使用WebSocket协议实现在ESP32上音频接收播放

使用WebSocket协议实现在ESP32上音频接收播放

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_58445456/article/details/142185720

本文将介绍如何使用WebSocket协议在ESP32上实现音频的接收和播放。通过搭建一个简易的WebSocket服务器，我们将展示如何将音频数据从服务器传输到ESP32，并通过I2S音频放大模块进行播放。

WebSocket是一种网络通信协议，位于OSI模型的应用层。它提供了在单个TCP连接上进行全双工通信的能力，使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加实时和高效。

WebSocket协议主要特点如下：

• 全双工通信：在WebSocket协议下，客户端和服务器可以在任何时候，互相发送消息，而不需要轮询。
• 持久连接：一旦建立WebSocket连接，客户端和服务器之间的连接会持续开放，直到任何一方显式地关闭连接。
• 减少开销：与HTTP相比，WebSocket减少了频繁的头部和握手信息，因此在大量数据交换时，可以减少延迟。
• 握手：WebSocket连接的建立是基于HTTP的，使用HTTP的Upgrade头从HTTP协议切换到WebSocket协议。
• 消息格式：WebSocket传输的数据可以是文本格式，也可以是二进制格式。
• 服务器推送：服务器可以主动推送信息到客户端，这对于实时应用，如在线游戏、实时交易系统等是非常有用的。

WebSocket协议广泛应用于需要实时互动的应用中，如即时聊天、游戏、实时交易系统、在线协作工具等。

WebSocket协议的URL以ws://或wss://开始，其中wss://表示使用了SSL加密的WebSocket连接。这个协议在现代的浏览器中得到了广泛的支持。

ESP32是一款由乐鑫信息科技（Espressif Systems）推出的低成本、低功耗的系统级芯片（SoC），它集成了Wi-Fi和双模蓝牙（经典蓝牙/蓝牙低功耗BLE）功能。ESP32适用于各种物联网（IoT）应用、智能家居项目、无线通信产品以及其他需要网络连接的嵌入式系统。

服务器端（发送音频）

由于WebSocket可接受的url地址是ws://和wss://（加密）格式的，网上暂时没有找到现成的地址，因此验证时可以自己搭建一个简易服务器。

环境搭建：Python3.12 Pycharm
需安装包：pip install asyncio websockets wave

服务器地址和端口：本电脑当服务器，IP地址就填本电脑的。端口号可以自己配置

查看自己电脑的IP地址请参考：如何快速查看电脑ip地址？四种方法告诉你_电脑ip地址查询-CSDN博客

音频文件：daoxiang.wav

启动方式：点击运行WebServer.py（当前脚本），服务器启动，一直运行

具体代码：

import asyncio
import websockets
import wave

# 服务器地址和端口
HOST = '172.19.1.180' # 可以替换为服务器的实际 IP 地址或域名(本电脑的IP地址)
PORT = 8765 # WebSocket 服务器端口

# 音频文件路径
AUDIO_FILE_PATH = 'D:\\daoxiang.wav' # 音频文件路径

async def send_audio(websocket, path):
    print(f"客户端已连接: {websocket.remote_address}")
    # 打开音频文件
    try:
        with wave.open(AUDIO_FILE_PATH, 'rb') as wf:
            print(f"音频文件 {AUDIO_FILE_PATH} 已打开.")
            # 获取音频文件参数
            chunk_size = 1024 # 每次发送的数据块大小
            n_channels = wf.getnchannels()
            sampwidth = wf.getsampwidth()
            framerate = wf.getframerate()
            print(f"音频参数: {n_channels} 通道, {sampwidth} 字节样本宽度, {framerate} 采样率.")
            # 逐块读取音频数据并发送给客户端
            while True:
                audio_data = wf.readframes(chunk_size)
                if not audio_data: # 如果读取完所有数据，退出循环
                    break
                # 发送音频数据给客户端
                await websocket.send(audio_data)
                await asyncio.sleep(0.01) # 确保非阻塞发送，控制发送速度
    except websockets.ConnectionClosed as e:
        print(f"客户端断开连接: {e}")
    except Exception as e:
        print(f"发生错误: {e}")

async def start_server():
    # 创建 WebSocket 服务器
    async with websockets.serve(send_audio, HOST, PORT):
        print(f"WebSocket 服务器已启动: ws://{HOST}:{PORT}/")
        await asyncio.Future() # 运行服务器，直到手动停止

# 运行服务器
asyncio.run(start_server())

接收端（接收音频并播放）

a. ESP32S3

Arduino需安装WebSockets包（这里是2.3.6版本，其他版本兼容性未做测试）：

MAX98357 I2S AMP（Speaker – 和 + 连接扬声器）

代码如下：

#include "Arduino.h"
#include "WiFi.h"
#include <WebSocketsClient.h>
#include <driver/i2s.h> // 使用ESP32 I2S库

// WiFi 信息
const char* ssid = "your wifi"; // 替换为WiFi名称
const char* password = "12345678"; // 替换为WiFi密码

// WebSocket 服务器信息
const char* websocket_server = "172.19.1.170"; // 替换为WebSocket服务器IP地址
const uint16_t websocket_port = 8765; // WebSocket服务器端口
const char* websocket_path = "/"; // WebSocket路径

WebSocketsClient webSocket; // 创建 WebSocket 客户端对象

void onWebSocketEvent(WStype_t type, uint8_t * payload, size_t length) {
    switch (type) {
        case WStype_CONNECTED:
            Serial.println("Connected to WebSocket server");
            break;
        case WStype_DISCONNECTED:
            Serial.println("Disconnected from WebSocket server");
            break;
        case WStype_BIN:
            // 将接收到的二进制音频数据写入 I2S
            size_t bytes_written;
            i2s_write(I2S_NUM_0, payload, length, &bytes_written, portMAX_DELAY);
            break;
        case WStype_ERROR:
            Serial.println("WebSocket Error");
            break;
        default:
            break;
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    // 连接到 WiFi
    WiFi.disconnect();
    WiFi.mode(WIFI_STA);
    WiFi.begin(ssid, password);
    // 等待连接到 WiFi
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
        delay(500);
        Serial.print(".");
    }
    Serial.println("Connected to WiFi");

    // 初始化 I2S
    i2s_config_t i2s_config = {
        .mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX),
        .sample_rate = 44100,
        .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
        .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT,
        .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_I2S_MSB,
        .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,
        .dma_buf_count = 8,
        .dma_buf_len = 1024,
        .use_apll = false,
        .tx_desc_auto_clear = true,
        .fixed_mclk = 0
    };

    i2s_pin_config_t pin_config = {
        .bck_io_num = 3, // BCLK 引脚
        .ws_io_num = 4, // LRC 引脚
        .data_out_num = 5, // DATA 输出引脚
        .data_in_num = I2S_PIN_NO_CHANGE
    };

    // 配置 I2S 接口
    i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &i2s_config, 0, NULL);
    i2s_set_pin(I2S_NUM_0, &pin_config);
    i2s_zero_dma_buffer(I2S_NUM_0);

    // 初始化 WebSocket 客户端
    webSocket.begin(websocket_server, websocket_port, websocket_path);
    webSocket.onEvent(onWebSocketEvent); // 设置 WebSocket 事件处理函数

    // 开始 WebSocket 连接
    webSocket.setReconnectInterval(5000); // 自动重连间隔
}

void loop() {
    webSocket.loop(); // 处理 WebSocket 客户端事件
}

b.另一台PC运行py脚本

用于验证搭建的简易服务器是否在工作。

环境搭建：Python3.12 Pycharm
需安装包：pip install asyncio websockets pyaudio
服务器地址和端口：填服务器的IP地址和端口号如

WebSocket服务器的URL

WS_URL="ws://192.168.127.22:8765/" #服务器的实际IP地址或域名
配置音频播放参数：
CHUNK=1024 #每个数据块的大小
FORMAT=pyaudio.paInt16 #音频格式
CHANNELS=2 #音频通道数量
RATE=44100 #采样率
启动方式：点击运行WebClient.py（当前脚本），确保服务器是在启动状态，连接音频设备，可以听到声音。

代码如下：

import asyncio
import websockets
import pyaudio

# WebSocket 服务器的 URL
WS_URL = "ws://192.168.127.22:8765/" # 服务器的实际 IP 地址或域名

# 配置音频播放参数
CHUNK = 1024 # 每个数据块的大小
FORMAT = pyaudio.paInt16 # 音频格式
CHANNELS = 2 # 音频通道数量（立体声）
RATE = 44100 # 采样率（每秒样本数）

# 初始化 PyAudio
audio = pyaudio.PyAudio()

# 创建流对象用于音频播放
stream = audio.open(format=FORMAT,
                    channels=CHANNELS,
                    rate=RATE,
                    output=True,
                    frames_per_buffer=CHUNK)

async def play_audio_from_websocket():
    async with websockets.connect(WS_URL) as websocket:
        print("已连接到 WebSocket 服务器...")
        try:
            while True:
                # 接收音频数据
                audio_data = await websocket.recv()
                # 将接收到的数据写入到音频流中播放
                stream.write(audio_data)
        except websockets.ConnectionClosed as e:
            print(f"WebSocket 连接关闭: {e}")
        except Exception as e:
            print(f"发生错误: {e}")

# 运行异步任务
asyncio.run(play_audio_from_websocket())

# 关闭流和 PyAudio
stream.stop_stream()
stream.close()
audio.terminate()