INMP441 ESP32 I2S Mikrofon: Ses Okuma, dB Ölçme ve Dalga Formu

INMP441, sesi kendi içinde dijitale çeviren ve I2S veri yoluyla doğrudan 24 bitlik örnekler gönderen küçük bir MEMS mikrofon modülüdür. INMP441 ESP32 ikilisi, analog mikrofon, yükselteç ve ADC uğraşı olmadan temiz ses okumanın en kolay yoludur. Modülü ESP32'ye altı kabloyla bağlar, birkaç satırlık I2S koduyla saniyede 16 000 örnek alır, bu örneklerden ortamın ses seviyesini desibel (dB) olarak hesaplayabilir ve sesin dalga formunu Serial Plotter'da canlı izleyebilirsin.

Bu rehberde INMP441'in nasıl çalıştığını, I2S'in üç hattının ne iş yaptığını, ESP32 Arduino çekirdeğinin hem 2.x hem 3.x sürümlerinde derlenen hazır kodu, dBFS ile dB SPL arasındaki farkı ve gerçek bir ses seviyesi ölçerin formülünü adım adım göreceksin. Sonunda Raspberry Pi Pico ile MicroPython kullanımını, ucuz analog KY-038 ses sensörü ile farkını ve en sık yapılan bağlantı hatalarını da bulacaksın.

INMP441 nedir, nasıl çalışır?

INMP441, TDK InvenSense tarafından üretilen, her yönden eşit duyan (omnidirectional) bir MEMS mikrofondur. MEMS, silisyum üzerine işlenmiş mikroskobik bir zar ve sabit bir plakadan oluşan küçük bir kondansatör demektir: ses dalgası zarı titrettikçe kapasite değişir. Klasik bir elektret mikrofonda bu değişim zayıf bir analog gerilim olarak dışarı verilir; senin yükseltmen, filtrelemen ve ADC ile ölçmen gerekir. INMP441'in içinde ise ön yükselteç, örtüşme önleyici (anti-aliasing) filtre, 24 bitlik sigma-delta ADC ve I2S arayüzü bir aradadır. Yani mikrofondan çıkan şey artık gerilim değil, saat sinyaline uyarak gelen sayılardır. Bu sayede kablo üzerinde analog gürültü toplanmaz, kartın ADC kalitesi önemini kaybeder ve 3,3 V'luk her uygun mikrodenetleyici aynı ses kalitesini alır. Modül kartındaki küçük delik mikrofonun ses girişidir; kartı bir kutuya monte ederken bu deliği kapatmamaya dikkat et.

I2S nedir? Üç hatla dijital ses

I2S (Inter-IC Sound), ses örneklerini yongalar arasında taşımak için geliştirilmiş seri bir veri yoludur ve adı benzese de I2C ile ilgisi yoktur. Üç hattı vardır: SCK (bit saati) her veri bitinin ne zaman okunacağını söyler, WS (word select, LRCLK da denir) o anda sol kanalın mı sağ kanalın mı gönderildiğini belirtir, SD ise verinin kendisidir. Bu düzende ESP32 ana cihazdır (master): iki saati de o üretir, mikrofon da saate uyarak veriyi SD hattına koyar. INMP441'de her çerçeve 64 SCK darbesinden oluşur: 32 bit sol kanal, 32 bit sağ kanal. Bu yüzden örnekleme hızı SCK / 64'tür; 16 kHz örnekleme için ESP32 yaklaşık 1,024 MHz'lik bir bit saati üretir. Mikrofon kendi kanalının 32 bitlik yuvasına 24 bitlik ölçümü en anlamlı bit önce yazar, kalan 8 bit sıfırdır. Kodda değeri 8 bit sağa kaydırmamızın sebebi budur.

INMP441 pin bağlantısı: ESP32 ve Raspberry Pi Pico

ESP32'de I2S sinyalleri GPIO matrisi üzerinden istediğin pine yönlendirilebilir; tablodaki 32, 25 ve 33 numaraları zorunlu değil, sadece güvenli seçimlerdir. Yalnız açılışta kartın davranışını belirleyen strapping pinlerinden (GPIO 0, 2, 5, 12, 15) ve flaş belleğe ayrılmış GPIO 6–11'den uzak dur. GPIO 34–39 yalnız giriş olduğu için SD hattına uyar ama SCK ve WS için kullanılamaz. Pico'da kural farklıdır: MicroPython I2S sürücüsü PIO kullanır ve WS pini, SCK pininden bir fazla olmak zorundadır (GP16 ve GP17 gibi). Kabloları 10–15 cm'den kısa tut; megahertz düzeyindeki saat sinyali uzun jumper kablolarda bozulur. Kartının pin düzenini pin haritası aracında kontrol edebilirsin.

Adım adım: ESP32 ile ilk ses okuma

1. Arduino IDE'de ESP32 kart paketinin kurulu olduğundan emin ol ve Araçlar > Kart menüsünden ESP32 Dev Module seç. Kurulumu bilmiyorsan ESP32 Nedir? yazısına bak.
2. Modülü breadboard'a tak; VDD'yi 3V3'e, GND'yi GND'ye, L/R'yi de GND'ye bağla.
3. SCK'yi GPIO 32'ye, WS'yi GPIO 25'e, SD'yi GPIO 33'e bağla ve kabloları kısa tut.
4. Aşağıdaki kodu yükle. Ek kütüphane gerekmez: 3.x çekirdeğinde ESP_I2S, 2.x çekirdeğinde driver/i2s.h zaten kart paketine dahildir.
5. Seri Monitör'ü 115200 baud ile aç; sessiz bir odada yaklaşık 35–50 dB, konuşurken 55–70 dB civarında değerler görmelisin.
6. Araçlar > Seri Çizici'yi açarak dBFS ve dB SPL eğrilerini canlı izle; mikrofonun yanında alkışla ve eğrinin sıçradığını gör.

ESP32 kodu: INMP441 ile ses seviyesi (dB) ölçme

Kod, ESP32 Arduino çekirdeğinin sürümünü ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR ile kontrol eder. 3.x sürümünde yeni ESP_I2S kütüphanesini, 2.x sürümünde ise ESP-IDF'nin klasik I2S sürücüsünü kullanır. İki yol da aynı micBegin() ve micRead() fonksiyonlarını sunduğu için loop() içindeki hesap değişmez. Her döngüde 512 örnek, yani 16 kHz'te 32 ms'lik ses okunur, DC kayması çıkarılır, RMS değeri bulunur ve desibele çevrilir.

1// INMP441 + ESP32: ses seviyesi (dB) olcer / sound level (dB) meter
2// ESP32 Arduino core 2.x ve 3.x / ESP32 Arduino core 2.x and 3.x
3#include <Arduino.h>
4#include <math.h>
5
6#define MIC_SCK 32   // INMP441 SCK
7#define MIC_WS  25   // INMP441 WS
8#define MIC_SD  33   // INMP441 SD
9
10const uint32_t SAMPLE_RATE = 16000;      // ornekleme hizi / sample rate
11const size_t   BLOCK       = 512;        // blok basina ornek / samples per block
12const double   FS_RMS      = 5931642.0;  // 8388608 / sqrt(2): tam olcek sinus RMS / full-scale sine RMS
13const double   DB_OFFSET   = 120.0;      // 94 dB SPL - (-26 dBFS)
14
15int32_t samples[BLOCK];
16
17#if ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR >= 3
18#include <ESP_I2S.h>
19I2SClass i2s;
20
21bool micBegin() {
22  i2s.setPins(MIC_SCK, MIC_WS, -1, MIC_SD);   // bclk, ws, dout (yok / none), din
23  return i2s.begin(I2S_MODE_STD, SAMPLE_RATE, I2S_DATA_BIT_WIDTH_32BIT,
24                   I2S_SLOT_MODE_MONO, I2S_STD_SLOT_LEFT);   // L/R = GND -> sol / left
25}
26
27size_t micRead(int32_t *buf, size_t count) {
28  size_t bytes = i2s.readBytes((char *)buf, count * sizeof(int32_t));
29  return bytes / sizeof(int32_t);
30}
31#else
32#include <driver/i2s.h>
33
34bool micBegin() {
35  i2s_config_t cfg = {};
36  cfg.mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX);   // ana cihaz, alici / master, receiver
37  cfg.sample_rate = SAMPLE_RATE;
38  cfg.bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_32BIT;
39  cfg.channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_LEFT;           // L/R = GND -> sol / left
40  cfg.communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S;
41  cfg.intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1;
42  cfg.dma_buf_count = 4;
43  cfg.dma_buf_len = 256;
44  cfg.use_apll = false;
45
46  i2s_pin_config_t pins = {};
47  pins.mck_io_num = I2S_PIN_NO_CHANGE;
48  pins.bck_io_num = MIC_SCK;
49  pins.ws_io_num = MIC_WS;
50  pins.data_out_num = I2S_PIN_NO_CHANGE;
51  pins.data_in_num = MIC_SD;
52
53  if (i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &cfg, 0, NULL) != ESP_OK) return false;
54  return i2s_set_pin(I2S_NUM_0, &pins) == ESP_OK;
55}
56
57size_t micRead(int32_t *buf, size_t count) {
58  size_t bytes = 0;
59  i2s_read(I2S_NUM_0, buf, count * sizeof(int32_t), &bytes, portMAX_DELAY);
60  return bytes / sizeof(int32_t);
61}
62#endif
63
64void setup() {
65  Serial.begin(115200);
66  if (!micBegin()) {
67    Serial.println("I2S baslatilamadi / I2S init failed");
68    while (true) delay(1000);
69  }
70}
71
72void loop() {
73  size_t n = micRead(samples, BLOCK);
74  if (n == 0) return;
75
76  double sum = 0;
77  for (size_t i = 0; i < n; i++) {
78    samples[i] >>= 8;                 // 32 bit yuvadan 24 bit veri / 24-bit data from 32-bit slot
79    sum += samples[i];
80  }
81  double mean = sum / n;              // DC kaymasi / DC offset
82
83  double sq = 0;
84  for (size_t i = 0; i < n; i++) {
85    double v = (double)samples[i] - mean;
86    sq += v * v;
87  }
88  double rms = sqrt(sq / n);
89  if (rms < 1.0) rms = 1.0;           // log10(0) olmasin / avoid log10(0)
90
91  double dbfs = 20.0 * log10(rms / FS_RMS);
92  double spl = dbfs + DB_OFFSET;
93
94  Serial.print("dBFS:");
95  Serial.print(dbfs, 1);
96  Serial.print(" dB_SPL:");
97  Serial.println(spl, 1);
98}

Ses seviyesi nasıl hesaplanır? dBFS ve dB SPL

Ses basıncı çok geniş bir aralıkta değiştiği için logaritmik desibel ölçeği kullanılır: genliğin iki katına çıkması yaklaşık 6 dB, on katına çıkması 20 dB artış demektir. Mikrofonun verdiği sayılar önce dBFS (tam ölçeğe göre desibel) cinsine çevrilir: dBFS = 20 × log10(RMS / tam ölçek RMS). Tam ölçek, tepe noktası en büyük 24 bitlik değer olan 8 388 608'e ulaşan bir sinüsün RMS değeridir, yani 8 388 608 / √2 ≈ 5 931 642. Bu ölçekte 0 dBFS mikrofonun taşma sınırıdır, daha küçük her ses negatif bir değer alır. Fiziksel ses basıncına, yani dB SPL'ye geçmek için veri sayfasındaki hassasiyet kullanılır: INMP441, 94 dB SPL'lik 1 kHz'lik bir sesi −26 dBFS olarak verir. Buradan dB SPL = dBFS + 94 − (−26) = dBFS + 120 formülü çıkar. Örneğin RMS değeri 5 932 çıktıysa dBFS = 20 × log10(0,001) = −60 olur ve ses seviyesi yaklaşık 60 dB SPL, yani normal bir konuşma düzeyidir.

Serial Plotter'da dalga formu çizmek

Desibel değeri sesin ne kadar yüksek olduğunu söyler; sesin şeklini görmek içinse ham örnekleri çizdirmen gerekir. Aynı taslakta yalnızca loop() fonksiyonunu aşağıdakiyle değiştir. Burada önemli bir sınır var: 115200 baud'luk seri hat saniyede yaklaşık 11 500 karakter taşır ve bu, saniyede 16 000 örneği yazdırmaya yetmez. Bu yüzden kod 512 örneklik bir bloğu ard arda yazdırır; blok yazılırken gelen ses kaçırılır ama çizicide gördüğün her parça kesintisiz, gerçek bir 32 ms'lik kesittir.

1// dB taslaginda loop() yerine bunu kullan / Use this instead of loop() in the dB sketch
2void loop() {
3  size_t n = micRead(samples, BLOCK);
4  for (size_t i = 0; i < n; i++) {
5    int32_t v = samples[i] >> 8;     // 24 bit ham ornek / 24-bit raw sample
6    Serial.print("ses:");
7    Serial.println(v);
8  }
9}

Mikrofona ıslık çaldığında çizicide düzgüne yakın bir sinüs görürsün. 1 kHz'lik bir ıslıkta bir periyot 1 ms sürer ve 16 kHz örneklemede 16 noktaya karşılık gelir; bir periyottaki nokta sayısını sayarak frekansı kabaca kestirebilirsin. Konuşma birçok frekansın karışımı olduğu için düzensiz, zarflı bir dalga çizer; alkış ise kısa ve çok yüksek bir sivri tepe üretir. Çizici ekseni otomatik ölçeklediği için sessizlikte küçük gürültü dalgalanmaları büyük görünebilir, bu normaldir. Seri Monitör ve Seri Çizici kullanımının ayrıntıları için Arduino Serial Monitor yazısına bakabilirsin.

Raspberry Pi Pico ile INMP441 (MicroPython)

Raspberry Pi Pico'da ayrı bir I2S birimi yoktur, ama programlanabilir PIO blokları I2S'i donanım hızında taklit eder ve MicroPython'un machine.I2S sınıfı bu işi senin yerine yapar. Ek dosya kurman gerekmez; güncel bir MicroPython sürümünün yüklü olması yeterlidir. Kodda bits=32 ve format=I2S.MONO seçilir, okunan örnekler yine 8 bit sağa kaydırılıp aynı formülle desibele çevrilir. Python döngüleri C'den yavaş olduğu için blok boyutunu 512 örnekte tutmak iyi bir dengedir; hesap sürerken gelen birkaç milisaniyelik sesin kaçması ölçüm sonucunu pek etkilemez. Arduino IDE ile Pico programlıyorsan arduino-pico çekirdeğindeki I2S kütüphanesi de aynı işi görür; orada da WS (LRCLK) pini BCLK pininin bir fazlası olmalıdır. MicroPython'a yeniysen önce Raspberry Pi Pico Nedir? yazısına göz at.

1from machine import Pin, I2S
2import array
3import math
4
5SCK_PIN = 16   # INMP441 SCK
6WS_PIN = 17    # INMP441 WS (SCK + 1 olmali / must be SCK + 1)
7SD_PIN = 18    # INMP441 SD
8
9FS_RMS = 5931642.0   # 8388608 / sqrt(2): tam olcek sinus RMS / full-scale sine RMS
10DB_OFFSET = 120.0    # 94 dB SPL - (-26 dBFS)
11LN10 = math.log(10)
12
13mic = I2S(0, sck=Pin(SCK_PIN), ws=Pin(WS_PIN), sd=Pin(SD_PIN),
14          mode=I2S.RX, bits=32, format=I2S.MONO,
15          rate=16000, ibuf=8192)
16
17samples = array.array('i', [0] * 512)   # 32 bit ornek dizisi / 32-bit sample array
18
19while True:
20    n = mic.readinto(samples) // 4      # okunan ornek sayisi / number of samples read
21    if n == 0:
22        continue
23    total = 0
24    for i in range(n):
25        samples[i] >>= 8                # 24 bit degeri ayikla / extract 24-bit value
26        total += samples[i]
27    mean = total / n                    # DC kaymasi / DC offset
28    sq = 0.0
29    for i in range(n):
30        d = samples[i] - mean
31        sq += d * d
32    rms = max(math.sqrt(sq / n), 1.0)
33    dbfs = 20 * math.log(rms / FS_RMS) / LN10
34    print("dBFS: {:.1f}  dB SPL: {:.1f}".format(dbfs, dbfs + DB_OFFSET))

INMP441 ile KY-038 analog ses sensörü farkı

KY-038, elektret bir mikrofon kapsülü, eşik ayarı için bir trimpot ve LM393 karşılaştırıcısından oluşan ucuz bir modüldür. Dijital çıkışı (DO), ses belirlediğin eşiği geçtiğinde durum değiştirir; analog çıkışı (AO) ise kapsülün ham gerilimini verir ve kartın ADC'siyle okunur. Bu yapı alkış algılamak ya da ortamda ses olup olmadığını anlamak için yeterlidir. Fakat modülde yükselteç olmadığı için sinyal çok zayıftır: Arduino Uno'nun 10 bitlik ADC'si konuşmada yalnızca birkaç basamaklık değişim görür, ESP32'nin ADC'si de gürültülüdür. INMP441 ise ölçümü mikrofonun içinde 24 bitle yapar; arada analog kablo, yükselteç ya da ADC olmadığı için gürültü tabanından taşma sınırına kadar yaklaşık 87 dB'lik bir aralığı temiz biçimde kaydeder. Özetle KY-038 bir ses anahtarıdır, INMP441 ise gerçek bir mikrofondur. Analog okumanın sınırlarını ADC rehberinde ayrıntılı olarak bulabilirsin.

INMP441 ile proje fikirleri

• Müziğe duyarlı LED: Ses seviyesini WS2812B şeridinde yanan LED sayısına çevir; ayrıntılar için müziğe duyarlı LED ve WS2812B NeoPixel yazılarına bak.
• Sınıf gürültü trafik lambası: 55 dB altında yeşil, 55–70 dB arasında sarı, üstünde kırmızı yanan bir uyarı lambası yap.
• Web'den canlı gürültü paneli: dB değerini WebSocket ile tarayıcıya gönder ve telefondan grafik olarak izle; temel yapı ESP32 Web Server ve WebSocket yazısında.
• Akıllı ev gürültü sensörü: Ölçümleri MQTT üzerinden Home Assistant'a aktar; ESP32 MQTT ve Home Assistant rehberi işini kolaylaştırır.
• Bebek ağlama ya da köpek havlama uyarısı: Ses belirli bir süre eşiği aşarsa telefonuna Telegram botu ile mesaj gönder.
• Ses kaydedici: Örnekleri 16 bitlik WAV dosyası olarak SD kart modülüne yaz ve bilgisayarda dinle.
• Islıkla kontrol: FFT ile baskın frekansı bul ve belirli bir ıslık tonunda bir LED ya da röle tetikle.

Sık yapılan hatalar ve çözümleri

INMP441, birkaç kablo ve kısa bir kodla ESP32'ye gerçek bir dijital mikrofon kazandırır; ses seviyesi ölçmekten müziğe duyarlı ışıklara kadar pek çok projenin temelidir. Analog bir sensörle yetinmek yerine sesi sayılarla işlemek istediğin her durumda ilk tercih budur. BlueGrays uygulamasında ESP32 ile LED, buzzer, WS2812B şerit ve web sunucusu projelerine adım adım devre şeması ve kodla bakabilir, bu mikrofonu o projelerin üzerine kolayca ekleyebilirsin.