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ESP32設計的全方位智能家居監控系統
2024-12-05
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想隨時用手機看看家里寵物在做什么？想遠程查看一下孩子有沒有在認真做作業嗎？今天要給大家介紹的項目就是一個基于ESP32的智能家居監控系統，讓你能夠隨時用手機監測家中情況還能調整監控角度。一起來看看【鮮de芒果】是如何實現這個項目的吧！
完整項目已開源至電子森林：
https://www.eetree.cn/project/detail/3454
No.1
硬件介紹
ESP32-S3-WROOM-1U 是一款通用型 Wi-Fi + 低功耗藍牙 MCU 模組，搭載 ESP32-S3 系列芯片。除具有豐富的外設接口外，模組還擁有強大的神經網絡運算能力和信號處理能力，適用于 AIoT 領域的多種應用場景，例如喚醒詞檢測和語音命令識別、人臉檢測和識別、智能家居、智能家電、智能控制面板、智能揚聲器等。
adafruit ov5640是由Adafruit 推出的具有一個高質量的 OV5640相機，500萬像素傳感器元件，120度廣角鏡頭，以及所需要的所有支持電路。
WS2812B 是一個集控制電路與發光電路于一體的智能外控LED光源。其外型與一個5050 LED燈珠相同，每個元件即為一個像素點。像素點內部包含了智能數字接口數據鎖存信號整形放大驅動電路，還包含有高精度的內部振蕩器和可編程定電流控制部分，有效保證了像素點光的顏色高度一致。
No.2
功能概覽
實時視頻監控：系統通過連接的攝像頭不斷監控家中的動態，用戶可以通過移動應用實時查看家中的情況。
遠程控制：用戶可以遠程操作家中的智能設備，如燈光、空調、門鎖等，實現家居自動化。
云臺控制：用戶可以遠程操作攝像頭云臺功能。
設計思路
-
模塊化設計：將系統分為視頻采集、數據傳輸、用戶交互等功能模塊，各模塊相對獨立，便于維護和升級。
-
高效數據處理：利用ESP32的雙核處理器特性，并行處理視頻數據和傳感器數據。
-
安全性考慮：在視頻傳輸過程中，采用加密算法保證數據的安全性。
-
智能家居平臺集成：集成到智能家居應用平臺，利用智能家居平臺的強大功能，實現家居自動化，UI交互以及遠程控制。
No.3
功能實現
硬件設計
ESP32-S3-EYE 是樂鑫推出的一款小型 AI（人工智能）開發板，搭載 ESP32-S3 芯片和樂鑫 AI 開發框架 ESP-WHO。本設計參考 ESP32-S3-EYE 原理圖，在 ESP32-S3-WROOM-1U 模塊的基礎上增加 adafruit ov5640、WS2812B 和舵機控制電路實現。本項目硬件設計框圖如下圖所示：
軟件功能實現
軟件方面參考了很多成熟方案，綜合評比各方面功能最終決定采用 ESPHome + Home Assistant 完成固件開發與遠程控制。
Home Assistant 是一款在 Python 3 上運行的家庭自動化平臺。能夠跟蹤和控制家庭中的所有設備，并提供自動化控制平臺。有一個簡單的、適合移動設備的界面來控制你的所有設備，且不會將任何數據存儲在云端，以保護個人隱私。
ESPHome 是一個通過簡單而強大的配置文件控制您的 ESP8266/ESP32 和 RP2040 的系統，并通過家庭自動化系統遠程控制它們。
本項目使用 ESPHome 作為固件的開發，因此都是通過配置文件的形式對固件進行配置相應的功能。
軟件實現部分，主要分為以下功能實現:
-
網絡配置：設置了WiFi連接參數，并在需要時配置了靜態IP，以確保設備能夠穩定地連接到網絡。
-
基本開關：配置了基本的開關功能，用于控制設備的重啟等操作。
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舵機控制：通過PWM信號控制舵機，實現攝像頭云臺的X軸和Y軸轉動，從而控制攝像頭的視野范圍。
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燈光控制：利用WS2812B燈珠作為補光燈，通過ESP32_RMT_LED_STRIP平臺控制燈光的開關、亮度和顏色，以適應不同的監控環境。
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視頻攝像：配置了ESP32相機模塊，獲取實時視頻流，支持遠程觀看家庭或辦公室等場所的實時影像。
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按鍵云臺控制：通過配置按鍵組件，實現了對攝像頭云臺的控制，包括左移、右移、上移、下移以及回中功能。
各部分功能實現具體代碼在此不做過多介紹,詳細可見完整項目報告。
整個軟件實現部分的關鍵在于通過ESPHome的配置文件來設置和控制硬件設備，而Home Assistant則用于實現設備的遠程控制和家庭自動化管理。這樣的組合使得項目不僅能夠實現基本的視頻監控功能，還能夠集成到智能家居系統中，實現更廣泛的自動化和遠程控制功能。
No.4
功能展示
PCB設計
硬件3D預覽
實物展示
外殼+云臺展示
項目實現功能演示具體可見完整項目視頻
No.5
總結
本項目成功實現了基于ESP32的智能家居視頻監控應用，涵蓋視頻采集、數據傳輸、智能檢測與用戶交互等多個功能模塊。通過模塊化設計和高效的數據處理機制，系統具備穩定、可靠和易于擴展的特性。在未來，我們可以進一步優化視頻壓縮算法，提高數據傳輸效率和圖像質量，同時拓展更多的智能家居功能，如聯動安防設備和家電控制，實現完整的智能家居系統。
遇到的問題
云臺X軸舵機在控制時會有抖動出現，經排查由于整個云臺加上控制板太重導致X軸云臺電機輸出軸不平衡，需要對外殼以及X、Y軸傳動機構進行減重以及經軸的平衡處理，當然也可以更換驅動更強勁的舵機來進行改善。
補光不足，原本想法還是挺好的，在攝像模塊周四放置了四個 WS2812B 燈珠進行補光操作，但由于該燈珠的功率有限，實際上補光的效果很有限，只在近距離的情況下比較明顯，稍遠一些就起不到補光作用了。如有稍遠距離的補光需求，可以將其接入到智能家居中，也可以實現聯動控制。
硬件方案中設計有一個小功率的鋰電池充電電路，可以實現鋰電池的充電與供電。外殼也預留了鋰電池的接口槽，但實際使用下來還是稍有不便。應該將鋰電池放置到外殼內才對，由于在焊接PCB時已經將鋰電池接口插座焊接上了，因此在設計外殼時只考慮了接口而沒有考慮將鋰電池內置到外殼內。
心得體會
《FastBond》這活動自由度比較高，最大限度地發揮個人的想象力、創造力進行創作。當然所要求的知識也是比較全面的，一個項目下來能將自己的知識融會貫通，理論結合實踐。
最后，感謝硬禾學堂聯合 DigiKey 推出的這次活動！此次活動帶給我許多寶貴實踐經驗和機會，我們下期活動再見！
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