基于ESP32的智能萌寵盆栽系統設計

摘要：針對現代家庭與辦公環境中對高效、個性化植物養護的迫切需求，設計一款基于ESP32的智能萌寵盆栽，融合了現代物聯網技術與植物生態學的智慧。該系統通過智能傳感器監測植物生長所需的光照、空氣溫濕度和土壤水分等環境參數，同時還具備情感交互功能，將盆栽模擬為寵物與人互動，為用戶提供情緒調節服務。這不僅為用戶提供智能化的盆栽養護服務，更能成為用戶的情感伴侶。

關鍵詞：智能萌寵盆栽；傳感器；ESP32；植物檢測；自動調節

中圖分類號：TP368.1" " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0010-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

隨著新時代人們生活質量的大幅提高，人們越來越渴望親近自然，享受綠色植物帶來的舒適與溫馨。在如今社會的發展中盆栽植物變得十分流行，一方面它可以提高人們的精神生活狀態，陶冶情操；另一方面，通過盆栽植物的光合作用能夠凈化空氣中的有毒有害氣體，使居住環境得到改善。然而，人們在面對忙碌的工作和缺乏對綠植養護知識的情況下，無法很好地照料植物，這就讓種植盆栽植物的人們情緒低落，甚至影響他們自身的身心健康。

為了解決上述問題，本研究設計了一款智能萌寵盆栽系統，該系統融合了現代智能科技與傳統盆栽種植，通過傳感器監測盆栽生長環境并自動調節養護參數，同時模擬寵物互動，為用戶提供情緒調節服務。該系統旨在幫助用戶輕松愉快地培養屬于自己的盆栽，隨時關注其生長狀態，并與之進行智能交互，成為用戶的情感伴侶[1-4]。

1 系統總體設計

智能萌寵盆栽系統總體設計框圖如圖1所示，本系統以ESP32-S3作為核心處理器，控制整個盆栽的自動化運行。傳感器設備主要包括空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、震動傳感器等，用于采集實時環境參數并傳輸至ESP32-S3進行數據存儲和處理。外部執行控制設備包括水泵、加濕器、LED補光燈，由ESP32-S3統一控制。顯示屏模塊主要實現系統控制、表情互動和環境數據可視化。ESP32-S3集成的2.4GHz Wi-Fi負責將接收的傳感器數據上傳至互聯網，并接收手機App發送的控制指令[5]。手機App、后端與數據庫通過互聯網與盆栽系統通信，實現遠程監測、遠程控制和數據儲存。

2 智能萌寵盆栽硬件系統結構

在盆栽的實際設計中，主要考慮系統整體結構的便利性和可使用性，通過設計PCB電路板來減少杜邦線的使用，只在PCB電路板上預留各模塊與開發板的連接插口，從而達到系統設計的各個模塊便于安裝和拆卸，以及整個系統小巧便利的目的。智能盆栽PCB硬件系統電路圖如圖2所示。

2.1 核心板設計

微控制器是智能萌寵盆栽系統中至關重要的控制單元，負責控制軟硬件設備。本設計對比了STM32和ESP32單片機，為了省去額外的通信模塊、簡化設計并降低成本，最終選擇ESP32-S3作為微控制器。樂鑫科技公司推出的ESP32-S3是一款集2.4GHz Wi-Fi和Bluetooth 5 （LE）技術的微控制單元，可以很好地進行遠距離控制[6]。同時，這款芯片具有雙核處理器處理速度高達240 MHz，提供多達45個可編程的通用輸入輸出引腳，滿足用戶的實際設計需求，核心板實物圖如圖3所示。

2.2 環境檢測模塊設計

系統通過盆栽上安置的多種傳感器實時監測空氣溫濕度、光照度、土壤濕度等參數，并將數據顯示在顯示屏上，同時提醒用戶關注植物生長狀態。例如，當檢測到濕度或光照強度低于閾值時，顯示屏會顯示相應的動畫表情提示用戶采取措施。

系統支持自動控制模式，用戶可以自定義植物生長環境閾值，系統會根據環境參數自動控制相應設備，將環境參數保持在設定的生長閾值附近。例如，當檢測到土壤濕度低于閾值時，自動打開水泵；空氣濕度低于閾值時，自動打開加濕器；光照強度低于閾值時，自動打開LED補光燈。用戶可根據需要選擇是否開啟相應設備的自動控制模式，從而減輕用戶對多種植物參數的關注，提升種植體驗。

2.3 顯示屏模塊設計

顯示屏模塊采用3.5寸TFTLCD顯示屏，使用SPI協議與單片機通信，并移植輕量化GUI LVGL進行數據顯示。顯示屏模塊的核心功能是對接收到的數據進行處理，并設計友好的人機交互界面。

為了使顯示屏上的數據更直觀，本系統采用LVGL官方GUI設計軟件SquareLine Studio設計人機交互界面[7]，以便美觀地顯示環境數據和盆栽表情動畫。表情動畫形象參考QQ表情包“小竹蒿”，使用開源3D制作軟件Blender制作，并使用LVGL官方的格式轉換器轉換成C數組格式的GIF，由LVGL的GIF組件顯示。顯示屏模塊設計圖如圖4所示，其中（a） 為GUI界面，（b） 為動畫形象圖。

2.4 無線傳輸模塊設計

點到點雙端通信是一種廣泛應用于生產和生活的經典無線通信模型，數據安全傳輸至關重要[8]。無線傳輸模塊由ESP32-S3開發板集成的2.4GHz Wi-Fi實現，無線傳輸模塊設計框圖如圖5所示。ESP32-S3與MQTT服務器連接，并與移動端進行無線通信，實現無線傳輸功能。

系統使用ESP32 Arduino框架中的WiFi庫將盆栽連接至互聯網，并通過PubSubClient庫連接至MQTT云服務器Eclipse Mosquitto，利用MQTT協議搭建安全的雙向傳輸協議，并訂閱“智慧盆栽主題”以接收信息或向該主題推送信息進行通信。

3 智能萌寵盆栽軟件設計

智能萌寵盆栽軟件設計旨在為用戶提供更便捷、安全、簡化的植物養護方式。為此，系統軟件設計采用層次化結構，并對各模塊功能進行軟件設計和智能控制，以確保系統在某個模塊出現異常或故障時，不會對整體運行產生重大影響。

系統軟件設計包含手機App、數據庫和服務器。ESP-S3單片機通過Wi-Fi連接云服務器，并與“智能萌寵盆栽”App進行數據傳輸。App端可以發送控制指令到ESP-S3，并控制后端服務器將監測到的實時環境數據存儲到數據庫。系統軟件設計框圖如圖6所示。

4 實驗與分析

智能萌寵盆栽的外形采用長方形設計，使用亞克力板組合拼接成長方體盒子。盆栽盒子的右上角放置水泵與LED補光燈的金屬連接軟管，左下角放置加濕器，后方放置土壤濕度傳感器和光照強度傳感器。盒子正前方設置一個傾斜的亞克力擋板，擋板中間切割出一個3.5寸的槽位用于放置LCD顯示屏。顯示屏右側為溫濕度傳感器，盆栽主控開發板通過PCB插槽與LCD屏幕相連，并位于屏幕后方，使用USB接口供電。實物外觀圖如圖7所示。

在完成軟硬件接線和電源測試后，進行無線數據通信和App端各功能模塊的測試。App軟件測試圖如圖8所示，其中（a） 為數據顯示界面，（b） 為修改閾值界面，（c） 為養護植物選擇界面，（d） 為遠程控制界面，（e） 為歷史數據查詢界面。

5 結論

本設計將物聯網技術與植物養護相結合，并賦予盆栽寵物化屬性，顯著提升了植物養護的智能化水平。智能萌寵盆栽系統提供多種植物種植模式，用戶可根據個人喜好和植物種類選擇最適宜的生長參數，實現植物最佳生長狀態。

系統通過傳感器監測盆栽的生長環境和狀態，自動調節養護參數，并模擬寵物互動，提醒用戶關注盆栽的健康成長。智能萌寵盆栽系統不僅能夠作為智能寵物與用戶進行互動，增加生活情趣、放松心情、緩解孤獨，還能為未來物聯網農業研究提供參考。

參考文獻：

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[7] 劉雙，劉葉鋒，田媛，等.基于LVGL與STM32的土壤溫濕度無線檢測系統的設計[J].電子制作，2024，32（14）：3-5.

[8] 張懷聰.基于ESP32的Wi-Fi無線密鑰生成關鍵技術研究[D].南京：東南大學，2023.

【通聯編輯：梁書】