基于ESP32 的智能植物管家系统的设计与实现

1 系统构成及原理

本系统以乐鑫ESP32 为核心，集成多路传感器与执行机构，通过Wi-Fi 和BLE 双通道通信，实现对植物生长环境的实时监测与智能调控。前端依托 Vite+Vue 框架搭建了现代化交互界面。

1.1 控制芯片选择

主控芯片采用乐鑫 ESP32 双核 MCU，内置两颗 240 MHz Xtensa® LX6 核及硬件加密引擎，提供多路 ADC、PWM 和 OneWire 接口，可并行执行传感采集、模糊控制与双模通信。丰富的片上资源与低功耗设计，既保障了实时性，又提升了能效，确保系统高性能运行。

1.2 联网芯片选择

ESP32 支持 Wi-Fi（IEEE 8 0 2 . 1 1 b / g / n ）与 BLE 5.0 双模并行：前者作为局域网 HTTP 服务器，提供 RESTful 接口与数据推送；后者通过 GATT 服务与 Web Bluetooth API 实现低功耗点对点近场交互。双通道架构可在网络不佳时自动降级至 BLE 本地控制，网络恢复后无缝切换至Wi-Fi 远程监测与管理，兼顾可靠性与实时性。

1.3 通信协议选择

ESP32 WebServer 库实现 HTTP RESTful 服务，提供 JSON 接口与控制命令，前端基于 Vue 3+Vite构建可视化仪表盘与一键操作；BLE GATT 定义“通知/写入”特征，前端通过 Web Bluetooth API 订阅实时数据并下发指令。轻量高效，适合近场交互及备用控制。

2 系统功能实现

系统由环境感知、智能控制、通信传输和用户交互四部分构成：多源传感器实时采集环境数据；ESP32 本地融合并执行水肥协同算法与报警逻辑；Wi-Fi/BLE 双模通信加密上传云端或下载控制指令；Vite+Vue 前端提供远程监控与手动干预。实物系统如下图所示：ESP32 核心板集成传感器与继电器驱动，外部配稳压电源及光照扩展接口，实现软硬件一体化部署。

系统工作原理示意图和实物图

2.1 外界环境感知

系统运行时，由DS18B20、湿度传感器、EC 传感器、光敏电阻一体化收集生长环境状态。辅助以水位传感器监测水与液态料储存状况。

2.2 智能水肥协同控制

系统基于模糊–阈值算法融合土壤湿度、光照和水位等数据，实现水泵与肥泵的动态协同控制：自动模式下环境变化时同时驱动灌溉与施肥；手动模式支持实时界面操作与日志记录；环境异常或水位不足时触发声光及界面告警，构成精准资源管理闭环。

2.3 通信传输

BLE 直连：利用 Web Bluetooth API 实现局域网直连，交互延迟 ；Wi-Fi 上云：ESP32 以MQTT/HTTP 协议将环境数据与设备状态推送至云端（或本地RESTful 服务），支持历史数据存储与图表化展示。

2.4 用户交互与可视化

前端采用Vite+Vue 构建响应式网页，提供 BLE/LAN 双模式入口，界面以动画突出土壤湿度，水泵，施肥泵，蜂鸣器，告警等状态。用户可在电脑或手机浏览器实时监控五组传感器与执行器，并在网络或蓝牙中断时自动切换连接模式。

3 核心创新点

水肥动态协同决策：融合土壤湿度、pH/EC 与水位等多传感数据，实时驱动灌溉泵与施肥泵的一体化分配，实现精准节水节肥并促进植株健康。

双通道通信架构：BLE 近场低延迟与 Wi-Fi REST API 并行，零安装即用；弱网时自动切换至 BLE本地控制，有网时无缝恢复远程管理，兼顾便携性与可靠性。

端—边—云全链路闭环：ESP32 边缘节点承担实时控制与本地告警，云端平台负责历史数据存储、趋势分析与远程阈值下发，形成从环境感知到决策执行的无缝一体化管理。

4 应用价值

本系统创新设计显著降低养护门槛，推动绿色生态普及，响应国家“双碳”与可持续发展政策；通过水肥动态调控，精准节省资源，消除传统养护浪费；低成本高性能方案促进技术下沉，将智慧农业与环保教育融合，助力农业数字化转型与绿色低碳社会构建。

5 结语

针对人工成本高、盲区多、资源浪费的传统养护，我们提出 ESP32 智能植物管家。系统融合多传感环境感知、自动灌溉/施肥及BLE/Wi-Fi 双通道通信，实现家庭、校园和温室的远/本地一体化管护。实验证明显著提高存活率与节水节肥效率，且具良好扩展性与用户体验。未来将引入边缘 AI 预测、自适应病虫害预警和多设备协同，完善智能养护生态，推动绿色低碳与智慧农业融合。

参考文献

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[3] 李国利，周创，牟福元.基于 ESP32 的温室大棚环境远程监控系统设计[J].中国农机化学报，2022，43（03）：47-52.

基金项目：本文系合肥工业大学大学生创新训练计划项目资助。