DIY 智能植物培养箱：ATmega32U4 + ESP8266-12E + 多传感器融合

核心硬件清单

项目愿景：桌面级「数字农业」

受 MIT OpenAg Caleb Harper TED 演讲启发，目标打造 全气候可控、雾培+LED 光谱配方、数据可视化、App 远程运维 的紧凑型植物培养箱（代号 GIY - Grow It Yourself）。

关键子系统设计

PCB 设计与制造全流程

原理图设计 (EAGLE)

• 参考 FabLeo (ATmega32U4 + 原生 USB) 为基础板
• 扩展：4×MOSFET、传感器排针、ESP-12E 插座、LCD 接口、双电源模块
• 大面积铺铜 GND，降低阻抗与 EMI

双面板 CNC 铣制要点

1. 导出 1500 dpi 单色 PNG，分 内层蚀刻 与 外形铣切
2. 底层镜像水平翻转
3. 0.2 mm 钻头走内层，1.0 mm 铣刀切外形
4. 铣后显微镜检查短路，用万用表蜂鸣档逐网验证

焊接与调试

• 贴片元件先焊，通孔后焊
• 每焊完一类器件即测导通
• 曾发现 VCC/GND 短路，系刀具残留铜屑，刮刀清理后恢复
• 升压模块背面预留针座，上电调节至 24 V 再焊死

嵌入式软件架构

传感器驱动模块化

• DHT11：dht.h，D2，1 Hz 采样
• DS18B20：OneWire + DallasTemperature，D3，多点总线
• LDR：A3，模拟量分级 (Dark/Dim/Light/Bright/Very Bright)
• Water Level：A4，校准阈值 0/800/900 → EMPTY/LOW/HIGH
• pH：A5，两点标定 (pH 7.0 → 2.5 V, pH 4.01 → 3.05 V)，步进 0.18 V/pH

显示驱动：U8glib + 3 线 SPI

仅占用 3 个数字引脚 (D4, D12, D6)，首屏显示 FabLab Logo (128×64 BMP → HEX 数组)，随后循环刷新 5 行关键参数。

主循环逻辑伪代码

loop():
  read_all_sensors()
  if water_level == EMPTY: fog_pump = OFF
  else: fog_pump = ON
  grow_light = ON (可扩展光照配方)
  refresh_LCD()
  send_to_ESP_via_serial()  // JSON 格式
  delay(1000)

完整固件 (精简版)

#include "dht.h"
#include "U8glib.h"
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define DHT11_PIN 2
#define ONE_WIRE_BUS 3
#define WATER_LEVEL A4
#define LDR_PIN A3
#define PH_PIN A5
#define GROW_LIGHT 10
#define FOG_PUMP 13

dht DHT;
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature waterTemp(&oneWire);
U8GLIB_ST7920_128X64 u8g(4, 12, 6, U8G_PIN_NONE);
// ... Logo 数组省略 ...

void setup() {
  waterTemp.begin();
  pinMode(GROW_LIGHT, OUTPUT); pinMode(FOG_PUMP, OUTPUT);
  digitalWrite(GROW_LIGHT, HIGH);
  // LCD 初始化并显示 Logo
  u8g.firstPage(); do { u8g.drawBitmapP(32,0,16,64,logo); } while(u8g.nextPage());
}

void RefreshDisplay(float *h, double *t, int *wl, int *ll, int *ph) {
  u8g.setFont(u8g_font_fub11);
  u8g.drawStr(4,0,"Hum%"); u8g.setPrintPos(68,0); u8g.print(*h);
  u8g.drawStr(4,15,"Temp"); u8g.setPrintPos(68,15); u8g.print(*t);
  u8g.drawStr(4,30,"Wlvl");
  if(*wl==0){ u8g.drawStr(68,30,"EMPTY!"); digitalWrite(FOG_PUMP,LOW); }
  else if(*wl<800) u8g.drawStr(68,30,"LOW");
  else { digitalWrite(FOG_PUMP,HIGH); u8g.drawStr(68,30,"HIGH"); }
  // 光照分级
  if(*ll<100) u8g.drawStr(68,45,"Dark");
  else if(*ll<200) u8g.drawStr(68,45,"Dim");
  else if(*ll<500) u8g.drawStr(68,45,"Light");
  else if(*ll<800) u8g.drawStr(68,45,"Bright");
  else u8g.drawStr(68,45,"V.Bright");
  // pH 计算
  double v = 5.0/1024.0 * (*ph);
  float pHval = 7 + ((2.5 - v) / 0.18);
  u8g.drawStr(4,45,"pH"); u8g.setPrintPos(28,45); u8g.print(pHval);
}

void loop() {
  waterTemp.requestTemperatures();
  double T = waterTemp.getTempCByIndex(0);
  int wl = analogRead(WATER_LEVEL);
  int ll = analogRead(LDR_PIN);
  int ph = analogRead(PH_PIN);
  int chk = DHT.read11(DHT11_PIN);
  float hum = DHT.humidity;
  RefreshDisplay(&hum, &T, &wl, &ll, &ph);
  // TODO: 串口发送 JSON 给 ESP8266
  delay(1000);
}

机箱与结构件：多工艺融合

3D 打印关键参数 (BigRep 水箱)

• 喷嘴 205 °C / 热床 70 °C
• 层高 0.3 mm，填充 20% Gyroid
• 支撑：树枝式，仅接触构建板
• 后处理：打磨 + 硅油喷涂防水

系统集成与实测

• 传感器读数稳定，LCD 实时刷新无闪烁
• 雾化器水位联动可靠，无干烧
• ESP8266 透传云端，手机 App 可查历史曲线、下发光照配方
• 结构件组装无干涉，水箱防水内衬有效解决 3D 打印渗漏

开源资源

• EAGLE 原理图/PCB：GIY.sch / GIY.brd
• Fusion 360 模型：GIY System Design.f3d, Net Pot.f3d
• DXF 激光切割：Front/Back Cover, Plant Holder, LED Holder
• DXF CNC：Structure Walls, Mould
• 固件：GIY_Final.ino, GIY_LCD_Light_Test.ino

项目地址与许可

完整档案见 Fab Academy 2017 存档：https://archive.fabacademy.org/2017/fablabkamplintfort/students/396/final.html

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