基于FireBeetle ESP32-C6的智能阳台植物土壤监测系统

摘要
随着城市化进程的加快，阳台植物盆栽成为城市居民接近自然、提升生活品质的重要途径。为了有效监测和管理阳台植物的生长环境，本项目利用FireBeetle ESP32-C6、土壤传感器、太阳能板和锂电池，设计了一套低功耗、可持续的阳台植物监测系统。该系统能够实时采集土壤湿度数据，并通过无线通信传输到用户端，实现远程监控和智能提醒。本文详细介绍了该系统的设计与实现过程，包括硬件选择、电路设计、软件开发、数据分析等内容，旨在为城市居民提供一种高效、便捷的植物养护解决方案。

引言
项目背景
在现代城市生活中，阳台植物盆栽不仅美化了居住环境，还能够改善空气质量，带来心理上的愉悦。然而，由于日常生活的繁忙，许多城市居民往往难以定时关注和照料这些植物，导致植物生长不良甚至枯萎。传统的植物养护方式依赖人工经验，不仅费时费力，而且难以保证准确性和及时性。因此，利用智能硬件和物联网技术，实现对阳台植物的自动监测和管理，成为解决这一问题的重要途径。

项目目的
本项目旨在设计并实现一套阳台植物监测系统，通过FireBeetle ESP32-C6、土壤传感器、太阳能板和锂电池的协同工作，实现对植物生长环境的实时监测和智能管理。具体目标包括：
1.实时监测：通过土壤传感器实时采集植物土壤湿度数据，并将数据传输至用户端，实现对植物生长环境的实时监控。
2.节能环保：利用太阳能板为系统供电，结合锂电池储能，实现系统的长期稳定运行，减少对外部电源的依赖。
3.智能提醒：根据土壤湿度数据，智能分析植物的需水情况，并通过无线通信模块及时向用户发送提醒信息，帮助用户合理安排浇水时间。
4.易于安装：提供详细的安装和调试指导，使系统能够方便快捷地应用于各种阳台环境。

硬件清单

• FireBeetle 2 ESP32-C6
• Gravity: 土壤湿度传感器
• 单晶硅太阳能板
  

硬件连接

软件设计
数据采集与处理
在本项目中，ESP32微控制器作为核心处理单元，负责采集传感器数据、处理和分析数据，并通过无线通信将数据传输至服务器。以下是具体的软件逻辑设计：
1.电池电压采集：
a.使用ESP32的IO0引脚采集电池电压。
b.通过模拟数字转换（ADC），将采集到的模拟电压信号转换为数字信号，便于后续处理。
2.土壤湿度采集：
a.使用ESP32的IO3引脚采集土壤湿度传感器的电压。
b.通过ADC将土壤湿度传感器的模拟电压信号转换为数字信号。
3.数据处理：
a.读取并处理电池电压和土壤湿度的数字信号，转换为实际的电压值和湿度百分比。
4.数据上报：
a.使用ESP32的WiFi模块连接至无线网络。
b.通过HTTP协议，将采集到的数据上报至服务器，便于远程监控和管理。
以下是具体的软件实现代码示例：

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>

// #define DATA_SEND_INTERVAL_MS 15 * 60 * 1000
#define DATA_SEND_INTERVAL_MS 60 * 1000

int lastDataSentTimestamp = 0;
unsigned long previousMillis = 0;
unsigned long interval = 30000;

// WiFi 网络信息
const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";

// 服务器URL
const char* serverName = "http://192.168.1.236:5000/update";
const char* serverToken = "your_influx_token";

// 定义ADC引脚
const int batteryPin = 0; // IO0
const int soilMoisturePin = 3; // IO3

void sendData() {
  // 采集电池电压
  int batteryVoltage = analogReadMilliVolts(batteryPin)*2;
  Serial.print("BAT millivolts value = ");
  Serial.print(batteryVoltage);
  Serial.println("mV");

  // 采集土壤传感器电压
  int soilMoisturePercent = analogReadMilliVolts(soilMoisturePin);
  Serial.print("Soil sensor voltage = ");
  Serial.print(soilMoisturePercent);
  Serial.println("mV");
  Serial.println("--------------");

  // 创建HTTP客户端
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    HTTPClient http;
    http.begin(serverName);
    http.addHeader("Content-Type", "text/plain");
    http.addHeader("authorization", serverToken);
    // 创建POST数据
    String httpRequestData = "batteryVoltage=" + String(batteryVoltage) + "&soilMoisture=" + String(soilMoisturePercent);
    
    
    // 发送HTTP POST请求
    int httpResponseCode = http.POST(httpRequestData);
    
    // 打印响应结果
    if (httpResponseCode > 0) {
      String response = http.getString();
      Serial.println(httpResponseCode);
      Serial.println(response);
    } else {
      Serial.print("Error on sending POST: ");
      Serial.println(httpResponseCode);
    }
    // 结束HTTP请求
    http.end();
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  //set the resolution to 12 bits (0-4096)
  analogReadResolution(12);

  // 连接WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.println("Connecting to WiFi...");
  }
  Serial.println("Connected to WiFi");
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  sendData();
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  // if WiFi is down, try reconnecting
  if ((WiFi.status() != WL_CONNECTED) && (currentMillis - previousMillis >= interval)) {
    Serial.print(millis());
    Serial.println("Reconnecting to WiFi...");
    WiFi.disconnect();
    WiFi.reconnect();
    previousMillis = currentMillis;
  }
  if (millis() > lastDataSentTimestamp + DATA_SEND_INTERVAL_MS) {
    sendData();

    Serial.print("Millis since last measurement: ");
    Serial.println(millis() - lastDataSentTimestamp);
    lastDataSentTimestamp = millis();
  }
}

复制代码

服务器搭建
在电脑端进行以下操作
1. 安装python 3
2. 安装flask
   2.1 按下Win+R，输入cmd，进入命令面板
   2.2 输入"pip install flask" 安装flask
3. 在命令行中运行python代码

from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

# Endpoint to handle data from Arduino
@app.route('/update', methods=['POST'])
def update():
    auth_header = request.headers.get('authorization')
    if auth_header == 'your_influx_token':
        data = request.data.decode('utf-8')
        print(f"Received data: {data}")
        # Process the data sent from Arduino here, such as storing it in a database
        return jsonify({"status": "success", "message": "Data received"}), 200
    else:
        return jsonify({"status": "error", "message": "Unauthorized"}), 401

@app.route('/')
def home():
    return "Hello from Flask server!", 200

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)
复制代码

最终结果如下

结论
项目成果
通过本项目的实施，我们成功设计并实现了一套阳台植物监测系统。该系统基于ESP32微控制器、土壤湿度传感器、太阳能板和锂电池，能够实时监测阳台植物的土壤湿度，并通过无线通信实现远程数据传输和智能提醒。具体成果包括：
1.实时监测和智能提醒：
a.系统能够持续监测土壤湿度，确保植物在最佳湿度范围内生长。
b.当土壤湿度低于设定阈值时，系统能够及时向用户发送提醒，避免植物因缺水而受损。
2.节能环保设计：
a.采用太阳能板为系统供电，结合锂电池储能，实现系统的自给自足，减少对外部电源的依赖。
b.低功耗设计确保系统长时间稳定运行，进一步提升系统的实用性和环保性。
3.易于安装和使用：
a.系统设计简单，组件安装方便，用户无需专业技能即可完成设备的布置和调试。
b.直观的用户界面和易于理解的数据展示，使用户能够轻松掌握植物的生长状况。

未来展望
尽管本项目已取得显著成果，但仍有进一步改进和扩展的空间：
1.功能扩展：
a.增加温度、湿度和光照传感器，全面监测植物生长环境的各项参数，提供更科学的养护建议。
b.集成自动浇水系统，根据实时监测数据自动调整浇水量，实现更智能化的植物养护。
2.数据分析与智能化：
a.利用大数据分析和机器学习算法，对采集到的环境数据进行深入分析，预测植物的生长趋势，优化养护策略。
b.开发智能养护助手，根据历史数据和环境变化，为用户提供个性化的养护建议。
3.用户体验优化：
a.提升用户界面的设计，使其更加友好和易于操作。
b.增加数据的可视化功能，通过图表和图像展示植物生长状况，帮助用户更直观地了解植物的健康情况。