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）

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：

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

1. 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
   

   • 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：

2. 安装ESP-ADF

   • 下载并安装ESP-ADF，参考ESP-ADF官方文档进行配置。

3. 设置MQTT Broker

   • 使用Docker安装Mosquitto：

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

4. 准备Python环境

   • 安装Python及相关库：

   pip install paho-mqtt pandas matplotlib
   

   • 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
}

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
}

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APIint 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");}
}

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%
}

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WiFiWiFi.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APIint 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");}
}

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。