这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。
本文最初发布在deviceplus.jp网站上，而后被翻译成英语。

目录

  • 前言
  • 关于ESP32闹钟
  • 创建日期和时间的“RTC”
  • 在ESP32 LCD上显示日期和时间
  • 使用MP3模块发出闹铃响声
  • 给闹钟主机接线
  • 给ESP32闹钟分机接线
  • 安装库和字体文件
  • Arduino IDE闹钟程序
  • 分机程序
  • 确认运行情况
  • 结论
  • 相关文章

前言
您每天早上被什么闹钟吵醒？早上人们的一个常见问题是关掉闹钟并直接回去睡觉。
这一次，我们决定使用ESP32制作一个“唤醒闹钟”，应该有助于解决这个问题。
设计步骤预计完成时间：120分钟
名称卖方价格
ESP32-DevKitC(2 件)贸泽电子约10.00美元
DS3231 模块亚马逊约3.00美元
LIR2032（纽扣充电电池）亚马逊约3.60美元
扬声器亚马逊约1.00~3.00美元
2.8英寸SPI连接器 320×240像素LCD屏幕亚马逊约15.00美元
*除上述物品外，还需要一个轻触开关、一个LED和一个约100Ω的电阻器。
wake-up-alarm-ESP32-1.png

关于ESP32闹钟
我们来使用ESP32完成一个目标吧：像普通闹钟一样在屏幕上显示日期和时间，并在指定的时间响起。在设计制作这款“唤醒闹钟”时，我们需要将分机按钮（用于关闭闹钟）与闹钟主机分开放置。之所以这样设计，是因为想要您必须起床并走到分机按钮处才能将闹钟关掉。
如下面的视频所示，使用两个ESP，一个用于主机，另一个用于分机。在视频中，主机和分机是挨着的，但如果通过Wi-Fi连接，它们是可以在Wi-Fi范围内分开放置的。

将主机和分机分开放置时，请使用ESP32的Wi-Fi功能。两个ESP32作为Web服务器和客户端运行，并相互通信，如图1所示。
wake-up-alarm-ESP32-2.jpg
图 1  主机和分机之间的通信


创建日期和时间的“RTC”
对于Arduino等微控制器来说，通常能够获取在启动程序后经过的时间。但是，您获得的时间通常不是很准确，因为断电时会重置经过时间。
而如果使用ESP32，则可以通过Wi-Fi连接到互联网，以定期从互联网上的NTP服务器获取日期和时间，并将其设置到ESP32上。但Arduino Uno等部分微控制器没有互联网连接功能，因此，拥有一种可以更轻松地处理日期和时间的机制会很方便。
这就是为什么经常使用一种被称作“RTC”（实时时钟）的IC。 RTC是基于周期性发出信号的元件来计时的IC。此外，通过将其连接到电池等外部电源，即使在微控制器断电时也可以继续计时。
许多产品都采用RTC，此次，我们将使用一种名为“DS3231”的RTC模块。
在电子设计所用的RTC模块当中，DS3231模块很受欢迎，且很容易获得。由于接口是I2C，因此只需要4根线。除了RTC功能，还具有温度传感器功能（不过本文不会用到温度传感器）。
此外，在照片1所示的DS3231上，安装一个名为“LIR2032”的纽扣电池，这样即使在微控制器关闭的情况下也能继续记录日期和时间。LIR2032的电池尺寸与CR2032的相同，但不同的是它可充电。
wake-up-alarm-ESP32-3.jpg
照片1  DS3231模块


在ESP32 LCD上显示日期和时间
由于闹钟用于查看当前日期和时间，因此需要以易于理解的方式显示日期和时间。以下设备用于显示日期和时间。

  • 7段LED
  • LED 矩阵
  • OLED 显示器
  • 字符液晶显示器
  • 图形液晶显示器
根据设备的不同，有不同的库和不同的编程方法。这还取决于它是否适合您想要制作的作品。例如，7段LED仅适合以低成本显示数字，但不适合显示详情。其中，图形液晶显示器是最通用的，可以用于许多不同的项目，所以我这次决定使用它。
市面上有各种类型的液晶显示器模块，但对于今天的项目，我们将使用一个名为“ILI9341”的控制器，并使用SPI接口（照片2）。此外，液晶显示器通常以2.2英寸/2.4英寸/2.8英寸尺寸出售，因此，请根据您正在做的作品类型进行相应调整。
wake-up-alarm-ESP32-4.jpg
照片2  控制器用ILI9341 2.8英寸液晶显示器


使用MP3模块发出闹钟铃声
既然是闹钟，在指定时间发出铃声是必需的。您可以将蜂鸣器连接到ESP32以产生单一铃声，但如果您愿意，也可以使用自己喜欢的铃声。为此，我们将使用一个名为“DFPlayer Mini”的模块，它可以播放任何MP3数据（照片3）。
DFPlayer Mini是一个可以通过串口发送命令来播放microSD卡中MP3的模块。可以将一个小型扬声器连接到扬声器输出引脚以产生铃声。
wake-up-alarm-ESP32-5.jpg
照片3 DFPlayer Mini


给闹钟主机接线
让我们进入实际构建吧。首先，给闹钟接线。
使用两个面包板，一个配有ESP32和DS3231，另一个配有液晶显示器（LCD）和DFPlayer Mini。各部件接线如图2所示。
由于ESP32很宽，您只能在普通面包板的一面放一根跳线。因此，请改用电源线只在一侧、多一排插孔的面包板（例如Sanhayato的SAD-101）。
ESP32和液晶显示器通过SPI进行连接。ESP32可以使用两个 SPI（VSPI和HSPI），但使用的是VSPI（引脚18/19/23）（表1）。
ESP32和DS3231通过I2C进行连接。在ESP32中，I2C可以分配给任何引脚，但我们使用标准引脚（SDA=21和SCL=22）（表 2）。
DFPlayer Mini 进行串行连接。ESP32可以使用3个串口，但为此请同时使用引脚16和引脚17（表3）。此外，将扬声器连接到DFPlayer Mini“SPK1”和“SPK2”两个引脚。
wake-up-alarm-ESP32-6.jpg
图2 闹钟主机接线

ESP32 引脚液晶显示器引脚
5VVCC
GNDGND
5CS
4RESET
2DC
23MOSI
18SCK
19MISO
表 1：ESP32 与液晶显示器的连接

ESP32 引脚DS3231 引脚
5VVCC
GNDGND
21SDA
22SCL
表 2：ESP32与DS3231的连接

ESP32 引脚DFPlayer Mini 引脚
5VVCC
GNDGND
16TX
17RX
表 3：ESP32与DFPlayer Mini的连接

给ESP32闹钟分机接线
接下来，我们将给分机接线。分机接线应按图3所示进行。您所要做的就是将开关和 LED连接到ESP32。将开关的一侧连接到ESP32的3V3引脚，另一侧连接到引脚4。通过电阻器→LED再通过ESP32的引脚13连接到GND。
在读取开关状态的电路上插入一个上拉电阻或下拉电阻。但是，由于ESP32可以通过内部电阻进行上拉/下拉，因此省略了外部电阻。
wake-up-alarm-ESP32-7.jpg
图3 分机接线


安装库和字体文件
完成接线工作后，您可以创建程序。首先，从安装下面的各个库开始。

  • Adafruit GFX
  • Adafruit ILI9341
  • RTCLib
  • DFRobotDFPlayerMini
安装步骤如下：

  • 启动Arduino IDE。
  • 选择“Sketch”->“Include Library”->“Manage Library”菜单，以打开Library Manager。
  • 在“Filter search”字段中输入“Adafruit GFX”。
  • Adafruit GFX将在库列表中显示。单击“Install”按钮（图 4）。
  • 以相同的方式安装每个库。
有几个名称相似的RTCLib和DFPlayer库。RTCLib 安装“RTCLib by Adafruit”，而DFPlayer安装“DFRobotDFPlayerMini by DFRobot”。
wake-up-alarm-ESP32-8.jpg
图 4 Adafruit GFX库安装

此外，为通过大字符显示时间，需要安装字体文件。如果您下载并解压缩以下zip文件，将可以获得一个名为“FreeSans40pt7b.h”的文件。
打开Arduino IDE的标准草图目标文件夹，再打开“libraries”->“Adafruit_GFX_Library”->“Fonts”文件夹，将字体文件复制到那里。
https://www.h-fj.com/deviceplus/font.zip

Arduino IDE闹钟程序
接下来，在Arduino IDE中创建一个闹钟程序并将其写入ESP32。程序内容如清单1所示。
清单1：闹钟主机程序
程序内容（放在这里）
但是，第17行到第21行需要改写如下：
・第17／18行
根据您的Wi-Fi路由器的SSID/密码重写。
・第19行
指定要分配给ESS32的IP地址。根据您的Wi-Fi路由器的网络配置自行决定IP地址。
在普通IP地址中，四组数字用句点分隔，但在这一行中，它是函数参数的形式，所以四组数字用逗号分隔。
・第20行
指定网络默认网关的IP地址。通常，它是Wi-Fi路由器的IP地址。用逗号分隔IP地址中的四组数字。
・第21行
根据分配给分机ESP32的IP地址重写。
例如，如果您想按照表4所示进行设置，请重写第17行至第21行，如清单2所示。
项目设定值
Wi-Fi路由器SSIDmy_wifi
Wi-Fi路由器密码my_password
分配给主机ESP32的IP地址192.168.1.101
默认网关IP地址192.168.1.1
分配给分机ESP32的IP地址192.168.1.102

表4：主机网络设置示例

清单 2：重写第17-21行的示例

分机程序
分机程序如清单3所示。
以与闹钟主机相同的方式重写第5行到第9行。 但是，在第7行，指定分配给分机的IP地址。 此外，在第9行的“Main console IP address（主控台IP地址）”中指定闹钟的IP地址。
清单 3：分机程序
程序内容
  1. #include
  2. #include
  3. #include
  4. #include <Fonts/FreeSans12pt7b.h>
  5. #include <Fonts/FreeSans18pt7b.h>
  6. #include <Fonts/FreeSans40pt7b.h>
  7. #include
  8. #include
  9. #include "time.h"
  10. #include
  11. #include
  12. #include
  13. #include
  14. #include
  17. // Initial setup
  18. const char *ssid = "Wi-Fi SSID";
  19. const char *pass = "Wi-Fi password";
  20. IPAddress ip(IP address assigned to main unit);
  21. IPAddress gateway(IP address of default gateway);
  22. const char* notify_url = "http://IP address of extension unit/alarm";
  23. const char* adjust_time = "04:00:00";
  24. #define DF_VOLUME 30
  27. // Constants, etc.
  28. #define ALARM_SIG 25
  29. #define TFT_DC 2
  30. #define TFT_CS 5
  31. #define TFT_RST 4
  32. #define TFT_WIDTH 320
  35. Adafruit_ILI9341 tft = Adafruit_ILI9341(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
  36. RTC_DS3231 rtc;
  37. HardwareSerial hs(1);
  38. DFRobotDFPlayerMini myDFPlayer;
  39. WebServer server(80);
  42. char old_date[15];
  43. char old_time[9];
  44. char old_alarm[15];
  45. char alarm_time[9];
  46. char wdays[7][4] = { "Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fri", "Sat" };
  47. bool alarm_checked = false;
  48. bool alarm_on = false;
  49. bool ntp_adjusted = false;
  50. int alarm_ctr;
  53. // Set date and time using NTP
  54. void setTimeByNTP() {
  55.   struct tm t;
  58.   configTime(9 * 3600L, 0, "ntp.nict.jp", "time.google.com", "ntp.jst.mfeed.ad.jp");
  60.   if (!getLocalTime(&t)) {
  61.     Serial.println("getLocalTime Error");
  62.     return;
  63.   }
  64.   rtc.adjust(DateTime(t.tm_year + 1900, t.tm_mon + 1, t.tm_mday, t.tm_hour, t.tm_min, t.tm_sec));
  65. }
  68. // Display string on LCD
  69. void showMessage(char* s_new, char* s_old, int y0, int height) {
  70.   int16_t x1, y1;
  71.   uint16_t w, w2, h;
  72.   int x, y;
  73.   if (strcmp(s_new, s_old) != 0) {
  74.     tft.getTextBounds(s_old, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);
  75.     w2 = w * 11 / 10;
  76.     tft.fillRect((TFT_WIDTH - w2) / 2 , y0 - (height / 2) + 1, w2, height, ILI9341_BLACK),
  77.     tft.getTextBounds(s_new, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);
  78.     tft.setCursor((TFT_WIDTH - w) / 2, y0 + (h / 2) - 1);
  79.     tft.print(s_new);
  80.     strcpy(s_old, s_new);
  81.   }
  82. }
  85. // Main settings page
  86. void handleRoot() {
  87.   int i;
  88.   
  89.   String html =
  90.     "<!DOCTYPE html>\n"
  91.     "<html>\n"
  92.     "<head>\n"
  93.     "<meta charset="utf-8">\n"
  94.     "<title>Alarm clock settings</title>\n"
  95.     "</head>\n"
  96.     "<body>\n"
  97.     "<form method="get" action="/set">\n"
  98.     "<p>\n"
  99.     "<select name="hour">\n";
  100.   for (i = 0; i < 24; i++) {
  101.     html += "<option value="";
  102.     html += String(i);
  103.     html += "">";
  104.     html += String(i);
  105.     html += "</option>\n";
  106.   }
  107.   html += "</select>(h)\n";
  108.   html += "<select name="min">\n";
  109.   for (i = 0; i < 60; i++) {
  110.     html += "<option value="";
  111.     html += String(i);
  112.     html += "">";
  113.     html += String(i);
  114.     html += "</option>\n";
  115.   }
  116.   html += "</select>(min) \n";
  117.   html += "<input type="submit" name="submit" value="Alarm setting" />\n";
  118.   html += "</p>\n";
  119.   html += "</form>\n";
  120.   html += "<form method="get" action="/set">\n";
  121.   html += "<input type="hidden" name="off" value="1">\n";
  122.   html += "<p><input type="submit" name="submit" value="Alarm off" /></p>\n";
  123.   html += "</form>\n";
  124.   html += "</body>\n";
  125.   html += "</html>\n";
  126.   server.send(200, "text/html", html);
  127. }
  130. // Set alarm
  131. void handleSetAlarm() {
  132.   int i, hour, min, sec;
  133.   bool is_off = false;
  134.   String s_hour = "", s_min = "", s_sec = "";
  137.   // Get "off/hour/min/sec" parameters from URL
  138.   for (i = 0; i < server.args(); i++) {
  139.     if (server.argName(i).compareTo("off") == 0) {
  140.       is_off = true;
  141.       break;
  142.     }
  143.     else if (server.argName(i).compareTo("hour") == 0) {
  144.       s_hour = server.arg(i);
  145.     }
  146.     else if (server.argName(i).compareTo("min") == 0) {
  147.       s_min = server.arg(i);
  148.     }
  149.     else if (server.argName(i).compareTo("sec") == 0) {
  150.       s_sec = server.arg(i);
  151.     }
  152.   }
  153.   // Turn off alarm if "off" parameter is set if (is_off) {
  154.     strcpy(alarm_time, "Off");
  155.     server.send(200, "text/plain; charset=utf-8", "Alarm turned off.");
  156.   }
  157.   // Set alarm time else if (s_hour.length() > 0 && s_min.length() > 0) {
  158.     hour = s_hour.toInt();
  159.     min = s_min.toInt();
  160.     if (s_sec.length() > 0) {
  161.       sec = s_sec.toInt();
  162.     }
  163.     else {
  164.       sec = 0;
  165.     }
  166.     if (hour >= 0 && hour <= 23 && min >= 0 && min <= 59 && sec >= 0 && sec <= 59) {
  167.       sprintf(alarm_time, "%02d:%02d:%02d", hour, min, sec);
  168.       String msg = "Alarm set to ";
  169.       msg.concat(alarm_time);
  170.       msg.concat(" .");
  171.       server.send(200, "text/plain; charset=utf-8", msg);
  172.     }
  173.     else {
  174.       server.send(200, "text/plain; charset=utf-8", "Incorrect date/time.");
  175.     }
  176.   }
  177.   else {
  178.     server.send(200, "text/plain; charset=utf-8", "Incorrect parameters.");
  179.   }
  180. }
  183. / Stop alarm
  184. void handleStopAlarm() {
  185.   myDFPlayer.pause();
  186.   alarm_on = false;
  187.   tft.drawRect(30, 180, 260, 40, ILI9341_BLACK);
  188.   server.send(200, "text/plain", "Alarm stop");
  189. }
  192. // If an invalid URL is specified
  193. void handleNotFound() {
  194.   String message = "Not Found : ";
  195.   message += server.uri();
  196.   server.send(404, "text/plain", message);
  197. }
  200. // Setup
  201. void setup() {
  202.   int16_t x1, y1;
  203.   uint16_t w, h;
  206.   Serial.begin(115200);
  209.   strcpy(old_date, "00000000000000");
  210.   strcpy(old_time, "00000000");
  211.   strcpy(old_alarm, "00000000000000");
  212.   strcpy(alarm_time, "Off");
  215.   // Initialize display
  216.   tft.begin();
  217.   tft.setRotation(3);
  218.   tft.fillScreen(ILI9341_BLACK);
  219.   tft.setTextColor(ILI9341_WHITE);
  220.   tft.setFont(&FreeSans12pt7b);
  221.   String s = "Initializing...";
  222.   tft.getTextBounds(s, 0, 0, &x1, &y1, &w, &h);
  223.   tft.setCursor(0, h);
  224.   tft.println(s);
  227.   // Connect to WiFi
  228.   WiFi.begin(ssid, pass);
  229.   while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
  230.     delay(500);
  231.     Serial.print(".");
  232.   }
  233.   WiFi.config(ip, gateway, WiFi.subnetMask(), IPAddress(8, 8, 8, 8), IPAddress(8, 8, 4, 4));
  234.   Serial.println("");
  235.   Serial.println("WiFi Connected.");
  236.   tft.println("WiFi Connected.");
  239.   // Initialize DFPlayer
  240.   hs.begin(9600, SERIAL_8N1, 16, 17);
  241.   int count = 0;
  242.   while (count < 10) {
  243.     if (!myDFPlayer.begin(hs)) {
  244.       count++;
  245.       Serial.print("DFPlayer initialize attempt ");
  246.       Serial.println(count);
  247.     }
  248.     else {
  249.       break;
  250.     }
  251.   }
  252.   if (count < 10) {
  253.     Serial.println("DFPlayer Initialized.");
  254.     tft.println("DFPlayer Initialized.");
  255.     myDFPlayer.pause();
  256.     myDFPlayer.volume(DF_VOLUME);
  257.   }
  258.   else {
  259.     Serial.println("DFPlayer Error.");
  260.     tft.println("DFPlayer Error.");
  261.     while(1);
  262.   }
  263.   
  264.   // Initialize RTC
  265.   if (!rtc.begin()) {
  266.     Serial.println("Couldn't find RTC");
  267.     while (1);
  268.   }
  269.   Serial.println("RTC Initialized");
  270.   tft.println("RTC Initialized.");
  273.   // Get current date/time via NTP and set to RTC
  274.   setTimeByNTP();
  277.   // Initialize web server
  278.   server.on("/", handleRoot);
  279.   server.on("/set", handleSetAlarm);
  280.   server.on("/stop", handleStopAlarm);
  281.   server.onNotFound(handleNotFound);
  282.   server.begin();
  283.   
  284.   // Fill display with black
  285.   tft.fillScreen(ILI9341_BLACK);
  286. }
  289. void loop() {
  290.   char new_time[9], new_date[15], new_alarm[15];
  293.   // Launch web server
  294.   server.handleClient();
  297.   // Display current date/time on LCD
  298.   DateTime now = rtc.now();
  299.   sprintf(new_date, "%04d/%02d/%02d ", now.year(), now.month(), now.day());
  300.   strcat(new_date, wdays[now.dayOfTheWeek()]);
  301.   sprintf(new_time, "%02d:%02d:%02d", now.hour(), now.minute(), now.second());
  302.   strcpy(new_alarm, "Alarm ");
  303.   strcat(new_alarm, alarm_time);
  304.   tft.setFont(&FreeSans18pt7b);
  305.   tft.setTextColor(ILI9341_WHITE);
  306.   showMessage(new_date, old_date, 40, 28);
  307.   showMessage(new_alarm, old_alarm, 200, 28);
  308.   tft.setFont(&FreeSans40pt7b);
  309.   showMessage(new_time, old_time, 120, 64);
  312.   // Check if current time is time set for alarm
  313.   if (strstr(new_time, alarm_time) != NULL) {
  314.     if (!alarm_checked) {
  315.       // If it's alarm time, ring out then send message to extension unit
  316.       myDFPlayer.loop(1);
  317.       alarm_checked = true;   
  318.       alarm_on = true;
  319.       alarm_ctr = 0;
  320.       HTTPClient http;
  321.       http.begin(notify_url);
  322.       int httpCode = http.GET();
  323.     }
  324.   }
  325.   else {
  326.     alarm_checked = false;
  327.   }
  328.   // While alarm is sounding, make red frame flash around alarm time on display
  329.   if (alarm_on) {
  330.     if (alarm_ctr == 0) {
  331.       tft.drawRect(30, 180, 260, 40, ILI9341_RED);
  332.     }
  333.     else if (alarm_ctr == ALARM_SIG) {
  334.       tft.drawRect(30, 180, 260, 40, ILI9341_BLACK);
  335.     }
  336.     alarm_ctr++;
  337.     alarm_ctr %= ALARM_SIG * 2;
  338.   }
  339.   // Update date/time using NTP at a specific time everyday
  340.   if (strstr(new_time, adjust_time) != NULL) {
  341.     if (!ntp_adjusted) {
  342.       setTimeByNTP();
  343.       ntp_adjusted = true;
  344.     }
  345.   }
  346.   else {
  347.     ntp_adjusted = false;
  348.   }
  351.   delay(20);
  352. }

确认运行情况
程序写入主机/分机后，我们来确认一下运行情况。步骤如下：


    • 准备一张32GB或以下的microSD卡，并创建一个名为“mp3”的文件夹。
    • 准备好要用作闹钟铃声的MP3文件，将其命名为“0001.mp3”，并将其保存在mp3文件夹中。
    • 将microSD卡插入DFPlayer Mini。
    • 启动主机和分机。
    • 初始化和Wi-Fi设置完成后，当前日期和时间将显示在主机上。
    • 在与主机/分机处于同一网络的电脑上启动Web浏览器，并连接到地址“http: // 主机IP地址/”。
    • 闹钟设置表单将显示在Web浏览器上，如照片4所示。指定时间并单击“Alarm Settings”按钮。


wake-up-alarm-ESP32-9.jpg
照片 4 闹钟设置


  • 闹钟响起的时间设置为“Alarm set to 10:00:00”。
  • 确认设置闹钟时主机会响起铃声。
  • 确认设置闹钟时分机的LED亮起。
  • 按分机上的开关检查闹钟是否关闭。
如要取消闹钟设置，请使用Web浏览器连接到地址“http: //主机IP地址/”，然后单击“Alarm Off”按钮。

结论
ESP32可以通过Wi-Fi连接到网络。不仅可以联网，还可以像今天的项目一样，与网络上的各种适用的电子产品连接使用。


来源：techclass.rohm