PulseTabLite：ESP32多NAS物联网信息监测设备

本项目参加了由乐鑫科技和立创开源广场举办的基于ESP32物联网征集令活动

作品获得一等奖

项目介绍

NAS是一种专用于数据存储的服务器。它通过网络连接，以数据为中心将存储设备与服务器分离，从而实现数据集中管理。NAS设备需要稳定的网络连通性、持续的硬件健康监测，以实现重要数据的备份与安全管理。本项目借助ESP32强大的网络能力开发出一款交互式物联网设备，实现了NAS网络状态监控、设备硬件及系统健康监测；同时配有必要的传感器外设以支持进行环境温湿度调整，使NAS设备持续运行在健康环境、健康状态中。

产品演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1kb4ze6E7E/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=c99f4cc51a936036bca99830e36262da

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2024年10月26日更新说明：

1. 【新手向】立创ESP32开发板PulseTabLite电脑监视屏 项目已经完成并开源，待审核通过后有兴趣的水友可以自行访问，硬件设计和源代码均开源。

（兄弟俩合影）

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前言

完成本项目，你将获得：

• 熟练使用乐鑫ESP32进行嵌入式开发：

1. 熟练掌握在Ardiuno环境下开发ESP32产品的能力；
2. 熟练掌握按钮、触摸、温湿度传感器、光敏传感器的驱动编写；
3. 学会使用esp32的GPIO/PWM/ADC等引脚功能；
4. 了解ESP32-S3的GPIO引脚限制情况，学会使用其进行电路设计。

• 学会嵌入式系统使用及GUI前端开发：

1. 学会使用TFT_espi以及LVGL驱动LCD屏幕；
2. 熟练使用Figma配合LVGL进行GUI设计；
3. 学会进行LVGL代码编辑以实现功能交互；
4. 能够上手freeRTOS系统的基本使用方法。

• 初步掌握网络通讯技术并实现应用：

1. 能够使用HTTP/UDP等通讯协议，实现联网获取API等各类功能；
2. 了解到SNMP进行设备通讯的基本原理。

• 学会项目开发基本流程：

1. 经历一个项目从想法到产品实现的全过程；
2. 形成品牌意识，了解项目命名及品牌包装的内涵；
3. 了解品牌开发历程。

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一、项目简介

1.1 需求分析

本人是DIY NAS的深度爱好者。通过几次DIY产品迭代，目前家中使用IstoreOS系统的主路由、OpenWRT系统旁路由，以及一机双系统NAS，包含底层Unraid系统和Unraid虚拟机安装的DSM系统。各系统功能及关注点如下：

• IstoreOS主路由：

  1. 放置在弱电箱内，需要关注夏季电箱温度及散热问题；
  2. 入户网络枢纽，DHCP服务及流量监控。

• OpenWRT旁路由：

  1. 放在书房中当做旁路由，魔法上网使用，需要不时进行有关网站的链接测试；
  2. 使用红米AX6一带路由神机刷级，相比软路由硬件配置差，需要关注系统占用情况。

• Unraid NAS：

  1. NAS底层系统，使用Docker和虚拟机跑一些服务，需要关注系统占用和网络占用情况；
  2. 底层系统直接读取设备资源，需要关注系统温度、硬盘占用和风扇情况。

• DSM 群辉NAS：

  1. 用于重要数据的存储及备份，因此需要重点关注硬盘和储存空间的健康状态、系统运行状态；
  2. 系统网络监测。

因为NAS设备（包括轻NAS系统的软路由设备）在日常运行时无前端系统检测，需要登陆特定IP网页才可了解设备运行状态，带来一定的不便。

1.2 功能构想

通过上述需求分析，设想出本项目需要实现的功能：

1. 一个监控屏幕，一机即可查看多个NAS设备的运行状态；
2. 针对特定NAS系统的关注点，进行特定信息监测；
3. UI界面贴合原系统设计，数据直观可读；
4. 操作简便，没有繁琐的系统和操作；
5. 兼顾诸如时钟、天气功能。

1.3 品牌开发

项目的品牌开发是指通过一系列策略和活动，在目标市场中建立和提升品牌形象，进而促进项目的成功和可持续发展。虽然DIY爱好者是以学习和DIY乐趣为主要的，但是一个成功的项目产品必然会通过对品牌的开发来提升产品形象，并通过结合营销策略在市场中进行推广。

因品牌开发更多涉及到市场营销有关领域，故本篇文章中有关对品牌开发的论述以简要形式为主。同时，本项目通过借助百度人工智能文心一言进行了一定程度的品牌开发，故该部分论述会使用文心一言的有关论述。

1.3.1 品牌及内涵（with文心一言）

品牌的命名及内涵简明扼要地揭示出项目最具核心的价值体现。本项目的核心价值为：轻量化、准确性、直观度。

• 品牌名称：NAS Pulse Tab Lite - NAS脉络轻绘
• 品牌内涵：
• NAS

网络附属存储(NAS)作为现代数据中心的基石，承载着企业与个人关键数据的存储与共享。NASPulseTabLite正是针对这一核心领域，提供精确、高效的性能监测与优化服务。

• Pulse:

如同人体的脉搏，NAS PulseTabLite能够实时“感知”NAS系统的“心跳”——其运行状态与性能波动。这种对性能的实时监测与动态感知，确保用户能够及时了解NAS系统的健康状况，并快速响应潜在问题。

• Tab

在NAS PulseTabLite的界面中，用户可以通过简单的“Tab”切换，轻松浏览不同功能模块和监测指标。无论是I/0性能、网络带宽还是磁盘占用，一切尽在掌握。这种直观的设计使用户能够迅速定位问题，提高运维效率。

• Lite

在追求功能全面性的同时，NAS PulseTabLite更注重轻盈与简洁。其简洁的界面设计和便捷的操作流程，使用户无需繁琐的设置和复杂的步骤，即可轻松上手并快速掌握产品使用方法。这种轻量化的设计理念，为用户带来更为流畅、高效的使用体验。

• NAS脉络轻绘

这个名称既体现了产品的核心技术特点(即对NAS系统性能的全面监测和深入理解)，又传达了一种简洁直观、易用的产品体验，同时还带有一种诗意的美感。

脉络 ——在中文中，““脉络”通常用来形容事物内部的联系和条理，就像人体的血脉一样，连接着身体的各个部分。在这里，“脉络”被用来比喻NAS系统内部的数据流、性能变化以及各个组件之间的联系。它暗示着这款产品能够深入洞察NAS系统的“血脉”，为用户提供清晰、准确的性能监测和状态展示。

轻绘——这个词则表达了产品的界面设计和操作体验。“轻”代表简洁、轻便，而“绘”则暗示着用户可以在这个界面上轻松地进行各种操作，就像绘画一样自由、流畅。因此，“轻绘”传达了一种简洁、直观、易用的产品体验，使用户能够轻松地掌控NAS系统的性能和状态。

1.3.2 品牌包装

主形象LOGO设计如下：

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二、硬件实现

本项目硬件实现其实并不复杂，主要包含屏幕和触摸电路、外围传感电路，除此之外附属了供电电路、串口通信电路和esp32外围电路。

该硬件除支持本项目之外，还可借助esp32芯片的巨大通信功能，通过不同的软件开发实现不同物联网功能，包括但不限于智能家居控制、信息播报、网络通信支持。

2.1 原理图说明

2.1.1 显示屏及触摸电路

采用EYA 4寸LCD电容触摸屏，自带40pinFPC 显示接口，支持SPI和并口通讯协议；8pin触摸接口支持I2C通讯协议。

• 显示屏电路要点解读

1. 依据屏幕开发手册，板载8个LED灯珠且背光电源总电流不应大于120mA，因此在LED_A接口串联10欧限流电阻；
2. 背光控制电路应使用三极管并将G极接入带有PWN功能的引脚；
3. 显示屏接口根据通信协议选择M0-M2的高低压电平。

• 电容触摸电路要点解读

1. 本人选择的C2856797编号的8pin FPC座子接口与屏幕接口线序是相反的，注意上电前进行正反接检查；
2. RST可以与LCD的RST引脚相连。

2.1.2 ESP32相关电路

本项目为考虑扩展性，采用ESP32-S3 WROOM N16 R8 模组。芯片电路的设计应注意以下要求（总结自芯片设计手册）：

• 注意设计手册对WROOM封装的最小电路要求
  

• 带有SPIRAM时IO35/IO36/IO37不可使用；
  

• 部分支持ADC功能的GPIO在持续WIFI联网的情况下无法使用（下图黄色部分）；
  

• 串口自动烧录电路接入GPIO0-BOOT和GPIO2-EN引脚，使用2个三极管实现
  

• SPI设计应避开SPI0/SPI1，同时应尽量使用SPI默认引脚
  

其他电路不再赘述，均为基本的电源、烧录、按键及传感器电路。

2.2 Layout说明

2.2.1 屏幕FPC座子

• 注意LCD使用说明中的FPC排线方向，在Layout以及上电前都要注意是否反接，防止烧坏电路。
  
  

• FPC区域不应有元器件布局；同时适当在板内开孔穿线。
  

2.2.2 AHT20 温湿度传感器

因本项目屏幕尺寸较大，屏幕及芯片发热会使AHT20温度超出正常值，因此在设计时要注意指导手册的布局要求。尽可能远离发热区，减少热传导，增加散热通风。

2.2.3 环境光传感器

该传感设置在机器正面，是唯一布局在PCB反面的原件。焊接时注意将其余回流焊后最后手动焊接。

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三、软件实现

本项目硬件设计在保证功能的前提下留有拓展空间；而软件实现是项目开发的重点。它借助ESP32实现了多种网络通讯服务，并通过任务调度设计和前端GUI开发实现信息获取和交互功能。

3.1 功能框图

本项目软件层面使用FreeRTOS系统进行后端任务管理，使用LVGL处理前端任务。功能实现方面主要包含网络连接、传感器驱动和界面交互。

• 后端任务分为：启动程序、设备驱动程序、电容触摸启动及界面启动程序、日期天气服务程序、NAS信息服务程序；
• 前端任务分为：天气UI更新、时钟日期UI更新、NAS信息面板UI更新。

3.2 电容触摸及LVGL配置

使用Ardiuno的TFT_espi和LVGL库实现显示屏驱动，使用bb_captouch库实现触摸驱动。

• TFT_espi配置要点

1. 配置LCD引脚及时钟频率；
2. 实现LCD屏幕ST7796驱动、配置屏幕尺寸。

• LVGL配置要点（该部分尚需进一步优化）

1. 配置色彩模式为16位RGB565；
2. 使用自定义内存，配置屏幕刷新频率，配置时钟频率；
3. 配置屏幕缓冲区buffer_size = screenWidth * screenHeight / 30。

• bb_captouch配置要点

1. 配置触摸驱动为GT911通讯方式为I2C；
2. 配置触摸驱动引脚；
3. 配置触摸参数，该驱动最大可支持5点触控。

3.3 外设驱动配置

外设主要由各类传感器、按钮构成。

• AHT20温湿度传感器配置要点

1. 该传感器使用I2C通讯协议。查阅设备开发手册，因电容触摸已使用I2C配置，故此处使用Wire库中TwoWire Wire1 = TwoWire(1);参数进行配置 Wire1.begin(aht20_sda, aht20_scl); // Join I2C bus。

• 环境光传感器配置要点

1. 该传感器需要使用esp32的数模转换ADC功能。查阅开发手册，因本项目需要持续的无线连接，故硬件设计层面有部分ADC引脚限制，此处再次强调。
2. 配置引脚模式为pinMode(LIGHTPIN, INPUT);，读取数据使用analogRead(LIGHTPIN)。

按钮配置较为简单，此处不再赘述。

3.4 时间天气功能实现

• 时间功能要点

1. 使用阿里云NTP服务器授时，服务器设置为3个，如ntp1.aliyun.com；
2. 时区偏移量，北京是GMT+8，按秒计为gmtOffset_sec = 8 * 3600;；夏令时不使用，配置为0；
3. 因时钟配置到获取并更新时间存在5s至10几秒不等的延时，经过排查调用库函数发现getLocalTime(&timeinfo)函数中存在配置时间延迟等待的语句，这造成了开机时获取时间滞后的问题，暂时未进行优化（有大佬可以指导指导）。

• 天气功能要点

1. 经测试多个服务提供商，最终选取了"http://t.weather.sojson.com/api/weather/city/101190801"的服务提供商。该网站稳定、免费、无需注册、获取数据周期短。具体参考https://www.lanol.cn/post/33.html；
2. 数据解析使用ArduinoJson库。

3.5 NAS信息通讯

NAS通讯基于SNMP服务。选取该通讯协议的原因为IstoreOS、OpenWRT、Unraid和DSM系统均基于Linux系统，使用SNMP协议进行通讯具有通用性。

• SNMP协议通讯要点说明：

1. 多数基于Linux系统的OID和MIB树都是通用的，可以方便获取系统、网络和硬盘等的占用信息；
2. 请注意在使用SNMP功能时应该在基于Linux系统的NAS设备中安装服务端snmpd；
3. DSM系统在官网上进行了SNMP的MIB二次开发，有关DSM的SNMP使用可以查阅网络有关教程。DSM的SNMP使用手册见https://global.synologydownload.com/download/Document/Software/DeveloperGuide/Firmware/DSM/All/chs/Synology_DiskStation_MIB_Guide_chs.pdf 。

• SNMP通讯缺点说明：

1. 因SNMP是基于DUP协议的通讯，故此处通讯是异步的。在进行大量OID尤其是使用WALK进行设备轮询时，单次通讯周期长；同时Linux的snmpd协议有些数据是5秒更新一次， 因此基于SNMP服务的NAS信息通讯做不到每秒更新，对于需要高度同步的信息监控具有局限性。

3.6 GUI前端开发

GUI前端开发使用Figma进行UI设计，然后将有关素材文件导入到SquareLineStudio环境中进行LVGLGUI开发。

• Figma是个向量图形编辑软件，具有突出的轻量化、易上手特点，在网页端即可完成用户界面（UI）和用户体验（UX）设计。

• SquareLine Studio 是一款专为嵌入式和桌面应用程序设计的创新可视化拖放式UI编辑器，最初是LVGL开发的平台，因此对LVGL具有极好的适配性。这款软件极大程度降低了LVGL开发语句的上手难度，通过图形化界面设计，可进行实时交互预览，设计完成即可导出程序文件。
• 软件试用30天，试用期可以完成界面设计（现在试用期到期了，无法截图预览）。

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四、展望

• 功能完善方面

1. 本项目参加了ESP32物联网项目，因此开发周期较为紧张、LVGL设计软件需要收费，本着学习和个人应用的角度进行的项目开发具有一定的普适局限性，如未能进行设备配网GUI设计。下一步计划针对设备配网及NAS UI显示界面进行优化。
2. 本项目前期将Win系统的设备监控同样纳入考虑范围，因此留有Win系统的信息监控有关函数接口，计划下一步进行功能完善。

• 产品优化方面

1. 该项目使用SNMP协议通讯，项目开发让我学习到了该通讯协议的原理和应用。但是SNMP协议存在延时高等缺点。下一步计划使用市场主流的AIDA软件进行优化开发，提升实时性。
2. 因项目开发周期紧张，内存调试和优化占用了约50%时间，因此项目的3D外壳使用嘉立创EDA进行设计，个性化和操控性有待提升。
3. 本项目将NAS设备接入物联网，实现了个人电子设备的信息接入，展现了AI+ALL in one 的物联网理念。下一步计划在此基础上继续下一步开发，借助乐鑫公司的ESP RainMaker方案和ESP HomeKit SDK等框架进行物联网设备的接入，从而实现手机终端监控、网络自主优化、环境自动调温调光等功能，帮助NAS设备实时处于最佳的运行环境。