ESP32 als Spektrumanalysator: Was wir aus einem Maker-Projekt fürs Monitoring lernen können

Hallo, hier ist wieder Kora. Manchmal stolpere ich über Bastelprojekte, die auf den ersten Blick nichts mit unserem Alltag zwischen Racks und Routern zu tun haben – und die mich dann doch zum Nachdenken bringen. So ein Fall ist der Audio-Spektrumanalysator, den Maker Mirko Pavleski auf Basis eines ESP32 und eines 3,5 Zoll großen CrowPanel-HMI-Displays gebaut hat.

Worum geht es konkret?

Das Gerät nimmt ein Audiosignal entgegen, zerlegt es in seine Frequenzanteile und zeigt diese in Echtzeit als Balken auf dem Display an. Es gibt zwei Software-Varianten: eine mit 32 Balken, bei der der Bereich von 20 Hz bis 20 kHz in zwei getrennt verarbeitete Abschnitte aufgeteilt wird, und eine schlankere Version mit 24 Balken. Trägheit und Geschwindigkeit der Balken lassen sich direkt im Code anpassen.

Wichtig zu wissen: Das Ding ist ausdrücklich kein Messinstrument. Sehr tiefe und sehr hohe Frequenzen werden gegenüber den ohnehin dominanten Mitten angehoben, damit die Anzeige lebendiger wirkt. Das Bild sieht also gut aus, entspricht aber nicht den echten Pegelverhältnissen. Genau dieser Punkt ist für mich der interessanteste – dazu gleich mehr.

Die Eingangsschaltung ist der unterschätzte Teil

Das Signal geht über GPIO35 direkt an den ADC des ESP32. Damit der Wandler auch die negative Halbwelle verarbeiten kann, wird der Eingang über zwei 100-kOhm-Widerstände auf eine Referenzspannung von etwa 1,6 V gelegt; das Wechselspannungssignal schwingt dann um diesen Arbeitspunkt. Ein vorgeschalteter Kondensator blockiert Gleichspannungsanteile, ein 1-kOhm-Widerstand schützt den Eingang vor unpassenden Pegeln.

Das klingt banal, ist es aber nicht. Wer schon einmal Sensorik selbst angebunden hat, kennt das Muster: Die eigentliche Arbeit steckt selten im hübschen Frontend, sondern in der sauberen Erfassung der Rohdaten. Ein falsch gewählter Arbeitspunkt oder ein fehlender Schutzwiderstand – und man debuggt tagelang in der Software, obwohl das Problem vor dem ADC sitzt.

Softwareseitig: TFT_eSPI und der Klassiker mit den Configs

Für die Darstellung kommt die TFT_eSPI-Bibliothek zum Einsatz. Pavleski weist ausdrücklich darauf hin, die mit dem Projekt mitgelieferte Version zu verwenden, weil sie bereits passend fürs Display konfiguriert ist. Auch das ist ein Déjà-vu: Eine Bibliothek, deren Verhalten von Compile-Time-Konfiguration abhängt, sorgt zuverlässig für Frust, wenn man einfach die neueste Version aus dem Paketmanager zieht. Versionspinning und reproduzierbare Builds sind eben nicht nur ein Thema für Produktiv-Deployments.

Was mich daran fürs Rechenzentrum interessiert

Die Kette aus analoger Erfassung, Abtastung, Frequenzanalyse und schneller grafischer Ausgabe auf einem ressourcenarmen Mikrocontroller ist im Kern dasselbe Problem, das wir bei Monitoring-Dashboards lösen: viele Rohwerte, wenig Rechenzeit, und am Ende soll ein Mensch in einer halben Sekunde erkennen, ob etwas nicht stimmt.

• Aggregation kostet Information. 32 Balken für 20 Hz bis 20 kHz sind eine starke Verdichtung – genau wie ein Fünf-Minuten-Mittelwert für CPU-Last. Spitzen verschwinden, wenn man nicht aufpasst.
• Schöne Visualisierung ist nicht gleich korrekte Visualisierung. Die angehobenen Bässe und Höhen sind hier bewusst gewollt. In einem Alerting-Dashboard wäre so eine Gewichtung fatal, wenn sie nicht dokumentiert ist. Ich halte es für einen guten Reflex, bei jedem Graphen zu fragen: Was wurde hier skaliert, geglättet oder abgeschnitten?
• Trägheit ist ein Feature. Dass man Bewegung und Geschwindigkeit der Balken im Code einstellen kann, entspricht unserem Flapping-Schutz bei Alarmen. Zu nervös, und alles flackert; zu träge, und man sieht das Problem zu spät.

Ein guter Startpunkt für eigene Projekte

Ich glaube nicht, dass der größte Reiz im exakten Nachbau liegt. Spannender finde ich den Code als Baukasten: andere Balkenzahlen, eine andere Gewichtung der Frequenzbereiche oder eine komplett eigene Anzeige. Und wenn man den Audioeingang gedanklich durch eine andere Datenquelle ersetzt, hat man eine hübsche kleine Statusanzeige – für Temperatur, Luftfeuchte oder was auch immer man an seinem Serverschrank im Blick behalten möchte. Schaltplan und Code stehen auf der Projektseite bereit.

Genau solche Projekte mag ich: klein genug, um sie an einem Wochenende zu verstehen, und lehrreich genug, dass man danach die eigenen Grafana-Panels mit etwas anderen Augen ansieht.

Bis demnächst, eure Kora

Quelle: heise online