ESP-VoCat 喵伴旋转底座

项目简介

ESP-VoCat 喵伴旋转底座是为 ESP-VoCat 喵伴开发套件 量身打造的智能旋转底座，专用于玩具、智能音箱、智能中控等需要大模型语音交互能力的产品。设备采用 ESP32-C61-WROOM-1 模组，支持 USB Type-C 供电，并可通过磁吸接口为 ESP-VoCat 本体供电。

该项目实现了高精度步进电机控制、磁吸滑动开关事件检测、 CSI 感知功能、稳定的 UART 通信等核心功能，同时能够根据 ESP-VoCat 的 声源识别（Sound Source Localization） 结果自动调整方向，实现面向声源的智能旋转。通过动作控制与声源感知的结合，提供更自然、更具沉浸感的人机交互体验。

视频展示

喵伴全新升级！旋转底座解锁更新奇的功能体验~

硬件版本

v1.0.0
初次发布。

软件版本

底座代码 Gitee 仓库：esp-vocat-base
喵伴头部小智代码 Gitee 仓库：ESP-VoCat-Xiaozhi

软件版本更新计划：

时间	版本	内容
12月5日	V0.1.0	跟随鼓点摇摆动作声源识别（定位 + 方向）磁吸滑动驱动（用于唤醒）猫咪蹭手动作
待定	后续版本	番茄钟完整功能（计时、提醒） UI 控制语音控制联动 CSI运动感知

3D模型版本

v1.0.0
喵伴底座3D模型

功能展示

ESP-VoCat 底座采用乐鑫 ESP32-C61-WROOM-1-N8R2 模组，通过自定义的 UART 协议，与 ESP-VoCat 本体进行串口通信。机械结构方面，底座配备 24BYJ48 步进电机，可实现声源识别和多种预定义旋转动作，增强交互体验。
此外，ESP-VoCat 底座配有一个磁吸滑动开关，可通过磁吸滑动开关，解锁更多交互体验。

声源识别

ESP-VoCat 支持声源识别功能，能够实时检测环境中的声音方向和位置。系统通过麦克风阵列采集声音信号，结合声强、相位等信息进行分析，判断声源所在的方位角。配合基于步进电机的超静音旋转底座，可以实现面向声源的智能交互。

声源识别.gif

多种预设动作

旋转底座支持多种预定义动作

摇头动作
摇头动作让底座带动喵伴轻轻左右摆头，模拟猫咪好奇或轻微示意的动作。
好奇环顾
好奇环顾动作让底座带动喵伴进行左顾右盼，配合小幅度随机偏移，模拟猫咪自然观察环境的行为。
鼓点律动
鼓点律动动作使 ESP-VoCat 能够根据外界音乐的鼓点节奏左右摆头，营造与音乐同步的互动效果。
温柔蹭手
温柔蹭手模拟猫咪轻柔蹭手的动作：底座缓慢扭向左侧再回到中心，循环数次。动作平滑自然，每次停顿都增强了真实的触感和温柔感。

注意事项：
所有动作都可参数化调控，便于对接豆包、小智等大模型。
而为更好执行动作，底座的电机控制拥有以下特性：
- 精确角度控制： 支持任意角度旋转，精度可达 0.1 度，服务于声源识别
- 平滑加减速： 采用加减速算法，旋转更自然流畅
- 自动归位校准：
  由于 ESP-VoCat 旋转底座由步进电机驱动，因此没有角度反馈，故而底座在启动时将进行零位校准，校准流程如下：
1. 上电后，电机会自动向左旋转寻找限位开关
2. 触碰到限位开关后，电机会向右旋转 95° 到中心位置
3. 校准完成后，电机断电

磁吸滑动开关交互控制

ESP-VoCat 底座通过磁吸式滑动开关实现多种交互控制。滑块的不同位置会改变地磁传感器周围的磁场强度，底座通过实时监测这些磁场变化来识别滑块的动作。当检测到位置变化时，底座会将相应事件通过串口上报给 ESP-VoCat，从而实现丰富、直观的交互体验。

支持 7 种磁吸滑动开关事件检测：

滑块自上向下拨动 (SLIDE_DOWN)
滑块自下向上拨动 (SLIDE_UP)
滑块从上方位置移除 (REMOVE_FROM_UP)
滑块从下方位置移除 (REMOVE_FROM_DOWN)
将滑块放置于上方位置 (PLACE_FROM_UP)
将滑块放置于下方位置 (PLACE_FROM_DOWN)
当滑块处于下方位置时，可额外识别单击动作 (SINGLE_CLICK)：基于 mag_x 轴数据变化检测，结合 mag_x 和 mag_y 关系判断，防止滑动误触发
喂鱼事件 (FISH_ATTACHED)：检测小鱼从上位置放置的特定磁场变化
配对模式 (PAIRING)：两个 ESP-VoCat 面对面靠近，用于配对联网

磁吸开关.gif

磁吸滑动开关控制功能支持多种传感器：

BMM150 三轴地磁传感器
QMC6309 三轴地磁传感器
线性霍尔传感器

注意：

以上传感器三选一即可，默认选择 BMM150。使用线性霍尔传感器时只支持滑块上下滑动（SLIDE_UP / SLIDE_DOWN）两个事件检测！
在首次使用该功能前，为适配磁场环境，须完成磁吸滑动开关的校准，以记录其处于 上方 / 下方 / 移除 三种状态时的磁场强度基准值。校准数据将通过 NVS Flash 持久化存储。在使用过程中如需重新校准，可通过 ESP-VoCat 发送串口命令或长按底座 Boot 键进行触发。

依托地磁传感器的检测结果，结合动作判定算法，底座能够识别七类动作。

CSI感知功能

喵伴可通过 Wi-Fi CSI（Channel State Information）感知环境变化，实现动作触发或环境交互。

移动检测
通过喵伴获取路由器的CSI信息，可以感知整个空间环境内人体的移动，实现人体移动检测和数据统计。
近场感知
通过喵伴和底座之间互相发包，可以控制 Wi-Fi 传输路径，实现小范围高精度的检测效果。例如当检测到人手指靠近时，底座可自动调整姿态或执行预设动作，实现更智能的互动体验。

串口通信

ESP-VoCat 旋转底座可通过 UART 协议与 ESP-VoCat 进行数据通信。

命令类型：
- 角度控制命令（CMD_BASE_ANGLE_CONTROL）
- 预设动作控制命令（CMD_BASE_ACTION_CONTROL）
- 预设动作完成通知（CMD_ACTION_COMPLETE）
- 磁吸开关事件上报（CMD_MAGNETIC_SWITCH_EVENT）
- 磁吸数据校准进度同步（MAG_SWITCH_CALIB_*)

注：目前只开放以上基础的命令类型，后续会添加 CSI 相关命令。

数据帧格式:
- AA 55 [LEN_H] [LEN_L] [CMD] [DATA...] [CHECKSUM]
校验机制：
- 帧头校验
- 校验和验证

硬件要求

主控芯片

ESP32-C61-WROOM-1 或 ESP32-C61-WROOM-1U 模组

默认使用 ESP32-C61-WROOM-1

外设连接与引脚分配

步进电机（28BYJ-48 + ULN2003 驱动 IC）
- IN1 → GPIO28
- IN2 → GPIO27
- IN3 → GPIO26
- IN4 → GPIO25
磁力计传感器（I2C）
- SCL → GPIO3
- SDA → GPIO2
- 支持 BMM150（I2C 地址：0x10）
- 支持 QMC6309（I2C 地址：0x7C）
线性霍尔传感器（ADC）
- ADC_PIN → GPIO5（ADC_CHANNEL_3）
转台回零校准限位开关
- 回零校准限位开关检测引脚 → GPIO1（低电平有效）
BOOT 按键
- BOOT 按键 → GPIO9（低电平有效）
默认功能是长按进行磁吸滑动开关校准。
UART 通信
- TXD → GPIO29
- RXD → GPIO8
- 波特率：115200

使用说明

首次启动

底座角度校准：
- 上电后，电机会自动向左旋转寻找限位开关
- 触碰到限位开关后，电机会向右旋转 90° 到中心位置
- 校准完成后，电机断电
磁吸开关校准（如果是首次使用）：
- 系统自动检测第一个稳定位置（保持滑块静止约 500ms）
- 系统记录第一个位置后，提示：First position calibrated
- 将滑块移动到第二个不同位置（上/下/拿掉），系统自动检测稳定
- 系统记录第二个位置后，发送 0x12 给 ESP-VoCat，通知第二个位置校准完成
- 将滑块移动到第三个不同位置，系统自动检测稳定
- 系统记录第三个位置后，自动按磁场强度排序分配到 REMOVED/UP/DOWN
- 校准完成后发送 0x13 给 ESP-VoCat，通知校准完毕
- 校准数据自动保存到 Flash，下次启动自动加载
注意：
- 每个位置需要保持静止，等待系统自动检测稳定（约 500ms）
- 三个位置的磁场差异需大于 100（系统自动判断）
- 移动过程中数据变化正常，系统会自动等待稳定后记录

重新校准

方法 1：长按 Boot 按键

长按 GPIO9 的 Boot 按键（约 1.5 秒）
系统自动进入重新校准模式

方法 2：串口命令

ESP-VoCat 发送命令 AA 55 00 03 03 00 10 16 给底座
系统收到命令后进入重新校准模式

串口命令

1. 角度控制命令（0x01）

格式：AA 55 00 03 01 [ANGLE_H] [ANGLE_L] [CHECKSUM]

示例：旋转到 45°

AA 55 00 03 01 00 2D 31

00 2D = 45（十进制）
31 = 01 + 00 + 2D（校验和）

2. 动作控制命令（0x02）

格式：AA 55 00 03 02 00 [ACTION] [CHECKSUM]

动作码：

0x01：摇头（SHAKE_HEAD）
0x02：左顾右盼（LOOK_AROUND）
0x03：跟随鼓点-鼓类（BEAT_SWING_DRUM）
0x04：猫咪蹭手（CAT_NUZZLE）
0x05：跟随鼓点-其他乐器（BEAT_SWING_OTHER）

示例：执行左顾右盼动作

AA 55 00 03 02 00 02 04

3. 磁吸开关事件上报（0x03）

格式：AA 55 00 03 03 00 [EVENT] [CHECKSUM]

事件码：

0x01：滑块向下滑动（SLIDE_DOWN）
0x02：滑块向上滑动（SLIDE_UP）
0x03：从上面拿下（REMOVE_FROM_UP）
0x04：从下面拿下（REMOVE_FROM_DOWN）
0x05：从上面放回（PLACE_FROM_UP）
0x06：从下面放回（PLACE_FROM_DOWN）
0x07：单击事件（SINGLE_CLICK）
0x08：喂鱼事件（FISH_ATTACHED）- 小鱼从上位置放置时触发
0x09：配对模式（PAIRING）- 长时间处于特定磁场状态
0x10：启动数据校准程序
0x11：校准开始通知
0x12：第二个位置校准完成（头部收到后语音提示第三步）
0x13：校准完成

4. 动作完成通知（0x02）

格式：AA 55 00 03 02 00 10 12

底座在执行完任意特定动作后自动发送
头部可根据此命令同步状态

硬件电路设计说明

底座硬件电路设计

主板硬件电路设计

ESP-VoCat 底座硬件部分主要包含电源管理、MCU、地磁传感器、霍尔传感器、电机驱动，总体硬件框图如下：

供电方式

ESP-VoCat-Base 支持USB-Type-C供电，电源为5V。同时，ESP-VoCat-Base提供了磁吸接口，可为ESP-VoCat主体进行供电。ESP-VoCat-Base内部通过DC-DC电路，将5V电压转换为3.3V电压，为ESP32-C61主控芯片及外设电路供电。

限流措施： 为ESP-VoCat主体供电时，采用TPS2051BDBVR芯片进行500mA限流。

步进电机控制

ESP-VoCat-Base采用步进电机控制底座旋转，驱动芯片采用ULN2003A。ULN2003A为高压、大电流达林顿阵列芯片，包含七个具有公共发射极的开路集电极达林顿对，常用于步进电机的控制。步进电机型号为24BYJ48，是一种内部带减速器的减速步进电机。控制方式为四相八拍，采用5V DC供电。
ESP-VoCat-Base的步进电机驱动电路如下：

RGB 灯扩展接口

ESP-VoCat-Base提供了WS2812B灯带接口，可以接入WS2812B RGB灯带，实现音乐律动灯等需要RGB 灯效的场景，电平转换电路如下：

传感器

地磁传感器： ESP-VoCat-Base预留有BMM150 三轴地磁传感器与QMC6309 三轴地磁传感器的焊接位，主要用于磁吸滑动开关的感知，两者都通过I2C协议与主控芯片进行通信，用户可自主二选一。ESP-VoCat-Base将默认使用BMM150 传感器。
BMM150外围电路如下：

QMC6309外围电路如下：

线性霍尔传感器： ESP-VoCat-Base配备了SS49E线性霍尔传感器，可用于检测磁场强度。SS49E传感器采用模拟输出。主控芯片ESP32-C61-WROOM-1采用ADC获得传感器数据。外围电路如下：

人体存在检测雷达： ESP-VoCat-Base预留有人体存在检测雷达LD2402的接口，可用于实现人体存在检测等功能，LD2402与主控芯片采用UART通信。外围电路如下：

I2C协议接口： ESP-VoCat-Base留有一个I2C协议接口，可额外挂载支持I2C协议的设备。外围电路如下:

子板硬件电路设计

ESP-VoCat-Base通过安装在步进电机轴承上的子板，与ESP-VoCat主体相连接。子板通过限位开关，实现步进电机的角度校准。

复刻教程

在装配前请准备以下材料及部件：

序号	描述
1	3D 打印外壳外身
2	3D 打印外壳底盖
3	3D 打印转台上盖
4	3D 打印转台下盖
5	ESP-VoCat-Base-MainBoard
6	ESP-VoCat-Base-SubBoard
7	24BYJ48 步进电机
8	3D 打印磁吸滑动开关滑块
9	SH1.0mm 间距 5P 端子线
10	圆形磁铁 D10×1.5 mm
11	圆形磁铁 D6×5 mm
12	内径 7mm 外径 11mm 高度 3mm 轴承
13	M4×5mm 螺丝
14	M2×4mm 螺丝
15	M2×3mm 螺丝

投板注意事项：

板厚选择 1.0mm
两个地磁传感器均为WLCSP封装，焊接难度较大，焊接初学者可考虑选择SMT服务。立创商城中也包含相关资源。

子板焊接注意事项：

焊接子板磁吸公座时需注意方向，有红色标记的一端应和 PCB 板上白圈在同一侧！！！
子板焊接注意事项.png

V1.0.0 版本旋转底座硬件装配

ESP-VoCat 旋转底座包含 MainBoard 、 SubBoard 两块电路板，与一个 24BYJ48 步进电机， MainBoard 和 SubBoard 通过 5P 1.0mm间距 的排线相连。步进电机 通过排线与 MainBoard 连接。

装配步骤：

将 2 块 D10×1.5mm 圆形磁铁 装配至3D 打印外壳外身的内部，需特别注意磁铁极性。
将 内径 7mm 外径 11mm 高度 3mm 的微型轴承 装配至3D 打印外壳外身的内部的凹槽中，确保轴承装配到位。
将 24BYJ48 步进电机 安装至3D 打印外壳外身的内部，并使用两颗 M4×5mm 螺丝 进行固定，考虑到装配公差，此时不需要将螺丝完全拧紧，待转台安装在电机轴上之后再将其拧紧即可。
将 ESP-VoCat-Base-SubBoard 电路板安装至3D 打印转盘下盖上，确保螺丝孔对齐。
将 3D 打印转盘上盖 安装至3D 打印转盘下盖上，并在背面使用两颗 M2×3mm 螺丝 进行固定。
将 SH1.0mm 间距 5P 端子线 插入转盘的接口。
将 组装完成的转盘 安装至步进电机的轴中，转盘表面与外身基本平齐。此时可将电机螺丝拧紧。
将 ESP-VoCat-Base-MainBoard 使用两颗 M2×4mm 螺丝 固定在 3D 打印外壳底盖上。
将 步进电机排线 插入主板的电机接口中（弯插，印有 Motor 标识），将 子板排线 插入主板的子板接口中（直插，无标识）。注意：5P 1.0 排线必须为双头同向，插之前请反复检查，以免短路烧板！
将 圆形磁铁 D6×5mm 安装至 3D 打印磁吸滑动开关滑块 的凹槽内（注意磁铁极性，需和D10×1.5mm的磁铁相吸），然后放置在喵伴旋转底座胸前，开关将被自动吸附。最后，将旋转底座上电并烧录固件，观察旋转底座是否正常进行自动归位校准程序，若正常，则 ESP-VoCat 旋转底座安装完成。