2025交互标牌-基于Seed XIAO ESP32S3 Sense实现Midi音乐智能创编

回溯MIDI音乐的半个世纪，从1983年电子合成器首次用数字信号定义“中央C=60”，到如今流媒体平台用0和1传输千万首旋律，音乐数字化始终在做一件事：让抽象的音符穿越硬件壁垒，自由流动。我们的项目，正是站在这场演进的延长线上——当早期工程师用5针DIN接口连接键盘与合成器时，他们解决的是“乐器间如何对话”；而今天，我们尝试一种更为简单直观的方法来实现这个目标。

灵感源自一个朴素的观察：MIDI协议的本质是“音符指令的极简表达”，就像乐谱里的豆芽菜符号，从巴赫的手稿到电子乐的音轨，核心从未变过——用最简洁的符号承载最丰富的韵律。如果把《小星星》的旋律压缩成“C4,C4,G4...”这样的字符序列，是不是能让最基础的蜂鸣器也听懂？早期MIDI用“状态字节+数据字节”定义音符，我们用“字符+逗号”拆解节奏，用哈希表建立“音符-频率”的映射法则。当蜂鸣器按照解析出的指令，以262Hz振动出第一个“哆”时，它延续的正是1980年代那批工程师的理想——让每一个硬件都能成为音乐的载体。

同时我们不满足预先编排好的曲目。结合当前的高速发展的人工智能，我们使用小智聊天机器人的MCP组件搭建的智能交互工具接口正撕开这层边界：通过midi创编工作指令工具，大语言模型接过了作曲棒。只需说“写一段清晨森林的旋律”，AI便会以科学音高记号法为谱，在数字世界即时创作：用E5模拟鸟鸣的清亮，G#3铺垫晨雾的朦胧，#的静默对应叶片落地的间隙，200 +音符的编排精准到每150BPM的呼吸感。这些字符流通过字符串解析模块拆分为独立音符，经频率映射转换为蜂鸣器可识别的振动频率（如A4=440Hz），最终让硬件唱出从未存在过的声线。

这种探索的价值，在于打破“复杂设备才能做音乐”的偏见。就像MIDI当年让家用电脑也能制作专业编曲，我们的项目证明：一块开发板、一段代码、一个蜂鸣器，足以搭建起音乐与技术的桥梁。那些被拆解的音符，既是给硬件的指令，也是给创造者的邀请——毕竟，音乐的本质从来不是昂贵的设备，而是对“如何让声音有意义”的永恒追问。

一、小智硬件构建

Seeed Studio XIAO ESP32S3 Sense系列是拇指大小（21x17.8mm左右）的小型开发板，搭载ESP32-S3R8处理器（Xtensa LX7双核，240MHz），支持2.4GHz Wi-Fi和蓝牙5.0。其中，Sense型号集成摄像头（OV2640/OV3660）、pdm数字麦克风和SD卡插槽，硬件需完成焊接排针、天线安装等准备，支持电池供电及多种低功耗模式，适用于可穿戴设备、智能语音和视觉AI等项目。Seeed Studio XIAO扩展底板是专为Seeed Studio XIAO系列设计的紧凑型扩展板，尺寸仅为树莓派4的一半，兼容XIAO SAMD21、RP2040和nRF52840型号。其核心优势在于丰富的外设（包括0.96英寸OLED显示屏、高精度RTC（±1.5S /天）、MicroSD卡槽、无源蜂鸣器等）、无需焊接的即插即用设计（支持Grove IIC、UART等接口），适用于快速原型制作、SWD调试、迷你尺寸项目等场景。

 鉴于XIAO ESP32S3 Sense已经在集成了pdm麦克风，只要再配备喇叭硬件就可以凑齐小智聊天机器人的硬件需求。目前市面上虽然已经有很多喇叭产品，但是没有跟XIAO ESP32S3 Sense完成融合的产品，为了提升产品的完整度美观需求，在嘉立创硬件平台上制作了一个以mx98357为核心的音频解码方案，配合xiao扩展版上的oled屏幕，搭建小智的硬件需求已全部满足。

二、midi音乐创想家软件构建

（1）频率映射：音符与物理频率的桥梁

蜂鸣器是不懂“哆来咪”的，只认“每秒振动多少次”。比如规定C4=262Hz（每秒抖262下），G4=392Hz（每秒抖392下），这样它才能发出不同的音高。把音乐里的 “哆来咪”（比如 “哆” 对应C4），翻译成蜂鸣器能看懂的 “振动速度”（单位Hz）。就像给钢琴按键贴标签，“中央C” 键对应 “按下去弦振动262次/秒”，确保弹对键就出对音。通过标准化的频率映射表实现抽象音符到物理振动频率的一一对应，实现了音符-频率的精准映射技术。

技术细节：基于音乐声学理论，将A-G音符、升降调（#）和八度（0-9）的组合，精确映射为Hz值（如A4=440Hz为国际标准音），覆盖108个音符的完整频率体系。​

创新点：使用std::map构建哈希表，将音符查询复杂度降至O (1)，确保实时播放时的高效转换，避免因查表延迟导致节奏错乱。

1、映射表设计：noteFrequencies数组

数组存储“音符名-频率”键值对，覆盖从C0到B9的所有音符（共108个），例如：

• 音符命名规则：字母（A-G）+变调符（#表示升调）+八度（0-9），如A#5表示“小字五组升A”。

• 频率值基于音乐理论计算（每高八度频率翻倍，如A4=440Hz，A5=880Hz）。

2、快速查询：tonesMap哈希表

构造函数中将数组转换为std::map<std::string, int>，实现O (1)复杂度的音符→频率查询：

• 例如：查询tonesMap["A4"]直接返回440（Hz）。

3、频率获取：getFrequency函数

对外提供接口，输入音符名返回频率，支持“静音符号”（#）：

（2）歌曲解析：字符串到音符的拆解

预置音乐数据以逗号分隔的字符串形式存储。每个字符串代表一首完整的乐曲，由一系列音符组成。假设蜂鸣器要唱《小星星》，“乐谱” 是一串密密麻麻的字符：C4,C4,G4,G4,A4,A4,G4..."。这串字符对蜂鸣器来说，就像一整页没标点的歌词 —— 它不知道哪里该停顿，哪个字是开头。字符串到音符拆解 的作用，就是按逗号把长字符串切成一段段短的，比如从"C4,C4,G4"里拆出"C4"、"C4"、"G4"。​这么做的目的很简单：蜂鸣器 一次只能处理一个音符，蜂鸣器也得把长字符串拆成单个音符，才能一个接一个地播放，不然就会“卡壳” 或者把所有音混在一起变成噪音。​比如拆解前是一整串 “哆哆索索拉...”,拆解后变成清晰的 “哆、哆、索、索、拉...”，每个音符单独排队，等着被 “唱” 出来。这一步就像给乐谱 “断句”，是让音乐能按顺序播放的基础。

1、 歌曲数据格式

项目中定义的歌曲（如my_people_my_country twinkle_star）均为逗号分隔的音符字符串，例如：

• 每个元素是音符（如C4）或静音（#），逗号分隔表示音符的先后顺序。

2、核心解析函数：parseNextNote

从字符串中逐个提取音符，处理连续逗号、非法字符等边缘情况：

3、解析→播放的衔接：playNote函数

将解析出的音符转换为频率，并调用发声控制函数：

（3）发声控制：硬件驱动的核心实现

发声控制是项目与硬件交互的“最后一公里”，通过ESP32的LEDC模块（LED控制器）实现蜂鸣器的频率输出，直接决定音符能否被物理发声。

1、硬件基础：LEDC模块的作用

ESP32的LEDC原本用于控制LED亮度，但其核心功能是生成特定频率和占空比的方波，恰好可用于驱动蜂鸣器（蜂鸣器通过方波频率振动发声）。

• 核心配置：

◦ 定时器（LEDC_TIMER）：负责产生基准时钟，决定方波的频率范围。

◦ 通道（LEDC_CHANNEL）：绑定具体GPIO引脚，输出方波信号。

2、关键函数：startTone与stopTone

• startTone(int freq)：启动发声

◦ 频率freq直接对应音符（如A4=440Hz），占空比控制振动幅度（音量）。

◦ stopTone()：停止发声

3、初始化准备：init()函数

在发声前需初始化硬件，确保LEDC模块和GPIO引脚就绪：

（4）任务调度：节奏控制与并行运行

音乐播放需要按时间顺序连续执行（如每秒播放2个音符），且不能阻塞其他程序逻辑，因此通过FreeRTOS任务实现独立调度。这样主程序可以保持正常运行，歌曲可以在后台连续播放。

1、任务核心：playTaskFunction

这是一个独立的FreeRTOS任务，负责按节奏解析音符、控制播放，流程如下：

2、节奏控制：tempo与taskTempo

• tempo：BPM（Beats Per Minute，每分钟节拍数），例如tempo=120表示每分钟播放120个音符。

• taskTempo：每个音符的播放间隔（ms），由tempo换算而来：

例如：tempo=120 → taskTempo=500ms（每个音符播放500ms）。

3、任务管理：play / stopPlayback / pause

• 启动任务（play）：

（5）智能创编：核心交互与播放全流程控制

当我们明确了曲目编排的规则——以科学音高记号法（如C4 A#5）为基础，用英文逗号分隔音符，通过#表示静音，且需包含200个以上音符构建完整旋律后，将这一任务交给大语言模型，本质上是搭建“人类意图→AI生成→硬件执行”的智能闭环。而实现这一闭环的核心，正是通过小智McpServer注册的工具接口与播放控制逻辑的深度联动。

大语言模型的接入需依托小智的mcpToools工具构建双向交互通道：

• 指令输入层：用户通过语音或文本向大语言模型发送创作需求（如“写一段欢快的生日旋律”），模型基于对自然语言的理解，转化为符合编排规则的音符字符串（例如C4,D4,E4,C4,C4,D4,E4,C4,E4,F4,G4,#,G4...）。

• 格式约束层：工具描述中严格定义的规则（科学音高记号法、英文逗号分隔、200 +音符等），成为大语言模型生成内容的“语法规范”，确保输出的字符串可被MidiPlayer直接解析—这相当于给AI配备了“音乐编码手册”，避免生成无法识别的“乱码旋律”。

• 执行链路层：模型生成的音符字符串通过properties["music"]传入回调函数后，MidiPlayer立即启动解析与播放流程：printSongNotes负责校验并拆解字符串为独立音符（如从"C4,A#5"中提取C4和A#5），play(150, 0, ...)则通过频率映射将音符转换为蜂鸣器的振动参数（如A4对应440Hz），最终让AI创作的旋律从抽象符号转化为物理声音。

三、总结

本项目结合小智聊天机器人mcp机制及乐鑫IDF编程的强大功能与灵活性兼具特性，深度挖掘xiaoS3 sense的潜能，除了midi音乐创编功能，同时也集成了其他有趣的功能，如在线音乐播放，B站粉丝功能查询，每日中英文鸡汤，复读机等功能，让该设备使用起来更加有趣。项目通过将音符拆解为字符序列，用哈希表建立 “音符-频率” 映射，让基础硬件能理解并播放音乐。同时，结合人工智能技术，引入大语言模型接过作曲棒，实现了从用户自然语言指令到硬件实时播放全新旋律的智能闭环。项目的核心功能，实现了多种嵌入式音乐播放场景，结合硬件交互、传感器数据和任务调度，拓展了蜂鸣器的音乐控制能力，具有良好的可扩展性和实用性，可以轻松集成到各种嵌入式应用中。例如互式音乐控制、传感器联动报警、节拍器功能、闹钟应用、游戏音效系统项目。

1.智能蜂鸣器音乐播放器

#include "MidiPlayer.h"

//创建一个连接蜂鸣器的音乐播放器

MidiPlayer player(GPIO_NUM_18); //蜂鸣器连接到GPIO18

void app_main() {

    player.init(); //初始化播放器    

    //播放预定义歌曲

    player.musicupdate(); //播放默认歌曲    

    //或者播放自定义歌曲

    const char* birthday_song = "C4,C4,D4,C4,F4,E4,C4,C4,D4,C4,G4,F4,C5,C5,A4,F4,E4,D4";

    player.play(200, 1, birthday_song); //以200ms间隔播放，循环    

    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000)); //播放5秒

    player.stopPlayback(); //停止播放

}

2.按钮切换歌曲播放器

cpp

#include "MidiPlayer.h"

#include "driver/gpio.h" 

#define BUTTON_PIN GPIO_NUM_0

MidiPlayer player(GPIO_NUM_18);

static bool button_pressed = false;

//按钮中断处理函数

static void IRAM_ATTR button_isr_handler(void* arg) {

    button_pressed = true;

}

void app_main() {

    //初始化播放器

    player.init();    

    //配置按钮

    gpio_config_t io_conf = {};

    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE;

    io_conf.pin_bit_mask = (1ULL << BUTTON_PIN);

    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;

    io_conf.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;

    gpio_config(&io_conf);    

    //注册中断服务

    gpio_install_isr_service(0);

    gpio_isr_handler_add(BUTTON_PIN, button_isr_handler, NULL);    

    //播放默认歌曲

    player.musicupdate();    

    while(1) {

        if(button_pressed) {

            player.setMusicIndex();  //切换到下一首歌曲

            player.musicupdate();    //播放新歌曲

            button_pressed = false;

            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); //防抖动

        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));

    }

}

3.温度警报音乐播放器

#include "MidiPlayer.h"

#include "driver/temp_sensor.h"

MidiPlayer player(GPIO_NUM_18);

temp_sensor_config_t temp_sensor = TSENS_CONFIG_DEFAULT();

void app_main() {

    player.init();    

    //初始化温度传感器

    temp_sensor_install(&temp_sensor);

    temp_sensor_start();    

    float temperature;    

    while(1) {

        temp_sensor_read_celsius(&temperature);        

        if(temperature > 30.0) {

            //温度过高，播放警报音乐

            const char* alert_tone = "A5,A5,A5,F5";

            player.play(100, 1, alert_tone); //快速重复警报音

        } else if(temperature > 25.0) {

            //温度较高，播放提醒音乐

            const char* warning_tone = "C5,E5,G5,C6";

            player.play(300, 0, warning_tone); //一次提醒音

        } else {

            //正常温度，停止播放

            if(!player.isStop()) {

                player.stopPlayback();

            }

        }        

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); //每秒检查一次温度

    }

}

4.简单的音乐节拍器

cpp

#include "MidiPlayer.h"
MidiPlayer player(GPIO_NUM_18);
void app_main() {
    player.init();    
    //节拍器:每分钟120拍(每拍500ms)
    const char* metronome = "A5,#,A5,#"; //声音-静音-声音-静音循环    
    while(1) {
        player.play(500, 1, metronome); // 500ms间隔播放        
        //用户可以通过按键或其他方式调整节拍速度
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10000)); //播放10秒后可以调整        
        //更改节拍速度至每分钟60拍(每拍1000ms)
        player.setTempo(1000);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10000)); //再播放10秒        
        //恢复到原来的速度
        player.setTempo(500);
    }
}
5.多功能闹钟
cpp
#include "MidiPlayer.h"
#include "time.h"
MidiPlayer player(GPIO_NUM_18);
void app_main() {
    player.init();    
    //设定闹钟时间
    struct tm alarm_time = {0};
    alarm_time.tm_hour = 7;  //早上7点
    alarm_time.tm_min = 0;
    alarm_time.tm_sec = 0;    
    time_t alarm_timestamp = mktime(&alarm_time);    
    while(1) {
        time_t now;
        time(&now);
        struct tm timeinfo;
        localtime_r(&now, &timeinfo);        
        //检查是否到达闹钟时间
        if(now >= alarm_timestamp &&
           timeinfo.tm_hour == alarm_time.tm_hour &&
           timeinfo.tm_min == alarm_time.tm_min &&
           timeinfo.tm_sec < 10) { //前10秒播放            
            //播放闹钟铃声
            player.play(200, 1, "C5,E5,G5,C6,E6,G5,E5,C5"); //欢快的旋律            
            //持续播放直到用户按下按钮或1分钟后自动停止
            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(60000));
            player.stopPlayback();            
            //更新下一次闹钟时间（第二天）
            alarm_timestamp += 24 * 3600;
        }       
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); //每秒检查一次时间
    }
}

6.游戏音效播放器

cpp

#include "MidiPlayer.h"
MidiPlayer player(GPIO_NUM_18);
//定义游戏音效
const char* coin_sound = "C6,E6,G6,C7";      //拾取金币
const char* jump_sound = "C4,G4,C5,G5";      //跳跃音效
const char* game_over_sound = "C3,G2,C2,G1"; //游戏结束
void play_coin_sound() {
    player.play(50, 0, coin_sound);
}
void play_jump_sound() {
    player.play(100, 0, jump_sound);
}
void play_game_over_sound() {
    player.play(200, 0, game_over_sound);
}
void app_main() {
    player.init();    
    //模拟游戏场景
    while(1) {
        printf("Press any key to simulate game events:\n");
        getchar();        
        int event = rand() % 3;
        switch(event) {
            case 0:
                printf("Player got a coin!\n");
                play_coin_sound();
                break;
            case 1:
                printf("Player jumped!\n");
                play_jump_sound();
                break;
            case 2:
                printf("Game over!\n");
                play_game_over_sound();
                break;
        }        
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000)); // 2秒间隔
    }
}
 

附件：

项目源码：https://gitee.com/genvex/xiaozhi-esp32-music/tree/main/main/boards/bread-compact-wifi

注意： 该文件夹里有源码及固件，如需自行编译需要克隆完整项目。

小智编译指导：

##按键配置
* Button(D1,扩展底座按键)：短按-打断/唤醒、开机配置网络
##编译配置命令
**配置编译目标为ESP32S3：**
```bash
idf.py set-target esp32s3
```
**打开menuconfig：**
```bash
idf.py menuconfig
```
**选择板子：**
```
Xiaozhi Assistant -> Board Type ->面包板新版接线(WiFi)
**修改psram配置：**
```
Component config -> ESP PSRAM -> SPI RAM config -> Mode (QUAD/OCT) -> Octal Mode PSRAM
```
**修改flash大小：**
```
Serial flasher config -> Flash size -> 8 MB
OLED Type
SSD1306,分辨率128*64
```
**修改分区表：**
```
Partition Table -> Custom partition CSV file -> partitions/v1/8m.csv
```
**编译：**
```bash
idf.py build
```
**烧录：**
```bash
idf.py flash
```