设计制作一个物联网土壤监测系统

在我的上一个项目中，我从被动的云端监控转向了自主边缘控制，利用本地滞后机制驱动冷却风扇，同时通过有线以太网将数据报告至Adafruit IO仪表板。但边缘设备并不总是需要完整的MQTT代理或复杂的云端仪表板才能发挥作用。有时，您最需要的，是当模拟阈值被触发时，能直接在手机上获得高优先级、无摩擦的即时提醒，同时辅以本地化且直观的反馈信息。

在此项目中，我使用W55MH32L-EVB开发板、电容式土壤湿度传感器和SSD1306 OLED显示屏，构建了一个自主植物灌溉监测系统。该系统不再依赖轮询仪表盘，而是本地实时监测土壤湿度，将实时读数和图形化湿度条直接显示在屏幕上，并在植物缺水时通过ntfy.sh立即向您的移动设备推送高优先级的通知。

以下是该架构所能实现的功能：

•通过硬件SPI与W5500接口通信，执行显式硬件复位、物理链路验证以及DHCP租约验证。

•在GPIO PA1上采样模拟电容式土壤湿度传感器，对ADC读数进行10次过采样以平均消除噪声，再根据校准的空气/水基准值进行归一化，输出清晰的0–100%数值。

•通过I2C驱动128×64 SSD1306 OLED显示屏，实时显示文本状态、动态警报倒计时以及自动缩放的水平进度条。

•通过轻量级HTTP POST请求与ntfy.sh集成，实现推送通知功能，无需注册账户、设置云消息代理或运行复杂的后台守护进程。

•强制实施严格的4小时通知冷却机制，防止土壤干燥期间手机频繁收到通知。

硬件连接与布线

在开始编写代码之前，先了解开发板、传感器、显示屏和网络之间的连接要求。

1. 电容式土壤湿度传感器(模拟输入)

电容式传感器远优于电阻式探头，因为其感应线路经过涂层处理，可有效防止长期发生电化学腐蚀。

VCC -> 3.3V(或根据您使用的具体传感器模块为5V)

GND -> GND

AOUT -> PA1(配置为我们的16位模拟输入引脚)

2. SSD1306 OLED 显示屏(I2C)

显示屏可在植株处立即提供视觉反馈：

VCC -> 3.3V

GND -> GND

SCL -> I2C1 SCL

SDA -> I2C1 SDA

(注意：在脚本中，我们的 OLED 被实例化在 I2C(1) 上，地址为 0x3D。请确保运行 I2C 方法 .scan()，以确认您已使用正确的地址!)

3. W5500 以太网模块(SPI)

与之前的版本一样，以太网提供可靠的连接，不会出现Wi-Fi断连的情况：

•SPI总线：运行在8 MHz的SPI(2)

•CS(芯片选中)：PB12

•RST(复位)：PD9

将标准的Cat5e/Cat6跳线插入RJ45接口，并连接到本地路由器或交换机。

所需库文件

请确保您的开发板上已安装ssd1306库。您可以通过Thonny的“工具”->“管理包”，搜索micropython-ssd1306进行安装，或者直接在REPL中使用mip命令获取该库：

urequests模块是大多数支持网络功能的MicroPython系统中的标准网络栈组件。

固件结构说明

下面我们来了解软件如何处理校准、网络数据采集以及视觉报警功能。

1. 校准常数与阈值

模拟校准：电容式传感器出厂时并不输出绝对的百分比值。根据我的测试，将传感器置于干燥空气中，其原始16位数值较高(AIR_VALUE = 44314);而将传感器探头浸入一杯水中，则会降低电容电阻(WATER_VALUE = 21333)。

干燥阈值：当缩放后的湿度降至或低于25%时，设备将触发警报逻辑。

通知主题：ntfy.sh 提供基于HTTP的发布/订阅推送通知。通过发布到 [https://ntfy.sh/](https://ntfy.sh/)，任何在免费 ntfy 移动应用中订阅该主题的手机都能立即收到通知。请将 my_plant_monitor_w55_abc12367 替换为您的唯一主题字符串。

请确保在手机上下载 ntfy 应用，输入您选择的主题名称进行订阅，并允许接收通知!

2. 稳健的W5500以太网初始化

与简单的循环假设网络立即可用不同，此程序优雅地处理硬件断言和状态验证：

物理重置：将PD9拉低可确保在驱动绑定前，W5500寄存器组完全清零。

两阶段握手：首先通过轮询nic.isconnected()来确认物理以太网链路脉冲已检测到，随后进行第二轮循环检查nic.ifconfig()[0]，以确认从路由器租用了有效的IP地址，而非直接跳过0.0.0.0。所有进度步骤均直接显示在OLED上。

3. 过采样与百分比归一化

微控制器上的原始ADC读数可能受到电源轨和SPI总线的高频电气噪声影响。为避免出现异常的尖峰读数，我们采用过采样技术：

10次采样平均：[adc.read_u16() for _ in range(10)] 可平滑消除瞬态噪声尖峰。基本原理是采集10个数值并存储到列表中。

钳位与反向处理：由于潮湿土壤中的电容较高会导致模拟值偏低，因此我们将量程进行反向映射：AIR_VALUE 对应 0% 湿度，WATER_VALUE 对应 100%。通过设置最大值和最小值的钳位，确保边缘值不会产生负数或超过100%的数值。

4. 通过 ntfy.sh 实现云通知

HTTP 头信息：通过添加 Priority: high 和 Tags: potted_plant,warning,ntfy 格式，可在 Android 或 iOS 设备上以提示音和特定表情图标形式显示通知。

资源清理：在 MicroPython 中使用 urequests 时，务必调用 response.close()。微控制器上的套接字是有限的;若未显式关闭响应，会导致套接字耗尽和内存泄漏。

5. 本地可视化与警报冷却循环

速率限制：如果没有冷却机制，每30秒轮询一次的话，如果用户离家，一小时内就会触发120次推送通知。NOTIFICATION_COOLDOWN窗口将警报限制为每4小时一次，在冷却期间，OLED的第三行会显示倒计时。

图形湿度表：通过绘制一个外框(oled.rect(0, 50, 128, 12, 1))并填充一个与百分比pct成比例的内部条形(oled.fill_rect(2, 52, bar_w, 8, 1))，可将显示屏变成一个直观易读的仪表，即使在房间另一端也能查看。

结果

开启后，显示屏会依次完成启动阶段：通过脉冲W5500复位引脚、锁定以太网载波脉冲，并通过DHCP获取IP租约。一旦完成，显示屏将实时显示湿度读数以及状态指示器。

当土壤含水量低于25%时，显示屏立即切换至警告状态，并通过ntfy.sh向您的手机推送可操作的警报信息。无需维护中央服务器，无需支付云服务费用，也无需植物死亡。您还可以自定义OLED屏幕上的提示信息。

本文编译自hackster.io