模块

扬声器

温度传感器

湿度传感器

空气质量传感器

继电器模块

蓝牙设备

云服务

三、环境搭建

3.1 所需软件与硬件环境硬件环境

ESP32开发板

麦克风模块

扬声器

DHT11温湿度传感器

MQ-135空气质量传感器

继电器模块

面包板及连接线

软件环境

Arduino IDE或PlatformIO

ESP-ADF（音频开发框架）

MQTT Broker（如Mosquitto）

Python（用于数据分析）

3.2 环境安装步骤与配置

安装Arduino IDE

打开Arduino IDE，进入文件 -> 首选项，在“附加板管理器网址”中添加以下链接：

https://dl.espressif.com/dl/package\_esp32\_index.json 1

进入工具 -> 板 -> 板管理器，搜索“esp32”并安装。

下载并安装Arduino IDE。

按照以下步骤配置ESP32开发环境：

安装ESP-ADF

下载并安装ESP-ADF，参考ESP-ADF官方文档进行配置。

设置MQTT Broker

使用Docker安装Mosquitto：

docker run -it -p 1883:1883 -p 9001:9001 eclipse-mosquitto 1

准备Python环境

安装Python及相关库：

pip install paho-mqtt pandas matplotlib 1 paho-mqtt用于MQTT协议的数据传输，pandas用于数据分析，matplotlib用于数据可视化。 3.3 配置示例与注意事项

Arduino IDE配置示例：

工具 -> 板 -> ESP32 Dev Module

工具 -> 端口 -> 选择相应的COM端口

在Arduino IDE中选择正确的开发板和端口：

注意事项：

确保所有硬件连接正确，特别是传感器和模块的引脚连接。

在代码中使用适当的库来支持所使用的传感器和模块。

四、代码实现

本项目将分为几个主要的功能模块：环境监测模块、蓝牙音频播放模块、语音助手模块和智能控制模块。以下是每个模块的详细流程、代码示例和代码说明。

4.1 功能模块实现

4.1.1 环境监测模块 1. 流程介绍

环境监测模块的主要功能是使用温湿度传感器（DHT11）和空气质量传感器（MQ-135）来监测环境的温度、湿度和空气质量。模块会定期读取传感器数据并将其显示在串行监视器上。

2. 硬件连接

DHT11 温湿度传感器：将数据引脚连接到ESP32的GPIO 4。

MQ-135 空气质量传感器：将其模拟输出引脚连接到ESP32的GPIO 34。

3. 代码示例

#include <DHT.h> #define DHTPIN 4 // DHT11数据引脚 #define DHTTYPE DHT11 // 使用DHT11传感器 #define MQ135PIN 34 // MQ-135模拟引脚 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void setup() { Serial.begin(115200); // 初始化串口通信 dht.begin(); // 初始化DHT11传感器 } void loop() { // 读取温度和湿度 float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); // 检查读取是否失败 if (isnan(h) || isnan(t)) { Serial.println("无法读取传感器数据！"); return; } // 读取空气质量（MQ-135） int airQualityValue = analogRead(MQ135PIN); // 输出温度、湿度和空气质量 Serial.print("温度: "); Serial.print(t); Serial.print(" °C, 湿度: "); Serial.print(h); Serial.print(" %, 空气质量值: "); Serial.println(airQualityValue); delay(2000); // 每2秒读取一次数据 }

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637 4. 代码说明

#include <DHT.h>：引入DHT库，用于与DHT11传感器进行通信。

#define：定义引脚编号，方便后续使用。

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);：创建DHT对象，初始化传感器。

Serial.begin(115200);：初始化串口通信，设置波特率为115200。

dht.begin();：启动DHT11传感器。

analogRead(MQ135PIN);：读取MQ-135传感器的模拟值，反映空气质量。

delay(2000);：每2秒读取一次数据，避免频繁读取导致传感器不稳定。

4.1.2 蓝牙音频播放模块 1. 流程介绍

蓝牙音频播放模块的功能是通过ESP32的蓝牙功能播放音频文件。使用ESP-ADF库来实现音频解码和播放。

2. 硬件连接扬声器：连接到ESP32的DAC引脚（GPIO 25或GPIO 26）。 3. 代码示例

#include "Audio.h" void setup() { Serial.begin(115200); Audio.begin(); // 初始化音频系统 Audio.setVolume(10); // 设置音量（0-30） // 初始化蓝牙音频 Audio.start("Bluetooth"); // 开始蓝牙音频播放 } void loop() { // 播放音频文件 if (Audio.isPlaying()) { // 若正在播放，则不再播放 return; } Audio.play("/audio.mp3"); // 播放音频文件 Serial.println("正在播放音频..."); delay(5000); // 播放5秒 }

12345678910111213141516171819202122 4. 代码说明

#include "Audio.h"：引入音频库。

Audio.begin();：初始化音频系统。

Audio.setVolume(10);：设置音量，范围为0到30。

Audio.start("Bluetooth");：初始化蓝牙音频播放。

Audio.play("/audio.mp3");：播放存储在文件系统中的音频文件（如SD卡或SPIFFS）。

if (Audio.isPlaying()) {...}：检查当前是否正在播放音频，以避免重复播放。

delay(5000);：在播放音频后，延迟5秒用于保证音频播放的持续时间。

4.1.3 语音助手模块 1. 流程介绍

语音助手模块通过WiFi连接到语音识别API（例如Google Assistant或其他开源语音助手），并将用户的语音指令转换为可执行的命令。用户可以通过语音控制家庭设备的状态。

2. 硬件连接麦克风模块：将麦克风模块连接到ESP32的ADC引脚（如GPIO 34）。 3. 代码示例

#include <WiFi.h> #include <HTTPClient.h> const char* ssid = "YOUR_SSID"; // WiFi SSID const char* password = "YOUR_PASSWORD"; // WiFi密码 void setup() { Serial.begin(115200); WiFi.begin(ssid, password); // 连接到WiFi // 等待WiFi连接 while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(1000); Serial.println("连接中..."); } Serial.println("WiFi连接成功！"); } void loop() { // 发送音频数据进行语音识别 if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) { HTTPClient http; http.begin("https://api.example.com/voice"); // 替换为实际的语音识别API int httpResponseCode = http.GET(); // 发送GET请求 if (httpResponseCode > 0) { String response = http.getString(); Serial.println("响应: " + response); // 打印响应内容 // 根据响应内容执行相应的设备控制 handleVoiceCommand(response); // 处理语音命令 } else { Serial.println("错误: " + String(httpResponseCode)); } http.end(); } delay(10000); // 每10秒请求一次 } // 处理语音命令 void handleVoiceCommand(String command) { // 根据识别的命令控制设备 if (command.indexOf("开灯") >= 0) { digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // 打开灯 Serial.println("灯已打开"); } else if (command.indexOf("关灯") >= 0) { digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // 关闭灯 Serial.println("灯已关闭"); } }

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849 4. 代码说明

#include <WiFi.h>：引入WiFi库，用于连接WiFi网络。

const char* ssid 和 const char* password：定义WiFi的SSID和密码。

WiFi.begin(ssid, password);：连接到指定的WiFi网络。

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED)：在WiFi连接完成之前，保持循环。

http.begin("https://api.example.com/voice");：初始化HTTP请求，连接到语音识别API。

int httpResponseCode = http.GET();：发送GET请求，获取语音识别的结果。

handleVoiceCommand(response);：根据识别的命令执行相应的设备控制。

4.1.4 智能控制模块 1. 流程介绍

智能控制模块通过继电器控制连接的设备（如灯、风扇等），根据用户的指令或传感器的输入自动开关设备。该模块还可以根据环境数据进行智能决策。

2. 硬件连接继电器模块：将继电器模块的控制引脚连接到ESP32的GPIO 5。 3. 代码示例

#define RELAY_PIN 5 // 继电器控制引脚 void setup() { pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT); // 设置继电器引脚为输出模式 Serial.begin(115200); // 初始化串口通信 } void loop() { // 示例：根据环境数据控制设备 if (shouldTurnOnDevice()) { digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // 打开设备 Serial.println("设备已打开"); } else { digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // 关闭设备 Serial.println("设备已关闭"); } delay(10000); // 每10秒检查一次 } // 根据环境数据决定是否打开设备 bool shouldTurnOnDevice() { // 这里可以添加逻辑，例如根据温度或湿度进行判断 float temperature = getTemperature(); // 假设有一个获取温度的函数 float humidity = getHumidity(); // 假设有一个获取湿度的函数 if (temperature > 25.0) { return true; // 温度超过25°C，打开设备 } else { return false; // 否则关闭设备 } } // 模拟获取温度的函数 float getTemperature() { // 这里可以调用之前的环境监测代码来获取温度 // 假设返回一个模拟值 return 26.0; // 示例返回26度 } // 模拟获取湿度的函数 float getHumidity() { // 这里可以调用之前的环境监测代码来获取湿度 // 假设返回一个模拟值 return 50.0; // 示例返回50% }

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445 4. 代码说明

#define RELAY_PIN 5：定义继电器的控制引脚为GPIO 5。

pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);：在setup()函数中将继电器引脚设置为输出模式，以控制设备的开关。

digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);：当条件满足时，将继电器引脚设置为高电平，打开连接的设备。

digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);：当条件不满足时，将继电器引脚设置为低电平，关闭连接的设备。

delay(10000);：每10秒检查一次设备状态，确保响应及时。

shouldTurnOnDevice()：这是一个自定义函数，用于根据环境数据（如温度）决定是否打开设备。

getTemperature() 和 getHumidity()：这两个函数模拟获取温度和湿度的值。在实际应用中，可以调用环境监测模块中的读取函数。

4.2 整合各个模块

将上述各个功能模块整合到一个主程序中，可以实现更复杂的功能和更好的用户体验。下面是一个简单的整合示例。

整合示例代码

#include <DHT.h> #include <WiFi.h> #include <HTTPClient.h> #include "Audio.h" #define DHTPIN 4 // DHT11数据引脚 #define DHTTYPE DHT11 // 使用DHT11传感器 #define RELAY_PIN 5 // 继电器控制引脚 #define MQ135PIN 34 // MQ-135模拟引脚 const char* ssid = "YOUR_SSID"; // WiFi SSID const char* password = "YOUR_PASSWORD"; // WiFi密码 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void setup() { Serial.begin(115200); dht.begin(); // 初始化DHT11传感器 pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT); // 设置继电器引脚为输出模式 // 连接WiFi WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(1000); Serial.println("连接中..."); } Serial.println("WiFi连接成功！"); // 初始化音频系统 Audio.begin(); Audio.setVolume(10); // 设置音量 } void loop() { // 读取环境数据 float h = dht.readHumidity(); // 读取湿度 float t = dht.readTemperature(); // 读取温度 int airQualityValue = analogRead(MQ135PIN); // 读取空气质量 // 输出环境数据 Serial.print("温度: "); Serial.print(t); Serial.print(", 湿度: "); Serial.print(h); Serial.print(" %, 空气质量值: "); Serial.println(airQualityValue); // 控制设备基于环境数据 if (shouldTurnOnDevice(t, h)) { digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // 打开设备 Serial.println("设备已打开"); } else { digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // 关闭设备 Serial.println("设备已关闭"); } // 语音助手功能 if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) { HTTPClient http; http.begin("https://api.example.com/voice"); // 替换为实际的语音识别API int httpResponseCode = http.GET(); // 发送GET请求 if (httpResponseCode > 0) { String response = http.getString(); Serial.println("响应: " + response); // 打印响应内容 handleVoiceCommand(response); // 处理语音命令 } else { Serial.println("错误: " + String(httpResponseCode)); } http.end(); } delay(10000); // 每10秒循环一次 } // 根据环境数据决定是否打开设备 bool shouldTurnOnDevice(float temperature, float humidity) { // 逻辑：如果温度大于25°C或湿度大于70%，打开设备 if (temperature > 25.0 || humidity > 70.0) { return true; // 打开设备 } else { return false; // 关闭设备 } } // 处理语音命令 void handleVoiceCommand(String command) { // 根据识别的命令控制设备 if (command.indexOf("开灯") >= 0) { digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // 打开灯 Serial.println("灯已打开"); } else if (command.indexOf("关灯") >= 0) { digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // 关闭灯 Serial.println("灯已关闭"); } }

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596 代码说明

环境数据读取：在主循环中，程序定期读取温度、湿度和空气质量值，并将其输出到串口监视器。

设备控制逻辑：通过调用shouldTurnOnDevice(float temperature, float humidity)函数，根据读取的温度和湿度值决定是否打开或关闭设备。

语音助手：在连接WiFi后，程序会定期检查语音识别API的响应，并根据识别结果调用handleVoiceCommand(String command)函数来控制设备。

5. 完整项目总结

通过上述模块的实现，您可以构建一个功能丰富的ESP32项目，集成蓝牙音箱、AI语音助手、智能设备控制器、环境监测与调节等功能。整个项目的关键点总结如下：

硬件设计：选择适合的传感器和模块，并正确连接到ESP32开发板。

嵌入式编程：使用C/C++或MicroPython进行ESP32的固件开发，确保代码逻辑清晰、易于理解和维护。

蓝牙技术：实现BLE和经典蓝牙协议的音频播放功能。

人工智能和语音识别：集成语音识别API，实现语音控制。

物联网平台：使用MQTT或HTTP协议进行数据传输和设备控制。

数据分析与大数据：根据环境数据和天气预报调整设备设置。

用户界面：使用Web开发技术构建可视化面板，展示环境数据和设备状态。