AI-on-the-edge-device PCB设计参考：硬件定制化开发原理图

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【免费下载链接】AI-on-the-edge-device Easy to use device for connecting "old" measuring units (water, power, gas, ...) to the digital world 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/ai/AI-on-the-edge-device

1. 项目概述与硬件架构

AI-on-the-edge-device是一款专为传统计量设备（水、电、气表等）数字化改造设计的边缘计算硬件方案，基于ESP32-CAM模组构建，集成摄像头采集、本地AI推理和网络传输功能。本设计参考提供核心硬件原理与定制化开发指南，适用于计量设备数据采集终端的硬件工程师与创客开发者。

1.1 核心硬件需求清单

功能模块	关键参数要求	选型建议
主控单元	双核32位处理器，≥4MB flash	ESP32-WROVER-E (带PSRAM)
图像采集	200万像素，支持VGA分辨率	OV2640摄像头模组
存储扩展	SPI接口，≥4GB容量	MicroSD卡插槽
网络连接	802.11 b/g/n，支持SoftAP模式	ESP32内置WiFi
电源管理	3.3V稳压输出，≤200mA工作电流	AMS1117-3.3线性稳压器
指示灯	RGB状态指示，PWM调光	WS2812B LED (SPI控制)

1.2 硬件架构框图

2. ESP32-CAM核心模块引脚定义

2.1 主控引脚分配表（基于ESP32-WROVER-E）

引脚类型	引脚编号	功能定义	复用功能	备注
电源引脚	VIN	5V电源输入	-	建议输入电压4.5-5.5V
	3.3V	3.3V稳压输出	-	最大输出电流500mA
	GND	接地	-	多接地点设计降低噪声
摄像头接口	GPIO21	CAM_XCLK	摄像头系统时钟	20MHz max
	GPIO26	CAM_SIOD	I2C_SDA (摄像头配置)	-
	GPIO27	CAM_SIOC	I2C_SCL (摄像头配置)	-
	GPIO25	CAM_VSYNC	垂直同步信号	-
	GPIO23	CAM_HREF	水平参考信号	-
	GPIO22	CAM_PCLK	像素时钟	-
	GPIO35-39	CAM_D0-D7	摄像头数据总线	模拟输入引脚复用
SD卡接口	GPIO14	SD_CLK	SPI_CLK	上拉电阻10KΩ
	GPIO15	SD_CMD	SPI_MOSI	上拉电阻10KΩ
	GPIO2	SD_D0	SPI_MISO	上拉电阻10KΩ
	GPIO13	SD_D3	SPI_CS	上拉电阻10KΩ
用户IO	GPIO33	STATUS_LED	板载红色LED	活动指示
	GPIO4	FLASH_LED	外部闪光灯控制	PWM支持
	GPIO12	USER_IO1	通用输入输出	可配置为ADC

引脚配置代码示例（code/include/defines.h）：

// 摄像头引脚定义
#define CAM_PIN_XCLK     GPIO_NUM_21
#define CAM_PIN_SIOD     GPIO_NUM_26
#define CAM_PIN_SIOC     GPIO_NUM_27
#define CAM_PIN_VSYNC    GPIO_NUM_25
#define CAM_PIN_HREF     GPIO_NUM_23
#define CAM_PIN_PCLK     GPIO_NUM_22

// SD卡引脚定义
#define GPIO_SDCARD_CLK GPIO_NUM_14
#define GPIO_SDCARD_CMD GPIO_NUM_15
#define GPIO_SDCARD_D0  GPIO_NUM_2
#define GPIO_SDCARD_D3 GPIO_NUM_13

3. 关键外设接口设计详解

3.1 摄像头模块接口电路

采用OV2640 CMOS图像传感器，支持VGA(640x480)分辨率采集，通过8位并行接口与ESP32连接。关键设计要点：

• 电源滤波：3.3V供电端串联10uH电感+100nF陶瓷电容组成π型滤波器
• 信号完整性：数据总线（D0-D7）布线长度控制在3cm内，等长处理
• 复位电路：通过GPIO32控制摄像头复位，外部上拉电阻10KΩ

3.2 SPI接口扩展设计

系统支持双SPI总线架构，主SPI用于SD卡通信，次SPI用于扩展外设：

SPI总线	引脚分配	最大速率	典型应用
HSPI_HOST	SCK(G14)/MOSI(G15)/MISO(G2)	80MHz	MicroSD卡
SPI2_HOST	SCK(G18)/MOSI(G23)/MISO(G19)	40MHz	WS2812B LED驱动

SPI初始化代码示例（code/components/jomjol_controlGPIO/SmartLeds.h）：

#define _SMARTLEDS_SPI_HOST SPI2_HOST
#define _SMARTLEDS_SPI_DMA_CHAN SPI_DMA_CH_AUTO

spi_bus_initialize(_SMARTLEDS_SPI_HOST, &buscfg, _SMARTLEDS_SPI_DMA_CHAN);
spi_bus_add_device(_SMARTLEDS_SPI_HOST, &devcfg, &_spi);

4. 电源管理设计

4.1 电源树结构

4.2 关键电源参数设计

电源节点	电压	电流需求	纹波要求	保护措施
输入电源	5V	最大2A	<100mVpp	自恢复保险丝(2.5A)
3.3V主电源	3.3V±2%	平均300mA	<50mVpp	过流保护(500mA)
1.8V模拟电源	1.8V±1%	最大50mA	<10mVpp	低压差线性稳压器

5. PCB布局指南

5.1 布局分层策略

板层	功能定义	铜厚	典型处理
Top	数字电路/信号布线	35μm	短距离布线，宽度≥0.2mm
Inner1	接地平面	70μm	完整接地，覆盖所有区域
Inner2	3.3V电源平面	70μm	按电流分区，宽走线
Bottom	模拟电路/连接器	35μm	隔离布局，避免数字噪声

5.2 关键布局约束

1. 摄像头布局：镜头方向与PCB边缘平行，FPC连接器远离高频电路
2. 天线布局：ESP32天线区域预留20x20mm净空区，避免接地过孔
3. 电源路径：3.3V主电源采用星形拓扑，从稳压器直接到各负载
4. 接地处理：模拟地与数字地通过0Ω电阻单点连接

6. 开发与调试接口

6.1 调试接口定义

引脚	功能	说明
TXD	UART_TX	调试输出(115200-8-N-1)
RXD	UART_RX	调试输入
IO0	下载模式选择	下拉进入下载模式
EN	系统复位	低电平复位

6.2 开发环境配置

PlatformIO配置示例（code/platformio.ini）：

[env:esp32cam]
platform = platformio/espressif32 @ 6.9.0
board = esp32cam
framework = espidf
build_flags = 
    -D BOARD_ESP32CAM_AITHINKER
    -D ENABLE_MQTT
    -D ENABLE_INFLUXDB
board_build.partitions = partitions.csv
monitor_speed = 115200

7. 定制化开发案例

7.1 硬件扩展接口设计

扩展功能	实现方案	关键器件
4-20mA电流输入	串联250Ω采样电阻+ADC采集	INA219电流传感器
温湿度监测	I2C接口扩展	SHT30传感器
本地显示	SPI接口OLED(128x64)	SSD1306控制器

7.2 典型应用电路 - 智能电表改造

1. 机械电表读数头：摄像头对准表盘，850nm红外补光
2. 安装支架：3D打印可调节角度支架(15-90°)
3. 电源接入：从电表取电(5V)或电池供电(6个月续航)
4. 数据传输：MQTT协议接入本地物联网平台

8. 物料清单与采购指南

元件类别	型号规格	供应商参考	单价(CNY)
ESP32模组	ESP32-CAM	安信可	35
摄像头模组	OV2640(带FPC)	淘宝eneric	18
电源管理	AMS1117-3.3	立创商城	2.5
存储	16GB MicroSD卡	闪迪	25
结构件	ESP32-CAM外壳	3D打印	15

9. 设计文件与资源

• 项目仓库：https://gitcode.com/GitHub_Trending/ai/AI-on-the-edge-device
• 硬件设计文件：hardware/PCB_SCHEMATIC_V1.2.pdf
• BOM表：hardware/BOM_V1.2.csv
• 固件烧录工具：PlatformIO + esptool

10. 定制化开发注意事项

1. 摄像头选型：优先选择带IR-CUT滤镜的型号，适应不同光照环境
2. 电源适配：根据安装场景选择供电方式(市电/电池/POE)
3. ESD防护：外露接口需增加TVS管(如SMBJ6.5A)
4. 认证要求：若用于商业用途需考虑CE/FCC认证
5. OTA升级：预留至少512KB flash空间用于OTA分区

开发建议：初次开发建议使用官方开发板(ESP32-CAM)验证功能，再进行定制化设计。生产版本建议增加硬件看门狗(如MAX706)提高系统可靠性。

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