[ESP32-A2DP] Berkenalan dengan library siap pakai AudioTools - Membuat Sirene

Dalam era Internet of Things (IoT), mikrokontroler seperti ESP32 telah menjadi pilihan populer karena kemampuannya yang luar biasa, termasuk konektivitas Wi-Fi dan Bluetooth. Salah satu fitur menarik dari ESP32 adalah dukungan terhadap Bluetooth A2DP (Advanced Audio Distribution Profile), yang memungkinkan perangkat mengirimkan aliran audio berkualitas tinggi ke perangkat audio nirkabel seperti speaker Bluetooth. Dengan memanfaatkan library AudioTools yang dikembangkan oleh pschatzmann, proses pengiriman audio melalui A2DP menjadi jauh lebih mudah dan terstruktur.

Pada artikel ini, kita akan membahas bagaimana ESP32 dapat digunakan untuk menghasilkan suara sirene digital dan mengirimkannya ke speaker Bluetooth menggunakan protokol A2DP dengan bantuan library AudioTools. Pembahasan akan mencakup dasar teori, arsitektur sistem, serta konsep pembangkitan sinyal audio secara real-time.

1. Apa itu A2DP dan Mengapa ESP32 Cocok untuk Ini?

A2DP adalah protokol Bluetooth yang memungkinkan transmisi data audio secara nirkabel dari sumber (seperti smartphone atau mikrokontroler) ke perangkat penerima (seperti headphone atau speaker). ESP32 dilengkapi dengan modul Bluetooth dual-mode (Classic Bluetooth dan BLE), sehingga mampu bertindak sebagai sumber audio A2DP (Source).

Dengan fitur ini, ESP32 bisa digunakan sebagai pemutar musik, interkom nirkabel, atau bahkan sistem peringatan seperti sirene darurat yang dikirim ke speaker Bluetooth di lokasi tertentu.

2. Peran Library AudioTools oleh pschatzmann

Salah satu tantangan dalam pengembangan aplikasi audio di ESP32 adalah kompleksitas manajemen buffer, codec, dan sinkronisasi aliran data. Di sinilah library AudioTools oleh pschatzmann sangat membantu. Library ini menyediakan abstraksi tingkat tinggi yang mempermudah proses pembuatan, manipulasi, dan transmisi audio.

Beberapa keunggulan AudioTools:

1. Mendukung berbagai format audio (WAV, MP3, RAW, dll).
2. Memiliki antarmuka modular untuk input, output, dan prosesor audio.
3. Integrasi langsung dengan A2DP melalui BluetoothA2DPSink atau BluetoothA2DPSource.
4. Mudah digunakan dengan sintaks yang intuitif.

Untuk proyek ini, kita akan menggunakan BluetoothA2DPSink agar ESP32 dapat menerima audio, tetapi karena tujuan kita adalah mengirim audio sirene, maka kita sebenarnya membutuhkan mode A2DP Source. Namun, perlu dicatat bahwa implementasi A2DP Source di ESP32 masih terbatas dibandingkan Sink. Oleh karena itu, alternatifnya adalah menghasilkan audio secara internal dan mengirimkannya melalui koneksi Bluetooth sebagai sumber virtual, atau menggunakan pendekatan lain seperti mengirim audio melalui DAC atau I2S, lalu memancarkannya via Bluetooth dari perangkat lain.

Namun, dengan perkembangan library AudioTools, pschatzmann telah menyediakan dukungan eksperimental untuk A2DP Source, yang memungkinkan ESP32 berperan sebagai pengirim audio. Ini adalah kunci dari proyek kita.

3. Konsep Pembangkitan Suara Sirene Digital

Suara sirene umumnya merupakan gelombang suara dengan frekuensi yang berubah-ubah secara periodik, seperti naik-turun (wailing) atau berdenyut (yelp). Untuk menghasilkan efek ini secara digital, kita bisa menggunakan osilator gelombang sinus dengan frekuensi yang dimodulasi terhadap waktu.

Secara matematis, sinyal sirene dapat direpresentasikan sebagai:

s(t)=A⋅sin(2π⋅f(t)⋅t)

di mana:

A adalah amplitudo (volume),

f(t) adalah frekuensi yang berubah terhadap waktu (misalnya, dari 500 Hz ke 1500 Hz secara linier).

Modulasi frekuensi ini bisa diimplementasikan dengan memvariasikan nilai frekuensi osilator dalam loop utama program. ESP32 cukup cepat untuk menghitung nilai sinus ini secara real-time menggunakan fungsi sin() dari C++ (dengan optimasi jika perlu).

4. Arsitektur Sistem

Berikut adalah komponen utama sistem:

1. ESP32 – Sebagai otak sistem, menghasilkan sinyal audio dan mengelola koneksi Bluetooth.
2. Library AudioTools – Menyediakan framework untuk pembangkitan dan transmisi audio.
3. Bluetooth A2DP Source – Mengirimkan aliran audio ke perangkat penerima.
4. Speaker Bluetooth – Perangkat yang menerima dan memutar suara sirene.

Alur kerja sistem:

1. ESP32 menginisialisasi modul Bluetooth dalam mode A2DP Source.
2. Secara berkala, ia menghasilkan sampel audio sirene (dalam bentuk array nilai 16-bit signed).
3. Sampel ini dikirim ke buffer audio yang dikelola oleh AudioTools.
4. Library AudioTools menangani enkapsulasi data ke format A2DP dan transmisi nirkabel.
5. Speaker Bluetooth menerima data, mendekode, dan memutar suaranya.

5. Implementasi Teoritis - Praktek dengan AudioTools

Untuk membuat sirene, kita bisa membuat kelas atau fungsi yang menghasilkan sampel audio setiap waktu. Berikut adalah gambaran kode teoritis:

Silahkan download library yang sesuai di googling saja dengan kata kunci :  AudioTools - Pschatzmann dan ESP32-A2DP

Test 1 - Tone Generator : 

#include "BluetoothA2DPSource.h"
#include <math.h>

// Objek utama untuk mengelola koneksi Bluetooth
BluetoothA2DPSource a2dp_source;

// Frekuensi nada yang akan dihasilkan dalam Hz (A4)
#define A4_FREQUENCY 1000.0

// Variabel untuk melacak waktu/fase agar gelombang sinyal kontinu
static float m_time = 0.0;

// Fungsi callback untuk menghasilkan data audio
int32_t get_data_frames(Frame *frame, int32_t frame_count) {
  // Volume, dari -32,768 hingga 32,767
  float m_amplitude = 10000.0;
  // Interval waktu antar sampel, untuk sample rate 44.1 kHz
  float m_deltaTime = 1.0 / 44100.0;
  float pi_2 = PI * 2.0;

  // Isi buffer frame dengan data sinyal
  for (int sample = 0; sample < frame_count; ++sample) {
    // Hitung sudut untuk gelombang sinus
    float angle = pi_2 * A4_FREQUENCY * m_time;
    // Hasilkan sinyal
    int16_t signal = (int16_t)(m_amplitude * sin(angle));
    
    // Isi data ke kedua saluran (stereo)
    frame[sample].channel1 = signal;
    frame[sample].channel2 = signal;
    
    // Majukan waktu
    m_time += m_deltaTime;
  }
  return frame_count;
}

// Callback untuk melacak status koneksi
void connection_state_changed(esp_a2d_connection_state_t state, void *ptr){
  Serial.println(a2dp_source.to_str(state));
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  a2dp_source.set_auto_reconnect(false);
  a2dp_source.set_on_connection_state_changed(connection_state_changed);
  a2dp_source.set_data_callback_in_frames(get_data_frames);
  a2dp_source.set_volume(100);
  a2dp_source.start("K1"); // Ubah K1 dengan nama speaker BT anda
}

void loop() {
  // Hanya jeda untuk mencegah watchdog timer
  delay(10);
}

Test 2- Sirene Generator : 

#include "AudioTools.h"
#include "BluetoothA2DPSource.h"

using namespace audio_tools;

// Generator dan Bluetooth
SineWaveGenerator<int16_t> sine_gen;
BluetoothA2DPSource a2dp_source;

// Konfigurasi sirene
#define SIRENE_FREQ_1 800.0f
#define SIRENE_FREQ_2 1000.0f
#define DURATION_S_TONE 0.5f  // 0.5 detik

// State
float current_frequency = SIRENE_FREQ_1;
float time_of_last_switch = 0.0f;
float m_time = 0.0f;
const float sample_rate = 44100.0f;

// Buffer
const int FRAME_COUNT = 1024;
int16_t buffer_mono[FRAME_COUNT];
Frame buffer_stereo[FRAME_COUNT];  // channel1 & channel2

// Callback: generate audio data
int32_t get_data_frames(Frame *frame, int32_t frame_count) {
  // Ganti frekuensi setiap DURATION_S_TONE detik
  if (m_time - time_of_last_switch >= DURATION_S_TONE) {
    current_frequency = (current_frequency == SIRENE_FREQ_1) ? SIRENE_FREQ_2 : SIRENE_FREQ_1;
    time_of_last_switch = m_time;
    sine_gen.setFrequency(current_frequency);
  }

  // Gunakan readBytes() — memindah byte audio
  size_t bytes_to_read = frame_count * sizeof(int16_t);
  size_t bytes_read = sine_gen.readBytes((uint8_t*)buffer_mono, bytes_to_read);
  size_t samples_read = bytes_read / sizeof(int16_t);

  // Konversi mono → stereo
  for (int i = 0; i < samples_read; i++) {
    frame[i].channel1 = buffer_mono[i];
    frame[i].channel2 = buffer_mono[i];
  }

  // Update waktu
  m_time += samples_read / sample_rate;

  return samples_read;
}

// Callback: status koneksi Bluetooth
void connection_state_changed(esp_a2d_connection_state_t state, void *ptr) {
  Serial.println(a2dp_source.to_str(state));
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial);

  // Konfigurasi audio
  AudioInfo cfg;
  cfg.sample_rate = 44100;
  cfg.channels = 1;
  cfg.bits_per_sample = 16;

  // Inisialisasi generator
  sine_gen.begin(cfg);
  sine_gen.setFrequency(SIRENE_FREQ_1);      // Mulai dari 800 Hz
  sine_gen.setAmplitude(10000.0f);           // Amplitude ~30% dari max

  // Setup Bluetooth
  
  a2dp_source.set_auto_reconnect(true);
  a2dp_source.set_volume(100);  // 0–100
  a2dp_source.set_on_connection_state_changed(connection_state_changed);
  a2dp_source.set_data_callback_in_frames(get_data_frames);

  Serial.println("Mencoba terhubung ke speaker 'K1'...");
  a2dp_source.start("K1"); //Sesuaikan dengan nama speaker BT anda
}

void loop() {
  delay(10);
}

6. Tantangan dan Solusi

Keterbatasan A2DP Source di ESP32: ESP-IDF lebih mendukung A2DP Sink. Implementasi Source masih dalam pengembangan. Solusi: Gunakan versi terbaru library AudioTools yang telah mengatasi sebagian besar isu ini.

1. Kualitas Audio: Penggunaan fungsi sin() secara real-time bisa memberatkan CPU. Optimasi dengan lookup table (LUT) sinus dapat mengurangi beban prosesor.
2. Latensi dan Buffering: Pastikan buffer audio cukup besar untuk menghindari crackling atau putus-putus suara.
3. Daya Baterai: Transmisi Bluetooth konstan memakan daya. Untuk aplikasi portabel, pertimbangkan untuk mengaktifkan sirene hanya saat diperlukan.

7. Aplikasi Nyata

Sistem ini bisa digunakan dalam berbagai skenario:

1. Alarm rumah pintar yang memicu sirene melalui speaker Bluetooth di seluruh rumah.
2. Sistem peringatan bencana berbasis IoT.
3. Proyek edukasi tentang pemrosesan sinyal digital dan komunikasi nirkabel.

Kesimpulan

Dengan kombinasi ESP32, library AudioTools oleh pschatzmann, dan protokol Bluetooth A2DP, kita dapat membangun sistem audio yang canggih namun tetap sederhana secara konseptual. Pembuatan suara sirene digital adalah contoh nyata bagaimana mikrokontroler modern bisa digunakan tidak hanya untuk kontrol logika, tetapi juga untuk pemrosesan sinyal waktu-nyata.

Meskipun ada tantangan teknis, terutama terkait dukungan A2DP Source, perkembangan library open-source seperti AudioTools terus mempermudah pengembangan aplikasi audio di platform ESP32. Dengan sedikit pemahaman tentang dasar-dasar gelombang suara dan modulasi frekuensi, siapa pun bisa membuat sistem audio nirkabel yang fungsional dan kreatif.

Proyek ini membuka pintu bagi eksplorasi lebih lanjut, seperti menambahkan kontrol jarak jauh via Wi-Fi, menyimpan audio dalam SD card, atau bahkan menggabungkan dengan sensor untuk sistem alarm otomatis. Dunia audio di IoT menanti untuk dieksplorasi!