ClearBell — Smart-Doorbell (ESP32-S3, Hardware + Firmware)

Selbst entwickeltes Türklingelsystem für ein Zweifamilienhaus — vollständig eigenentwickelt von der Schaltung über das PCB-Layout bis zur Firmware. Das Projekt dokumentiert nicht nur was gebaut wurde, sondern die begründeten Technikentscheidungen dahinter.

Leitsatz des Projekts: „Keep it simple, but working."

Aktuelle Generation: V0.2 — Redesign auf den ESP32-S3. Beide Platinen sind fertig verlegt, geprüft und werden bei PCBWay gefertigt und bestückt. Die erste Generation läuft im Haus und liegt im Archiv.

Außeneinheit V0.2	Inneneinheit V0.2
110 × 60 mm, 4 Lagen, 12 V DC	98 × 60 mm, 4 Lagen, USB-C

---

Überblick

Eine Außeneinheit an der Haustür und zwei baugleiche Inneneinheiten (je eine pro Wohnung). Klingeln und Türöffnen laufen als quittierte, gegen Replay abgesicherte Transaktionen über WLAN/UDP.

Merkmal	V0.2
Controller	ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 (16 MB Flash, 8 MB PSRAM), beide Einheiten
Stromversorgung außen	12 V DC (SELV) → 3,3 V mit LMR33630; Polyfuse, TVS-Diode, Verpolschutz
Stromversorgung innen	USB-C 5 V → 3,3 V mit TLV62568
Programmierung	natives USB (USB-Serial-JTAG) — innen über die USB-C-Buchse, außen über eine zusätzliche Service-USB-C
Bedienung	kapazitive Touch-Taster mit Bronze-Elektroden, ESD-geschützt
Audio	MAX98357A I2S-Class-D, Visaton K 50 FL (außen) / K 50 SQ (innen)
Mikrofon	Infineon IM72D128V01 (PDM, IP57) auf beiden Einheiten
Anzeige	zweifarbige Status-LED (grün / rot, zusammen bernstein)
Türöffner	Low-Side-MOSFET mit Freilaufdiode
Kommunikation	WLAN + UDP über den Heim-Router, Türbefehl per HMAC-SHA256 authentifiziert

---

Was sich gegenüber V0.1 geändert hat — und warum

• ESP32-S3 statt ESP32. Natives USB: Flashen und Logs ohne UART-Adapter und ohne Tastendruck. PSRAM für Audiopuffer, Flash-Reserve für zwei OTA-Partitionen, vom Hersteller zugesagte Verfügbarkeit bis 2033.
• Mikrofon auf beiden Einheiten — als Vorbereitung für späteres Wechselsprechen. Die Wahl fiel auf ein PDM-Mikrofon, das direkt an 3,3 V läuft: kein zweiter Spannungsbereich, keine Pegelwandler.
• Keine SD-Karte mehr. Die Klingeltöne sollen im Flash liegen und über die Statusseite getauscht werden — ein Steckverbinder und ein mechanischer Fehlerpfad weniger.
• 4 Lagen statt 2. Beide Innenlagen sind Masse; jede Signallage hat ihre Bezugsfläche direkt darunter. Grund: Bei 1,6 mm liegt der dicke Kern zwangsläufig zwischen den Innenlagen, eine eigene Versorgungslage brächte dort kaum Flächenkapazität.
• Vias neben den Pads, nicht darin. Ein Via im Pad zieht beim Reflow Lot ab. Der DRC prüft das nicht — deshalb eigene Prüfskripte über alle Vias und Pads.
• Touch ohne Shield/Guard. Die Bronze-Elektroden bleiben frei zugänglich. Gegen Drift durch Feuchte ist eine adaptive Baseline in der Firmware vorgesehen; die ESD-Dioden haben nur 0,5 pF, damit die Empfindlichkeit erhalten bleibt.
• Türöffner-Freilaufdiode auf 1 A ausgelegt (SMA-Gehäuse). In V0.1 saß dort eine Signaldiode, die für den Spulenstrom des Türöffners zu klein war.

Der Funk-Transport bleibt WLAN/UDP über den Router — ESP-NOW wurde an den echten Montageorten gemessen und verworfen, siehe docs/Funkvalidierung_ESPNOW.md.

---

Repo-Struktur

clearbell/
├── hardware/                  V0.2, KiCad 10
│   ├── Ausseneinheit/         Schaltplan, Platine, Schaltplan.pdf
│   │   └── fertigung/         Gerber-ZIP, Stückliste, Bestückungsdaten
│   └── Inneneinheit/          dito
├── docs/
│   ├── img/                   3D-Ansichten V0.2
│   ├── Softwarearchitektur_V0.2.md      Firmware-Architektur, Laufzeit, Sicherheit
│   ├── Softwarearchitektur_V0.2.en.md   dasselbe auf Englisch
│   └── Funkvalidierung_ESPNOW.md
└── archiv/V0.1/               erste Generation: Hardware, Firmware, Dashboard, Dokumentation

---

Fertigung

Lagenaufbau	4 Lagen, 1,6 mm, FR-4 (S1000H, TG150), 1 oz außen und innen, keine Impedanzkontrolle
Oberfläche	ENIG, Lötstopplack grün, Bestückungsdruck weiß (nur oben)
Bestückung	einseitig, maschinell — außen 56, innen 33 Bauteile
Stückliste	je Einheit in fertigung/, mit Spalte „Ersatz zulässig" (kritische Teile ohne Ersatz)
Prüfung	DRC und ERC ohne Befund

Leiterplatten und Bestückung der V0.2 übernimmt www.pcbway.com im Rahmen eines Sponsorings.

---

Firmware

Die Firmware — Arduino Core, quittiertes UDP-Protokoll, HMAC-gesicherter Türbefehl, eigener WAV-Player — läuft auf V0.1 und liegt unter archiv/V0.1/firmware/. Die V0.2-Firmware entsteht nach der Inbetriebnahme der V0.2-Platinen: Die Prinzipien des Protokolls werden übernommen, Paketformat, Türbefehl, Fern-Öffnen und Touch-Auswertung dagegen neu aufgesetzt.

Wie die V0.2-Firmware aufgebaut wird, beschreibt ein eigenes Dokument: Architektur und Ausführungsmodell, authentifiziertes Protokoll, Startsequenz und Laufzeitverhalten, Datenhaltung und Flash-Aufteilung, ein Sicherheitskapitel mit Angreifermodell, offen benannten Restrisiken und einem Abgleich mit ETSI EN 303 645, Fehlerverhalten, Portierungsplan und Teststrategie. Die aktuelle Revision 2 ist das Ergebnis eines kritischen Reviews der ersten Fassung mit 29 Befunden.

📄 Softwarearchitektur V0.2 · 🇬🇧 English version

Was dort bereits läuft und was noch Entwurf ist, ist durchgehend gekennzeichnet — ebenso die fünf Verhaltensfragen, die bewusst noch offen sind.

---

Stand

• V0.2: Platinen beider Einheiten in Fertigung und Bestückung bei PCBWay; die Firmware-Architektur steht (Revision 2). Als Nächstes: Inbetriebnahme (Versorgung → USB/Flash → Audio → Mikrofon → Touch → Türöffner), danach die Firmware-Portierung.
• V0.1: läuft im Haus; WLAN/UDP-Transport im Dauertest ohne Paketverlust.

---

Hinweise

• Datenblätter der verwendeten Bauteile sind aus Urheberrechtsgründen nicht enthalten — sie sind über die Herstellerseiten frei verfügbar; die Typen stehen in den Stücklisten.
• Die eigene KiCad-Bibliothek ist in Schaltplan und Platine eingebettet. Die meisten 3D-Modelle stammen aus der KiCad-Standardbibliothek und erscheinen in jeder KiCad-10-Installation; zehn Bauteile nutzen Herstellermodelle (Littelfuse, Panasonic, Infineon, TI, WAGO), die aus Lizenzgründen nicht enthalten sind — dort zeigt die 3D-Ansicht nur die Pads.
• Netzwerknamen, Passwörter und kryptografische Schlüssel sind nicht im Repo.
• Sicherheitslücken bitte vertraulich melden, nicht als Issue — wie, steht in SECURITY.md.

Lizenz

MIT © 2026 André Körner