基于ESP32-S3打造一个手持设备，内置 LoRa、GPS 功能，还配备了 USB-C 接口

mesh_hand 是一款小巧的开源型 Meshtastic 手持设备，专为实验、远足以及学习嵌入式硬件设计而设计。

我想要更深入地了解射频系统、电源管理、印刷电路板布局以及便携式通信设备，所以我没有购买现有的 Meshtastic 节点，而是完全从零开始在 KiCad 软件中设计了自己的设备。

该项目采用的是 ESP32-S3-WROOM-1U 和 E22-900M30S LoRa 模块，采用紧凑的 75×50 毫米尺寸设计，具备 USB-C 接口、GPS 支持、电池充电功能以及外置 SMA 天线。

这个项目目前仍处于试验阶段，但它已经让我学到了很多东西，具体包括：

•射频硬件

•热管理

•电源设计

•印刷电路板组装

•调试嵌入式系统

目标

该项目的主要目标是：

•打造一款便携式的 Meshtastic 手持设备

•学习射频和嵌入式印刷电路板设计

•创建完全开源的项目

•尝试开展离网通信实验

•最终要扩大“MeshTastic”网络在我所在地区和学校的覆盖范围

硬件概述

主要特点

•ESP32-S3-WROOM-1U-N16R8

•E22-900M30S 型 LoRa 模块

•NEO-M9N 兼容 GPS 功能

•USB-C 连接功能

•IP5306 电源管理

•1S2P 18650 电池支架

•适用于 LoRa 和 GPS 的外部 SMA 连接器

•SSD1306 接口支持

•采用 KiCad 设计而成

由 PCBWay 制造

PCB 设计

该电路板完全是在 KiCad 软件中设计完成的，其重点在于保持手持设备的紧凑尺寸，同时还要具备以下功能：

•USB-C 电源

•LoRa(低功耗广域网技术)

•全球定位系统

•电池充电

•调试功能

•状态指示灯

该印刷电路板的尺寸约为 75 毫米×50 毫米。

其中一个设计目标是通过使用 E22-900M30S 模块而非裸露的射频集成电路，使射频部分的组装过程更加简便。

装配

该板体大部分是通过手工方式组装而成的，其使用材料为：

•电烙铁

•热空气站

•焊剂

最难焊接的部分是那个小小的 3.3V 脉冲式降压转换器，因为它的封装尺寸极其小巧。

与一些较小的功率元件相比，E22-900M30S 模块的焊接操作要容易得多。

首次启动

该主板在首次测试中就成功启动，使用的是一个简单的闪烁程序。

在确认 ESP32-S3 正常运行之后，我安装了 Meshtastic 程序并测试了 LoRa 传输功能。

目前该板卡能够正常传输信号，不过接收测试却很困难，因为我的所在区域基本上处于 MeshTastic 的信号盲区之中。

ESP32-S3 USB 问题

最初的 ESP32-S3-WROOM-1U-N8 模块存在 USB 稳定性问题和随机重启现象，尤其是在炎热的户外环境下更为明显。

更换模块型号并提高电源稳定性有助于解决这一问题。

电感电流额定值错误

其中一个主要问题是降压和升压转换电路中的电感尺寸过小。

原始的电感器的额定值仅为：

•210 毫安

•2.1A

但该设计所需的电流容量要大得多。

虽然电力系统在技术上是可行的，但在较大负载的情况下却并不稳定。

未来的修订版本将采用更高电流的电感器，并改进功率计算方法。

热问题

LoRa 无线电模块和 ESP32-S3 在运行过程中都会明显发热，尤其是在户外以 30 分贝毫瓦的功率进行传输时更是如此。

为降低温度：

•传输功率有时会降低至 10 分贝毫瓦。

•未来的修订版可能会配备散热器以及改进的散热设计。

SSD1306 标签损坏

该电路板原本具备支持 SSD1306 显示屏的功能，但其插脚在运输过程中受损并脱落了。

未来的改进版本将增强连接区域周围的机械强度。

未来改进措施

未来版本的计划升级内容包括：

•优化的热管理

•更强的显示连接器垫片

•修订后的电力系统

•更大的电容器

•移除不必要的传感器/组件

•3D 打印外壳

•更完善的 MeshTastic 实地测试

本文编译自hackster.io