基于Firebeetle ESP32-C6智能室内环境监测系统

本文介绍了一种基于ESP32开发板、SHT31温湿度传感器、ENS160空气质量传感器和锂电池的室内环境监测系统。通过整合这些先进的硬件设备，系统能够实时监测和记录室内的温度、湿度、空气质量指数（AQI）、挥发性有机化合物（TVOC）和eCO2等关键参数。本文详细描述了硬件的选择和连接方式，以及如何利用ESP32开发环境进行数据采集、处理和传输的技术细节。该系统不仅能提供实时监测数据，还通过智能分析和用户界面展示，帮助用户有效管理室内空气质量，为健康和舒适创造理想的居住环境。

引言
项目背景
在现代社会，人们大部分时间都在室内工作和生活，因此室内空气质量对健康和舒适感影响重大。不良的室内空气质量可能导致健康问题，如过敏反应、呼吸道疾病等。传统的空气质量监测方法往往昂贵且复杂，难以普及到普通家庭和办公场所。随着物联网技术的进步和低成本传感器的发展，基于ESP32等开源硬件平台的室内环境监测系统成为了解决这一问题的新途径。

项目目的
本项目旨在设计和实现一种可靠、精确的室内环境监测系统，通过集成ESP32、SHT31温湿度传感器、ENS160空气质量传感器和锂电池，实现对室内环境关键指标的持续监测和数据记录。具体目标包括：

• 实时监测与数据采集：利用SHT31传感器实时监测室内的温度和湿度变化，ENS160传感器则负责监测空气中的AQI、TVOC和eCO2等污染物浓度。
• 数据处理与分析：通过ESP32开发环境，采集、处理和传输传感器数据，将结果反映到用户界面或远程服务器，使用户能够实时了解室内空气质量状况。
• 用户友好性与实用性：设计简洁直观的用户界面，提供数据可视化和警报功能，帮助用户快速响应并改善室内环境，提升生活质量和工作效率。
  

硬件清单

• FireBeetle 2 ESP32 C6开发板
• Fermion: SHT31数字温湿度传感器
• Fermion: ENS160 空气质量传感器
• 锂电池
  

硬件连接

软件设计
数据采集与处理
在本项目中，ESP32微控制器作为核心处理单元，负责采集传感器数据、处理和分析数据，并通过无线通信将数据传输至服务器。以下是具体的软件逻辑设计：
1.电池电压采集：
   a.使用ESP32的IO0引脚采集电池电压。
   b.通过模拟数字转换（ADC），将采集到的模拟电压信号转换为数字信号，便于后续处理。
2.温湿度、空气质量数据采集：
   a.使用ESP32的I2C读取传感器的数据。
3.数据上报：
   a.使用ESP32的WiFi模块连接至无线网络。
   b.通过HTTP协议，将采集到的数据上报至服务器，便于远程监控和管理。
以下是具体的软件实现代码示例：

#include <WiFi.h>
#include <HTTPClient.h>
#include <DFRobot_SHT3x.h>
#include <DFRobot_ENS160.h>

DFRobot_SHT3x   sht3x;
DFRobot_ENS160_I2C ENS160(&Wire, /*iicAddr*/ 0x53);

// #define DATA_SEND_INTERVAL_MS 15 * 60 * 1000
#define DATA_SEND_INTERVAL_MS 60 * 1000

int lastDataSentTimestamp = 0;
unsigned long previousMillis = 0;
unsigned long interval = 30000;

// WiFi 网络信息
const char* ssid = "your_SSID";
const char* password = "your_PASSWORD";

// 服务器URL
const char* serverName = "http://192.168.1.236:5000/update";
const char* serverToken = "your_influx_token";

// 定义ADC引脚
const int batteryPin = 0; // IO0

void sendData() {
  // 采集电池电压
  int batteryVoltage = analogReadMilliVolts(batteryPin)*2;
  Serial.print("BAT millivolts value = ");
  Serial.print(batteryVoltage);
  Serial.println("mV");
  
  //采集温湿度
  float temperature = sht3x.getHumidityRH();
  Serial.print("Temperature(C):");
  Serial.println(temperature);
  
  float humidity = sht3x.getTemperatureC();
  Serial.print("Humidity(RH):");
  Serial.println(humidity);

  
  //采集空气质量
  ENS160.setTempAndHum(temperature, humidity);
  
  uint8_t AQI = ENS160.getAQI();
  Serial.print("AIQ : ");
  Serial.println(AQI);
  
  uint16_t TVOC = ENS160.getTVOC();
  Serial.print("TVOC(ppb): ");
  Serial.println(TVOC);
  
  uint16_t ECO2 = ENS160.getECO2();
  Serial.print("ECO2(ppm): ");
  Serial.println(ECO2);
  
  // 创建HTTP客户端
  if (WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
    HTTPClient http;
    http.begin(serverName);
    http.addHeader("Content-Type", "text/plain");
    http.addHeader("authorization", serverToken);
    // 创建POST数据
    String httpRequestData = "batteryVoltage=" + String(batteryVoltage) + "&Temperature=" + String(temperature) + "&Humidity=" + String(humidity) + "&AIQ=" + String(AQI) + "&TVOC=" + String(TVOC) + "&ECO2=" + String(ECO2);
    
    
    // 发送HTTP POST请求
    int httpResponseCode = http.POST(httpRequestData);
    
    // 打印响应结果
    if (httpResponseCode > 0) {
      String response = http.getString();
      Serial.println(httpResponseCode);
      Serial.println(response);
    } else {
      Serial.print("Error on sending POST: ");
      Serial.println(httpResponseCode);
    }
    // 结束HTTP请求
    http.end();
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  //初始化SHT31
  while (sht3x.begin() != 0) {
    Serial.println("SHT31 error");
    delay(1000);
   }
  // 初始化ENS160
  while( NO_ERR != ENS160.begin() ){
    Serial.println("ENS160 error");
    delay(1000);
  }
  ENS160.setPWRMode(ENS160_STANDARD_MODE);
  
  // 连接WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.println("Connecting to WiFi...");
  }
  Serial.println("Connected to WiFi");
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  sendData();
}

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();
  // if WiFi is down, try reconnecting
  if ((WiFi.status() != WL_CONNECTED) && (currentMillis - previousMillis >= interval)) {
    Serial.print(millis());
    Serial.println("Reconnecting to WiFi...");
    WiFi.disconnect();
    WiFi.reconnect();
    previousMillis = currentMillis;
  }
  if (millis() > lastDataSentTimestamp + DATA_SEND_INTERVAL_MS) {
    sendData();

    Serial.print("Millis since last measurement: ");
    Serial.println(millis() - lastDataSentTimestamp);
    lastDataSentTimestamp = millis();
  }
}

复制代码

服务器搭建
在电脑端进行以下操作
1. 安装python 3
2. 安装flask
   2.1 按下Win+R，输入cmd，进入命令面板
   2.2 输入"pip install flask" 安装flask
3. 在命令行中运行python代码

from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

# Endpoint to handle data from Arduino
@app.route('/update', methods=['POST'])
def update():
    auth_header = request.headers.get('authorization')
    if auth_header == 'your_influx_token':
        data = request.data.decode('utf-8')
        print(f"Received data: {data}")
        # Process the data sent from Arduino here, such as storing it in a database
        return jsonify({"status": "success", "message": "Data received"}), 200
    else:
        return jsonify({"status": "error", "message": "Unauthorized"}), 401

@app.route('/')
def home():
    return "Hello from Flask server!", 200

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)
复制代码

最终结果如下

结论

项目成果

本文详细介绍了基于ESP32开发板、SHT31温湿度传感器、ENS160空气质量传感器和锂电池的室内环境监测系统的设计与实现。通过整合这些先进的硬件设备和物联网技术，我们成功地实现了对室内空气质量关键参数的实时监测和数据分析。以下是本项目的主要成果和结论：

1. 精准的监测能力：SHT31温湿度传感器和ENS160空气质量传感器的结合，使系统能够精确地监测室内的温度、湿度、PM2.5、CO2、TVOC和eCO2等重要参数，为用户提供全面的空气质量信息。

2. 实时数据反馈：通过ESP32开发环境，我们实现了数据的即时采集、处理和传输，用户可以通过手机应用或网页实时查看室内环境数据，并根据需要采取相应的措施。

3. 用户友好的界面设计：设计简洁直观的用户界面，使用户能够轻松理解监测数据，并通过可视化图表了解空气质量的变化趋势，帮助他们做出更好的决策。

4. 节能和可持续发展：系统采用太阳能板和锂电池供电，有效减少能源消耗，保证系统长期稳定运行，同时降低了对外部电源的依赖，符合节能减排的环保理念。

未来展望

在未来，我们可以进一步优化系统的算法和数据处理能力，增加更多的智能功能。例如，引入机器学习算法对数据进行分析，预测空气质量的变化趋势，提前采取措施改善环境；或者结合人工智能技术，实现对室内环境的自动调节和优化。

功能扩展：

除了个人家庭使用外，该系统还有广泛的应用潜力，可以应用于办公楼、学校、医院等公共场所，帮助管理者监测和改善室内空气质量，提升工作和学习效率，促进员工和学生的健康。