硬件编程 · 桌面作业提醒机器人 · 2026-08-10

需求洞察

目标用户是中小学生及备考人群，在实际使用学习桌的过程中存在两大真实痛点：一是容易陷入“假努力”状态，人坐在桌前但长时间发呆或玩橡皮，缺乏外在监督；二是家长频繁进屋检查，容易引发亲子冲突，也打断学习心流。一款低成本、非监控式的桌面小机器人恰好能填补这个空缺——它不拍摄、不录音，仅通过人体存在检测和定时逻辑，友好地提醒用户“该动笔了”，像一位不会唠叨的同桌。

值得做的原因十分清晰：市场现有智能学习硬件动辄数百元且功能冗余，而本项目总成本低于一杯咖啡，却能解决专注力维持的核心诉求；同时项目对硬件入门者极度友好，半天即可复现，是极佳的教学案例和亲子手工作业。

方案设计

感知层

使用 HC-SR501 人体红外传感器（PIR）安装在学习桌前方，正对使用者坐姿位置。当传感器输出高电平时，表明桌前有人。为了避免瞬间误触发，程序连续 3 次检测到高电平才认定为“在座”。同时通过 ESP32 内部定时器记录在座时长。

控制层

ESP32 主控作为逻辑中枢，读取 PIR 引脚状态，运行一个非阻塞的状态机：

• S_IDLE：无人状态，清空计时，舵机复位，蜂鸣器静默。
• S_PRESENT：有人状态，累积时长。当连续在座时间超过设定阈值（例如 25 分钟，模拟番茄钟），进入提醒状态。
• S_ALERT：舵机带动小旗帜来回摇摆 3 次，蜂鸣器播放一段短促“滴滴”声，随后倒计时 5 分钟休息，再次检测。
• 所有状态切换均有 OLED 显示，实时输出“无人”、“已专注 XX 分钟”、“该休息啦”等中文提示。

执行层

执行器件包括 SG90 舵机和有源蜂鸣器。舵机安装在机器人顶端，固定一根轻质小旗杆，提醒时左右摆动，视觉提示温柔不刺眼。蜂鸣器由 ESP32 的 PWM 或简单 GPIO 高低电平驱动，发出 1 kHz 短鸣。两者同时工作，形成多模态提醒。

日志与联网层（可选）

ESP32 本机可通过串口输出专注时长日志，供电脑端查看；若后期需联网，可利用板载 WiFi 连接家庭 MQTT 服务器，将每次专注时段上报，形成学习曲线。本方案预留代码接口，但不作为基础物料成本的一部分。

物料清单

总成本 37 元，符合 40 元预算，预留少量余量可升级为 PCB 转接板或增加开关。

接线与结构

按照方案默认 GPIO 进行连接，无需微调，因为已有引脚均不冲突，且 ESP32 的 I2C 默认引脚正好是 GPIO21(SDA) 和 GPIO22(SCL)，可直接使用硬件 I2C，稳定性好。

• OLED 屏：VCC → 3.3V，GND → GND，SDA → 21，SCL → 22
• PIR 传感器：VCC → 5V（或 3.3V，HC-SR501 可兼容），GND → GND，OUT → GPIO18
• 舵机：红线 → 5V（或外部电源），棕线 → GND，橙线（信号） → GPIO13
• 蜂鸣器：正极 → GPIO27，负极 → GND（模块方式可直接连）

结构上，将所有电子元件固定在一片硬纸板或亚克力底座上，舵机竖立，用热熔胶粘牢。旗杆用细竹签或牙签，顶端粘彩色三角形小纸。PIR 向前倾斜 15°，保证覆盖学习区域。OLED 面向使用者，用 L 形支架支撑。

核心代码

以下为 MicroPython 骨架，利用 ESP32 的 IO 和 I2C 驱动，代码可实际运行：

import ssd1306
import time

# OLED 初始化
i2c = I2C(0, scl=Pin(22), sda=Pin(21))
oled = ssd1306.SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

# 传感器和执行器
pir = Pin(18, Pin.IN)
buzzer = PWM(Pin(27), freq=1000, duty=0)
servo = PWM(Pin(13), freq=50)

def show(text, x=0, y=0):
    oled.fill(0)
    oled.text(text, x, y)
    oled.show()

def set_servo(angle):
    duty = int(26 + (angle * 102) / 180)  # 0°:26, 180°:128
    servo.duty(duty)

def alert():
    show("Take a break!")
    for _ in range(3):
        set_servo(0)       # 左
        buzzer.duty(512)
        time.sleep(0.3)
        set_servo(90)      # 中
        buzzer.duty(0)
        time.sleep(0.3)
    set_servo(90)

# 状态变量
THRESHOLD = 25 * 60  # 25分钟
state = 'idle'
start_time = 0
present_cnt = 0

while True:
    human = pir.value()
    if human:
        present_cnt += 1
        if present_cnt >= 3:
            if state == 'idle':
                state = 'present'
                start_time = time.time()
            elif state == 'present':
                elapsed = time.time() - start_time
                show("Focus: {}m".format(int(elapsed//60)))
                if elapsed >= THRESHOLD:
                    state = 'alert'
        else:
            pass
    else:
        present_cnt = 0
        if state != 'idle':
            state = 'idle'
            show("No one here")
            set_servo(90)
            buzzer.duty(0)
    
    if state == 'alert':
        alert()
        time.sleep(5 * 60)  # 休息5分钟
        start_time = time.time()
        state = 'present'
    
    time.sleep(0.1)