智能物联网罐：ESP8266 + Arduino + 超声波传感器实时监测罐内物位

项目概述

本项目打造一款“智能罐”，利用 HC-SR04 超声波测距模块实时监测罐内物品高度 (如米、豆、零食等)，Arduino UNO 采集数据并通过 ESP8266-01 WiFi 模块上传至本地服务器 (XAMPP + MySQL + PHP)，网页端实时显示剩余量百分比与历史曲线。适合厨房储物罐、宠物粮桶、工业料斗等场景的远程监控与缺料报警。

所需组件与物料

• Arduino UNO R3 × 1
• ESP8266-01 WiFi 模块 × 1 (需 3.3V 供电，峰值电流 300mA+)
• HC-SR04 超声波测距模块 × 1
• 面包板 × 1
• 1kΩ 电阻 × 4 (ESP8266 电平转换分压)
• 杜邦线 ~15 根
• 透明塑料罐 (便于观察与安装传感器)
• Micro-USB 线 (Arduino 供电/烧录)

硬件接线详解

ESP8266-01 电平转换 (关键!)

ESP8266 为 3.3V 逻辑，Arduino UNO 为 5V 逻辑，**直连会烧毁 ESP8266**。必须用分压电阻降级 Arduino TX→ESP RX：

• Arduino D2 (SoftwareSerial TX) → 1kΩ → ESP RX → 2kΩ → GND (分压得 3.3V)
• Arduino D3 (SoftwareSerial RX) ← ESP TX (3.3V 高电平兼容 5V 判定，可直连)
• ESP VCC → 3.3V 稳压源 (Arduino 3.3V 引脚电流不足，**必须外接 AMS1117-3.3 或 LD1117-3.3 模块**，加 10μF+100nF 滤波)
• ESP CH_PD/EN → 3.3V (使能)
• ESP GND → 系统共地

HC-SR04 接线

软件架构

Arduino 端 (数据采集 + AT 指令透传)

• 库：`SoftwareSerial.h` (D2/D3 模拟串口与 ESP 通信)
• 主循环：触发 HC-SR04 测距 → 计算距离 `cm` → 拼接 HTTP GET 请求字符串 → 发送 `AT+CIPSTART="TCP","IP",80` → `AT+CIPSEND=len` → 发送 GET 数据 → 等待响应 → 延时 2 秒下一周期。
• 响应处理：`response()` 函数轮询 SoftwareSerial 打印 ESP 回显至硬件串口调试。

服务器端 (XAMPP + MySQL + PHP)

数据库设计

CREATE DATABASE smartjar;
USE smartjar;
CREATE TABLE `data` (
  `id` INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
  `distance_cm` FLOAT NOT NULL,
  `created_at` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

插入脚本 `insert.php`

<?php
$conn = new mysqli("localhost", "root", "", "smartjar");
if ($conn->connect_error) die("Connection failed: " . $conn->connect_error);
$dist = isset($_GET['dist']) ? floatval($_GET['dist']) : 0;
$sql = "INSERT INTO data (distance_cm) VALUES ($dist)";
$conn->query($sql);
$conn->close();
?>

显示脚本 `display.php`

<?php
$conn = new mysqli("localhost", "root", "", "smartjar");
$result = $conn->query("SELECT * FROM data ORDER BY id DESC LIMIT 50");
// 输出 HTML 表格或 JSON 供前端图表库 (Chart.js/ECharts) 调用
?>

关键配置参数

• 罐子总高度 `TANK_HEIGHT_CM` (如 30cm)，代码中换算剩余百分比：`percent = 100 * (TANK_HEIGHT - distance) / TANK_HEIGHT`。
• WiFi 凭证：`AT+CWJAP="SSID","PASS"`
• 服务器 IP：`AT+CIPSTART="TCP","192.168.x.x",80` (局域网静态 IP)
• GET 路径：`GET /insert.php?dist=XX.XX\r\nabcd1234` (末尾自定义标识符)

常见问题与调试

• ESP8266 无响应/乱码：波特率不匹配。出厂常为 115200，代码用 9600。需发送 `AT+UART_DEF=9600,8,1,0,0` 固化波特率，或 Arduino 改 115200 (SoftwareSerial 不稳定)。建议用 USB-TTL 单独配置 ESP 后再接 Arduino。
• 供电不足复位：ESP 发射峰值 300mA+，Arduino 3.3V 引脚仅 50mA，**必须外接稳压模块**，并加大容量电解电容。
• 超声波读数波动：罐内壁光滑导致多次反射，可在传感器前加泡沫喇叭口聚焦，或软件中值滤波 (取 5 次中位值)。
• 局域网穿透：外网访问需路由器端口映射或用 ngrok/frp 内网穿透。

扩展方向

• 替换 ESP8266-01 为 ESP-12F/NodeMCU，集成更稳定、GPIO 更多。
• 迁移至 MQTT + Home Assistant / ThingsBoard，实现仪表盘、报警推送 (Telegram/Email)。
• 加入太阳能 + 18650 + TP4056 实现户外离网运行。
• 多罐监测：单 Arduino + 多路超声波 (复用 Trig，Echo 接不同 GPIO) + 多路复用器。
• APP 端：MIT App Inventor / Flutter 开发原生手机应用，推送缺料通知。

项目文件

• Arduino 代码：`SmartJar.ino` (文末片段，完整版见 GitHub)
• GitHub 仓库：https://github.com/santynaren/iotsmartjar (含 README、PHP 脚本、数据库 SQL、原理图)
• 联系邮箱：santhoshnarendra@gmail.com / ajaykarthikkasinaathan14@gmail.com