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DoorSign // Digitales Türschild für Konferenzräume

ESP32 + Waveshare 7.5" E-Ink Display zeigt Raumbelegung aus einem Kalender-Server an. Der Server rendert pro Raum ein Bild (PNG oder BMP), der ESP32 lädt und zeigt es an.

Inhaltsverzeichnis

  1. Funktionsübersicht
  2. Hardware
  3. Pinbelegung
  4. Architektur
  5. Bibliotheken installieren
  6. Gerät konfigurieren
  7. Kompilieren und Flashen
  8. Betriebsmodi
  9. Bildformat
  10. Display-Versionen V1 / V2 / V3
  11. Stromversorgung
  12. Energieverbrauch und Akku-Laufzeit
  13. OTA-Updates
  14. Fehlersuche
  15. Projektstruktur
  16. Bekannte Einschränkungen

Funktionsübersicht

  • Lädt regelmäßig ein Bild (PNG oder BMP) vom Server und zeigt es auf dem E-Ink-Display
  • Aktiv nur Mo–Fr, 08:00–18:00 Uhr (Europe/Berlin, Sommerzeit automatisch)
  • Außerhalb der Betriebszeit: letztes Bild bleibt sichtbar, ESP32 schläft
  • Drei Display-Versionen unterstützt: V1, V2 und V3 (mit Rot-Kanal)
  • Zwei Bildformate umschaltbar: PNG (1-Bit/Graustufen) und BMP (1-Bit oder 4-Bit Palette)
  • Zwei Betriebsmodi: Deep Sleep (Akku) und Dauerbetrieb (Netzteil)
  • HTTP-ETag-Caching → kein Display-Refresh wenn Bild unverändert
  • Letztes Bild in LittleFS persistiert → überlebt Stromausfall
  • OTA-Firmware-Updates über WLAN

Hardware

Komponente Beschreibung
ESP32 Waveshare ESP32 Driver Board
Display Waveshare 7.5" E-Paper V1, V2 oder V3
Stromversorgung USB-C 5V/1A Netzteil oder LiPo-Akku 2000–3300 mAh

Pinbelegung

Waveshare ESP32 Driver Board ↔ E-Paper HAT:

E-Paper Pin ESP32 GPIO Funktion
VCC 3V3 Versorgungsspannung
GND GND Masse
DIN / MOSI GPIO 14 SPI Daten
SCLK GPIO 13 SPI Takt
CS GPIO 15 Chip Select (aktiv LOW)
DC GPIO 27 Data/Command
RST GPIO 26 Reset (aktiv LOW)
BUSY GPIO 25 Busy-Signal

Alle Pins in config.h (PIN_EPD_* und PIN_SPI_*) konfigurierbar.

Architektur

Deep Sleep Modus (Akku)

Boot / Wake-Up
  │
  ├─ Kaltstart? → Startbildschirm anzeigen
  ├─ WLAN verbinden  →  Fehler? → letztes Bild → Sleep
  ├─ OTA-Fenster 60s (nur bei Kaltstart)
  ├─ NTP synchronisieren
  ├─ Zeitfenster prüfen (Mo–Fr 08–18)
  │   └─ Inaktiv? → Sleep bis 08:00
  ├─ Bild laden (ETag-Check)
  │   ├─ Neu  → Display aktualisieren
  │   ├─ 304  → kein Update
  │   └─ Fehler → letztes Bild behalten
  └─ Display hibernate → Deep Sleep N Minuten

Dauerbetrieb (Netzteil)

State-Machine mit 7 Zuständen: BOOT → WIFI_CONNECTING → NTP_SYNCING → IDLE → DOWNLOADING → UPDATING_DISPLAY → ERROR_RECOVERY

Bibliotheken installieren

Arduino IDE → Sketch → Bibliotheken einbinden → Bibliotheken verwalten

Bibliothek Autor Suchbegriff
GxEPD2 ZinggJM GxEPD2
Adafruit GFX Library Adafruit Adafruit GFX
PNGdec Larry Bank PNGdec

WiFi, HTTPClient, LittleFS und ArduinoOTA sind im ESP32-Board-Paket enthalten.

Gerät konfigurieren

Alle Einstellungen in config.h.

Schritt 1 — Geräteblock auswählen

#define DEVICE_NAME    "DoorSign-Brandenburg"
#define ROOM_NAME      "Brandenburg"
#define IMAGE_URL      "https://shelf.example.com/348896.bmp"
#define WIFI_SSID      "MeinNetzwerk"
#define WIFI_PASSWORD  "MeinPasswort"

Schritt 2 — Display-Version

#define DISPLAY_TYPE  DISPLAY_V1   // V1: 640×384, S/W
// #define DISPLAY_TYPE  DISPLAY_V2   // V2: 800×480, S/W
// #define DISPLAY_TYPE  DISPLAY_V3   // V3: 800×480, S/W/Rot

Auflösung und Treiber werden automatisch aus dieser Einstellung abgeleitet.

Schritt 3 — Betriebsmodus

#define DEEP_SLEEP_ENABLED  1   // 1 = Akku, 0 = Netzteil

Schritt 4 — Update-Intervall

#define UPDATE_INTERVAL_SEC  (15UL * 60UL)  // 15 Minuten
// Empfehlungen:
//   Netzteil:  5UL * 60UL
//   Akku:     15UL * 60UL
//   Akku:     30UL * 60UL

Schritt 5 — Bildformat

#define IMAGE_FORMAT_PNG  1   // PNG aktiv (Standard)
#define IMAGE_FORMAT_BMP  0   // oder umgekehrt für BMP

Schritt 6 — Bildqualität (nur PNG)

#define IMG_GRAY_THRESHOLD  180  // 128=Standard, 180=empfohlen

Kompilieren und Flashen

Board-Einstellungen

Einstellung Wert
Board ESP32 Dev Module
Upload Speed 921600
Flash Size 4MB (32Mb)
Partition Scheme Minimal SPIFFS (1.9MB APP with OTA)
PSRAM Disabled

Wichtig: Standard-Partition „Default 4MB with spiffs" hat nur 1,25 MB für die App — reicht NICHT mit OTA. Falls Partition nicht umstellbar: #define OTA_ENABLED 0.

Flash-Vorgang

  1. config.h öffnen → Gerät, Display, Modus konfigurieren
  2. Sketch → Hochladen (Cmd+U / Ctrl+U)
  3. Seriellen Monitor öffnen: 115200 Baud
  4. Startsequenz beobachten

Mehrere Geräte

config.h vor jedem Flash anpassen — Firmware ist identisch.

Betriebsmodi

Deep Sleep — DEEP_SLEEP_ENABLED 1 (Akku)

Ablauf pro Wake-Up (~12–15 Sekunden):

  1. Boot (~1s)
  2. WLAN verbinden (~3–5s)
  3. NTP sync (~1s)
  4. Bild herunterladen (~2–5s)
  5. E-Ink Refresh (~3s V1/V2 / ~7s V3)
  6. Deep Sleep

OTA im Deep-Sleep-Modus: Nur beim Kaltstart (Reset oder Stromunterbrechung) — 60s-Fenster.

Intelligenter Sleep: Außerhalb Mo–Fr 08–18 schläft das Gerät direkt bis zum nächsten Werktag 08:00.

Dauerbetrieb — DEEP_SLEEP_ENABLED 0 (Netzteil)

WLAN permanent aktiv, State Machine prüft alle UPDATE_INTERVAL_SEC Sekunden. OTA jederzeit möglich.

Bildformat

PNG — IMAGE_FORMAT_PNG 1

Eigenschaft Wert
Farbraum Graustufen oder 1-Bit
Typische Dateigröße 4–30 KB
Max. Größe 200 KB
Dekodierung ~100ms (PNGdec)
Graustufen-Wandlung via IMG_GRAY_THRESHOLD 
from PIL import Image, ImageDraw
img = Image.new("1", (800, 480), 1)  # 1-Bit für schärfstes Ergebnis
draw = ImageDraw.Draw(img)
draw.text((10, 10), "Brandenburg", fill=0)
img.save("image.png")

BMP — IMAGE_FORMAT_BMP 1

Eigenschaft Wert
Bit-Tiefe 1-Bit oder 4-Bit (16 Farben)
Format Windows BMP, unkomprimiert
Typische Dateigröße 30 KB (1-Bit) bis 192 KB (4-Bit)
Max. Größe 256 KB
Dekodierung ~5–20ms (direktes Bit-Mapping)

1-Bit BMP (klassisch S/W):

img = Image.new("1", (800, 480), 1)
img.save("image.bmp")

4-Bit BMP (für V3 mit Rot — oder S/W mit Anti-Aliasing):

# 4-Bit Palette mit Schwarz, Weiß, Rot
palette = [0,0,0, 255,255,255, 255,0,0] + [0,0,0]*13
img = Image.new("P", (800, 480), 1)
img.putpalette(palette)
# ... draw ...
img.save("image.bmp")

Der ESP32 erkennt anhand der Palette automatisch:

  • Helligkeit < 128 → schwarzer Pixel
  • R≥150 G<120 B<120 → roter Pixel (nur V3, sonst → schwarz)
  • sonst → weißer Pixel

ETag-Unterstützung (empfohlen)

Server sollte ETag-Header liefern. Bei unverändertem Bild: 304 Not Modified → kein Download, kein Display-Refresh.

location /api/room/ {
    etag on;
    add_header Cache-Control "no-cache";
}

Display-Versionen V1 / V2 / V3

Version Modell Auflösung Farben Refresh
V1 GDEW075T8 640×384 S/W ~3s
V2 GDEW075T7 800×480 S/W ~3,5s
V3 GDEW075Z90 800×480 S/W/Rot ~7s

In config.h umstellen — eine Zeile:

#define DISPLAY_TYPE  DISPLAY_V2

V3 — Rot-Kanal nutzen

Der Renderer nutzt automatisch den Rot-Kanal des V3-Displays, wenn der Server eine 4-Bit-BMP mit roten Palette-Einträgen liefert (R≥150, G<120, B<120). Auf V1/V2 wird Rot zu Schwarz konvertiert — gleiches Bild funktioniert auf allen Displays.

Stromversorgung

Netzteil-Betrieb

USB-C 5V/1A direkt am Board. Kein zusätzliches Modul nötig.

Akku-Betrieb (LiPo)

Ein einzelner 3,7V LiPo reicht nicht für VIN (5V Mindestspannung am Board-Regler). Empfohlene Schaltung:

USB-C → Lade-Modul (TP4056) → LiPo → Boost-Converter (MT3608) → 5V → ESP32 VIN
                                                                  └─ + 1500µF Elko

Wichtig:

  • Boost-Converter vor Anschluss auf exakt 5V einstellen (Poti)
  • 1500µF Elko zwischen 5V und GND direkt am ESP32 zur Pufferung der WLAN-Stromspitzen
  • Tiefentladeschutz für den LiPo (oft im TP4056-Modul integriert)

Brownout-Diagnose

Symptom E BOD: Brownout detector was triggered im seriellen Monitor → Stromversorgung kann WLAN-Spitzen (~500mA) nicht liefern. Lösung: dickerer Elko oder stabileres Netzteil.

Energieverbrauch und Akku-Laufzeit

Verbrauch pro Wake-Up-Zyklus

Phase Dauer Strom
Boot + WLAN + NTP ~5s 180 mA
Download ~0,5–2s 180 mA
BMP/PNG Decode ~0,01–0,1s 80 mA
E-Ink Refresh 3–7s 20 mA
Deep Sleep konfigurierbar 0,01 mA

Hochrechnung 3300 mAh LiPo

Intervall V1/V2 V3
5 Min ~133 Tage ~124 Tage
15 Min ~390 Tage ~360 Tage
30 Min ~760 Tage ~710 Tage
Dauerbetrieb ~24h ~24h

Theoretische Werte. In Praxis 10–15% weniger (Selbstentladung, Temperatur, reale Akkukapazität).

PNG vs BMP

Praktisch identisch — Unterschied < 2% der Laufzeit. Format-Wahl nach Server-Komfort, nicht nach Akku-Verbrauch.

OTA-Updates

Netzteil-Betrieb

Jederzeit aktiv. Arduino IDE → Werkzeuge → Port → Netzwerk-Port wählen.

Akku-Betrieb (Deep Sleep)

  1. Reset-Taste oder Strom kurz trennen
  2. Startbildschirm erscheint → 60-Sekunden-OTA-Fenster
  3. Arduino IDE → Port → Netzwerk-Port → Hochladen
  4. OTA-Passwort eingeben (OTA_PASSWORD in config.h)

OTA deaktivieren: #define OTA_ENABLED 0

Fehlersuche

Serieller Monitor: 115200 Baud

Häufige Meldungen

Meldung Bedeutung Lösung
HTTP Response: 304 Bild unverändert — normal —
HTTP-Fehler: -1 Server nicht erreichbar URL + WLAN prüfen
Falsche Dimensionen Server-Auflösung passt nicht DISPLAY_TYPE prüfen
validateBmp: Bit-Tiefe X (erwartet 1 oder 4) BMP nicht unterstützt Server auf 1- oder 4-Bit umstellen
Datei zu gross > IMG_MAX_BYTES URL prüfen / Server-Output verkleinern
Sketch zu groß Falsche Partition Minimal SPIFFS wählen
Brownout detector triggered Stromversorgung schwach Elko + stärkeres Netzteil

Reset-Ursachen

Reset Bedeutung
rst:0x5 (DEEPSLEEP_RESET) Aufwachen aus Deep Sleep — normal
rst:0x1 (POWERON_RESET) Kaltstart — normal
rst:0x8 (TG1WDT_SYS_RESET) Watchdog — Problem
rst:0xc (SW_CPU_RESET) Software-Reset / OTA

Display zeigt nichts

  • _Update_Full Wert prüfen — V1 ~2,6s, V2 ~3,5s, V3 ~7s
  • Werte deutlich kleiner → falscher DISPLAY_TYPE
  • Server-Auflösung muss zur Display-Version passen

Projektstruktur

DoorSign/
├── DoorSign.ino              # Hauptdatei (setup/loop)
├── config.h                  # ⚙️ ALLE Einstellungen
├── Logger.h                  # Logging
├── WifiManager.h/.cpp        # WLAN mit Auto-Reconnect
├── TimeManager.h/.cpp        # NTP + Europe/Berlin
├── ImageManager.h/.cpp       # HTTP, ETag, PNG+BMP Validierung
├── DisplayManager.h/.cpp     # GxEPD2, V1/V2/V3, PNG+BMP Renderer
├── StateMachine.h/.cpp       # Zustandsautomat (Dauerbetrieb)
├── DeepSleepManager.h/.cpp   # Deep Sleep + intelligenter Wakeup
├── README.md                 # Diese Datei
├── CHANGELOG.md              # Versionshistorie
└── GITHUB_ANLEITUNG.md       # Schritt-für-Schritt Git-Setup

Bekannte Einschränkungen

  • HTTPS: Kein Zertifikats-Check (setInsecure()). Für öffentliche Server CA hinterlegen.
  • PNG: Schwarzweiß-Ausgabe. Farb-PNGs werden via Schwellwert gewandelt — Rot-Kanal aus PNG wird derzeit nicht für V3 erkannt (nur 4-Bit BMP).
  • BMP: 1-Bit oder 4-Bit Palette, unkomprimiert. 8/24-Bit BMP werden abgelehnt.
  • OTA im Deep-Sleep: Nur 60s nach Kaltstart.
  • WLAN: Kein 802.1X/RADIUS (Enterprise-WLAN).
  • Zwei Geräte: Identische Firmware, config.h pro Flash anpassen.
  • Partition: Erfordert „Minimal SPIFFS" oder OTA deaktivieren.

Lizenz

MIT License frei verwendbar für private und kommerzielle Projekte.

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Digitales Türschild für Konferenzräume // ESP32 + E-Ink Display

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