基于ESP32-S3开发一个适用于乐高双子星火车的手持控制器

我的孙辈们非常喜欢玩乐高双子星火车。这列火车配有声音输出、RGB前部LED灯以及光学传感器，可对放置在轨道之间的彩色板做出反应。但最棒的是，这款乐高火车可以通过BLE指令进行完全控制，而且更进一步，该协议已由乐高官方文档化。因此，我打算利用这一文档化的BLE协议，为这款乐高火车开发一个简单的手持遥控器。得益于Cornelius Munz开发的Legion库，它支持Arduino工具环境，这对我非常有帮助。

于是，我基于ESP32-S3开发了一个适用于乐高双子星火车的手持控制器，实现了BLE通信、确定性命令处理、重放/录制功能、传感器路由以及低功耗的睡眠与唤醒行为。

概述

本仓库包含控制器的完整实现包：

- 应用逻辑和BLE运行时的固件源码

- 模拟电路/PCB设计文件及制造输出

- OpenSCAD封装源码及3D打印资源

目标硬件为ESP32-S3开发板，配备一个RGB状态指示灯、六个通过ADC电阻阶梯连接的前面板按钮，以及一个带按钮的旋转编码器。

在运行时，固件将BLE处理与UI/控制逻辑分离，并采用基于队列的跨任务通信。其带来的特性包括：

- 连接/重新连接阶段的非阻塞命令流

- 明确区分BLE链路建立状态与应用就绪状态

- 电源循环后稳定的重新连接行为

- 使用固定大小命令缓冲区实现确定性的重放/录制功能

- 支持可控的睡眠进入和定义好的唤醒路径，实现功耗管理

以下是该控制器的一些图片：

控制器主板上仅包含ESP32-S3超级迷你芯片、6个按钮、带按钮的旋转编码器、一些SMD电阻和电容，以及一块小型锂电池。电池可通过连接到USB端口时由ESP32进行充电。ESP32上的RGB LED用于向用户提供反馈信息。

硬件要求

- ESP32-S3 板，带 RGB LED 和 USB-C 充电接口

- ADC 电阻阶梯上带有 6 个按钮

- 带按钮的旋转编码器

- LEGO DUPLO 拼装火车轮毂

硬件图库

控制器与PCB 3D视图

原理图

制造

我多年来一直使用PCBWay进行PCB制造，始终在生产质量、交货周期、发货可靠性以及整体价格方面获得了极佳的体验。

对于本次控制器版本的开发，我也使用了PCB组装服务。结果尤其令人满意：当我于BOM中做出一些轻微的元器件选择错误时，PCBWay工程师主动联系我，及时澄清问题，并在生产前迅速协助解决了所有问题。对于未来更复杂的设计，尤其是SMD元件密度更高的电路板，我现在已将这种组装流程作为首选方式。

当前功能状态

已实现的功能(高层)：

- 自动连接DUPLO列车的BLE

- 实际应用中，列车断电后约2至3秒内可重新连接

- 到达就绪状态后立即接受指令

- UI逻辑与BLE通信分离，支持线程安全

- 记录并回放用户交互操作，并附带时间戳

- 处理颜色、速度和电压传感器数据

- 通过稳定性定时器对颜色传感器进行去抖处理

- 无活动5分钟后进入休眠状态

- 可通过编码器按钮唤醒，包括RTC和GPIO的备用方式

- 启动时仅在有意保持编码器锁定的情况下上传窗口

状态指示灯

控制器LED指示当前状态如下：

•黄色闪烁：控制器正在启动

•蓝色闪烁：BLE连接已建立，但集线器初始化仍在进行

•绿色闪烁：集线器正常运行，可执行命令

•绿色偶尔短脉冲：处于运行或空闲状态

•紫色闪烁：正在记录中

•黄色闪烁：正在回放中

•红色常亮：紧急停止已激活

•红色短闪序列：列车低电压警告

•白色闪烁：集线器已断开连接

•5次绿色：唤醒睡眠状态确认

•2次红色：进入睡眠状态提示

重要提示：现在绿色不仅表示“已连接”，更表示“已准备好接收指令”。

控制

•旋转编码器：设置速度(反向、停止、正向)

•短按编码器：从睡眠状态唤醒

•启动时长按住编码器 ≥2 秒：打开10秒上传窗口

•REC：开始/停止录制

•PLAY：播放最新一次录制

•STOP：停止回放/录制，并切换紧急停止

•LIGHT：循环列车灯光颜色

•SOUND：循环声音

•WATER：触发水动作

本文编译自hackster.io