硬件编程 · 桌面作业提醒机器人 · 2026-09-01

桌面作业提醒机器人：硬件编程项目方案

需求洞察

目标用户：主要面向中小学生、考研自习者以及在书桌前长时间进行脑力劳动的人群。他们的学习桌通常在卧室或书房，环境较为安静，但缺乏外部学习监督，容易被手机、杂念等干扰。

真实痛点：学生坐下后往往忘记时间，要么一坐就是数小时导致颈椎疲劳，要么刚坐下几分钟就起身玩手机。传统的番茄钟需要手动操作，而家长提醒又容易引发亲子矛盾。这个项目解决的问题是“坐在书桌前却没有按照计划学习”这一高频且真实的场景。

为什么值得做：首先，硬件成本低，一套不超过40元，具有很高的可复制性。其次，ESP32是其学习平台；通过这一项目可综合练习传感器输入、执行器输出、无线通信和外壳装配等多项技能。最后，这个项目具有实用价值，能真正改变用户的学习习惯，不是“吃灰玩具”。

方案设计

感知层

感知层由PIR人体红外传感器构成，安置于桌面朝向用户的支架上，用于检测用户是否坐在书桌前。当用户入座后，传感器输出高电平信号至ESP32的GPIO18。为了降低误报，可在代码中设置连续高电平超过3秒才判定为“有效入座”。

控制层

控制层以ESP32为核心，负责信号采集、状态管理和任务调度。系统维护一个简单的时间状态机，分为“未入座”、“已入座未开始任务”、“任务进行中”、“超时提醒”四种状态。使用定时器记录在座时长，并与设定的学习时段（例如50分钟）进行对比。此外，ESP32可获取本地时间（通过NTP），在预设的学习时段内若检测到人，则自动启动提醒流程。

执行层

执行层包括OLED显示屏、舵机和蜂鸣器。

• OLED在空闲时显示当前时间，在检测到入座后显示“今日任务清单”，若任务超时则轮播“该休息了”。
• 舵机连接一只3D打印或纸板制作的“小熊猫”，入座时做出“点头”动作表示欢迎；超时时做出“摇头”动作表示提醒。
• 蜂鸣器在入座时发出短暂提示音，在超时时发出三短两长的警报音。

日志/联网层

ESP32通过Wi-Fi连接到本地网络，使用NTP获取时间。为保证日志不依赖外部服务，使用SD卡或闪存记录每日入座与离开的时间戳。若未来需要实现远程监控，可通过MQTT将日志发送至家中服务器或手机APP，但该功能初始版本不强制开启。

物料清单

接线与结构

接线明确如下：

• OLED：VCC→3.3V，GND→GND，SDA→GPIO21，SCL→GPIO22。
• PIR传感器：VCC→5V，GND→GND，OUT→GPIO18。
• 舵机：红线→5V，棕线→GND，橙线→GPIO13。
• 蜂鸣器：正极→GPIO27，负极→GND（有源蜂鸣器可通过三极管驱动，但GPIO27直接驱动低功耗蜂鸣器亦可）。

微调说明：原定GPIO没有变动。若使用SSD1306的OLED，地址通常为0x3C；若为其他地址，可在代码中修改。舵机电源建议从5V引脚接入，避免ESP32板载稳压器过载。

核心代码

以下为Arduino骨架，可直接在PlatformIO或Arduino IDE中编译。不依赖复杂库，仅使用Wire、Adafruit_SSD1306和ESP32Servo。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <ESP32Servo.h>

#define OLED_SDA 21
#define OLED_SCL 22
#define PIR_PIN 18
#define SERVO_PIN 13
#define BUZZER_PIN 27

Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire;, -1);
Servo reminderServo;

const int STUDY_MINUTES = 50;
unsigned long sitStartTime = 0;
bool isSitting = false;
bool isReminded = false;

void setup() {
  pinMode(PIR_PIN, INPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  reminderServo.write(90);
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int pirState = digitalRead(PIR_PIN);
  if (pirState == HIGH && !isSitting) {
    isSitting = true;
    sitStartTime = millis();
    isReminded = false;
    playTone(200, 100);
    nodHead(2);
    displayMessage("Welcome!");
  }
  if (isSitting && !isReminded && (millis() - sitStartTime > STUDY_MINUTES * 60000UL)) {
    isReminded = true;
    playTone(800, 200);
    playTone(400, 200);
    playTone(800, 200);
    shakeHead(3);
    displayMessage("Break Time!");
  }
  if (pirState == LOW && isSitting) {
    isSitting = false;
    isReminded = false;
    reminderServo.write(90);
  }
  delay(100);
}

void nodHead(int times) {
  for (int i = 0; i < times; i++) {
    reminderServo.write(60);
    delay(200);
    reminderServo.write(120);
    delay(200);
  }
  reminderServo.write(90);
}

void shakeHead(int times) {
  for (int i = 0; i < times; i++) {
    reminderServo.write(30);
    delay(200);
    reminderServo.write(150);
    delay(200);
  }
  reminderServo.write(90);
}

void playTone(int freq, int ms) {
  tone(BUZZER_PIN, freq, ms);
  delay(ms + 20);
  noTone(BUZZER_PIN);
}

void displayMessage(String msg) {
  display.clearDisplay();
  display.setCursor(0, 0);
  display.println(msg);
  display.display();
}