← sy-baek.shop

NEW PROJECT ESP32-S3 KiCad EDA

Smart Ginseng Grower v4

基于ESP32-S3的智能人参芽培育器
自动环境控制 · LED光谱优化 · 远程监控

51个零件 16个GPIO 3通道继电器 WiFi + BLE

Overview

项目概述

这是一款基于IoT的智能培育器，可在高湿度种植环境中自动控制人参芽的温度、湿度和光照。

STANDARD

SGG-200

3层 × 5排 (15排) · 108W

LED SMPS: GT200 (200W/16.7A) 负载率: 54% 余量: 52W (最多22排) 用途: 小规模 · 家庭 · 原型机

EXPANDED

SGG-300

3层 × 5排 (15排) · 108W

LED SMPS: GT300 (300W/25A) 负载率: 36% 余量: 132W (最多30排扩展) 用途: 商业 · 大型栽培 · 可扩展

🧠

ESP32-S3 DevKitC-1

N8R2U（外置天线），双核240MHz，WiFi+BLE，36 GPIO。SMA天线安装在防水外壳外部。

🌡️

环境传感

DHT22温湿度传感器，DS3231 RTC实时时钟。3个TM1637 FND同时显示日期/温度/湿度。

⚡

继电器控制

G5LE-1继电器3通道（LED灯、电机、备用）。2N7002 MOSFET驱动器。直接切换AC 220V。

📡

防水设计

Boxco ABS/PC防水外壳（IP65）。ESP32-S3 N8R2U外置天线确保WiFi/BLE信号质量。

🎮

红外遥控

VS1838B红外接收器实现物理遥控操作。除Web UI外也可离线操控。

💡

LED生长灯

3层 × 5排 = 15排 R:B:W LED BAR。GT200/GT300 SMPS（DC12V）稳定供电。定时自动开关。

Architecture

系统架构

2-PCB架构：主PCB（电源+MCU+继电器）和子PCB（FND+LED+IR+按钮）通过12针排针连接。

┌─ 主PCB (外壳底部) ─────────────────────────────────────┐ │ │ │ AC 220V ── IEC C14 [开关+保险丝+指示灯] ── RV1(压敏) │ │ ├── HLK-10M05 SMPS ── 5V/2A ──┬── ESP32-S3│ │ │ │ │ │ │ ├── DHT22 ───── GPIO6 │ │ │ │ ├── DS3231 ─── GPIO8,9 │ │ │ │ ├── SW1 复位 │ │ │ │ │ │ │ │ │ ├── K1(LED) ── GPIO10 ─ Q1 │ │ │ │ ├── K2(电机)── GPIO11 ─ Q2 │ │ │ │ └── K3(备用)── GPIO16 ─ Q3 │ │ │ │ │ │ │ └── [J5] 12针排针 ─────────────┘ │ └──────────────────────┬──────────────────────────────────┘ │ 12针扁平电缆 ┌─ 子PCB (外壳盖板) ─────────────────────────────────────┐ │ │ │ │ [J1] 12针排针 │ │ ├── FND×3 (CLK共享) ─── GPIO3/4/14/15 │ │ ├── VS1838B IR ──────── GPIO5 │ │ ├── LED ×3 (G/R/B) ─── GPIO7/12/13 │ │ └── MODE 按钮(IP67) ── GPIO2 │ └──────────────────────────────────────────────────────────┘ SGG-200: GT200 (DC12V/200W) ──── LED灯条 15根 (3×5, 108W) SGG-300: GT300 (DC12V/300W) ──── LED灯条 15根 (可扩展至30根)

Hardware

硬件规格

共51个零件 — 主PCB 30个 + 子PCB 21个 (2-PCB架构)。

主PCB (30个)

类别	组件	规格	数量	功能
AC输入	IEC C14插座	250V/10A 面板安装	1	开关+保险丝+指示灯内置
电源	HLK-10M05	AC220V→5V 2A	1	SMPS主电源
MCU	ESP32-S3-DevKitC-1	N8R2U, DIP-40 25.4mm	1	主控制器
继电器	G5LE-1 5VDC	SPDT 10A	3	LED/电机/备用 AC切换
MOSFET	2N7002	N-ch SOT-23	3	继电器驱动器
传感器	DHT22 + DS3231	温湿度 + I2C RTC	2	环境监测 + 实时时钟
保护	RV1 压敏电阻	14D471	1	浪涌保护
复位	SW1	触控开关	1	MCU复位
去耦	100µF + 100nF	电解+陶瓷	5	电源侧噪声消除
电阻	4.7KΩ + 10KΩ	上拉	4	DHT22/I2C/复位上拉
连接器	J5 12针排针	2.54mm 公头	1	子PCB连接（排线）
			30

子PCB (21个)

类别	组件	规格	数量	功能
FND	TM1637	7-seg 4digit	3	日期/温度/湿度显示
IR	VS1838B	38KHz	1	遥控接收
LED	LED ×3	Green/Red/Blue	3	状态/电机/电源指示
按钮	防水按钮 IP67	面板安装	1	MODE切换
电阻	220Ω + 10KΩ	LED限流 + 上拉	4	LED ×3 + 按钮上拉
去耦	100µF + 100nF	电解+陶瓷	8	FND ×3 + IR模块
连接器	J1 12针排针	2.54mm 母头	1	主PCB连接（排线）
			21

GPIO Map

GPIO分配表

ESP32-S3的36个GPIO中使用了16个。

GPIO	网络名	功能	方向	备注
2	MODE_SW	TEST/RUN开关	IN	10K上拉
3	FND_CLK	TM1637 CLK共享	OUT	3个FND共享
4	FND1_DIO	日期FND	I/O	01d~30d
5	IR_OUT	VS1838B	IN	38KHz
6	DHT_DATA	DHT22	I/O	4.7K上拉
7	LED_STATUS	Green LED	OUT	灯光状态
8	I2C_SDA	DS3231	I/O	I2C数据
9	I2C_SCL	DS3231	OUT	I2C时钟
10	RELAY1_DRV	CH1 LED灯	OUT	Q1 → K1
11	RELAY2_DRV	CH2电机	OUT	Q2 → K2
12	LED_MOTOR	Red LED	OUT	电机状态
13	LED_POWER	Blue LED	OUT	电源正常
14	FND2_DIO	温度FND	I/O	°C
15	FND3_DIO	湿度FND	I/O	%RH
16	RELAY3_DRV	CH3备用	OUT	Q3 → K3

Schematic

KiCad 电路图 (v4)

使用 KiCad 10.0.1 设计的 2-PCB 电路图。点击查看原始 SVG。

主板 PCB — 电源 + MCU + 继电器 (30个)

IEC C14 → RV1 → HLK-10M05 SMPS | ESP32-S3 DevKitC-1 | G5LE-1 Relay×3 + 2N7002 | DS3231 + DHT22 | J5 12P Header

子板 PCB — 前面板显示 (21个)

TM1637 FND×3 (日期/温度/湿度) | VS1838B IR | LED×3 (绿/红/蓝) | MODE 防水按钮 | J1 12P Header

Enclosure

防水外壳

为在高湿度种植环境中保护电子元件而设计的防水方案。

Boxco BC-AGS-192810 (190×280×100mm, IP65) — OpenSCAD 3D 渲染

外壳Boxco BC-AGS-192810

尺寸190 × 280 × 100mm

材质ABS / PC

防水等级IP65

AC输入IEC C14 (开关+保险丝+指示灯)

天线SMA Bulkhead (IP67)

MCUESP32-S3 N8R2U (U.FL)

WiFi衰减~1-2dB (ABS穿透)

外置天线2.4GHz SMA Whip

2-PCB安装结构

主PCB（外壳底部）: IEC C14 + SMPS + ESP32-S3 + 继电器×3 — 螺丝固定于底板支柱
子PCB（外壳盖板）: FND×3 + LED×3 + IR + MODE按钮 — 安装于盖板内侧
两块PCB通过12针排线（J5↔J1）连接，开盖时排线可断开便于维护
* IEC C14插座：开关 + 保险丝座 + 指示灯内置，面板螺丝安装 (48×28mm开孔)

外置天线配置

ESP32-S3 N8R2U（U.FL连接器）→ U.FL转SMA跳线电缆 → SMA防水穿壁连接器（穿过外壳，IP67）→ 外置2.4GHz SMA天线
* 在保持外壳防水等级的同时确保WiFi/BLE信号

LED Research

LED光谱研究

针对人参芽（阴性植物）优化的LED光谱比例和光量研究成果。

最佳光谱比例

波长	颜色	比例	功能
620-660nm	Red	40%	光合作用核心，促进茎生长
440-470nm	Blue	25%	皂苷合成，叶片发育，形态形成
4000-5000K	White	30%	全光谱补充
720-740nm	Far-red	5%	茎伸长，开花调控

PPFD50-120 µmol/m²/s

最大PPFD200 µmol/m²/s

日照时长12-16小时/天

DLI11-20 mol/m²/d

人参是阴性植物

人参（Panax ginseng）在自然状态下生长于林下阴处，属于阴性植物。PPFD超过200 µmol/m²/s反而会引起光抑制（photoinhibition），导致生长受到抑制。需要控制在一般叶菜类（300-500）的1/3~1/2水平。

LED Comparison

LED类型对比

对比5种植物种植用LED类型的效率、适合度和性价比。

LED类型	效率 (µmol/J)	人参适合度	单价	特点
Samsung LM301H	3.10	S	高	最高效率，专业种植用，全光谱
Full Spectrum	2.2-2.8	A	中	性价比好，适合研究用
R+B+W (2:1:1)	1.8-2.2	B+	低	性价比实用采用
R+B (2:1)	1.5-2.0	B	低	无白光，光谱不均衡
单色 R / B	1.2-1.8	C	低	仅推荐用于研究目的

采用：R:B:W = 2:1:1类型
与Samsung LM301H相比效率较低，但价格仅为1/5~1/10，在人参芽较低的PPFD需求（50-120）下能够发挥足够的性能。50cm BAR类型，IP65防水。

Power

SMPS容量计算

基于15排LED BAR (108W)，对比两种型号的SMPS负载率。

LED配置3层 × 5排 = 15排

单排LED50cm / 7.2W

总功耗108W

80%安全标准160W (SGG-200) / 240W (SGG-300)

STANDARD

SGG-200

SMPSGT200 (IP67)

输出DC 12V / 200W / 16.7A

负载率54% (108/200)

余量52W (最多22排)

判定✓ 充足

EXPANDED

SGG-300

SMPSGT300 (IP67)

输出DC 12V / 300W / 25A

负载率36% (108/300)

余量132W (最多30排扩展)

判定✓ 充裕

选择指南
SGG-200: 15排基本配置下充足。适合小规模·家庭·原型机。
SGG-300: 未来LED排数可扩展至2倍。推荐商业·大型栽培使用。

Crop Analysis

室内种植作物收益对比

基于多层LED植物工厂标准，每m²年收入排名TOP 10。

#	作物	年收入/m²	生长周期	年周转	LED	难度	回收期
1	微型蔬菜	450~1,950万	7~14天	26~52	中	★★	2~4个月
2	嫩叶菜	260~1,040万	21~35天	10~17	中	★	6~12个月
3	猴头菇	200~400万	30~45天	8~10	不需要	★★	3~6个月
4	食用花	65~390万	30~60天	6~9	高	★★★	12~24个月
5	罗勒/香草	65~390万	30~45天	8~10	中	★★	6~12个月
6	人参芽	150~350万	45~60天	5~6	中	★★★★	6~12个月
7	草莓	195~390万	40天+连续	4~6	高	★★★★	3~5年
8	冰草	45~150万	50~70天	5~6	中	★★	12~18个月
9	叶菜类	80~180万	25~35天	10~12	中	★	3~5年
10	灵芝	80~200万	60~90天	3~4	不需要	★★★	2~3年

不适合室内种植的作物

作物	排除原因
藏红花	世界最高价但每m²收获仅0.5~2g → 单位面积收入最低
山葵	18~24个月，需冷却流水，技术门槛极高
香草兰	开花需3~5年，热带环境能源成本过高
当归/川芎/甘草/黄芪	根长60cm~1m+，种植2~4年，室内种植物理上不可行
番茄/甜椒	光照需求极高 → 玻璃温室更经济

Strategy

开发路线图

从Arduino Nano到ESP32-S3的演进历程。

v1 — Arduino Nano

基础定时器控制

简单的继电器ON/OFF定时器。DHT11温湿度读取。7-seg FND显示。

v3 — ESP32-C3

WiFi连接 + Web UI

通过WiFi远程监控。Web仪表板。添加I2C RTC。智能手机控制。

v4 — ESP32-S3（当前）

全自动化 + 防水设计

51个零件 (2-PCB)，16 GPIO，3通道继电器，3个FND，IR遥控。
IEC C14电源插座。防水外壳 + 外置天线。KiCad EDA设计。LED光谱优化。
→ PCB制造 → 组装 → 现场测试

Restricted

价格 / 成本分析

LED供应商单价、人参芽实际售价、智能农场投资额、ROI分析等非公开数据。

Pricing

LED国内供应商价格对比

产品	价格	W/50cm	备注
R2:B1:W1 50cm BAR	15,000원	7.2W	IP65，单条
R2:B1 50cm BAR	15,000원	7.2W	无白光
SONQIN 5M卷	7,510원/5M (751원/50cm)	~7.2W	60LED/m，裁切使用
GreenMax 50cm	4,000원	~5W	单条
R2:B1:W1 1m BAR	28,000원	14.4W	1m单条

人参芽实际售价（乐天ON基准）

等级	50根	100根	单根价格	每kg换算
小（15cm以下）	17,900~25,900	28,500~47,000	285~470원	1.9~4.7万
中（15~20cm）	28,900~33,600	42,900~53,700	430~540원	2.8~5.4万
大（20~25cm）	31,900~37,400	57,000~64,300	445~638원	3.0~6.4万
特（25cm以上）	40,300~44,100	66,200~71,000	595~806원	4.0~8.0万
二年根	-	119,300~152,460	1,200~1,525원	8.0~15.2万

100坪智能农场收益模拟

项目	数值
年产量	~140万根
批发收入（每根200원）	~2.8亿원/年
零售直销收入（每根430원）	~6.0亿원/年
年运营费	0.7~1.0亿원
净利润率（实际）	50~70%

初始投资额（100坪基准）

项目	费用	备注
设施费（集装箱/专用设施）	1,500~5,000万원	视规模而定
多层种植架（4~5层）	300~800万원	钢/铝材质
LED灯具	200~500万원	R:B:W类型
环境控制设备	200~500万원	传感器、通风、空调
灌溉系统	100~300万원	自动灌溉、营养液
人参种根（種根）	150~300万원	1年根 × 900株（3层），全南长城芽参苗圃
合计	2,450~7,400万원

全球ROI对比（USD基准）

作物	初始投资 ($/m²)	年运营费	年收入	净利润	回收期
微型蔬菜	200~800	300~800	800~2,500	400~1,200	0.5~1年
芽菜	100~400	150~400	250~800	100~400	0.5~1.5年
香草类	500~1,500	300~700	400~1,200	100~500	1.5~3年
蘑菇类	300~1,000	200~400	150~500	50~200	2~5年
叶菜类	800~2,500	400~1,000	200~600	-200~200	3~7年+
草莓	1,000~3,000	500~1,200	100~400	-200~100	5~10年+
番茄	1,000~3,000	600~1,500	80~250	亏损	无法盈利

Smart Ginseng Grower v4

项目概述

SGG-200

SGG-300

ESP32-S3 DevKitC-1

环境传感

继电器控制

防水设计

红外遥控

LED生长灯

系统架构

硬件规格

主PCB (30个)

子PCB (21个)

GPIO分配表

KiCad 电路图 (v4)

主板 PCB — 电源 + MCU + 继电器 (30个)

子板 PCB — 前面板显示 (21个)

防水外壳

2-PCB安装结构

外置天线配置

LED光谱研究

最佳光谱比例

人参是阴性植物

LED类型对比

SMPS容量计算

SGG-200

SGG-300

室内种植作物收益对比

不适合室内种植的作物

推荐复合种植组合

人参芽

微型蔬菜

猴头菇

100坪复合种植预估

开发路线图

价格 / 成本分析

LED国内供应商价格对比

人参芽实际售价（乐天ON基准）

100坪智能农场收益模拟

初始投资额（100坪基准）

全球ROI对比（USD基准）

🔒 受限内容