硬件编程 · 桌面作业提醒机器人 · 2026-07-17

需求洞察

目标用户：小初中学生、考研考公备考党，尤其是自制力不足、需要外部监督的学习者。

真实痛点：

1. 坐上书桌就想刷手机，一刷半小时过去毫无知觉。
2. 传统番茄钟只靠时间提醒，根本不关心你“人在不在”；人去厕所半小时它还以为你在学习。
3. 家长或自习室需要低成本、物理直观的“是否在座”判断工具，而不是装摄像头侵犯隐私。

为什么值得做：

• 用 40 元就能解决“假学习”的痛点，比买一个智能台灯便宜太多。
• PIR 是非侵入式检测，不录像，家长和同学的接受度更高。
• ESP32 自带 Wi-Fi，未来可以免费接入物联网平台，生成学习报告，可扩展空间大。
• 项目涉及输入、处理、输出、联网四个环节，作为硬件编程教学案例非常完整。

方案设计

整个系统划分为四层结构：

1. 感知层

- 人体红外传感器（HC-SR505 或 mini PIR）贴在显示器下方或桌面前方，检测桌前是否有人。

- 当人体离开超过设定时长（如 5 分钟），判定为“离座”。

- OLED 显示实时状态：“学习中”“离开中”以及计时。

1. 控制层

- 主控 ESP32-WROOM-32 开发板，负责逻辑判断、模块驱动、Wi-Fi 通信。

- 状态机分为：WAITING（待机）、STUDYING（正常学习）、AWAY（暂时离开）、WARNING（警告提醒）。

- 学习时段内若检测到持续离座，则进入 WARNING 状态。

1. 执行层

- OLED (SSD1306 128×64)：显示当前状态、学习累计时间、离开倒计时。

- SG90 舵机：固定在 3D 打印或瓦楞纸支架上，在警告时快速左右摆动，模拟“摇头”。

- 有源蜂鸣器：发出短促滴声，配合舵机提醒。

1. 日志/联网层

- 利用 ESP32 内置 Wi-Fi，每 30 秒将学习状态、离开次数通过 HTTP GET 发送至 Blynk 或自建 MQTT 服务器。

- 手机端可看是否在座。该层为可选扩展，不影响基础功能，且不增加额外硬件成本。

物料清单

*注：价格参考电商零售价，如已有部分材料则总成本更低。若需固定支架可使用废纸板或 3D 打印边角料，不计入成本。*

接线与结构

采用 I2C OLED 可节省 GPIO，方便后续扩展。接线基本沿用给定方案：

• OLED：VCC→3.3V，GND→GND，SDA→GPIO21，SCL→GPIO22
• PIR：VCC→3.3V，GND→GND，OUT→GPIO18
• 舵机：信号线→GPIO13，电源（红线）→5V（开发板 VIN 引脚），地线→GND
• 蜂鸣器：正极→GPIO27，负极→GND

微调说明：给定 GPIO 已经合理，未作改动。唯一注意的是舵机电源取自开发板的 VIN 引脚（5V），而不是 3.3V，以保证舵机扭力。若使用 USB 供电，VIN 通常直接输出 USB 5V，足够驱动一个 SG90。

结构建议：将 PIR 固定在屏幕下方或书桌挡板上，检测区域对准坐姿位置。舵机装在摇臂上，摇头幅度约 ±30°，必要时可用橡皮筋固定两个小纸板模拟耳朵。ESP32 与面包板放在桌角收纳盒里，仅露出 OLED 和舵机。

核心代码

下面给出 Arduino/PlatformIO 骨架，可直接编译。需要安装 U8g2、ESP32Servo、WiFi 库。代码中 WiFi 与日志部分注释掉，可根据需要启用。

#include <Wire.h>
#include <U8g2lib.h>
#include <ESP32Servo.h>

// OLED
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE, /* clock=*/ 22, /* data=*/ 21);

// PIR
const int PIR_PIN = 18;
// 蜂鸣器
const int BUZZER_PIN = 27;
// 舵机
Servo myservo;
const int SERVO_PIN = 13;

unsigned long lastPresence = 0;
const unsigned long AWAY_TIMEOUT = 5 * 60 * 1000UL; // 5分钟
bool isPresent = false;
unsigned long studyStart = 0;
int warningCount = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIR_PIN, INPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  myservo.attach(SERVO_PIN);
  myservo.write(90); // 居中

  u8g2.begin();
  studyStart = millis();

  // 可选 WiFi 初始化
  // WiFi.begin("ssid", "password");
}

void loop() {
  // 读取 PIR，高电平有人
  int pirState = digitalRead(PIR_PIN);
  bool currentPresence = (pirState == HIGH);

  if (currentPresence) {
    lastPresence = millis();
    if (!isPresent) {
      // 刚回来
      isPresent = true;
    }
  }

  unsigned long now = millis();
  unsigned long awayDuration = (now - lastPresence);
  if (isPresent && awayDuration > AWAY_TIMEOUT) {
    isPresent = false; // 判定离开
    warningCount++;
  }

  // 更新 OLED
  u8g2.clearBuffer();

  unsigned long studyMinutes = (now - studyStart) / 60000;
  char buf[32];
  sprintf(buf, "学习 %lu 分钟", studyMinutes);
  u8g2.drawStr(0, 10, buf);

  if (!isPresent && awayDuration > AWAY_TIMEOUT) {
    // 提醒
    u8g2.drawStr(0, 25, "状态：开小差！");
    u8g2.drawStr(0, 40, "快回来学习！");
    u8g2.sendBuffer();

    // 舵机摇动 + 蜂鸣
    for (int angle = 60; angle <= 120; angle += 30) {
      myservo.write(angle);
      delay(100);
      digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
      delay(100);
    }
    myservo.write(90);
  } else if (isPresent) {
    u8g2.drawStr(0, 25, "状态：专注中");
    u8g2.sendBuffer();
    digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
    myservo.write(90);
    // 可选定时上传学习日志
  } else {
    u8g2.drawStr(0, 25, "状态：暂时离开");
    u8g2.sendBuffer();
    digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
    myservo.write(90);
  }

  delay(500);
}