[C/C++] ESP32-S2实战：WiFi与FM双模收音机系统设计与开发教程

本项目基于ESP32-S2-MINI-1模组，设计并实现了一个集成WiFi网络电台与FM模拟电台功能的多模式收音机系统。系统配备了OLED显示屏用于信息交互，支持按键控制与NTP网络自动校时，可在时间显示、FM调频、网络电台等多个功能页面间切换。整个系统在资源受限（无外部PSRAM）的硬件平台上稳定运行。

系统功能介绍

1. 核心功能

• 双模收音：支持接收网络流媒体电台与本地FM广播信号，可通过物理按键进行模式切换与频道选择。
• 信息显示：在OLED屏幕上实时显示当前模式下的关键信息，如网络电台的IP地址、节目名称或FM频率。
• 自动校时：开机后自动通过NTP服务器同步并显示精确的年、月、日、时、分、秒。

2. 开发环境

• Arduino IDE v1.8.16: 开源电子原型平台。
• Visual Studio Code v1.60.0: 功能强大的跨平台源代码编辑器。
• VSCode Arduino扩展: 用于在VSCode中开发Arduino项目。
• arduino-esp32 v2.0.0: ESP32系列的Arduino核心库。
• U8g2库: 用于驱动OLED显示屏的图形库。
• RDA5807库: 用于控制RDA5807M FM收音机模块的库。

3. 硬件清单

• 主控: ESP32-S2-MINI-1 (基于ESP32-S2芯片，320KB SRAM，无PSRAM)。
• 收音模块: RDA5807M FM接收模块。

快速使用指南

方法一：使用预编译固件

1. 下载已编译好的二进制文件 eetree.ino.esp32s2.bin。
2. 在电脑上安装CH340 USB转串口驱动。
3. 使用Arduino IDE的“上传”功能将二进制文件烧录至开发板。

方法二：从源码编译烧录

1. 配置WiFi：在代码中修改您的WiFi SSID和密码。

   const char* SSID     = "Your_WiFi_SSID";
   const char* PASSWD = "Your_WiFi_Password";

2. 配置网络电台服务器：设置网络电台服务器的IP地址与端口号。

   const char* WEBSERVERIP = "192.168.1.55";
   const char* WEBSERVERPORT = 8888;

3. 设置FM起始搜索频率：在 searchFM() 函数中设置初始频率（单位: 10kHz）。

   void searchFM() {
       ...
       rx.setFrequency(9600); // 即 96.0 MHz
       ...
   }

4. 安装CH340驱动。
5. 使用Arduino IDE或VSCode编译并上传代码至ESP32-S2开发板。

系统运行演示

设备上电后：

1. 首先显示“John Radio”品牌Logo页面。
2. 初始化成功后，系统将在三个主页面间循环（通过按键1切换）：
   • 时间页面：显示从NTP服务器同步的精确时间。
   • FM收音机页面：显示当前FM频率，通过按键2可切换至搜索到的其他电台频率。
   • 网络收音机页面：显示已连接的网络电台服务器IP与端口。

1. 编译输出日志
编译完成后，IDE会输出存储空间占用情况，示例如下：

项目使用了 722978 字节，占用了 (55%) 程序存储空间。最大为 1310720 字节。
全局变量使用了37348字节，(11%)的动态内存，余留290332字节局部变量。最大为327680字节。

随后是esptool工具烧录固件的详细过程日志。

2. 运行串口日志
系统运行时会通过串口打印调试信息，例如WiFi连接IP、FM搜台过程等：

192.168.43.143
Search FM8710:0
Search FM8720:0
Search FM8730:1
Good Frequency: 8760
...
info: FM Radio Page
info: Net Radio Page
info: Datetime Page

3. 设备运行效果图

已知问题与局限

1. 初始化依赖：上电时若WiFi连接失败或NTP校时失败，系统会停留在Logo界面无法进入主功能。
2. 按键抖动：长按按键可能触发多次检测，导致页面非预期快速切换。
3. 音频输出：关闭扬声器输出后，FM音频信号可能仍会从耳机插孔输出。

开发笔记与思路

1. 项目优化展望

• 产品竞争力：相较于手机，专用收音机设备成本更低、续航更长、功能专注且体积小巧。
• 未来改进：可考虑增加电池模块提升便携性；集成蓝牙模块以支持蓝牙音频功能。

2. 开发环境搭建步骤

1. 下载并安装 Arduino IDE。
2. 下载并安装 Visual Studio Code。
3. 在VSCode中安装“Arduino”扩展。
4. 在VSCode设置中添加ESP32开发板支持源。

   "arduino.additionalUrls": [
       "https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_dev_index.json"
   ]

5. 通过Arduino库管理器或VSCode安装 U8g2 和 RDA5807 第三方库。

3. 核心软件流程

• 初始化阶段 (setup())：依次初始化GPIO、串口、显示屏、连接WiFi、初始化FM模块并搜台、配置NTP校时、设置按键引脚。

  void setup() {
      pinMode(41, OUTPUT);
      Serial.begin(115200);
      mointorInit();
      displayWelcome();
      IPAddress = WifiConnecttion();
      fmInit();
      searchFM();
      configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
      pinMode(button1, INPUT_PULLUP);
      // ... 其他初始化
  }

• 主循环 (loop())：持续刷新显示、监听四个按键状态，并根据按键标志位执行相应的功能（切页、调台等）。当处于网络电台模式时，调用 playMusic() 函数处理音频流。

  void loop() {
      displayMessage();
      // 检测按键1
      if (digitalRead(button1) == LOW) {
          delay(50); // 简单消抖
          if (digitalRead(button1) == LOW) {
              buttonFlag = 1;
          }
      }
      // ... 检测其他按键
      if (buttonFlag != 0) {
          FunctionUp(); // 执行按键功能
      }
      if (curr_sour == 2) { // 当前为网络电台源
          playMusic();
      }
      buttonFlag = 0;
  }

• WiFi连接：采用STA模式连接指定热点。

  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(SSID, PASSWD);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
      delay(400);
  }

• FM自动搜台：从起始频率开始步进扫描，根据信号强度(RSSI)和立体声标志判断有效电台并存储。

  void searchFM() {
      uint16_t i = 0;
      uint8_t num = 0;
      rx.setFrequency(9600); // 起始频率
      while (i < 210) { // 扫描范围
          delay(100);
          if (rx.isStereo() && rx.getRssi() > 20) {
              fmstation[num++] = rx.getFrequency();
              Serial.print("Good Frequency: ");
              Serial.println(rx.getFrequency());
              if (num >= MAX_STATIONS) return;
          }
          rx.setFrequencyUp(); // 频率步增
          i++;
      }
  }

开发中遇到的问题与解决

1. 提升编译速度

• 问题：在Windows下，即使使用VSCode，Arduino项目的二次编译速度仍不理想，影响调试效率。
• 解决：
  • 在项目.vscode设置中优化构建参数，可有效提升增量编译速度。
  • 迁移至Linux开发环境，实测编译速度提升超过80%。对于嵌入式开发，Linux下的工具链通常效率更高。

2. VSCode中ESP32库支持异常

• 问题：因网络问题，通过Git克隆arduino-esp32库后手动安装，导致VSCode无法识别开发板。
• 解决：
  • 彻底删除手动安装的库，通过VSCode内的“开发板管理器”在线安装，确保依赖关系正确。
  • 若网络不稳定导致在线安装失败，可根据命令行提示的URL，先用下载工具获取对应的zip包，手动放置于Arduino15/staging/packages目录下，再执行安装命令，IDE会自动使用本地文件。