智能无线交互辅助开门装置

一、项目简介🪄

 

         本项目基于ESP32进行开发，分为室内和室外两个模块。

         室外模块主要用于IC卡的身份信息识别，第一次使用时会将第一张识别到的卡片设置为管理员，持有管理员卡可以对其他的卡进行录入操作，录入的卡号会存储到Flash，不会因为开关机而丢失信息，将IC卡置于RC522模块上方，ESP32通过RC522模块读取到IC卡，0.96寸的OLED会显示读取结果，当读取到正确的卡号时，ESP32通过ESP-NOW通信技术，发送识别信息到室内模块，驱动室内模块转动电机进行开门操作，如果识别到陌生卡号，则会驱动蜂鸣器进行报警。板载两个WS2812灯珠，用于指示模块状态，将模块的串口拓展了出来，预留了拓展其他模块的接口，例如需要使用指纹模块时，可以将串口接到ZW101指纹模块上，电源部分则使用18650锂电池进行供电，将电池电压升到5V升压和5V降压到3.3V，同时设计了锂电池保护电路DW01A+8205A，防止电池过放。同时也预留了Type-c的接口，支持外部供电。但是室外几乎无外部电源，因此大都使用锂电池供电，若锂电池电量不足，则可与室内模块的锂电池进行更换。

         室内模块则主要驱动室内进行开门的操作，当室外模块通过ESP-NOW发送正确的识别结果时，室内模块接收到信息，则会通过IO口的电平改变或者PWM驱动电机或舵机，拉动室内的机械装置，从而进行开门操作。当然室内模块也集成了许多其他的功能，开门操作除了可以使用室外模块之外，还可以利用点灯科技blinker、ESP32的局域网网站，、红外、语音等，室内模块搭载了1.8寸的TFT彩屏，接入了心知天气API，可以读取当地的天气情况，学生的话，可以将自己的课表导入其中，它搭载了语音模块，可用于提醒，同时也集成了红外接收和红外发送电路，可以用作遥控器，定时驱动室内的空调或电视等，室内模块集成了电源管理电路和电源保护电路，有外部输入时使用外部电源同时为室内锂电池充电，无外部输入时可用锂电池作为应急电源进行开门操作，由于室外无外部电源供电，故只能使用电池供电，当室外电池无电时，可将室内电机作为备用进行更换，如此循环。

室内模块	室外模块

二、项目功能✨

 

室外模块：

• 0.96寸OLED显示
• NFC读取、存储、删除
• ESP-NOW通信
• 蜂鸣器和WS2812灯状态指示
• 拓展串口驱动指纹模块、人脸识别模块等

室内模块：

• 1.8寸TFT彩屏显示
• ICS43434声音采集
• MAX98357AETE+T功放喇叭
• 蜂鸣器和WS2812灯状态指示
• 电机和舵机驱动
• TF卡
• 红外发送和接收
• ESP-NOW无线交互
• 心知天气API天气显示
• 点灯科技blinker接入APP交互
• WebService网页服务

 

三、项目参数🔮

 

• 采用ESP32-D0WD-V3芯片和ESP32-WROOM-32E模组进行驱动
• 室内屏幕采用ST7735驱动的1.8寸屏幕，128*160分辨率，室外0.96寸OLED显示屏，128*64分辨率
• 电池采用单节18650锂电池，满电电压4.2V
• 充电方案采用TP4056芯片，最大1A充电电流
• 电源稳压电路5V稳压采用MT3608L芯片，3.3V稳压采用AMS1117-3.3V芯片
• 锂电池保护电路集成了DW01A（监测芯片）、8205A（MOS管）
• 电路集成CH340+自动下载电路，方便代码下载和调试

 

四、硬件设计🔌

 

4.1室外模块硬件设计📡

 

采用ESP32-D0WD-V3芯片，体积小不占空间，是ESP32-WROOM-32E模组内部的芯片。

搭载了两个WS2812彩灯，蜂鸣器，RC522模块接口，0.96寸OLED显示屏，且一共4个按键。

电源电路如下，搭载了锂电池保护电路，MT3608进行电源升压，RT9013-3.3V进行3.3V稳压。

 

ESP32-D0WD-V3	模块电路
主控电路	电源电路

 

PCB设计完成后：

 

PCB正面	PCB背面

 

4.2室内模块硬件设计🏠

 

本电路采用 ESP32-WROOM-32E 模组（内置 ESP32-D0WD-V3 芯片） 作为主控核心，体积小、性能强，具备 WiFi 与蓝牙双模通信功能。

系统集成了 1.8 寸TFT彩色显示屏、双路 WS2812 彩灯、蜂鸣器提示电路、语音播放功放模块（MAX98357A）、数字麦克风（ICS43434）、红外收发模块 以及 多功能按键输入，可实现丰富的人机交互与语音控制功能。

电机与舵机控制部分采用 RZ7899 驱动芯片，支持锁舌电机或舵机开锁输出。

电源部分设计完善，包含 TP4056 锂电池充电管理、DW01A+8205A 电池保护电路、MT3608 与 SX1308 升压模块 以及 AMS1117-3.3V 稳压输出，支持 Type-C 及 DC 接口供电，并通过 ADC 检测电池电压。

整机结构紧凑，功能完善，适用于智能门锁室内开锁控制场景。

 

电路原理图

 

PCB设计完后后：

 

PCB正面	PCB背面

 

五、软件设计💻

 

5.1 NFC识别、录入和删除

 

          我们设计的室内模块上安装了RC522 MINI RFID射频 IC卡感应模块，可以识别和操作 ISO14443A 协议、13.56MHz 的 IC 卡，例如 MIFARE 1K、MIFARE 4K、Ultralight 等。

识别正确/错误ID卡	更换管理员卡
录入新卡	删除已录入的用户卡

 

         上面的是我们对于NFC识别的流程图：当没有管理员时，第一张卡即为管理员，通过管理员的验证，可以进行更换管理员和保存新用户卡的操作，管理员无法被删除；当通过管理员验证，放置新卡会对卡号进行保存，也可自己执行删卡操作。

 

5.2 WS2812 灯珠控制

 

💡 状态提示：灯珠显示不同颜色与闪烁方式，直观反馈系统状态
💚 待机状态：蓝色/绿色常亮或缓慢呼吸，表示系统运行正常
✅ 识别成功：快速闪烁绿色两次或彩色流水动画
❌ 识别失败/未授权：红色闪烁两次并伴随蜂鸣器提示
🌈 管理员模式：彩虹渐变循环，表示处于特殊操作状态
⚡ 低电量提示：黄色常亮或周期性闪烁提醒用户

 

5.3 ESP-NOW 主副机通信

 

⚡ 低功耗快速响应：ESP32 内置 ESP-NOW 协议，毫秒级传输
🔗 可靠点对点/多对多：室外副机与室内主机直接通信，无需路由器
🆔 MAC 地址绑定：首次配置后自动保存副机地址，保证通信安全
💳 NFC 数据传输：副机识别卡片后发送 UID 或操作指令至主机
🔓 动作触发：主机验证后驱动电机/舵机开锁，或显示“Warning”
🖥️📈 状态提示：主机通过 OLED 弹窗显示信息，并通过 WS2812 灯带反馈状态
♻️ 自动重连：通信中断后可自动恢复，保证系统连续稳定运行

显示MAC地址	主机保存副机MAC地址
副机接收并保存主机MAC地址	副机手动选择WIFI和信道

 

为了保证主副机之间建立通信，因此需保证主机频道＝WiFi信道＝副机频道，通过上述步骤进行配置，可以满足ESP-NOW主副机通信条件。

 

5.4 OLED显示

 

🔧 外围电路：保证稳定驱动与可靠通信
🖋️ 信息展示：状态提示、文字与图形渲染、动画交互
🟢 开机动画：显示 LOGO / 欢迎动画
💤 待机界面：显示时间、电量、网络状态等
💳 NFC 卡识别：
  ✅ 有效卡 → "You Are Welcome"
  🔑 管理员卡 → "Admin Verified"
  ❌ 无效卡 → "Warning!!!"
📡 ESP-NOW 数据接收：弹窗显示接收到的信息（1.5 秒）
🛠️ 用户操作提示：存卡/删卡/换管理员操作步骤实时显示
♻️ 自动恢复：操作或事件结束后回到待机界面

 

python脚本生成图片数组	python脚本生成视频数组

 

用OLED显示视频和图片的技巧，我是通过自己写了一个简单的python脚本进行的方法：

U8G2库结合Python脚本实现OLED显示图片

U8G2库结合Python脚本实现OLED显示视频

 

5.5 TFT 显示

 

🖼️ 高清彩色界面：1.8寸 ST7735 彩屏，显示更丰富、信息更直观
🌤️ 心知天气显示：实时获取温度、湿度、天气状态，图文并茂
📡 ESP-NOW 数据提示：接收副机数据并弹窗显示
🔧 SPI 接口电路：裸屏设计，可靠驱动，支持电源滤波与上拉电阻
🎨 流畅动画与图形：采用 Sprite 缓冲技术，实现动态显示与进度条

 

TFT显示	python生成TFT显示数组

 

用TFT显示视频的话，可以选择直接在SD卡中存储视频，然后解码，直接显示出来，也可以通过生成对应的每一帧图片的数组，然后一帧一帧的图片显示出来，给人一种显示出视频的效果，我们就是采用数组显示的方式，但是占用了大量的内存。

 

5.6 红外发送和接收

 

🔹 红外发送：

• 支持常用的 38kHz 红外信号调制
• 可通过本地网页或按键触发，发送自定义指令
• 与系统其他模块联动，例如识别成功后可触发红外设备动作
• 远程遥控家电：可控制空调、电视等设备，实现智能化操作

 

🔹 红外接收：

• 接收外部红外遥控器信号
• ESP32 可解析信号码并触发对应动作
• 可作为二次控制入口，实现多设备联动

 

红外遥控操作台	遥控空调

 

🔹 特点：

💡 双向控制：既能发送也能接收红外信号
⚡ 低功耗快速响应：毫秒级解析与执行
🔧 可扩展性强：支持自定义码库，可接入不同红外设备
🎛️ 状态提示：可结合 OLED 或 WS2812 灯效显示操作状态

 

5.7 MAX98357语音播报

 

室内模块集成 MAX98357 I²S 数字音频功放，用于语音播报和系统提示音。通过 ESP32 内置 I²S 接口直接驱动音频数据，实现高保真语音输出。

 

🔹 主要功能：

• 📣 语音播报：播放提示音、欢迎语、警告信息等
• 🎵 音乐与音效：可播放多种音频文件，增强交互体验
• 🔗 联动控制：可与 NFC 识别、ESP-NOW 数据接收、WS2812 灯效联动，实现多模态反馈
• ⚡ 低功耗高效率：I²S 直连音频功放，功耗低且音质清晰

 

🔹 特点：

🎤 高保真输出：数字音频直接驱动，无需额外 DAC
🛠️ 易扩展：支持多种音频格式，可定制提示语
💬 用户反馈直观：语音与显示、灯效结合，提升交互体验
♻️ 实时响应：毫秒级播放触发，确保操作提示同步

 

5.8 ICS43434语音识别

 

室内模块集成 ICS43434 数字 MEMS 麦克风，通过 ESP32 的 I²S 接口采集音频，实现语音识别与指令控制功能。

 

🔹 主要功能：

• 🗣️ 语音采集：高灵敏度数字麦克风，捕捉用户语音指令
• 🎯 语音识别：配合 ESP32 内部算法或 AI 平台，实现简单指令解析
• 🔗 联动控制：可与 MAX98357 语音播报、WS2812 灯效、ESP-NOW 通信联动
• ⚡ 低延迟：I²S 直连数字麦克风，确保语音采集和识别快速响应

 

🔹 特点：
🎤 高灵敏度与低噪声：适合近场语音交互
🛠️ 易扩展：可接入多种语音识别算法或 AI 平台
💬 多模态交互：与 OLED/TFT 显示、灯效和播报结合，提升用户体验
♻️ 实时响应：语音指令可毫秒级触发动作

 

对于这个模块的功能，我们暂时还未实现，但是已经预留好了接口，准备在后续有空的时候添加AI控制功能。

 

5.9 SD卡读取

 

系统在室内模块集成 TF/SD 卡模块，用于存储音频文件、动画帧数据和系统配置，实现本地存储与播放功能。

 

🔹 主要功能：

• 📂 文件存储：存放语音播报音频、TFT/OLED 动画帧、日志与配置文件
• 🎵 音频读取：与 MAX98357 联动，播放存储的音频文件
• 🖼️ 图像/动画读取：为 TFT/OLED 提供动态图像数据，实现流畅显示
• 🔗 系统联动：SD卡内容可结合 ESP-NOW、语音识别与灯效，实现多模态反馈

 

🔹 特点：
⚡ 高速读取：SPI 接口实现快速文件访问
🛠️ 易扩展：支持多种文件格式（如 WAV、BMP）
💾 本地存储：减少对网络依赖，提高系统稳定性
♻️ 与其他模块协同：可用于动画播放、语音播报及系统配置读取

 

5.10 网页控制

 

系统在室内模块集成 Web 控制界面，通过 ESP32 内置 WiFi 提供本地网页访问，实现对设备的远程配置与控制。

 

主页	远程遥控界面
空调遥控	参数配置
参数调节	OTA更新

 

🔹 主要功能：

• ⚙️ 参数配置：可设置初始参数，如管理员卡、设备模式等
• 🎛️ 实时调节：调节灯效亮度、音量、显示内容等参数
• 🏠 设备控制：远程控制室内模块的灯效、TFT/OLED 显示、音频播放及红外设备
• 📡 状态显示：网页可实时显示系统状态，包括在线设备、卡片识别结果、传感器数据等

 

🔹 特点：
💻 便捷操作：通过浏览器即可访问，无需额外客户端
🔧 高度可定制：支持多种参数和控制模式，自由扩展
♻️ 多模块联动：网页操作可同时驱动 OLED/TFT/WS2812/红外/音频
⚡ 实时响应：用户操作可立即在设备上生效，交互流畅

 

5.11 点灯APP控制

 

系统支持通过 移动端 APP 对室内模块进行远程控制，实现灯效管理与状态反馈。

 

控制主页	设备分享操作

 

🔹 主要功能：

• 💡 灯效控制：开启/关闭 WS2812 灯带，调节颜色、亮度和动画模式
• 🎛️ 分区管理：可对不同灯带区域进行独立控制，支持多样化显示
• 🏠 远程操作：通过 WiFi 与室内模块连接，无需靠近设备即可控制
• 📈 状态反馈：APP 实时显示灯带状态及其他联动模块信息

 

🔹 特点：
⚡ 快速响应：APP 操作与灯效几乎同步，毫秒级反馈
🔧 高度可定制：支持自定义颜色方案和动画效果
♻️ 多模块联动：可与 OLED/TFT/ESP-NOW/音频模块同步显示状态
💻 便捷操作：界面友好，用户易上手

 

 

五、功能展示⚙️

 

室外开门展示

室内展示