ArduFarmBot 第二部分：构建远程 IoT 控制站

组件与物料

组件	说明	数量
Arduino Nano R3	主控制器	1
Espressif ESP8266 ESP-01	WiFi 模块	1
DHT22 温湿度传感器	空气温湿度	1
KY-018 光敏模块	光照强度	1
土壤湿度传感器	土壤含水量	1
继电器模块	控制水泵/灯泡	2
LCD 20×4 (I2C)	本地显示	1
12mm 轻触开关	本地按键操作	3
LED (通用)	状态指示	3

应用与在线服务

服务	说明
ThingSpeak API	云端数据存储与可视化

项目简介

本教程延续《ArduFarmBot：用 Arduino 和 IoT 控制家庭番茄农场》（第一部分）。第一部分实现了本地控制站：采集温度、空气湿度、光照、土壤湿度，自动决定加热灯与水泵动作，并支持本地按键手动干预。

第二部分引入 IoT 方案：通过互联网实现远程手动干预。数据上传至云存储（ThingSpeak.com），专用网页“远程控制页”近实时显示数据并提供水泵/灯泡远程开关控制。

步骤 1：物料清单 (BOM)

• Arduino Nano ($7.50)
• DHT22/DHT11 温湿度传感器 ($3.66)
• AD-018 光敏模块 ($0.71)
• 2× 土壤湿度传感器 ($1.99，可自制)
• LCD I2C 20×4 ($13.99)
• LED ($0.20)
• ESP8266 ESP-01 WiFi 模块 ($5.96)
• 有源蜂鸣器 KY-012 ($0.60)
• 2× 5V 继电器模块 ($11.60)
• 跳线、电阻 (10K/2.2K/1K/220Ω)
• Arduino Nano 扩展板 “Funduino” ($7.28)
• 4键薄膜键盘 ($6.65)
• 塑料外壳

步骤 2：硬件完善

在第一部分本地站基础上仅增加 ESP8266。框图展示所有引脚连接。注意电平转换：ESP8266 工作电压 3.3V，Rx 不能直连 Nano Tx (D3)，需分压电阻降压。图示详细连接法。ESP8266 通过 SoftSerial 接 Nano D2(Tx)/D3(Rx)，也可用硬件串口 0/1（上传代码时需断开）。

蜂鸣器接 D17 (A3)，通讯故障报警用，测试阶段使用，最终版可选。

ESP8266 测试/配置代码： FC9DBPKIT682FY7.ino

步骤 3：ESP8266 连网

上电先复位 CH_PD 引脚：

void reset8266() {
  pinMode(CH_PD, OUTPUT);
  digitalWrite(CH_PD, LOW); delay(300);
  digitalWrite(CH_PD, HIGH);
  Serial.print("8266 reset OK");
  lcd.clear(); lcd.println("8266 reset OK ");
}

连接本地 WiFi（修改代码中的 USERNAME/PASSWORD），设为 Station 模式 (CWMODE=1)：

void connectWiFi() {
  sendData("AT+RST\r\n", 2000, DEBUG);
  sendData("AT+CWJAP=\"USERNAME\",\"PASSWORD\"\r\n", 2000, DEBUG);
  delay(3000);
  sendData("AT+CWMODE=1\r\n", 1000, DEBUG);
  sendData("AT+CIFSR\r\n", 1000, DEBUG); // 显示 IP
  lcd.clear(); lcd.print("8266 Connected");
  Serial.println("8266 Connected");
}

发送 AT 命令通用函数 sendData()：

String sendData(String command, const int timeout, boolean debug) {
  String response = "";
  esp8266.print(command);
  long int time = millis();
  while ((time + timeout) > millis()) {
    while (esp8266.available()) {
      char c = esp8266.read(); response += c;
    }
  }
  if (debug) Serial.print(response);
  return response;
}

上述函数在 setup() 中调用，成功后串口显示类似信息。

步骤 4：云端存储 - ThingSpeak.com

所有采集数据上传至 ThingSpeak 免费云服务。loop() 中调用 updateDataThingSpeak()：

void updateDataThingSpeak() {
  startThingSpeakCmd();
  cmd = msg;
  cmd += "&field1="; cmd += tempDHT;      // 温度
  cmd += "&field2="; cmd += humDHT;       // 湿度
  cmd += "&field3="; cmd += lumen;        // 光照
  cmd += "&field4="; cmd += soilMoist;    // 土壤湿度
  cmd += "&field5="; cmd += pumpStatus;   // 水泵状态
  cmd += "&field6="; cmd += lampStatus;   // 灯泡状态
  cmd += "\r\n";
  sendThingSpeakCmd();
}

建立连接 startThingSpeakCmd()：

void startThingSpeakCmd() {
  cmd = "AT+CIPSTART=\"TCP\",\"";
  cmd += IP; cmd += "\",80";
  esp8266.println(cmd); delay(2000);
  if (esp8266.find("Error")) { Serial.println("ESP8266 START ERROR"); return; }
  Serial.println("Thinkspeak Comm Started"); cmd = "";
}

发送数据 sendThingSpeakCmd()：

String sendThingSpeakCmd() {
  esp8266.print("AT+CIPSEND="); esp8266.println(cmd.length());
  if (esp8266.find(">")) {
    esp8266.print(cmd);
    Serial.println(); Serial.println(); Serial.println(cmd); delay(500);
    String messageBody = "";
    while (esp8266.available()) {
      String line = esp8266.readStringUntil('\n');
      if (line.length() == 1) {
        messageBody = esp8266.readStringUntil('\n');
        Serial.print("Message received: "); Serial.println(messageBody);
      }
    }
    return messageBody;
  } else {
    esp8266.println("AT+CIPCLOSE");
    Serial.println("ESP8266 CIPSEND ERROR: RESENDING");
    error = 1; return "error";
  }
}

参考 Michalis Vasilakis 教程《Arduino IOT: Temperature and Humidity (with ESP8266 WiFi)》。

步骤 5：网页远程控制执行器

数据上云后，需从云端下发指令控制执行器。在 ThingSpeak 创建控制字段：

• Field 7: 1=开水泵, 0=关水泵
• Field 8: 1=开灯泡, 0=关灯泡

通过 API 写入：api.thingspeak.com/update?key=YOUR_WRITE_KEY&field7=1

读取最新指令：api.thingspeak.com/channels/CHANNEL_ID/fields/7/last

读取函数 readLastDataField7()：

int readLastDataField7() {
  startThingSpeakCmd();
  cmd = msgReadLastDataField7; cmd += "\r\n";
  String messageDown = sendThingSpeakCmd();
  Serial.print("Command received: "); Serial.println(messageDown[7]);
  int command = messageDown[7] - 48; // ASCII 转数字
  return command;
}

Field 8 同理。接收指令并执行 receiveCommands()：

void receiveCommands() {
  field7Data = readLastDataField7();
  if (field7Data == 1) { digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH); pumpStatus = 1; showDataLCD(); }
  if (field7Data == 0) { digitalWrite(PUMP_PIN, LOW); pumpStatus = 0; showDataLCD(); }
  delay(500);
  field8Data = readLastDataField8();
  if (field8Data == 1) { digitalWrite(LAMP_PIN, HIGH); lampStatus = 1; showDataLCD(); }
  if (field8Data == 0) { digitalWrite(LAMP_PIN, LOW); lampStatus = 0; showDataLCD(); }
  delay(500);
}

本地按键操作时同步更新 ThingSpeak 字段 7/8，保持本地/远程状态一致。执行函数 aplyCmd() 统一驱动执行器。

协调策略：每循环检测本地按键；约每 20 秒轮询远程指令；约每 75 秒读传感器、自动控制、上传数据（自动控制优先级最高，覆盖手动操作）。两个定时器分别管理：

long sampleTimingSeconds = 75;        // 传感器采样周期
long poolingRemoteCmdSeconds = 20;    // 远程指令轮询周期

重写 loop()：

void loop() {
  elapsedRemoteCmdTime = millis() - startRemoteCmdTiming;
  elapsedTime = millis() - startTiming;
  reverseElapsedTimeSeconds = round(sampleTimingSeconds - elapsedTime/1000);
  readLocalCmd(); showDataLCD();
  if (elapsedRemoteCmdTime > (poolingRemoteCmdSeconds*1000)) {
    receiveCommands(); updateDataThingSpeak(); startRemoteCmdTiming = millis();
  }
  if (elapsedTime > (sampleTimingSeconds*1000)) {
    readSensors(); autoControlPlantation(); updateDataThingSpeak(); startTiming = millis();
  }
}

步骤 6：专用网页界面

浏览器直接操作 ThingSpeak 不够优雅，开发专用网页交互 ThingSpeak：

• 读取字段 1-4 传感器数据
• 读取字段 5-6 执行器状态
• 写入字段 7-8 控制指令
• 读取 Yahoo 天气数据（扩展功能）

托管于 Byethost 免费空间，应用 Coursera/密歇根大学《网页设计》课程所学（HTML5/CSS3/JavaScript）。源码打包下载： FQOK9ENIT653YX5.zip

步骤 7：传感器-执行器矩阵决策

将复杂工况抽象为矩阵：每行一种传感器组合条件，对应执行器动作。Excel 表格含筛选版与多条件版。转为代码数组 SDf[18][10]（8 传感器状态 + 2 执行器输出）：

// +---SOIL----+-LIGHT-+---TEMP---+---ACTUAT----+
// SL SM SH LL LH TL TM TH Pump Lamp
boolean SDf[18][10] = {
  {1,0,0,0,1,0,0,1,1,0}, {1,0,0,0,1,0,1,0,1,0}, {1,0,0,0,1,1,0,0,1,1},
  {1,0,0,1,0,0,0,1,1,0}, {1,0,0,1,0,0,1,0,1,0}, {1,0,0,1,0,1,0,0,0,1},
  {0,1,0,0,1,0,0,1,0,0}, {0,1,0,0,1,0,1,0,0,0}, {0,1,0,0,1,1,0,0,0,1},
  {0,1,0,1,0,0,0,1,0,0}, {0,1,0,1,0,0,1,0,0,1}, {0,1,0,1,0,1,0,0,0,1},
  {0,0,1,0,1,0,0,1,0,0}, {0,0,1,0,1,0,1,0,0,0}, {0,0,1,0,1,1,0,0,0,1},
  {0,0,1,1,0,0,0,1,0,0}, {0,0,1,1,0,0,1,0,0,1}, {0,0,1,1,0,1,0,0,0,1}
};

函数 defSensorStatus() 逐行匹配前 8 列条件全真则执行后 2 列动作。另建数组 snsSts[8] 记录传感器状态用于日志。

Excel 文件下载： F2HWXBYITA8WIN1.xlsx

步骤 8：代码优化

• 显示优化： LCD 默认关闭，按“传感器读取”键切换开关，开启时刷新读数但不影响自动控制
• 初始化向导： 上电显示设置项（低温阈值、干湿土阈值、暗光阈值、水泵开时长、扫描周期、软件版本），按“传感器”键确认进入运行
• EEPROM 日志： 每周期记录传感器状态位串+水泵/灯泡状态，函数 storeDataLogEEPROM() 循环写入 1023 字节空间
• 模块化拆分： 新增 communication.ino (ThingSpeak/ESP8266) 和 stationCredentials.h (通道 ID/密钥)
• PROGMEM 优化： 常量存 Flash 不占 SRAM，如 const PROGMEM byte DHTPIN = 5; 需引用 avr/pgmspace.h
• 精简调试输出： 注释/删除 Serial.print() 节省内存

完整代码分文件下载：

• FTUT5VIIT67U8ME.ino (主程序)
• FWMIPSSIT67U8MG.ino (通讯模块)
• FJPGZNKIT67U8MK.ino (传感器读取)
• FQH3X9VIT67U8NA.ino (自动控制)
• F15MY4YIT67U8NB.ino (本地按键)
• FVU64X1IT67U8NC.h (凭据头文件)
• FZ057E3IT67U8P5.h (配置头文件)

步骤 9：MJRovai 家庭农场实测

第二季从播种到移栽筛选最佳 6 株（约 45 天）全程记录：

步骤 10：总结

项目暂告段落！希望能助你探索电子、IoT 与机器人世界。第三部分将发布有机番茄酱意面食谱（玩笑）。

推荐新作《ArduFarmBot, the book!》系统整理全项目：

书籍涵盖 LCD/OLED、LED/按键、继电器驱动泵/灯、DHT22/DS18B20/YL69/LDR 等传感器。含详细文字、框图、高清照片、Fritzing 原理图、GitHub 完整代码、YouTube 视频。三部分内容：

1. Arduino Nano 本地版（自动+手动）
2. ESP8266-01 联网版，接入 ThingSpeak，开发网页远程控制
3. NodeMCU ESP8266-12E 替代前二者，引入 Blynk 平台

书籍已上架 Amazon，欢迎下载评价，留言交流！更多项目访问 MJRoBot.org。来自南半球的问候，下个项目见！

代码片段汇总

• 代码片段 #1: ESP8266 复位函数
• 代码片段 #2: WiFi 连接函数
• 代码片段 #3: AT 命令发送函数
• 代码片段 #4: ThingSpeak 数据上传
• 代码片段 #5: ThingSpeak 连接建立
• 代码片段 #6: ThingSpeak 数据发送
• 代码片段 #9: 读取 Field 7 指令
• 代码片段 #10: 接收远程指令执行
• 代码片段 #11: 统一执行器驱动
• 代码片段 #12: 双定时器变量
• 代码片段 #13: 主循环调度
• 代码片段 #14: 传感器-执行器决策矩阵
• 代码片段 #15: EEPROM 日志记录

GitHub 仓库

https://github.com/Mjrovai/ArduFarmBot

原理图

ardufarmbot_qpNcBDX6Jr.fzz