分享科技與遊戲 by HKGoldenMr.A: 使用 Mini D1 ESP32 製作藍牙HID鍵盤

2022-05-12

使用 Mini D1 ESP32 製作藍牙HID鍵盤

上次使用 Arduino Pro Micro 模擬鍵盤按鍵操作，但 iOS 無法簡單地透過 USB連接鍵盤及電腦
需要透過藍牙裝置才能將鍵盤按鍵的效果傳送給 iOS ，因此在下又要測試新零件

Mini D1 ESP32
- 外觀
- 引腳
Arduino IDE
BLE Keyboard
製作轉接器
- 線路原型
- 實際線路
重新設計
- 欄列按鈕配對
- 對應功能
補充資料
總結
參考資料

Mini D1 ESP32

外觀

Mini D1 ESP32 正面

Mini D1 ESP32 使用 ESP-WROOM-32 晶片
是一種具備 WiFi 及 Bluetooth Low Energy (BLE) 的混合型微控制器模組

CH9102X 是一種能將電子訊號轉換成 USB訊號的晶片

Mini D1 ESP32 背面，印有引腳功能
(由於不需要用盡所有引腳，因此在下只焊接需要使用的引腳)

Mini D1 ESP32 使用 Micro USB Type-B 插口

Micro USB Type-B 插口旁邊有重新啟動按鈕

引腳

Mini D1 ESP32 共有 40支引腳，其中38支引腳是由 ESP32-WROOM-32 轉接的引腳
但經 Mini D1 ESP32 轉接的引腳並非傳統的雙列直插封裝 (Dual Inline Package (DIP))
無法簡單地安裝到麵包板上(除非不焊接其中一排引腳)
另外由於 Mini D1 ESP32 的引腳文字印刷到底部，但使用時通常是正面向上，因此無法看到文字
因此在下以正面的方式將排列列出，方便查看引腳用途

Micro USB Type-B (正面)
1	20	21	40
2	19	22	39
3	18	23	38
4	17	24	37
5	16	25	36
6	15	26	35
7	14	27	34
8	13	28	33
9	12	29	32
10	11	30	31

印刷的引腳名稱比較難明白用途，因此在下使用官方說明文件的用途來命名

編號	引腳	方向	功能
1	S6	特殊	GP6引腳，韌體SPI整合SCK引腳，不能獨立使用
2	S8	特殊	GP8引腳，韌體SPI整合MISO引腳，不能獨立使用
3	IO2	輸入/輸出	GP2數碼引腳，提供接觸訊號，電路板LED
4	IO0	輸入/輸出	GP0數碼引腳，提供接觸訊號
5	IO4	輸入/輸出	GP4數碼引腳，提供接觸訊號
6	IO12	輸入/輸出	GP12數碼引腳，提供接觸訊號
7	IO32	輸入/輸出	GP33數碼引腳，提供接觸訊號
8	IO25	輸入/輸出	GP25數碼引腳
9	IO27	輸入/輸出	GP27數碼引腳，提供接觸訊號
10	GND		接地
11	U1	特殊	GP1引腳，UART整合TXD引腳，不能獨立使用
12	U3	特殊	GP3引腳，UART整合RXD引腳，不能獨立使用
13	IO22	輸入/輸出	GP22數碼引腳，硬件SPI的WP引腳，硬件I²C的SCL引腳
14	IO21	輸入/輸出	GP21數碼引腳，硬件SPI的HOLD引腳，硬件I²C的SDA引腳
15	IO17	輸入/輸出	GP17數碼引腳
16	IO16	輸入/輸出	GP16數碼引腳
17	GND		接地
18	5V		輸出 5V 電壓
19	IO15	輸入/輸出	GP15數碼引腳，提供接觸訊號
20	S7	特殊	GP7引腳，韌體SPI整合MOSI引腳，不能獨立使用
21	S10	特殊	GP10引腳，韌體SPI整合WP引腳，不能獨立使用
22	IO13	輸入/輸出	GP13數碼引腳，提供接觸訊號
23	3V3		輸出 3.3V 電壓
24	IO5	輸入/輸出	GP5數碼引腳，硬件SPI的SS引腳
25	IO23	輸入/輸出	GP23數碼引腳，硬件SPI的MOSI引腳
26	IO19	輸入/輸出	GP18數碼引腳，硬件SPI的MISO引腳
27	IO18	輸入/輸出	GP18數碼引腳，硬件SPI的SCK引腳
28	IO26	輸入/輸出	GP26數碼引腳
29	I36	輸入	GP36引腳，只接受數碼輸入用途
30	RST
31	GND		接地
32	NC		無效引腳
33	I39	輸入	GP39引腳，只接受數碼輸入用途
34	I35	輸入	GP35引腳，只接受數碼輸入用途
35	IO33	輸入/輸出	GP33數碼引腳，提供接觸訊號
36	I34	輸入	GP34引腳，只接受數碼輸入用途
37	IO14	輸入/輸出	GP14數碼引腳，提供接觸訊號
38	NC		無效引腳
39	S9	特殊	GP9引腳，韌體SPI整合HOLD引腳，不能獨立使用
40	S11	特殊	GP11引腳，韌體SPI整合SS引腳，不能獨立使用

Arduino IDE

Mini D1 ESP32 可以透過 Arduino IDE 上載 Sketch
但需要先安裝及設定一些資料

到 Arduino IDE 的 File > Preferences

在 Additional Boards Managers URLs 輸入

https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

然後按 OK

Tools > Board: > Boards Manager...

在搜尋欄位尋找 esp32
找到由 Espressif Systems 提供的 ESP32

按 Install 並等待下載及安裝

安裝支援 ESP32 後，到 Tools > Board: > ESP32 Arduino > WEMOS D1 MINI ESP32

Tools > Upload Speed: > 115200
其實不一定使用 115200 ，只是 115200 是比較見用的鮑率
使用最高速度的 921600 同樣能夠上載 Sketch

在下編寫一個讓 Mini D1 ESP32 的 LED 閃動的 Sketch

void setup() {
        pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
        digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));
        delay(500);
}

但編譯 Sketch 出現

exec: "python": executable file not found in $PATH
Error compiling for board WEMOS D1 MINI ESP32.

在 Terminal 輪入

sudo apt install python-is-python3

或按此下載 python-is-python3

安裝 python-is-python3 雖然修正 PATH 的錯誤，但出現另一個錯誤

Traceback (most recent call last):
    File "${HOME}/.arduino15/packages/esp32/tools/esptool_py/3.0.0/esptool.py", line 38, in <module>
        import serial
moduleNotFoundError: No module named 'serial'
exit status 1
Error compiling for board WEMOS D1 MINI ESP32.

既然顯示 esptool 找不到 serial ，因此在下在 Terminal 輪入

pip install esptool

嘗試讓 pip 自動安裝需要使用的 python 套件
但原來在下一直都未安裝 pip

因此先在 Terminal 輸入

sudo apt install python3-pip

或按此下載 python3-pip

安裝 pip 後，再次輸入

pip install esptool

便可以下載及安裝 esptool 及相關套件
(注意：不需要使用 sudo 來執行 pip)

編譯沒有出現錯誤

將 Sketch 上載到 Mini D1 ESP32

電路板上的LED 每500毫秒閃動

BLE Keyboard

BLE Keyboard 函式庫提供與 Keyboard.h 相似的語法及供能，更加容易編寫模擬藍牙鍵盤的功能
但 BLE Keyboard 沒有在 Arduino 函式庫列表上登記，因此需要自行下載及安裝

到 https://github.com/T-vK/ESP32-BLE-Keyboard

到 Releases 頁面，下載最新版本的 ESP32-BLE-Keyboard.zip
(如果擔心函式庫被移除，請自行保存)

開啟 Arduino IDE ，到 Include Library > Add .ZIP Library...

選擇需要匯入的函式庫zip檔案

編寫 BLE Keyboard 的 Sketch 並上載到 Mini D1 ESP32

#include <BleKeyboard.h>

BleKeyboard myKeyboard = BleKeyboard("My BLE Keyboard");
// Use any valid pin
const byte SIGNAL_PIN = 26;

void setup() {
        pinMode(SIGNAL_PIN, INPUT);
        pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
        digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
        myKeyboard.begin();
        digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
}

void loop() {
        if (myKeyboard.isConnected() && digitalRead(SIGNAL_PIN) == HIGH) {
                myKeyboard.write('1');
        }
}

當 Mini D1 ESP32 運作時，會發現其藍牙名稱

點選連接並配對

數秒後便可以使用

Android 連接時，不需要確認配對

iOS需要藍牙4.0或以上及具備BLE功能才能辨認及連接

測試按鍵效果
(閣下應該會發現在下只按一次按鈕，熒幕卻出現多次按鍵效果
是因為在真實環境下，當金屬接觸時，有機會有微少分離並再次接觸的情況，這個情況還會在極短時間內連續發生
這個情況稱為接觸彈跳(Contact Bouncing)
人不會感覺到這些微少彈跳，但電子裝置卻能夠偵測這些微少彈跳，因此按一次卻出現多次按鍵效果
要移除彈跳 (Debouncing) 是非常複雜的操作，因此在下不在此仔細說明
在下使用下拉電阻 (Pull-Down Resistor) 來處理，但種做法並非最佳方法
如果只是製作測試、實驗性的電子工具，並非精密儀器，這種方法仍然可以解決大部分彈跳的問題

測試起動、等待配對、已連接效果

在下將之前 Arduino Pro Micro 的程式改為適合 Mini D1 ESP32 使用
在下增加：

起動狀態(Booting)(訊號燈亮著)
等待配對狀態(Waiting for Pairing)(訊號燈每500毫秒閃動)
已配對狀態(Paired)(訊號燈熄滅)

方便辨認 Mini D1 ESP32 的狀態

製作轉接器

由於之前在下曾製作匹配 Arduino Pro Micro 引腳的鍵盤電路板
但不相容 Mini D1 ESP32 的引腳，但重新製作鍵盤電路板，又有點浪費
因此使用萬用電路板，手動方法焊接線路
製作適合 Mini D1 ESP32 至 Arduino Pro Micro 的轉接器

線路原型

在下使用 Fritzing 並自製 Mini D1 ESP32 元件，方便設計線路

實際線路

由於實際情況元件能夠向上堆疊，因此可以將萬用電路板剪裁至最小但適合的使用範圍

轉接器的正面

轉接器的後面

由設計至動手焊接，在下大約使用2小時

將 Mini D1 ESP32 安裝到轉接器

將轉接器安裝到 Arduino Pro Micro 鍵盤

由於在下的朋友使用 iPhone ，因此設計的功能主要是以 iOS 的 VoiceOver 為主要功能：

項目選擇
捲動
轉輪
執行
返回
桌面
切換器
通知中心
控制中心
熒幕開關效果

重新設計

由於之前設計的鍵盤佈局只是為了用盡 Arduino Pro Micro 所有數碼引腳
並沒有考慮按鈕之間空位很少，沒有佈局區分，反而無法達到方便、易用的效果
最後還是要重新設計另一塊電路板，將功能相關的按鈕編排成一個群組，方便記憶及操作

電路板原型設計圖
綠色線路為正面，紅色線路為背面
按鈕右邊焊墊為列(Row)，按鈕左邊焊墊為欄(Column)

電路板製成器
電路板正面
其實與之前設計的 8x8按鈕電路板相同，只是按鈕位置稍微調整及分類
及改用 Mini D1 ESP32 的引腳佈局

電路板背面

在下的名稱及 Open Hardware 圖案

安裝 Mini D1 ESP32 (及 8粒 100KΩ 電阻) 的位置

焊接 64粒按鈕及 8粒 120KΩ電阻及連接Mini D1 ESP32 的引腳座
(恰巧在下沒有 100KΩ電阻改用 120KΩ電阻亦可行)

焊接 6mm按壓按鈕

焊接電阻及引腳座
使用引腳座可以方便安裝及卸除 Mini D1 ESP32 ，但會比較佔用空間
直接將 Mini D1 ESP32 比較不佔用空間，亦比較美觀，但如果 Mini D1 ESP32 損壞，則很難替換
在下考慮維修或替換問題，因此使用引腳座方便事後處理

焊接後的背面，拿住使用時，非常刺手

將 Mini D1 ESP32 安裝到新設計的鍵盤電路板

安裝到鍵盤電路板的 Mini D1 ESP32 的正面

安裝到鍵盤電路板的 Mini D1 ESP32 的側面

安裝到鍵盤電路板的 Mini D1 ESP32 的 Micro USB Type-B 插口方向

欄列按鈕配對

雖然新設計的鍵盤電路板印上按鈕符號，但焊接後會覆蓋符號，因此製作圖表方便記憶按鈕對應程式碼

	A	B	C	D	E	F	G	H
1	Back	Dktp	AppS	Mute	Crtn	Notf	Ctrl	Stts
2	C⇤	C↥	C⇥	Say1	SayC	SayS	⇡	⇣
3	C↤	C↧	C↦	1	2	3	↺	↻
4	S⇤	S↧	S⇥	4	5	6	⇈	⇊
5	S↤	S↧	S↦	7	8	9	⇇	⇉
6	Undo	Redo	SA	*	0	#	⇤	⇥
7	Cut	Copy	Paste	DelR	Call	DelL	↤	↦
8	Dict	SpCp	ScCp	!	↥	↧	SpTp	Run

對應功能

符號	鍵盤¹	手勢	功能
Back	ESC	2指畫Z	返回上一層目錄
Dktp	VO + h	按Home 或 1指由熒幕底部滑動至熒幕下半部	回到桌面
AppS	VO + h + h	按2次Home 或 1指由熒幕底部滑動至熒幕上半部	開啟應用程式切換器
Mute	VO + s	3指點擊2次	開啟或關閉靜音
Crtn	VO + F11	3指點擊3次	開啟或關閉熒幕
Notf	VO + PageUp	在狀態列 3指向下滑動	前往通知中心
Ctrl	VO + PageDown	在狀態列 3指向上滑動	前往控制中心
Stts	VO + m		前往狀態列
C⇤	Cmd + 左箭咀		游標移到最前
C↥	上箭咀		游標向上移動
C⇥	Cmd + 右箭咀		游標移到最後
Say1	VO + b	2指向上滑動	由第一項目朗讀到最後
SayC	VO + a	2指向下滑動	由當前項目朗讀到最後
SayS	Control	2指點擊1次	停止朗讀
⇡	VO + Cmd + 上箭咀	1指向上滑動	轉輪項目數值增加
⇣	VO + Cmd + 下箭咀	1指向下滑動	轉輪項目數值減少
C↤	左箭咀		遊標向左移動
C↧	下箭咀		遊標向下移動
C↦	右箭咀		遊標向右移動
1	數字1		數字鍵盤1
2	數字2		數字鍵盤2
3	數字3		數字鍵盤3
↺	VO + Cmd + 左箭咀	1指在熒幕左邊向下滑動另1指在熒幕右邊向上滑動	轉輪向左移動
↻	VO + Cmd + 右箭咀	1指在熒幕左邊向上滑動另1指在熒幕右邊向下滑動	轉輪向右移動
S↤	Cmd + Shift + 左箭咀		選取文字至最前
S↧	Shift + 上箭咀		向上選取文字
S↦	Cmd + Shift + 右箭咀		選取文字至最後
4	數字4		數字鍵盤4
5	數字5		數字鍵盤5
6	數字6		數字鍵盤6
⇈	Option + 上箭咀	3指向上滑動	向上捲動
⇊	Option + 下箭咀	3指向下滑動	向下捲動
S↤	Shift + 左箭咀		向左取選文字
S↧	Shift + 下箭咀		向下取選文字
S↦	Shift + 右箭咀		向右取選文字
7	數字7		數字鍵盤7
8	數字8		數字鍵盤8
9	數字9		數字鍵盤9
⇇	Option + 左箭咀	3指向左滑動	向左捲動
⇉	Option + 右箭咀	3指向右滑動	向右捲動
Undo	Cmd + z		回復上一步
Redo	Cmd + Shift + z		重做下一步
SA	Cmd + a		選取所有文字
*	星號		數字鍵盤星號
0	數字0		數字鍵盤0
#	井號		數字鍵盤井號
⇤	Control + 上箭咀	3指在熒幕上半部點擊1次	選取最前項目
⇥	Control + 下箭咀	3指在熒幕下半部點擊1次	選取最後項目
Cut	Cmd + x		將選取的文字複製到剪貼簿，並刪除選取文字
Copy	Cmd + c		將選取的文字複製到剪貼簿
Paste	Cmd + v		將剪貼簿在遊標位置貼上
DelR	Shift + Delete		刪除遊標右側文字
Call	Return		電話撥號
DelL	Delete		刪除遊標左側文字
↤	左箭咀	1指向左滑動	選取上一個項目
↦	右箭咀	1指向右滑動	選取下一個項目
Dict		文字編輯時2指點擊2次	使用聽寫
SpCp	VO + Shift + c	3指點擊4次	將朗讀的文字複製到剪貼簿
ScCp	Cmd + Shift + 3	音量減 + Home 或音量加 + 開關鍵	擷取熒幕截圖
!	Control + space		切換輸入法
↥	上箭咀	1指向上滑動	選擇已選取項目的上一個功能
↧	下箭咀	1指向下滑動	選擇已選取項目的下一個功能
SpTp	VO + -	2指點擊2次	使用精妙點擊
Run	VO + space	2指點擊1次	執行已選取項目

1. 鍵盤以 Mac鍵盤為基礎
Mac鍵盤的 Control 預設為一般鍵盤的 Ctrl
Mac鍵盤的 Option 預設為一般鍵盤的 Alt
Mac鍵盤的 Command 預設為一般鍵盤的 Win
VO 為 VoiceOver修飾鍵預設為 Control + Option

測試：

數字鍵盤
刪除文字
撥號效果

(在下電話因為只作測試用途，沒有安裝電話卡，因此沒有正式通話)

測試：

複製朗讀文字
遊標移動
文字選取
文字處理
輸入法切換
熒幕擷取

補充資料

除了 iOS 的 VoiceOver ，在下還測試 Android 的 TalkBack
TalkBack 都能夠支援類似的無障礙操，但功能比較少
而且主要是 Android 原生鍵盤功能或效果，而 TalkBack 的功能則比較少
不同牌子、型號的 Android 支援鍵盤操作的程度各有不同

由於 Apple 將大量手勢申請專利 (WO2011088134)，導致其他公司在未經授權下不能使用特定手勢
因此 TalkBack 有部分手勢無法使用，亦沒有加入鍵盤功能
亦有部分原因是不同的 Android ，沒有整合手勢，導致無法使用鍵盤操作
例如某些 Android 的電話功能能夠使用數字鍵盤輸入，某些不能
某些 Android 可以使用 Page Up 或 Page Down 捲動頁面，某些不能
由於太多不同公司的 Android ，在下都無法全部測試

總結

要讓 iPhone 能使用文字輸入以外的鍵盤操作，需要啟動全面鍵盤操控 (Full Keyboard Access) 功能
或啟動 VoiceOver 並配合 VoiceOver 專用的快捷鍵
由於一些特別原因，認識到一些有心人捐贈或以非常便宜的二手價轉讓電腦、電話、電子工具給在下
因此在下不同型號的 iPhone 可以測試這個專案

在下發現，當主要語言使用中文(或非英文？)時，VO + 字母的 VoiceOver 操作有時會無法使用
要到設定 > 一般 > 語言與地區 > 偏好的語言順序將英文設定為主要語言，便能正常操作，不過 VoiceOver 便會朗讀英語
(切換語言時會中斷熒幕錄影，因此在下直接拍攝電話畫面)

而 Android 由於原生設計已經可以使用鍵盤操作，只需要透過 USB OTG (USB On-The-Go) 連接便可以使用
並非只能使用藍牙HID鍵盤

製作這個鍵盤的主要原因是因為在下的朋友有視力障礙問題
由於現在的智能電話主要都是觸控熒幕，視力障礙人士容易有錯誤操作情況
但一般藍牙鍵盤的佈局都是傳統佈局，而且要記下大量組合鍵並不容易
因此設計這個鍵盤給朋友使用
而在下只是簡單說明按鈕佈局，朋友只需要5分鐘便熟習操作，至今亦有使用

在下將組合鍵操作設計成單鍵操作，可以方便使用者不需要記下大量組合鍵，甚至可以單手操作
如果懂得自改修改程式碼，可以將按鍵修改成自己需要的按鍵操作或組合鍵，如同 Macro Keyboard 一般使用

在下將資料分享到 https://bitbucket.org/hkgoldenmra/wemos-mini-d1-keyboard ，包括：

相容 WeMos Mini D1 的 Arduino 的 ino 原始碼
SVG 及 PNG 電路原型設計預覽圖
Fritzing 電路原型設計圖
Gerber 印刷電路檔案

有興趣亦可以自行下載使用及修改

參考資料

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Micro USB Type-B (正面)
1	20	21	40
2	19	22	39
3	18	23	38
4	17	24	37
5	16	25	36
6	15	26	35
7	14	27	34
8	13	28	33
9	12	29	32
10	11	30	31

Micro USB Type-B (正面)
1	20	21	40
2	19	22	39
3	18	23	38
4	17	24	37
5	16	25	36
6	15	26	35
7	14	27	34
8	13	28	33
9	12	29	32
10	11	30	31