基于 ESP-12F 的计算机状态监视器

计算机在处理剪辑、渲染、游戏等高强度工作时，用户通常需要实时监控CPU、GPU、内存占用率等运行状态参数。系统自带的任务管理器功能完备，但仅支持显示器显示，对单显示器用户不够友好，无法提供直观、脱离显示器的反馈方式。本项目针对上述问题，通过上位机软件采集系统数据，利用串口发送至下位机，最终以指针表盘形式直观呈现相关信息。

硬件介绍

主控

本 项 目 主 控 采 用 ESP-12F 模 块 ( 见 图 1），该模块基于 ESP8266EX 芯片，具备高性能、低功耗、低成本的特点。ESP-12F 模块集成 CH340 串口芯片，可简化外围电路设计，且支持 ESP-IDF 与Arduino 两种开发环境，有效降低了开发难度。

电压表

本项目采用 85C1 型 5V 电压表（见图 2），经简单改装后作为模拟仪表盘使用。ESP-12F 模块接收串口数据后，会将其转换为 0~5V 模拟电压值输入电压表，驱动指针偏转，从而直观反映计算机当前的资源使用状态。

PCF8591芯片

PCF8591 是一款单电源、低功耗的 8 位 CMOS数据采集芯片，可通过 I2C 总线扩展 4 路 8 位 ADC和 1 路 8 位 DAC。该芯片程序编写简单，拥有良好的软件兼容性与跨平台移植性，其工作电压与 MCU匹配，不需要额外设计供电电路。本项目仅使用其DAC 功能。

陶瓷灯丝与按键

陶瓷灯丝用于光照不足时为设备补光，确保指针清晰可见；按键用于实现下位机对计算机的控制。陶瓷灯丝与按键如图 3 所示。

PCB设计

本项目 PCB 设计主要包含核心板外围电路与I2C 通信接口等部分。PCB 上设有 ESP-12F 模块的排针孔位，可将现成模块嵌入并焊接。PCB 上为PCF8591 芯片设计了对应电路，包括 I2C 接口与选址接口，并引出其模拟输出接口，用于驱动电压表。PCB 设计如图 4 所示，PCB 3D 预览如图 5 所示。

外观设计

计算机状态监视器外观为白色长方体，大小为132.4mm×60mm×63mm， 外 壳 采 用 PLA 材 料3D 打印制成，并根据仪表盘与按键区域进行开孔。外壳分为上下两部分，采用滑盖结构，上盖设有快捷功能按键，正面放置两个仪表盘，分别显示 CPU 与内存占用率。设备外壳边缘经过倒角处理，整体设计简约大方，给人稳重可靠的观感。3D 模型预览如图 6 所示。

本项目对 85C1 型 5V 电压表的表盘进行了改造。首先测量其表盘大小为 60mm×35mm，随后在 Adobe Photoshop 中按该比例设计对应 CPU 与内存表盘图案并打印，替换原有表盘，改装后的电压表如图 7 所示。

上位机软件设计

上位机软件采用 Python3 开发，通过 Tkinter库函数完成 UI 构建与设计。上位机软件作为计算机操作系统与外部硬件终端之间的通信桥梁，是项目的核心，其架构与实现过程如下。

上下行链路

上行链路为 MCU 到 PC 端的指令。PC 端实时监听下位机发送的物理按键指令，触发预设的快捷操作（如启动应用或打开文档），实现桌面实体快捷键的功能。

下行链路为 PC 到 MCU 的指令。PC 端实时采集计算机系统的性能参数（CPU 与内存占用率），通过串口协议打包发送至下位机，由下位机通过电路驱动仪表指针偏转。

系统数据采集

在系统数据采集方面，上位机软件通过 Python的 Psutil 库获取 CPU 与内存的实时占用率。为简化 MCU 的串口解析，程序将采集的数据整理为定长字符串“CxxGxx”发送，其中“xx”为对应数值。例如，CPU 占用率为 67%、内存占用率为 12% 时，发送数据为“C67G12”。

实体按键控制逻辑

实体按键控制逻辑通过监听串口上行数据实现，当 MCU 检测到物理按键被按下后，会向上位机发送指令（如 B1），上位机接收指令后，查询文件路径映射表，动态调用 Windows API 打开对应程序或文件。

软件多线程设计

为避免串口读写或数据采集可能导致的软件“假死”问题，软件采用多线程设计，将界面渲染、数据采集与发送、数据接收与处理分开运行。主线程负责UI 响应，另设两个线程：一个负责定时发送数据，另一个负责实时接收数据。在初始化过程中，软件首先启动发送线程，与 MCU 的串口连接成功后，再启动接收线程。

软件UI设计与功能

软件 UI 采用简约实用的设计风格，主要分为左侧设置区，右侧监控区与底部设置区。各区域通过带标题的边框隔离，整体布局清晰有序。程序中通过tk.LabelFrame 创建带标题的容器，通过权重合理分配空间。上位机软件操作页面如图 8 所示。

左侧设置区用于配置串口参数，默认波特率为9600，如需修改可在程序中调整。右侧监控区设有两个进度条，通过 self.style.configure 对其外观进行定制，直观显示系统状态。

底部设置区利用循环结构创建 Label、Entry、Button，简化程序并避免冗余。

单片机程序设计

单片机程序设计基于 Arduino 框架，采用 C、C++ 语言开发，其核心是作为“物理执行者”与“指令发起者”。程序逻辑相对上位机更为简洁，其核心逻辑如下。

串口解析与仪表驱动

上位机通过串口持续发送定长格式的字符串，为保障主循环运行效率，程序通过 Serial.available()实时监测缓冲区，数据送达后，通过 indexof() 函数定位“C”与“G”的字符位置，再经过字符串截取与类型转换函数提取 CPU 与内存的实际占用百分比。然后将 0~100 的百分比按比例转换为 0~255 的数值，通过驱动函数控制 PCF8591 芯片输出相应电压值，驱动仪表指针偏转。

物理按键实现

在 MCU 的程序设计中，首先将物理按键对应的引脚初始化为内部上拉模式，使其默认保持高电平，随后在 loop（）函数中持续检测引脚状态，程序不仅检测当前引脚是否为低电平，还引入 lastState 变量用于记录上一次电平状态。当检测到当前状态为低电平且上一次为高电平时，程序会执行 20ms 的时延以实现按键消抖。待电平稳定后，再通过串口向上位机发送“B1”“B2”等指令，从而触发计算机的相应操作。

成品展示

完成 PCB 焊接、外壳组装以及软 / 硬件调试后，最终完成了这款基于 ESP-12F 的计算机状态监视器，系统整体框图如图 9 所示。

将设备连接至计算机，并在上位机软件中完成串口连接后，设备即可开始工作，此时，电压表的指针能够及时响应，指示准确。按下设备的第一个按键，上位机成功识别 B1 指令，自动打开预设的浏览器，显著提升了桌面操作效率。设备获取计算机 CPU 与内存占用率信息如图 10 所示。

结语

本项目实现了一款基于 ESP-12F 的计算机状态监视器 , 其创新之处在于，将计算机系统参数通过模拟仪表盘的形式呈现，既解决了单显示器用户不便实时查看系统状态的问题，又为桌面增添了复古科技美感。此外，实体按键功能提高了设备的实用性与操作便捷性，使其不仅是一个状态监视器，更兼具控制台功能。未来可利用 ESP8266 自带的 Wi-Fi 功能，将有线串口传输升级为 WebSocket 无线传输，摆脱线缆束缚，让设备摆放更加自由。