基于 ESP32 的环境监测与自动控制系统，支持通风、补光、TEC 温控、浇水等核心功能，具备本地串口调试、云端 MQTT 远程监控能力。
An ESP32-based environmental monitoring and automatic control system, supporting ventilation, supplemental lighting, TEC temperature control, watering, and other core functions, with local serial debugging and cloud MQTT remote monitoring capabilities.
第二版原理图绘制、焊盘及封装绘制已全部完成。电源架构与功能模块方案已最终确定，详见下方第二版硬件设计章节。PCB 布局布线为下一阶段工作。
The v2.0 schematic, footprint, and PCB library have been completed. The power architecture and functional module design have been finalized — see the v2.0 hardware design section below. PCB layout is the next phase.
第二版硬件规划启动，将进行多项重大升级，提升系统性能和扩展性。
v2.0 hardware planning initiated, featuring major upgrades to improve system performance and scalability.
第一版硬件已完成设计、打样，软件核心功能开发完毕，升级为 4 通道版本。
v1.0 hardware design, fabrication, and core software development completed; upgraded to a 4-channel version.
设计思路 / Design Philosophy：第一版以"多通道独立控制"为核心，目标是同时管理 4 个独立植物模块，每个模块配备独立的 LED 补光与传感器接口。12V 供电、单级降压的简洁架构便于快速验证核心功能。
v1.0 centered on "multi-channel independent control," aiming to manage 4 separate plant modules simultaneously, each with independent LED lighting and sensor interfaces. The simple 12V single-stage buck architecture enabled rapid core functionality validation.
├── TPS54302DDCR：12V → 5V 降压转换 / Buck Converter
├── PT4115：LED 恒流驱动 ×4 / Constant Current LED Driver ×4
└── 各模块供电分配 / Peripheral Power Distribution
| 模块类型 / Module Type | 设计预留 / Designed | 实际可用 / Available | 原因说明 / Note |
|---|---|---|---|
| 光照控制 / Lighting | 4 通道 / ch | 4 通道 / ch | 每通道 3W，总计 12W / 3W per ch, 12W total |
| 水泵控制 / Water Pump | 4 个 | 1 个 | PCB GPIO 端口分配错误 / GPIO assignment error |
| 传感器接口 / Sensor | 4 个 | 1 个 | PCB GPIO 端口分配错误 / GPIO assignment error |
| # | 模块 / Module | 说明 / Description |
|---|---|---|
| 1 | 通风控制 / Ventilation | 定时启停风扇 / Timed fan on/off |
| 2 | 补光灯控制 / Lighting | PWM 智能调光（自动渐亮/渐暗）/ PWM dimming with auto fade |
| 3 | LED 散热控制 / LED Cooling | 独立散热管理 / Independent thermal management |
| 4 | 智能浇水 / Watering | 土壤湿度阈值、4 小时防重复、周计划管理 / Soil moisture threshold, 4h anti-repeat, weekly schedule |
| 5 | 时间管理 / Time | 软件计时、Unix 时间戳、ISO 周数、星期计算 / Software timer, Unix timestamp, ISO week, weekday calc |
| 6 | 命令解析器 / CLI | 非阻塞串口命令，完整调试接口 / Non-blocking serial command parser |
| 7 | 云端通信 / Cloud | WiFi + MQTT over TLS（状态上报、远程命令、遗嘱消息）/ Status report, remote command, LWT |
| 8 | 数据处理 / Data | 去极值、均值、标准差、稳定性判断 / Outlier removal, mean, stddev, stability check |
注 / Note：串口屏交互功能暂未开发，将在后续版本中实现。 The serial touchscreen UI is not yet developed and will be implemented in a future version.
第一版电路板正面 / v1.0 PCB Front View
左：系统框图 / Left: System Block Diagram | 右：电气组件图 / Right: Electrical Components
| 维度 / Aspect | 状态 / Status |
|---|---|
| 硬件 / Hardware | Cadence 原理图、封装、初版 PCB 已完成并打样，等待测试 / Schematic, footprint, PCB designed & fabricated, awaiting test |
| 软件 / Software | 核心功能已完成，升级为 4 通道版本 / Core functions complete, 4-channel support |
| 已知问题 / Known Issues | GPIO 端口分配错误导致部分通道不可用；12V 供电限制了 TEC 等大功率模块的引入 / GPIO assignment errors; 12V limits high-power modules like TEC |
设计思路 / Design Philosophy：第二版从"多通道简单控制"转向"单系统精细化控制"。核心变化包括：① 提升输入电压至 24V 以支持更大功率负载；② 引入 TEC 半导体制冷实现主动温控；③ 使用 50W COB 灯珠替代 4 颗分立 LED，简化光路并提升光效；④ 增加多种传感器实现全方位环境感知；⑤ 增加硬件级过温保护，提升系统安全性。
v2.0 shifts from "multi-channel simple control" to "single-system precision control." Key changes: ① 24V input to support higher power loads; ② TEC-based active cooling; ③ 50W COB LED replaces 4 discrete LEDs for simplified optics and higher efficiency; ④ multi-sensor fusion for comprehensive environmental awareness; ⑤ hardware-level over-temperature protection for improved safety.
24V DC 输入 / Input
│
├── [保护电路 / Protection]
│ ├── 防反接 / Reverse Polarity Protection
│ ├── 防静电 (ESD) / ESD Protection
│ └── 防浪涌 / Surge Protection
│
├── TPS56A37 ────────────► 12V @ 3A+ ────┬── 蠕动泵 / Peristaltic Pump (SI2302)
│ (24V → 12V Buck) ├── TEC 冷端风扇 / TEC Cold-side Fan (SI2302)
│ ├── 通风风扇 / Ventilation Fan (SI2302)
│ └── 水冷风扇 / Water-cooling Fan (SI2302)
│
├── TPS54302DDCR ────────► 5V @ 2A+ ────┬── ESP32-WROOM-32E-N8(24V → 5V Buck)
│ ├── CH340C (USB-UART)
│ ├── DS18B20 ×2 (One Wire)
│ ├── SHT30 (I²C)
│ ├── 浮球开关 / Float Switch
│ ├── IR2104STRPBF ×2 (TEC 半桥驱动)
│ └── LM393DT ×2 (PT100 比较器)
│
└── AMS1117-3V3 ─────────► 3.3V ────────► ESP32 内核及 GPIO / ESP32 Core & GPIO
(5V → 3.3V LDO)
| 功能 / Function | 芯片 / IC | 输入范围 / Input | 输出 / Output | 说明 / Note |
|---|---|---|---|---|
| 24V → 12V Buck | TPS56A37 | 4.5V – 28V | 12V / 3A+ | 同步降压，高效率 / Synchronous buck, high efficiency |
| 24V → 5V Buck | TPS54302DDCR | 4.5V – 28V | 5V / 2A+ | 与第一版同型号，输入范围满足 24V / Same IC as v1.0, input range covers 24V |
| 5V → 3.3V LDO | AMS1117-3V3 | up to 15V | 3.3V / 1A | 经典低压差线性稳压器 / Classic low-dropout regulator |
| 保护类型 / Protection | 实现方式 / Implementation | 防护对象 / Target |
|---|---|---|
| 防反接 / Reverse Polarity | PMOS / 肖特基二极管方案 | 全部后端电路 / All downstream circuits |
| 防静电 / ESD | TVS 二极管阵列（24V 输入端 + USB 信号线） | 电源入口及敏感信号引脚 |
| 防浪涌 / Surge | TVS 管 + 共模电感 + π 型滤波 | 电源入口，抑制瞬态过压 |
| 参数 / Parameter | 规格 / Specification |
|---|---|
| 供电电压 / Voltage | 12V DC |
| 驱动方式 / Drive | SI2302 N-MOSFET 低端开关 / Low-side switch |
| 控制接口 / Control | ESP32 GPIO → SI2302 Gate（带栅极下拉电阻 / with gate pull-down） |
| PWM 调速 | 支持 / Supported（软件可调流量 / software-adjustable flow rate） |
| 续流保护 / Flyback | 肖特基二极管并联泵电机 / Schottky diode across pump motor |
三路风扇均采用统一驱动方案，仅控制 GPIO 不同：
All 3 fan channels use the same driver topology with different control GPIOs:
| 风扇 / Fan | 用途 / Purpose | 供电 / Voltage | 驱动 MOSFET |
|---|---|---|---|
| TEC 冷端风扇 / Cold-side Fan | 为 TEC 冷端散热器强制通风 / Force air over TEC cold-side heatsink | 12V | SI2302 |
| 通风风扇 / Ventilation Fan | 培养空间空气交换 / Grow space air exchange | 12V | SI2302 |
| 水冷风扇 / Water-cooling Fan | TEC 热端水冷排散热 / Radiator cooling for TEC hot-side | 12V | SI2302 |
| 参数 / Parameter | 规格 / Specification |
|---|---|
| 类型 / Type | 机械浮球开关 / Mechanical float switch（常开/常闭可选 / NO/NC selectable） |
| 接口 / Interface | GPIO 数字输入 + 上拉电阻 / GPIO digital input with pull-up |
| 功能 / Function | 水箱低液位检测，防止泵空转 / Low water level detection to prevent pump dry-running |
| 软件处理 / Software | 低液位触发中断 → 停止蠕动泵 + MQTT 报警 / Low level interrupt → stop pump + MQTT alert |
| 参数 / Parameter | 规格 / Specification |
|---|---|
| 总线类型 / Bus | One Wire（单总线），两颗传感器共享同一 GPIO / Shared single GPIO |
| 传感器 1 | TEC 冷端温度 / TEC cold-side temperature |
| 传感器 2 | TEC 热端温度 / TEC hot-side temperature |
| 分辨率 / Resolution | 9–12 bit 可配置 / configurable（默认 12 bit / default 12 bit） |
| 供电方式 / Power | 寄生供电模式 / Parasite power mode（VDD 接 GND）或外部供电 |
| 识别方式 / ID | 通过唯一 64-bit ROM ID 区分两颗传感器 / Distinguished by unique 64-bit ROM ID |
设计说明 / Design Note：两颗 DS18B20 共享单个 GPIO 可节省 ESP32 引脚资源。软件通过 ROM ID 分别读取冷端和热端温度，用于 TEC PID 控制算法的反馈输入。 Sharing a single GPIO conserves ESP32 pins. Firmware distinguishes sensors by ROM ID for cold/hot side temperature feedback into the TEC PID control loop.
| 参数 / Parameter | 规格 / Specification |
|---|---|
| 芯片 / IC | SHT30-DIS（I²C 接口） |
| 测量范围 / Range | 温度 / Temp：-40°C ~ +125°C；湿度 / Humidity：0% ~ 100% RH |
| 精度 / Accuracy | 温度 / Temp：±0.3°C；湿度 / Humidity：±2% RH（典型值 / typical） |
| 接口 / Interface | I²C（SCL + SDA），3.3V 供电 |
| 用途 / Purpose | 培养空间环境温湿度监测 / Ambient temp & humidity monitoring in grow space |
| 参数 / Parameter | 规格 / Specification |
|---|---|
| LED 类型 / Type | 50W COB（Chip-on-Board）灯珠，全光谱 / Full-spectrum |
| 驱动芯片 / Driver IC | XL6005E1 — Boost 升压恒流驱动 / Boost constant-current driver |
| 调光方式 / Dimming | PWM 调光，ESP32 GPIO 输出 PWM 至 XL6005E1 EN/DIM 引脚 |
| 调光频率 / PWM Freq | 建议 1kHz – 20kHz（避开人耳敏感频段 / avoid audible range） |
| 散热策略 / Cooling | COB 灯珠独立散热片 + 通风风扇辅助 / Dedicated heatsink + ventilation fan |
设计说明 / Design Note：相比第一版的 4 路 PT4115 + 3W 分立 LED，第二版采用单颗 50W COB + XL6005E1 Boost 方案。优势：① 光效更高；② 光谱均匀性更好；③ 简化 PCB 布线（单通道 vs 四通道）；④ 减少元器件数量。 Compared to v1.0's 4× PT4115 + 3W discrete LEDs, v2.0 uses a single 50W COB + XL6005E1 boost topology. Advantages: higher efficacy, better spectral uniformity, simplified PCB routing (1ch vs 4ch), and reduced BOM count.
这是第二版最核心的新增模块，用于驱动 TEC 半导体制冷片实现双向温控（加热/制冷）。
This is the most critical new module in v2.0, driving the TEC (Peltier) module for bidirectional temperature control (heating/cooling).
| 组件 / Component | 型号 / Part | 数量 / Qty | 功能 / Function |
|---|---|---|---|
| TEC 模块 / TEC Module | TEC1-12706 | 1 | 12V / 6A max，实际 ≤3A |
| 半桥驱动 / Half-bridge Driver | IR2104STRPBF | 2 | 自举高侧驱动 / Bootstrap high-side driver |
| H 桥 MOSFET | IRFZ44NS | 4 | N-MOSFET，55V/49A，低 Rds(on) |
| 自举电容 / Bootstrap Cap | 10µF–22µF 瓷片 | 2 | 为高侧 MOSFET 提供栅极驱动电压 |
| 自举二极管 / Bootstrap Diode | 快恢复二极管 / Fast recovery | 2 | 自举电容充电通路 |
| 设计要点 / Design Point | 详情 / Detail |
|---|---|
| 死区时间 / Dead Time | 软件控制，防止上下管直通 / Software-controlled to prevent shoot-through |
| 开关频率 / Switching Freq | 建议 20kHz–50kHz PWM / Recommended 20kHz–50kHz PWM |
| 仿真验证 / Simulation | 已通过 LTspice 仿真验证 H 桥开关波形及自举电路工作正常 |
| 电流采样 / Current Sense | 可选：H 桥低端串联采样电阻 + 差分放大器 → ESP32 ADC |
LTspice 仿真已通过 — H 桥开关时序、自举电容充放电、死区保护逻辑均已仿真验证。 LTspice simulation passed — H-bridge switching timing, bootstrap capacitor charging, and dead-time protection have been verified.
独立于 MCU 的硬件级过温保护，当 TEC 或 COB LED 区域温度异常升高时自动切断电源。
Hardware-level over-temperature protection independent of the MCU — automatically cuts power if TEC or COB LED area temperature rises abnormally.
| 组件 / Component | 型号 / Part | 数量 / Qty | 功能 / Function |
|---|---|---|---|
| 温度传感器 / Temp Sensor | PT100 铂电阻 / Platinum RTD | 1 | 温度 → 电阻变化 / Temperature → resistance |
| 比较器 / Comparator | LM393DT | 2 | 双路比较器，提供窗口比较 / Dual comparator for window comparison |
| 基准电压 / Reference | 电阻分压或 TL431 | 1 | 设定过温阈值 / Sets over-temp threshold |
Q1/Q3 由 IR2104 #1 驱动 / driven by IR2104 #1 Q2/Q4 由 IR2104 #2 驱动 / driven by IR2104 #2
方向控制 / Direction Control:
Q1+Q4 导通 → TEC 正向电流 → 制冷模式 / Cooling Q2+Q3 导通 → TEC 反向电流 → 加热模式 / Heating PWM 占空比调节 → 功率控制 / Power modulation PT100 过温断电电路原理 / Over-Temp Shutdown Principle:
PT100 ──► 惠斯通电桥 / Wheatstone Bridge ──► LM393DT #1 (上限比较 / Upper threshold) ──► LM393DT #2 (下限比较 / Lower threshold) │ 比较器输出 / Comparator Out ──► MOSFET 切断主电源 Cut main power via MOSFET
| 设计要点 / Design Point | 详情 / Detail |
|---|---|
| 阈值设定 / Threshold | 通过分压电阻设定，如 80°C 触发断电 / Set via resistor divider, e.g., 80°C trip point |
| 滞回 / Hysteresis | 正反馈电阻实现滞回，防止临界温度反复开关 / Positive feedback resistor prevents oscillation near threshold |
| 独立性 / Independence | 纯硬件电路，ESP32 死机/复位不影响保护功能 / Pure hardware — protection works even if ESP32 crashes |
| 输出 / Output | 比较器输出驱动 MOSFET 或继电器切断 24V 主干路 |
| 参数 / Parameter | 规格 / Specification |
|---|---|
| 主控 / MCU | ESP32-WROOM-32E-N8（8MB Flash，WiFi + BLE） |
| USB 转串口 / USB-UART | CH340C |
| USB 接口 / USB Connector | USB-C（支持烧录与串口通信 / programming & serial） |
| 自动下载电路 / Auto-Download | EN + IO0 自动时序控制（DTR/RTS → 三极管/MOSFET） |
| 备用烧录 / Alt Programming | 排母/排针引出 TX/RX/EN/IO0/GND，可外接 USB-UART 模块 |
| 按键 / Buttons | RESET + BOOT（IO0）按键，支持手动进入下载模式 |
| 自动下载电路原理 / Auto-Download Circuit: |
CH340C DTR ──► 电容耦合 ──► ESP32 EN CH340C RTS ──► 电容耦合 ──► ESP32 IO0
当 esptool/platformio 发起下载时，DTR/RTS 自动产生复位 + 进入下载模式的时序。 When esptool/platformio initiates flashing, DTR/RTS automatically generate the reset + bootloader entry timing sequence.
涵盖内容 / Coverage：24V DC 输入保护（防反接/ESD/浪涌）→ TPS56A37 (24V→12V) → TPS54302DDCR (24V→5V) → AMS1117-3V3 (5V→3.3V)，各电压轨去耦电容及测试点。DS18B20 ×2 (One Wire) + SHT30 (I²C) + 浮球开关 + SI2302 ×4 (蠕动泵/3路风扇) + XL6005E1 COB LED 驱动
24V DC input protection (reverse polarity / ESD / surge) → TPS56A37 (24V→12V) → TPS54302DDCR (24V→5V) → AMS1117-3V3 (5V→3.3V), decoupling capacitors and test points for each rail.DS18B20 ×2 (One Wire) + SHT30 (I²C) + float switch + SI2302 ×4 (pump / 3× fans) + XL6005E1 COB LED driver.
原理图一：电源架构及外设模块 / Schematic 1: Power Architecture& Peripherals
涵盖内容 / Coverage：ESP32-WROOM-32E-N8 + CH340C + USB-C + 自动下载电路 + 按键电路 + IR2104STRPBF ×2 半桥驱动 + IRFZ44NS ×4 H 桥 MOSFET + TEC 接口 + 自举电路 + PT100 惠斯通电桥 + LM393DT ×2 窗口比较器 + 过温断电输出。
ESP32-WROOM-32E-N8 + CH340C + USB-C + auto-download circuit + buttons + IR2104STRPBF ×2 half-bridge drivers + IRFZ44NS ×4 H-bridge MOSFETs + TEC connector + bootstrap circuits + PT100 Wheatstone bridge + LM393DT ×2 window comparator + over-temp shutdown output.
原理图二：主控及TEC H 桥及过温保护 / Schematic 2: MCU & TEC H-Bridge & Over-Temp Protection
涵盖内容 / Coverage：各级接口。
Various of Connectors
原理图三：接口 / Schematic 3: Connector
以下对比表清晰展示了两个版本之间的设计思路变化：
The following comparison clearly illustrates the design evolution between the two versions:
| 维度 / Aspect | 第一版 v1.0 | 第二版 v2.0 | 变化说明 / Note |
|---|---|---|---|
| 输入电源 / Input | 12V DC / 5A | 24V DC / 5A | 提升电压减少电流损耗，适配 TEC 等大功率负载 |
| 电压轨 / Rails | 12V → 5V（单级） | 24V → 12V → 5V → 3.3V（三级） | 分级供电，各电压轨独立稳压 |
| 24V→12V Buck | — | TPS56A37 | 新增，为 12V 设备供电 |
| 24V→5V Buck | TPS54302DDCR (12V→5V) | TPS54302DDCR (24V→5V) | 同芯片，输入范围满足 24V |
| 5V→3.3V LDO | — | AMS1117-3V3 | 新增，ESP32 独立 3.3V 供电 |
| 输入保护 / Protection | 基本 / Basic | 防反接 + ESD + 浪涌 | 全面提升可靠性 |
| LED 照明 / Lighting | 4× 3W 分立 LED + PT4115 | 1× 50W COB + XL6005E1 | 集成化、高光效、PWM 调光 |
| TEC 温控 / TEC | 无 / None | TEC1-12706 + H 桥 | 核心新增功能，主动制冷/加热 |
| H 桥驱动 / H-Bridge | — | IR2104STRPBF ×2 + IRFZ44NS ×4 | LTspice 仿真验证 |
| 过温保护 / OT Protection | 无 / None | PT100 + LM393DT ×2 | 硬件级独立保护 |
| 温度传感器 / Temp Sensor | — | DS18B20 ×2 (One Wire 共享 GPIO) | TEC 冷端 & 热端双点监测 |
| 温湿度传感器 / RH Sensor | — | SHT30 (I²C) | 环境温湿度监测 |
| 液位检测 / Water Level | — | 浮球开关 | 水箱液位，防泵空转 |
| 水泵 / Pump | 普通水泵（1 路可用） | 蠕动泵 (SI2302 驱动) | 更精确的流量控制 |
| 风扇控制 / Fan | 通风风扇 | 3 路 (TEC冷端+通风+水冷) | 全部 12V / SI2302 NMOS |
| MCU / 主控 | ESP32 | ESP32-WROOM-32E-N8 | 8MB Flash，性能更稳定 |
| USB 接口 / USB | Micro-USB | USB-C + CH340C | 正反插，更可靠 |
| 自动下载 / Auto-DL | 基础 / Basic | DTR/RTS 自动下载电路 | 一键烧录 |
| 烧录方式 / Programming | USB | USB-C + 排母/排针 | 双通道烧录 |
| PCB 层数 / PCB Layers | 2 层 | 规划 4 层 | 改善信号完整性和 EMC |
| 软件适配 / Software | 4 通道架构 | 需适配新硬件驱动 | TEC PID、多传感器融合等 |
第二版软件将在第一版基础上进行以下升级（具体实现待 PCB 完成后启动）：
The v2.0 firmware will upgrade upon v1.0 with the following features (implementation begins after PCB completion):
| 模块 / Module | 第一版 v1.0 | 第二版 v2.0 规划 / Plan |
|---|---|---|
| TEC 控制 / TEC Control | — | 双闭环 PID（温度环 + 电流环），冷/热端温差监控 |
| COB 调光 / COB Dimming | 4ch PWM 渐亮/渐暗 | 单通道高精度 PWM，模拟日出日落 |
| 传感器融合 / Sensor Fusion | 土壤湿度 | DS18B20×2 + SHT30 + PT100 + 浮球开关 |
| 风扇策略 / Fan Strategy | 定时 5min/55min | 温控自适应调速（TEC 冷端联动 + 环境通风联动） |
| 蠕动泵 / Pump | 定时浇水 | 基于浮球开关 + 周计划精确浇水 |
| 云端通信 / Cloud | WiFi + MQTT over TLS | 保持不变，扩展上报数据点 |
| 安全保护 / Safety | — | PT100 过温断电 + 浮球低液位 + 看门狗 |
| 串口屏 / Touch UI | 未开发 | 暂不开发，先定硬件再实现 |
| 阶段 / Phase | 状态 / Status | 说明 / Note |
|---|---|---|
| 原理图绘制 / Schematic | 已完成 | 三张原理图，涵盖电源/主控外设/TEC驱动 |
| 焊盘及封装 / Footprint & Library | 已完成 | Cadence PCB 封装库建立完毕 |
| LTspice 仿真 / Simulation | 已通过 | TEC H 桥开关时序及自举电路仿真验证 |
| PCB 布局布线 / PCB Layout | 待进行 | 规划 4 层板设计 |
| PCB 打样 / Fabrication | 待进行 | — |
| 硬件调试 / Hardware Debug | 待进行 | — |
| 软件适配 / Firmware | 待进行 | 基于第一版代码重构，适配新硬件 |
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项目状态 / Project Status：
- v1.0：硬件打样完成，核心软件功能开发完毕，待测试 / Hardware fabricated, core firmware complete, awaiting testing
- v2.0：原理图及封装设计完成，待 PCB 布局布线 / Schematic & footprint design complete, PCB layout pending
| 类型 / Type | 工具 / Tool |
|---|---|
| MCU 固件 / Firmware | ESP-IDF / PlatformIO |
| 硬件设计 / Hardware | Cadence (OrCAD / Allegro) |
| 电路仿真 / Simulation | LTspice |
| 版本管理 / VCS | Git + GitHub |
| 调试工具 / Debug | 串口终端 (PuTTY / minicom) + MQTT 客户端 |
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