Arduino-ESP32环境监测：空气质量与气体检测

2026-02-04 05:21:11作者：咎竹峻Karen

痛点：室内空气质量隐忧与监测难题

你是否曾担心办公室、家中或工厂车间的空气质量？甲醛、VOCs（挥发性有机化合物）、PM2.5等污染物无处不在，但传统监测设备价格昂贵且功能单一。现在，借助Arduino-ESP32的强大能力，我们可以构建低成本、高精度的环境监测系统，实时守护呼吸健康。

通过本文，你将掌握：

ESP32 ADC（模数转换器）精准采集技术
常见气体传感器原理与接口方法
多传感器数据融合与校准策略
WiFi远程监控与数据可视化实现
低功耗设计与长期运行优化

ESP32环境监测硬件架构

核心组件选择

flowchart TD
    A[ESP32主控] --> B[传感器阵列]
    B --> C[温湿度传感器 DHT22]
    B --> D[气体传感器 MQ系列]
    B --> E[PM2.5传感器 PMS5003]
    B --> F[CO2传感器 SCD30]
    
    A --> G[通信模块]
    G --> H[WiFi无线传输]
    G --> I[蓝牙BLE广播]
    
    A --> J[电源管理]
    J --> K[锂电池供电]
    J --> L[太阳能充电]
    
    A --> M[数据显示]
    M --> N[OLED屏幕]
    M --> O[LED指示灯]

传感器接口对比表

传感器类型	接口方式	测量范围	精度	响应时间	功耗
DHT22	单总线数字	-40~80°C, 0~100%RH	±0.5°C, ±2%RH	2s	1.5mA
MQ-135	模拟电压	10-1000ppm	±10%	30s	150mA
PMS5003	UART串口	0-500μg/m³	±10%	10s	100mA
SCD30	I2C	400-10000ppm	±30ppm+3%	2s	19mA

ESP32 ADC采集核心技术

精准电压测量配置

#include "esp32-hal-adc.h"

// ADC精度配置
void setupADC() {
  analogReadResolution(12);      // 设置12位分辨率（0-4095）
  analogSetAttenuation(ADC_11db); // 11dB衰减，最大测量电压约3.3V
  analogSetWidth(12);           // 硬件采样宽度12位
}

// 电压读取与校准
float readVoltage(int pin) {
  int rawValue = analogRead(pin);
  float voltage = rawValue * (3.3 / 4095.0);
  
  // 温度补偿校准
  float temp = readTemperature();
  voltage = voltage * (1.0 + 0.0005 * (temp - 25.0));
  
  return voltage;
}

多通道连续采样模式

// 配置连续采样模式，提高数据稳定性
bool setupContinuousADC() {
  const uint8_t adcPins[] = {32, 33, 34, 35};
  size_t pinCount = sizeof(adcPins) / sizeof(adcPins[0]);
  
  return analogContinuous(adcPins, pinCount, 16, 1000, NULL);
}

// 读取平均数据
float readAverageGasValue(int sensorPin) {
  adc_continuous_data_t *data;
  if (analogContinuousRead(&data, 100)) {
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
      if (data[i].pin == sensorPin) {
        return data[i].avg_read_mvolts / 1000.0;
      }
    }
  }
  return 0.0;
}

气体传感器数据处理算法

MQ系列传感器校准曲线

// MQ-135空气质量传感器校准函数
float mq135Calibration(float voltage, float temperature, float humidity) {
  // 基础电阻计算（在清洁空气中）
  float Ro = 10.0; // 传感器在清洁空气中的电阻值（需实际校准）
  
  // 温湿度补偿
  float compFactor = 1.0;
  if (temperature > 25.0) {
    compFactor -= 0.005 * (temperature - 25.0);
  }
  if (humidity > 50.0) {
    compFactor -= 0.002 * (humidity - 50.0);
  }
  
  // 电阻计算
  float Rs = (3.3 - voltage) / voltage * 5.0; // 分压电路计算
  
  // 气体浓度计算（简化模型）
  float ratio = Rs / Ro;
  float ppm = 0.0;
  
  if (ratio > 0.2) {
    ppm = pow(ratio / 0.2, -2.0) * 100.0; // 针对VOCs的近似曲线
  }
  
  return ppm * compFactor;
}

数据平滑与滤波处理

#include <queue>

class SensorFilter {
private:
  std::queue<float> dataQueue;
  int windowSize;
  float sum;
  
public:
  SensorFilter(int size = 10) : windowSize(size), sum(0.0) {}
  
  float addValue(float value) {
    dataQueue.push(value);
    sum += value;
    
    if (dataQueue.size() > windowSize) {
      sum -= dataQueue.front();
      dataQueue.pop();
    }
    
    return sum / dataQueue.size();
  }
  
  void reset() {
    while (!dataQueue.empty()) {
      dataQueue.pop();
    }
    sum = 0.0;
  }
};

// 使用示例
SensorFilter tempFilter(5);
SensorFilter gasFilter(8);

float smoothedTemp = tempFilter.addValue(readTemperature());
float smoothedGas = gasFilter.addValue(readGasValue());

完整环境监测系统实现

主程序架构

#include <Wire.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <ArduinoJson.h>

// 传感器对象
DHT dht(DHTPIN, DHT22);
MQ135 gasSensor = MQ135(A0);

// Web服务器
WebServer server(80);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  setupADC();
  initSensors();
  connectWiFi();
  setupWebServer();
}

void loop() {
  server.handleClient();
  
  // 每30秒采集一次数据
  static unsigned long lastRead = 0;
  if (millis() - lastRead > 30000) {
    readAllSensors();
    publishData();
    lastRead = millis();
  }
}

void readAllSensors() {
  float temperature = dht.readTemperature();
  float humidity = dht.readHumidity();
  float gasPPM = readGasConcentration();
  float pm25 = readPM25();
  
  // 数据质量检查
  if (!isnan(temperature) && !isnan(humidity)) {
    updateDisplay(temperature, humidity, gasPPM, pm25);
    storeData(temperature, humidity, gasPPM, pm25);
  }
}

WiFi连接与数据上传

void connectWiFi() {
  WiFi.begin(SSID, PASSWORD);
  
  Serial.print("Connecting to WiFi");
  int attempts = 0;
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && attempts < 20) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    attempts++;
  }
  
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    Serial.println("\nConnected! IP address: ");
    Serial.println(WiFi.localIP());
  } else {
    Serial.println("\nFailed to connect to WiFi");
  }
}

void publishData() {
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    HTTPClient http;
    http.begin("http://api.thingspeak.com/update");
    http.addHeader("Content-Type", "application/x-www-form-urlencoded");
    
    String postData = "api_key=" + String(API_KEY) +
                     "&field1=" + String(currentData.temperature) +
                     "&field2=" + String(currentData.humidity) +
                     "&field3=" + String(currentData.gasPPM) +
                     "&field4=" + String(currentData.pm25);
    
    int httpCode = http.POST(postData);
    if (httpCode > 0) {
      Serial.printf("Data published, code: %d\n", httpCode);
    }
    http.end();
  }
}

Web界面与数据可视化

实时监控仪表盘

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
    <title>环境质量监控面板</title>
    <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/chart.js"></script>
    <style>
        .dashboard { display: grid; grid-template-columns: repeat(2, 1fr); gap: 20px; }
        .gauge { background: #f5f5f5; padding: 20px; border-radius: 10px; text-align: center; }
        .value { font-size: 2em; font-weight: bold; }
        .unit { font-size: 0.8em; color: #666; }
        .good { color: green; }
        .moderate { color: orange; }
        .poor { color: red; }
    </style>
</head>
<body>
    <div class="dashboard">
        <div class="gauge" id="tempGauge">
            <h3>温度</h3>
            <div class="value">--<span class="unit">°C</span></div>
        </div>
        <div class="gauge" id="humidityGauge">
            <h3>湿度</h3>
            <div class="value">--<span class="unit">%</span></div>
        </div>
        <div class="gauge" id="gasGauge">
            <h3>空气质量</h3>
            <div class="value">--<span class="unit">ppm</span></div>
        </div>
        <div class="gauge" id="pm25Gauge">
            <h3>PM2.5</h3>
            <div class="value">--<span class="unit">μg/m³</span></div>
        </div>
    </div>
    <canvas id="historyChart" width="800" height="400"></canvas>
</body>
</html>

数据历史趋势分析

// 实时数据更新
function updateDashboard(data) {
    updateGauge('tempGauge', data.temperature, '°C');
    updateGauge('humidityGauge', data.humidity, '%');
    updateGauge('gasGauge', data.gasPPM, 'ppm', getAirQualityClass(data.gasPPM));
    updateGauge('pm25Gauge', data.pm25, 'μg/m³', getPM25Class(data.pm25));
    
    addToChart(data);
}

function getAirQualityClass(ppm) {
    if (ppm < 50) return 'good';
    if (ppm < 100) return 'moderate';
    return 'poor';
}

function getPM25Class(pm25) {
    if (pm25 < 35) return 'good';
    if (pm25 < 75) return 'moderate';
    return 'poor';
}

低功耗优化策略

深度睡眠模式配置

#include "esp_sleep.h"

void enterDeepSleep() {
  // 配置唤醒源（定时唤醒）
  esp_sleep_enable_timer_wakeup(300 * 1000000); // 5分钟
  
  // 关闭外设电源
  WiFi.disconnect(true);
  WiFi.mode(WIFI_OFF);
  
  // 进入深度睡眠
  Serial.println("Entering deep sleep for 5 minutes");
  delay(100);
  esp_deep_sleep_start();
}

void setup() {
  // 检查唤醒原因
  esp_sleep_wakeup_cause_t cause = esp_sleep_get_wakeup_cause();
  
  if (cause == ESP_SLEEP_WAKEUP_TIMER) {
    // 定时唤醒，进行数据采集
    readAllSensors();
    if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
      publishData();
    }
  }
  
  // 重新进入睡眠
  enterDeepSleep();
}

功耗对比分析表

工作模式	平均电流	持续时间	总能耗	适用场景
深度睡眠	10μA	长期待机	极低	电池供电长期监测
轻量睡眠	500μA	中等间隔	较低	频繁唤醒应用
活动模式	80mA	数据采集	中等	实时数据传输
WiFi传输	120mA	短暂连接	较高	数据上传时段

校准与维护指南

传感器校准流程

flowchart LR
    A[初始校准] --> B[零点校准<br>在清洁空气中]
    A --> C[跨度校准<br>使用标准气体]
    B --> D[记录基础电阻值]
    C --> E[建立浓度-电压曲线]
    D --> F[定期零点校验]
    E --> G[定期跨度校验]
    F --> H[数据准确性维护]
    G --> H