#第六届立创电赛#ESP32 一对多无线键盘鼠标扩展器
简介
简介：开源协议
：GPL 3.0
描述
注：* 为必填项
请在报名阶段填写 ↓
* 1、项目功能介绍
很多时候出于空间和便捷性考虑，我们希望一套键盘鼠标来控制多个PC。通常情况下可以通过 KVM实现这个功能。显而易见，他们使用有线方式来进行连接，仍然会占用大量空间。这次使用 ESP32来实现无线的键盘鼠标扩展功能。
*2、项目属性
原创项目首次公开
* 3、开源协议
GPL3.0开源协议
请在竞赛阶段填写 ↓
*4、硬件部分
为了完成这个目标，选择眼下最流行的 Arduino 开发环境，配合ESP32 来实现。这次使用到了 ESP32 和 ESP32 S2两种型号的主控芯片。
首先要实现解析USB键盘鼠标的功能，通常情况下可以使用 Arduino USB Host Shield，但是因为我们需要同时解析USB键盘和鼠标，这样的方案会显得比较麻烦，另外一个原因是这个Shield的主要芯片是 Max3421e 现在价格较高（立创商城报价人民币42-65元）。因此，选择了CH9350（这是一颗国产芯片，是南京沁恒WCH出品的， 现在非常流行的 USB转串口芯片CH340 也是他们家的产品）。CH9350能够将 USB 键盘鼠标的有效信息转为串口数据。芯片特点如下：
• 支持12Mbps全速USB传输和1.5Mbps低速USB传输，兼容USB V2.0。
• 上位机端USB端口符合标准HID类协议，不需要额外安装驱动程序，支持内置HID类设备驱动的Windows、Linux、MAC等操作系统。
• 同一芯片可配置为上位机模式和下位机模式，分别连接USB-Host主机和USB键盘、鼠标。
• 支持USB键盘鼠标在BIOS界面使用，支持多媒体功能键，支持不同分辨率USB鼠标。
• 支持各种品牌的USB键盘鼠标、USB无线键盘鼠标、USB转PS2线等。
• 上位机端和下位机端支持热插拔。
• 提供发送状态引脚，支持485通讯。
• 串口支持115200/57600/38400串口通信波特率。
• 内置晶振和上电复位电路，外围电路简单。
• 支持5V、3.3V电源电压。
• 提供LQFP-48无铅封装，兼容RoHS。
同时这个款芯片立创商城报价是 25元，比Max3421便宜一大截。
然后围绕这个芯片，给DFRobot 的 FireBeetle 主控板（芯片是ESP32D32）设计一个转接板，能够将USB 键盘鼠标信号解析为串口数据。
核心是 CH9350芯片，它能够一次性支持2个 USB Host接口，下图中的 USB1 和 USB2。LED1 和 LED2 是通讯指示灯，对应的 USB1 和 USB2 如果有正常的通讯，对应的 LED会熄灭。此外，还有一个USB_Power 是USB公头，用于从外部取电，避免 FireBeetle 供电不足的情况。
PCB 设计如下：
3D 预览如下：
做出来就是这样（美中不足的因为2个USB 母头的存在，这个板子稍微大一些。另外，这个芯片引脚比较密集，焊接费了一些功夫，如果你对自己焊接技术不放心，推荐直接 SMT 避免手工焊接）：
接下来我们还需要设计和用户交互的部分，这一部分电路比较简单，有四个按钮，用于选择当前工作的接收器，另外有四个指示灯用于指示当前的工作接收器。
PCB设计如下，比较有意思的是：LED 是反贴（发光部分朝向PCB方向）在PCB背面的，然后这里使用了阻焊层，这样光线能够透过PCB照亮正面的字迹。
很遗憾 3D 预览无法展现这种效果
实物拍摄：
于是我们有了三个卡：FireBeetle，USB 键盘鼠标Shield和上面的用户交互界面卡。将三个插接在一起即可正常工作。上述就是发送端。
我们同样使用 ESP32 作为接收端，只是这里必须使用 ESP32 S2 主控，因为这款支持 USB Device ，可以方便的实现一个 USB 设备。你可以使用下面这种直接引出 USB Device的 ESP32 S2 开发板（上面一个是 CH340 下载端口，一个是 USB Device 端口）：
除此之外，还可以直接购买ESP32 S2模块自己设计引出 USB Device 引脚。
*5、软件部分
同样的，软件也有2个，一个是 键盘鼠标信息发送端，另外一个是数据接收端，还要负责模拟键盘鼠标设备。
前面提到了我们使用 CH9350进行键盘鼠标数据的解析，具体数据格式在 Data Sheet 上有描述：
解析后的数据会出现在 FireBeetle 的 Serial2 上。
首先解说发送端的关键代码：
1.初始化时，使用下面的代码对于 CH9350 发送数据，这样 Ch9350只会发送有效的信息（就是说鼠标键盘有动作才会有数据出来）。
char SwitchToMode1[] = {0x57, 0xAB, 0x12, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xFF, 0x80, 0x00, 0x20};
for (int i = 0; i < sizeof(SwitchToMode1); i++) {
Serial2.write(SwitchToMode1[i]);
}
2.ESP32 自带了一个称作 ESP-NOW 的功能，只需要简单的代码就能让两块 ESP32 轻松实现无线互联。
// 初始化 ESP-NOW
WiFi.mode(WIFI_STA);
if (esp_now_init() != ESP_OK) {
Serial.println("Error initializing ESP-NOW");
return;
}
// 设置发送数据回调函数
//esp_now_register_send_cb(OnDataSent);
// 绑定数据接收端，这里需要首先知道接收端的MAC,在文件开始处，使用下面的代码来给定 MAC
// 接收设备的 MAC 地址
// 红色 PCB 7C:DF:A1:06:70:EC
// 双TypeC 开发板 7C:DF:A1:06:5D:18
// 双TypeC 开发板 7C:DF:A1:06:77:C0
// 大绿色开发板 7C:DF:A1:06:70:A4
uint8_t Receiver1[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x70, 0xEC};
uint8_t Receiver2[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x5D, 0x18};
uint8_t Receiver3[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x70, 0xA4};
uint8_t Receiver4[] = {0x7C, 0xDF, 0xA1, 0x06, 0x77, 0xC0};
// 接下来绑定接收端的MAC
esp_now_peer_info_t peerInfo;
memcpy(peerInfo.peer_addr, Receiver1, 6);
peerInfo.channel = 0;
peerInfo.encrypt = false;
3.使用 CurrentDevice 变量来记录当前接收端的动作（一些时候我们不会希望在多台机器上进行相同的键盘鼠标动作）
if (digitalRead(BUTTON1) == LOW) {
delay(100);
if (digitalRead(BUTTON1) == LOW) {
if ((CurrentDevice & BIT0) == 0) {
CurrentDevice |= BIT0;
} else {
CurrentDevice &= (~BIT0);
}
}
}
同样的，根据当前的CurrentDevice值设定LED
if (CurrentDevice != CurrentDeviceLast) {
digitalWrite(LED1, (CurrentDevice & BIT0 ? 1 : 0));
digitalWrite(LED2, (CurrentDevice & BIT1 ? 1 : 0));
digitalWrite(LED3, (CurrentDevice & BIT2 ? 1 : 0));
digitalWrite(LED4, (CurrentDevice & BIT3 ? 1 : 0));
CurrentDeviceLast = CurrentDevice;
Serial.println(CurrentDevice, HEX);
}
4.接收USB键盘鼠标的动作之后，根据前面的CurrentDevice状态，发送给不同的接收端，只需要esp_now_send（）函数即可将数据送出：
if ((CurrentDevice & BIT0) != 0) {
// 发送数据
result = esp_now_send(Receiver1, Data, Counter);
// 检查数据是否发送成功
if (result == ESP_OK) {
// Serial.println("Sent success Receiver1");
}
else {
// Serial.println("Error sending the data to Receiver1");
}
}
上述就是发送端的关键代码，有兴趣的朋友可以直接阅读完整的代码实现。特别注意，因为我使用 DFRobot 的 FireBeetle, 所以编译时需要安装对应的 FireBeetle 支持包。
接下来介绍接收端的代码，相比发送，接收端要简单很多。同样只挑出来关键部分进行解说：
1. 无线接收的 ESP-NOW代码同样很简单，初始化之后注册回调函数即可，当收到无线信号后会自动进入esp_now_register_recv_cb（）给定的函数中进行处理
// 初始化 ESP-NOW
WiFi.mode(WIFI_STA);
if (esp_now_init() != 0) {
Serial.println("Error initializing ESP-NOW");
return;
}
// 设置接收数据回调函数
esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv);
2. 收到数据后的处理代码中会使用verifyData（）函数对接收到的数据进行校验，之后再根据数据类型使用device.directMS() 和device.directKB分别处理
// 数据接收回调函数
void OnDataRecv(const uint8_t * mac, const uint8_t *incomingData, int len) {
char *Starter = (char*)incomingData;
if (len>72) {return;}
while (Starter < (char *)(incomingData+len)) {
if (verifyData((char*)Starter, Starter[3]+4)) {
for (int i = 0; i < Starter[3]+4; i++) {
Serial.print(Starter[i], HEX);
Serial.print(" ");
}
Serial.println(" ");
// 如果是鼠标
if (((Starter[4] >> 4) & 0x3) == 0x2) {
device.directMS((char *)&Starter[5]);
}
//如果是键盘
if ((((Starter[4] >> 4) & 0x3) == 0x3)||(((Starter[4] >> 4) & 0x3) == 0x1)) {
device.directKB((char *)&Starter[5]);
}
}
Starter=&Starter[Starter[3]+4];
}//while (Start < (incomingDatalen))
}
3. 为了模拟USB键盘鼠标，我使用了 TinyUSB 库，这个库中自带一个KB MS复合设备的代码（hidcomposite.cpp） ，美中不足的是代码没有支持RAW 格式发送鼠标键盘数据。为此，在代码中添加如下函数支持这个功能，即将收到的数据原封不动的发送为鼠标或者键盘的动作：
//LABZ_Debug_Start
void HIDcomposite::directKB(char *data)
{
uint8_t keycode[6]={data[2],data[3],data[4],data[5],data[6],data[7]};
if (tud_hid_ready())
{
// KEYBOARD: convenient helper to send keyboard report if application
// use template layout report as defined by hid_keyboard_report_t
tud_hid_keyboard_report(report_keyboard,data[0], keycode);
}
}
//LABZ_Debug_End
//LABZ_Debug_Start
void HIDcomposite::directMS(char *data)
{
if (tud_hid_ready())
{
// uint8_t report_id, uint8_t buttons, int8_t x, int8_t y, int8_t vertical, int8_t horizontal
tud_hid_mouse_report(report_mouse, data[0], data[1], data[2], data[3], 0);
}
}
//LABZ_Debug_End
*6、BOM清单
用户界面板
|
ID |
Name |
Designator |
Footprint |
Quantity |
Manufacturer Part |
Manufacturer |
Supplier |
Supplier Part |
Price |
|
1 |
KT-1206Red LED |
LED1,LED2,LED3,LED4 |
LED1206-R-RD |
4 |
KT-1206Red LED |
KENTO |
LCSC |
C49018 |
0.0738 |
|
2 |
10K |
R1,R2 |
R1206 |
2 |
CR1206F10K7P05 |
Ever Ohms Tech |
LCSC |
C245447 |
0.0391 |
|
3 |
FireBeelte ESP32 |
U1 |
DFROBOT FIREBEETLE |
1 |
DFRobot |
||||
|
4 |
10K |
R3,R4 |
R1206 |
2 |
CR1206F10K7P05 |
Ever Ohms Tech |
LCSC |
C245447 |
0.0391 |
|
5 |
1TS005A-2700-5001 |
DEV1,DEV2,DEV3,DEV4 |
SW-TH_4P-L6.0-W6.0-P4.50-LS6.5 |
4 |
1TS005A-2700-5001 |
HYP |
LCSC |
C319408 |
0.161
|
CH9350 Shield
|
ID |
Name |
Designator |
Footprint |
Quantity |
Manufacturer Part |
Manufacturer |
Supplier |
Supplier Part |
Price |
|
1 |
3.3uf |
C2 |
C1206 |
1 |
TCC1206X7R561K501DT |
CCTC |
LCSC |
C377112 |
0.1299 |
|
2 |
0.1uf |
C3 |
C1206 |
1 |
TCC1206X7R561K501DT |
CCTC |
LCSC |
C377112 |
0.1299 |
|
3 |
100uf |
C5,C4 |
C1206 |
2 |
TCC1206X7R561K501DT |
CCTC |
LCSC |
C377112 |
0.1299 |
|
4 |
2.54mm 1*2P |
DPOWER1 |
HDR-TH_2P-P2.54-V-M |
1 |
2.54mm 1*2P |
ReliaPro |
LCSC |
C36717 |
0.0372 |
|
5 |
短接电阻 |
JP2 |
短接焊盘 |
1 |
TTOOAADD |
||||
|
6 |
LED |
LED2,LED1 |
LED1206-R-RD |
2 |
KT-1206Red LED |
KENTO |
LCSC |
C49018 |
0.0738 |
|
7 |
1K |
R3,R4 |
R1206 |
2 |
R1206RXX102XJ04LTC |
Shenzhen Eyang Tech Development |
LCSC |
C267247 |
0.0201 |
|
8 |
CH9350L |
U1 |
LQFP-48_L7.0-W7.0-P0.50-LS9.0-BL |
1 |
CH9350L |
WCH |
LCSC |
C109472 |
25.69 |
|
9 |
FireBeelte ESP32 |
U2 |
DFROBOT FIREBEETLE |
1 |
DFRobot |
||||
|
10 |
U2 |
USB1,USB2 |
USB-A-TH_U-A-24DD-Y-1 |
2 |
U-A-24DD-Y-1 |
Rectangular Connectors - Contacts |
LCSC |
C193133 |
0.8234 |
|
11 |
USB-212-BCW |
USB-POWER |
USB-A-SMD_USB-212-BCW |
1 |
USB-212-BCW |
XUNPU |
LCSC |
C720521 |
0.4174 |
*7、大赛LOGO验证
* 8、演示您的项目并录制成视频上传
视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内；
视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。
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设计图
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暂无BOM
克隆工程
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