用ESP32和RTC做一个“唤醒闹钟”吧！

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用ESP32和RTC做一个“唤醒闹钟”吧！

2022.04.15

最初于2019年12月3日发布

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。

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。

use ESP32 to make a wake up alarm clock

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。

use ESP32 Wi-Fi function

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。

RTC real time clock

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。

LCD display

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。

DFPlayer Mini to play MP3 in a microSD card

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。

wiring alarm clock body

图2 闹钟主机接线

ESP32 引脚	液晶显示器引脚
5V	VCC
GND	GND
5	CS
4	RESET
2	DC
23	MOSI
18	SCK
19	MISO

表 1：ESP32 与液晶显示器的连接

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

表 2：ESP32与DS3231的连接

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

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。

wiring for the extension

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”。

install library and font files

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SSID	my_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


#include
#include
#include
#include <Fonts/FreeSans12pt7b.h>
#include <Fonts/FreeSans18pt7b.h>
#include <Fonts/FreeSans40pt7b.h>
#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 =
“<!DOCTYPE html>\n”
“<html>\n”
“<head>\n”
“<meta charset=\”utf-8\”>\n”
“<title>Alarm clock settings</title>\n”
“</head>\n”
“<body>\n”
“<form method=\”get\” action=\”/set\”>\n”
“<p>\n”
“<select name=\”hour\”>\n”;
for (i = 0; i < 24; i++) {
html += “<option value=\””;
html += String(i);
html += “\”>”;
html += String(i);
html += “</option>\n”;
}
html += “</select>(h)\n”;
html += “<select name=\”min\”>\n”;
for (i = 0; i < 60; i++) {
html += “<option value=\””;
html += String(i);
html += “\”>”;
html += String(i);
html += “</option>\n”;
}
html += “</select>(min) \n”;
html += “<input type=\”submit\” name=\”submit\” value=\”Alarm setting\” />\n”;
html += “</p>\n”;
html += “</form>\n”;
html += “<form method=\”get\” action=\”/set\”>\n”;
html += “<input type=\”hidden\” name=\”off\” value=\”1\”>\n”;
html += “<p><input type=\”submit\” name=\”submit\” value=\”Alarm off\” /></p>\n”;
html += “</form>\n”;
html += “</body>\n”;
html += “</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) {