2021暑假一起练-用ESP32-S2完成了网络收音机/FM收音机

内容介绍

一、核心控制器介绍

本平台使用了乐鑫公司的ESP32-S2-Mini-1模块。它采用PCB板载天线，模组配置了4MB SPI flash，采用的是 ESP32-S2FN4 芯片。该芯片搭载了Xtensa® 32 位LX7 单核处理器，工作频率高达 240 MHz，同时，它还集成了丰富的外设接口。可用于多种场景。

ESP32-S2-MINI-1模块的构成：

Fi6OgUu7hd9afOEoevqe-di1tNib

二、功能实现与解析

实现项目1 实现网络收音机/FM收音机的功能

可以通过WiFi接收网络上的电台，也可以通过FM模块接收空中的电台，并可以通过按键进行切换、选台
在OLED显示屏上显示网络电台的IP地址、节目名字等相关信息或FM信号的频段
系统能够自动校时，开机后自动调节到准确的时间（年、月、日、时、分、秒）

功能解析：开机——WiFi连接——自动校时——按键切换——FM模式——FM频率信息显示——网络收音——网络音乐信息显示

程序流程：

Flz0JuBliOaWIJBbPSc-HgPSRbO8

三、代码解释

WiFi连接：

在Arduino中，要使用ESP32连接互联网，一共只需要四个步骤。

1.调用库 #include <WiFi.h>

2.设置WiFi SSID和密码

const char* ssid = "SSID";

const char* password = "Password";

3.设置WiFi模式

WiFi.mode(WIFI_STA);

4.设备自连

WiFi.begin(ssid, password);

同时，为了便于查看，如果成功连上WiFi，返回相关信息，即

return WiFi.localIP().toString(); //连接上

到此为止，WIFI配置就完成了。具体程序如下所示：

String wificonnect(){
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid,password);
  while(WiFi.status() != WL_CONNECTED){ //未连接上
    delay(400);
  }
  return WiFi.localIP().toString(); //连接上
}

自动校时：

ESP32在连接了WiFi以后，可以使用NTP来校对本机时间，否则默认的Unix时间戳从0开始。使用configTime来对时间进行设置，其中GMT是指时区，daylightoffset是指夏令时，因为中国在东八区，所以跟日期变更线差7个时区，只需要在GMT中设置3600*7即可，这样打印出来的时间即是东八区时间。

const char* ntpServer = "pool.ntp.org";
const long  gmtOffset_sec = 3600*7; //时区
const int   daylightOffset_sec = 3600; //夏令时


//init and get the time
configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);

按键切换：

为了提高按键输入可靠性，采用延时程序避开按键的抖动时间，消除抖动的影响。并且，参考收音机按键的一般需求，为四个按键分别定义功能。

int KEY1 = 1; //按键定义
int KEY2 = 2;
int KEY3 = 3;
int KEY4 = 6;


pinMode(KEY1, INPUT_PULLUP); //上拉输入
pinMode(KEY2, INPUT_PULLUP);
pinMode(KEY3, INPUT_PULLUP);
pinMode(KEY4, INPUT_PULLUP);


//循环监听
//按键1:模式切换 按键2：频道切换 按键3：音量降低 按键4：音量提高
if(digitalRead(KEY1) == LOW) { //按键被按下
  delay(100); //消除抖动
  if(digitalRead(KEY1) == LOW) { //确认按键被按下
    if(modelsign == 2)
      modelsign == 0;
    else
      modelsign++;
  }
}

if(digitalRead(KEY2) == LOW) {
  delay(100);
  if(digitalRead(KEY2) == LOW) {
  changestation;    
  }
}

if(digitalRead(KEY3) == LOW) {
  delay(100);
  if(digitalRead(KEY3) == LOW) {
    if(volume > 0)
    volume--;
  }
}

if(digitalRead(KEY4) == LOW) {
  delay(100);
  if(digitalRead(KEY4) == LOW) {
    if(volume < 15)
    volume++;
  }
}

FM模式：

FM收音机部分首先学习了Art Deco FM Radio Project Using Arduino的例程，了解了FM收音机的工作过程。在实际操作中，了解到该板子FM收音机模块采用的是RDA5807M，并且使用使用I2C与ESP32S2进行通讯。于是，最终采用了示例SerialRadio进行该模块设计。同时，按我国标准，FM一般为（87）88-108MHz，但由于板子内存有限，为了节省内存和等待时间，我们最多查找10个电台。

void searchFM() {
  uint16_t i = 0;
  uint8_t num = 0;
  rx.setFrequency(8700); //从8700MHZ开始扫描
  while(i < 210) {
    delay(100);
    if(rx.isStereo() && rx.getRssi() > 35) {
      fmstation[num++] = findMaxSing(rx.getFrequency(), rx.getRssi());
      if (num >= MAX_STATIONS)
        return;
    }
    rx.setFrequencyUp();
    i++;
  }
  for(i = 0; i < MAX_STATIONS; i++) {
    Serial.print("FMRadio");
    Serial.print(fmstation[i]);
    Serial.print(rx.getFrequency());
  }
  Serial.println("Search over!");
}

信息显示：

这里的显示模块是12864OLED，在Arduino中，通过SPI驱动12864液晶屏是非常简单便捷的。我们只需要使用封装良好的u8g2库，只需在定义数据的时候做一点点的改变即可。

#include <U8g2lib.h>


U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_4W_SW_SPI u8g2(/*显示方向*/U8G2_R0, /*clock/SCL*/ 36, /*data/SDA*/ 35, /*cs=*/ 46, /*DC=*/ 33, /*reset/RST*/ 34);


u8g2.begin(); //显示器初始化
u8g2.firstPage();
do{
  u8g2.setFont(u8g2_font_ncenB14_tr);
  u8g2.drawStr(0,20,"Radio");
} while(u8g2.nextPage());

网络收音：

在网络收音机部分，在网络上学习多个例程后，发现在建立网络收音机时，大家一般采用的都是通过host、path、以及port三个信息建立连接，再通过I2S实现解码和播放功能。如在Arduino例程WebRadioDemo中，也采用的是这种方法。

//  http://comet.shoutca.st:8563/1
const char *host = "comet.shoutca.st";
const char *path = "/1";
int httpPort = 8563;

但是在实际操作中，我遇到了很大的问题。首先是自身对于计算机网络的不了解，在自己尝试编写的网络连接程序完成后，直接套用网址的时候才发现无法连接到对应网络。考虑到自身编程能力问题，不断对代码进行改正并且反复尝试连接。直到连接成功后在利用I2S解码获取数据时发现报错并且无法改正。在自身无法解决的情况下，我查找到Arduino环境下ESP32-S2不支持I2S的使用。于是，我打算重新在IDF环境下进行编写。

但是，在环境搭建过程中我又遇到了一些问题。

首先，是在下载ESP-IDF工具安装器时出错，在Python Choice环节出现乱码并无法继续安装；

其次，VSCode在下载完成后突然无法连接到扩展商店，在网上寻找了多个办法后均没有得到解决。

至此，ESP-IDF环境搭载失败。

在反复尝试无果后，我查看了已有的案例，学习了其解决办法——自行搭建网络音乐电台，在服务器内实现音乐.mp3到.wav格式的转换。

在借鉴了其网络服务器的构建后，我对自身Arduino的程序重新进行了编写，在网络电台模块，对数据流进行直接读写操作。这种称得上是另辟蹊径的方法终于解决了所需网络模块的构建。

uint8_t netbuf[3][1024]; //缓冲区数据
uint16_t writep = 0;     //写入数量
uint16_t readp = 0;      //读取数量
uint16_t m_offset = 0;


void onTimer(void) {
  if(readp<=writep)
    dacWrite(17,netbuf[readp%3][m_offset++]); //播放声音
  if (m_offset >= 1024) {
    m_offset = 0;
    readp++; //一个缓冲区读取完成
  }
}

四、使用方法

在系统启动后，OLED显示“Loading-”字符，表示正在开机，程序开始自动扫描FM的波段，在搜索完FM波段后，连接提供的WiFi，并通过互联网“pool.ntp.org”获得当前时间。在一切准备完成后，板子会自动地进行到第一个模块——时间显示模块，在该状态下音量为0，FMradio不播放。在按键切换后，FM收音机开启播放状态。其中，第二个按键负责切换电台，第三个和第四个两个按键负责控制音量。在这种模式下，一般音质较差，只有连接天线后，音质才会大幅度提升。再次切换模式后，进入到网络音乐播放模块，这时候自动连接服务器。如果连不上，显示“Connection failed”，如果连接上，显示服务器信息，并开始播放音乐。

五、运行现象

开机界面：

Frb19gkJDSUByGUuSLvTylS53z48

时间显示：

Fk5Pena23oFiU5DieUk9N677Fw1g

FM模式：

FhDDnSbnXuHLFD07-nM0A6E3SGWE

WiFi模式：

Fgy9A9xwAzc2RiQBGs0Zcdguoi8s

六、存在问题

FM模式转WiFi模式时间较长，需耐心等待；
WiFi连接不稳定，多次模式转换后可能会出现卡退现象；
WiFi模式下播放音乐质量较差，时间较长。

七、心得体会

这次项目是我首次参加电子森林平台的“暑期一起练”活动，带给了我非常大的收获。首先，在这次项目中，我对ESP32-S2这个芯片有了一些简单的认识和了解，学会了进行一些简单的项目编写。同时，在这个过程中，我还学习了Arduino软件的一些知识，对未来的硬件编程也有所帮助。当然，最重要的是，这次活动帮助我提高了硬件编程学习的能力。在这次项目结束后，我也会多多尝试利用这块板子做其他几个项目，希望能够更好地掌握这款芯片的使用。也期待在下次活动中和硬禾学堂、电子森林再会。