硬件编程 · 阳台盆栽土壤湿度守护 · 2026-07-21

需求洞察

目标用户：阳台面积有限、喜欢种植香草、花卉或小番茄的都市园艺爱好者，尤其是经常出差或忘记浇水的上班族。

真实痛点：

1. 浇水全凭感觉：盆土表面干了但底部仍湿，反复过量浇水导致烂根，是阳台盆栽死亡的第一大原因。
2. 时间碎片化：用户无法每天定时巡查每一盆植物，出差或假期时只能拜托邻居，结果往往不理想。
3. 缺乏长期数据：不知道盆土湿度在一天中的变化规律，难以优化浇水时间和水量，无法积累种植经验。
4. 市售方案太贵：成品智能花盆或灌溉套件均价 150 元以上，且多为封闭系统，无法按自己需求扩展。

为什么值得做：

• 该项目以极低成本解决高频刚需，核心感知链路清晰，是学习物联网硬件开发的理想入门作品。
• ESP32-S3 提供了丰富的片上资源，项目后期可平滑扩展为多盆联动、自动补水，甚至结合天气预报决策。
• 阳台场景贴近生活，用户通过自己动手能获得极强的成就感，同时真正改善家居种植体验。

方案设计

感知层

• 土壤湿度：电阻式湿度传感器（镀金探头），模拟电压输出接 ESP32-S3 的 GPIO34（ADC1_CH6）。非浇水期土壤越干阻值越大，输出电压越高，程序中设定上下阈值。
• 环境温湿度：DHT22（AM2302）单总线数字传感器，连接 GPIO15。用于温度校正与露点粗略参考，辅助判断土壤水分蒸发速率。

控制层

• 主控 ESP32-S3：双核 Xtensa LX7，内置 2.4 GHz Wi-Fi，支持低功耗协处理器。在 loop 中完成采集、显示、判断与数据推送，随后进入 Light Sleep，由 RTC 定时器唤醒。
• 低功耗管理：深度睡眠时将外设（传感器、OLED）供电经由 GPIO 控制的高侧 PMOS 切断，仅保留 RTC 唤醒源，平均待机电流可降至 1.6 mA 左右。

执行层

• OLED 显示：0.96 寸 128×64 I²C SSD1306，地址 0x3C，接 GPIO21(SDA)、GPIO22(SCL)。实时轮显湿度百分比、温度、浇水建议及电池电压。
• 本地告警：板载 LED (GPIO2) 在湿度低于临界值时以 1 Hz 闪烁；预留有源蜂鸣器控制接口（GPIO5），可通过跳线帽开启声音提示。

日志/联网层

• MQTT 数据上传：通过家庭 Wi-Fi 连接至本地 MQTT Broker（如 Mosquitto 或 EMQX），上报 JSON 结构体 {"moisture":56,"temp":24.5,"bat":3.91}。
• 远程提醒与数据存储：手机端可使用 MQTT Dash 或 Node-RED 可视化，并可对接 InfluxDB 存储历史曲线。
• OTA 固件更新：利用 ArduinoOTA 库或基于 ESP-IDF 的 app_update 组件，实现远程固件升级，长期维护无需拆机。

整体工作流程：每小时唤醒→依次开启传感器与 OLED 供电→采集 3 次取中值→OLED 显示并判断是否需要浇水→连接 Wi-Fi→MQTT 上报→关闭外设供电→进入深度睡眠。

物料清单

总成本 53.70 元，预留 6.30 元用于运费或价格浮动，确保在 60 元目标内。

接线与结构

依据给定建议并微调后的接线如下：

• 土壤湿度传感器：VCC 经 PMOS 受控 3.3 V 供电，GND 接公共地，模拟输出 → GPIO34（ADC1_CH6）。说明：使用 ADC1 通道在 Wi-Fi 开启时仍能正常工作，避免 ADC2 冲突。
• DHT22：VCC 同样来自受控 3.3 V，DATA → GPIO15，并上拉 10 kΩ 电阻至 VCC。
• OLED：VCC 接受控 3.3 V，GND 公共地，SDA → GPIO21，SCL → GPIO22（ESP32-S3 的 I²C 外设 0 默认引脚）。
• 外设供电控制 PMOS：GPIO7 经 1 kΩ 限流电阻接到 PMOS 栅极，源极接电池正极，漏极输出 V_PERI（外设 3.3 V）通过 LDO 或直接从电池降压模块获得，此处使用开发板 3.3 V 引脚总输出。
• 蜂鸣器（选焊）：GPIO5 经过 NPN S8050 驱动有源蜂鸣器。
• 唤醒按键：轻触开关一端接 GPIO0，另一端接地，同时作为烧录按钮，长按即可从深睡眠唤醒并进入下载模式。

结构说明：

• 将 ESP32-S3 开发板与充电、供电模块焊接在洞洞板下层；OLED、传感器接口和设置按钮固定在上层或外壳面板。
• 探头插入花盆侧壁中部位置，信号线用热缩管防水处理后从花盆底部排水孔引出。
• 外壳可 3D 打印或选用 IP54 仪表防水盒，底部设计探头引线孔，并打胶密封。

核心代码

以下为基于 Arduino 框架的可编译骨架，使用 PlatformIO 环境，开发板选择 esp32-s3-devkitc-1。

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <DHT.h>
#include <U8g2lib.h>

// ---------- 引脚与常量 ----------
#define PIN_MOISTURE 34        // ADC1_CH6
#define PIN_DHT      15
#define PIN_PERI_EN  7         // 外设供电使能
#define PIN_BUZZER   5
#define PIN_LED      2

#define DHT_TYPE DHT22
DHT dht(PIN_DHT, DHT_TYPE);
U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE);

// WiFi 与 MQTT
const char* ssid = "Your_SSID";
const char* password = "Your_PASSWORD";
const char* mqtt_server = "192.168.1.100";
WiFiClient espClient;

// 湿度范围参数（需根据探头在空气中/水中的读数标定）
const int DRY_AIR   = 3200;   // 空气中 ADC 原始值
const int WET_WATER = 1400;   // 水中 ADC 原始值

// 唤醒间隔（秒）
const uint64_t SLEEP_SEC = 3600; // 每小时

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_PERI_EN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_BUZZER, OUTPUT);
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);

  // 上电开启外设供电
  delay(100);   // 等待电源稳定

  dht.begin();
  u8g2.begin();
  u8g2.clearBuffer();
  u8g2.sendBuffer();

  // 采集并处理数据
  float moisture = readMoisture();
  float temp = dht.readTemperature();
  float hum  = dht.readHumidity();

  // 显示
  displayData(moisture, temp);

  // 判断是否需要本地告警
  if (moisture < 30.0) {
    digitalWrite(PIN_LED, HIGH);
    tone(PIN_BUZZER, 1000, 300);
    delay(300);
    digitalWrite(PIN_LED, LOW);
  }

  // 联网上报（若电池电压较低可跳过）
  if (connectWiFi()) {
    if (client.connect("BalconyPlanter")) {
      String payload = "{\"moisture\":" + String(moisture, 1) +
                       ",\"temp\":" + String(temp, 1) +
                       ",\"humidity\":" + String(hum, 1) + "}";
      client.publish("planter/data", payload.c_str());
      client.disconnect();
    }
    WiFi.disconnect(true);
  }

  // 关闭外设供电，准备休眠
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_SEC * 1000000ULL);
  esp_deep_sleep_start();
}

void loop() {
  // 主逻辑均在 setup 中完成，深睡后重启执行
}

// ---------- 读取土壤湿度百分比 ----------
float readMoisture() {
  const int samples = 3;
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < samples; i++) {
    sum += analogRead(PIN_MOISTURE);
    delay(10);
  }
  int avg = sum / samples;
  // 反向线性映射：干=0%，湿=100%
  float percent = map(avg, DRY_AIR, WET_WATER, 0, 100);
  if (percent < 0) percent = 0;
  if (percent > 100) percent = 100;
  return percent;
}

// ---------- OLED 显示 ----------
void displayData(float moisture, float temp) {
  u8g2.clearBuffer();
  u8g2.drawStr(0, 10, ("Soil: " + String(moisture, 0) + "%").c_str());
  u8g2.drawStr(0, 25, ("Temp: " + String(temp, 1) + " C").c_str());
  if (moisture < 30) {
    u8g2.drawStr(0, 45, ">>> Water me! <<<");
  } else {
  }
  u8g2.sendBuffer();
}

// ---------- 连接 Wi-Fi（带超时） ----------
bool connectWiFi() {
  WiFi.begin(ssid, password);
  int retries = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && retries < 20) {
    delay(500);
    retries++;
  }
  return (WiFi.status() == WL_CONNECTED);
}