基于ESP32的環境監測系統的設計與實現

摘 要：基于ESP32為主芯片設計環境監測系統，獲取環境中的溫濕度、光照強度、氣壓、海拔、紫外線強度、煙霧濃度、二氧化碳含量、甲醛含量、TVOC含量、PM2.5含量等一系列環境信息以及實時時鐘信息，通過LED燈、OLED屏實現環境信息的狀態顯示和信息值的屏幕顯示，基于語音合成模塊實現環境信息的語音播報，通過RS 232串口、串口轉USB、以太網、WiFi、藍牙等多種接口將環境信息報送至上位機，通過多種接口或調試指令對ESP32的工作狀態進行管理。詳細介紹了該系統的整體設計、硬件設計、軟件設計。通過聯調演示，證明該系統各項功能正常、運行穩定，可用于辦公室、農業大棚、儲物倉庫等場景的環境監測，也為同類方案或產品提供參考和借鑒。

關鍵詞：ESP32；傳感器；環境監測；屏幕顯示；語音播報；上位機

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

ESP32是樂鑫信息科技提供的微控制器（Micro Control Unit， MCU）芯片，采用兩個哈佛結構Xtensa LX6 CPU構成雙核系統，片上集成通用型輸入輸出（General Purpose Input/Output， GPIO）、通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Reveiver Transmitter， UART）、集成電路總線（Inter Integrated Circuit， I2C）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface， SPI）、模數轉換（Analog to Digital Convert， ADC）等控制器以及WiFi收發器和藍牙收發器，兼具功能強大、性能穩定、體積精巧、價格低廉的優勢[1]。本文將ESP32作為主芯片，結合一系列外部器件，設計一套環境監測系統，監測環境中的多項參數，可用于辦公室內、農業大棚、儲物倉庫等場景的環境監測，也為同類方案或產品提供參考和借鑒[2-4]。

1 系統整體設計

整個環境監測系統由供電模塊、主芯片、采集模塊、狀態顯示模塊、狀態上報接口、上位機組成[5-6]，如圖1所示。

供電模塊負責提供主芯片及各種外圍設備工作所需的電壓。ESP32作為主芯片，片內充分利用處理器核、各種控制器、WiFi及藍牙收發器等資源，對外則驅動各種外圍設備。采集模塊包括AHT20溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器、BMP180氣壓海拔傳感器、S12SD紫外線強度傳感器、MQ-2煙霧濃度傳感器、JW01模組二氧化碳甲醛總揮發性有機化合物（Total Volatile Organic Compounds， TVOC）含量三合一傳感器、ZPH02模組PM2.5含量傳感器等傳感器模塊，以及PCF8563實時時鐘、AT24C256存儲芯片、4路輸入按鍵。狀態顯示模塊包括綠、黃、紅狀態顯示LED燈，有源蜂鳴器，SSD1306-OLED顯示屏。狀態上報接口包括RS 232串口接口、串口轉USB接口、基于W5500實現的RJ 45以太網接口、基于SYN6658語音合成模塊實現的LINE音頻線接口和語音播報喇叭，以及ESP32提供的WiFi和藍牙接口。上位機可以是串口、網口、USB接口的PC，也可以是WiFi和藍牙接口的手機等無線設備。ESP32的上報接口同時提供CS（客戶端-服務器）和BS（瀏覽器-服務器）服務，上位機可以使用按協議設計的終端軟件，或者使用網頁瀏覽器，來訪問ESP32的狀態信息或對ESP32的工作狀態進行管理。

2 硬件設計

基于ESP32芯片模組與各外圍設備器件設計硬件平臺，各模塊的內部電路硬件均穩定，需要著重注意搭建時的硬件連接關系[7]。ESP32與各外圍設備的連接關系如圖2所示。

供電設計：調試階段可以使用MINI-USB接口為ESP32供電，MINI-USB聯合ESP32的電壓輸出管腳為采集模塊、狀態顯示模塊、狀態上報接口的各器件供電，調試完成后使用可充電鋰電池為主芯片和各外圍設備供電。

GPIO接口的外設：選用ESP32的4路IO實現數字輸入功能，外接輸入按鍵。選用ESP32的4路IO實現數字輸出功能，分別接綠色、黃色、紅色的LED燈和有源蜂鳴器。

ADC接口的外設：選用ESP32的2路IO實現ADC模擬輸入功能，分別外接S12SD紫外線強度傳感器、MQ-2煙霧濃度傳感器。ESP32以模擬量讀取ADC管腳的值，當管腳上的電壓為3.3 V時，讀值4095為最大值，當管腳上電壓為0 V時，讀值0為最小值，中間區域可作線性比例處理，從而獲取S12SD的紫外線強度和MQ-2的煙霧濃度。

I2C接口的外設：選用ESP32的2路IO管腳實現I2C總線，ESP32作為主機發出I2C時序控制一系列不同從機地址的I2C外圍設備，從而讀取AHT20的溫濕度信息、BH1750的光照強度信息、BMP180的氣壓信息，進一步計算出海拔信息，控制OLED顯示屏動態顯示各狀態信息，讀取或設置PCF8563的實時時間信息，訪問AT24C256存取工作參數。

UART接口的外設：ESP32片上有三個串口控制器（Serial0、Serial1、Serial2），通信波特率都配置為9 600 b/s，8位數據位，1位停止位，無校驗位。Serial0的輸出實現調試打印功能，便于調試觀測代碼流程，Serial0的輸入實現調試命令解析功能，解析出正確的指令后可以設置PCF8563的時間、設置ESP32的工作參數并存入AT24C256。Serial1、Serial2的RX線分別接JW01模組、ZPH02模組，這兩個模組正常工作時，會將獲取的環境信息按協議格式以串口格式的包發出，每包定常為8字節，且包頭有固定的標識，包尾有校驗值。ESP32收到模組的串口包后，基于狀態機即可解析出包中間的字節從而獲取環境信息。Serial1的TX線分成兩路，一路接串口轉USB器件，一路接TTL電平轉RS 232電平器件，分別對PC提供USB接口和RS 232接口的串口上報接口。Serial2的TX線接到SYN6658語音合成模塊，ESP32遵照協議通過串口向SYN6658發送待合成的文字信息，文字信息由固定的漢字編碼加變化的環境信息值合并而成，SYN6658實現文字轉語音的合成功能，輸出語音信息到LINE音頻線，LINE線可以進一步接音響或耳機，同時SYN6658通過所接的喇叭播報語音。

SPI接口的外設：選用ESP32的4路IO管腳實現SPI總線，通過SPI時序控制W5500模塊，W5500內部硬件集成TCP/IP協議棧，W5500模塊對外提供RJ 45以太網接口[8]。W5500提供了套接字編程接口，支持TCP和UDP協議。ESP32對W5500進行UDP編程，從而對上位機提供CS服務，ESP32對W5500進行TCP編程，實現HTTP服務功能，從而對上位機提供BS服務。

WiFi接口： ESP32運行片上WiFi的AP基站功能，ESP32的WiFi具備無線局域網（Wireless Local Area Networks， WLAN）網卡屬性且運行dhcpd服務程序。手機等無線設備通過WLAN接入ESP32后，ESP32為無線設備分配WLAN同網段的IP地址，在此基礎上ESP32與無線設備基于TCP/IP協議互聯，兩者能通過UDP和TCP協議進行網口套接字通信。

藍牙接口：ESP32可以將片上藍牙功能虛擬化為串口，手機等無線設備的藍牙也使用串口模式，ESP32與無線設備基于藍牙虛擬串口進行串口通信。

3 軟件設計

使用Arduino工具對ESP32進行軟件開發和燒寫，Arduino工具通過導入芯片包實現ESP32的底層驅動功能，用戶只需調用驅動層的接口函數，即可進行業務功能的應用層開發。Arduino工具提供程序框架，提供初始調用一次的setup函數和隨后輪詢調度的loop函數供用戶填充，用戶需在setup函數里填充初始化功能，在loop函數里填充需運行的業務功能[9]。

在setup函數里，需要執行的操作如圖3所示。首先初始化調試串口，然后依次初始化各類通信總線，以及對總線上所接的傳感器外設進行初始化[10]。還需從AT24C256讀取工作參數，例如訪問外設的時間間隔，默認100 ms，以及環境信息的告警閾值，例如溫度的告警上下限、二氧化碳含量的告警上下限等。初始化W5500后，配置以太網口的UDP和TCP套接字；初始化WiFi后，配置WLAN網口的UDP和TCP套接字；初始化藍牙后，配置藍牙虛擬串口。

在loop函數里執行業務流程如圖4所示。首先從各個傳感器讀取環境信息和時間信息，對于I2C接口的傳感器，讀寫交互后，從外設寄存器獲取信息；對于ADC接口的傳感器，讀ADC功能管腳的模擬值獲取信息；對于UART接口的傳感器，接收串口字節后基于狀態機解析后獲取信息。新讀的值與最近5次歷史值整合計算平均值，作為當前有效值，用結構體變量存儲。然后使用OLED顯示屏顯示環境信息，因OLED屏幕大小有限，每輪loop函數只顯示所有環境信息的其中幾條。同時通過LED燈顯示環境狀態，若環境狀態值均正常，則綠燈亮；如果環境狀態值稍微超出正常范圍，則黃燈亮；如果環境狀態值嚴重超出正常范圍，則紅燈亮，且蜂鳴器響，提醒人采取相應措施，例如通過通風降低二氧化碳含量。此外，如果檢測到按鍵有按下動作時，經軟件防抖處理后，運行相應的功能，按鍵1對應功能為語音播報時間信息，按鍵2對應功能為語音播報環境信息。再者，基于狀態機解析藍牙串口收到的字節，解析出命令包，基于套接字檢測是否收到WiFi或以太網口的UDP命令包，如果是查詢命令，則將環境信息結構體變量中的值按協議返回；如果是配置命令，則修改工作狀態；如果是HTTP的GET請求，則返回Web頁面的應答。之后，將本輪環境值通過串口報送給上位機。最后，判斷是否需執行Serial0調試命令，之后進行延時等待，退出本輪loop函數，進入下一輪loop函數。

參考Linux系統的shell命令行，對Serial0的輸入指令進行功能解析，當輸入的指令滿足一定格式時，則執行相應功能。例如“SETTIME：2023-04-10 10：53：00”是設置時間，“SETTEMPU：60”是設置溫度告警上限。

為了通過上位機對環境監測系統的狀態進行顯示和控制，可以在上位機開發終端軟件，使用軟件控件調用操作系統的API，基于串口或網口編程與ESP32通信，也可以不用終端軟件而直接使用網頁瀏覽器訪問ESP32。

4 聯調演示

基于ESP32芯片模組與各外圍設備器件實現演示板，按硬件設計連接各信號線，制作完整的演示板如圖5所示。

ESP32程序正常啟動運行后，LED狀態燈顯示正常，OLED屏翻頁逐條顯示各項環境信息的值，如圖6所示。

PC通過以太網口接入演示板，運行PC上設計的終端軟件，能更新顯示環境信息，且能對ESP32的工作狀態進行配置。在PC瀏覽器輸入ESP32的以太網IP地址，ESP32會返回環境信息。手機上能搜到并接入ESP32的WiFi信號，在手機瀏覽器輸入ESP32的WLAN的IP地址，ESP32會返回環境信息。上位機通過瀏覽器訪問ESP32的界面如圖7所示。

按下演示板上的按鍵1，喇叭會播報時間信息。按下演示板上的按鍵2，喇叭會播報環境信息。在調試串口輸入設置時間、設置工作參數等命令，演示板均有正常響應。

調整演示板所處環境的溫度、光照等狀態，演示板上顯示和上報的環境信息會隨之變化，且與溫度計等儀器測得的值接近一致，可見本系統各項功能均正常，且運行穩定。

5 結 語

本文設計了基于ESP32的環境監測系統，完成了多項環境信息的采集、多種方式的顯示、多種接口的上報，可用于辦公室內、農業大棚、儲物倉庫等場景的環境監測，也為同類方案或產品提供參考和借鑒。

本系統還可優化調整，例如，為了節省功耗，也許并不需要多個傳感器同時工作，也不需要多種上報接口同時工作，可以在硬件上添加使能設計，在軟件上規劃ESP32的工作參數，做合理調度；在運行過程中，按需動態地使能訪問各外圍設備。

參考文獻

[1]王忠. ESP32在物聯網通信課程教學中的應用[J].物聯網技術，2022，12（4）：128-129.

[2]何經偉.基于ESP32的辦公環境信息監測系統[J].電子技術與軟件工程，2019，8（24）：153-154.

[3]孔寧.基于ESP32的畜場環境監測系統設計與實現[J].現代牧業，2022，6（4）：37-43.

[4]陳星星.基于ESP32的糧倉遠程溫濕度監控系統[J].電子技術與軟件工程，2018，7（14）：94.

[5]肖鑫海.基于STM32的環境監測系統設計[J].化工自動化及儀表，2023，50（1）：33-36.

[6]夏長權.基于STM32的環境監測系統設計[J].電子制作，2023，31（4）：3-7.

[7]任肖麗.基于STM32的環境監測系統設計[J].集成電路應用，2021，38（8）：14-15.

[8]王鵬.基于W5500以太網模塊的溫濕度實時在線采集系統設計[J].通訊世界，2020，27（3）：67-68.

[9]謝明瑋.基于Arduino的物聯網家居硬件系統設計與實現[J].物聯網技術，2023，13（2）：78-81.

[10]樂萬德. Arduino串口通信控制系統的研究[J].電子設計工程，2022，30（4）：69-73.

作者簡介：張來洪（1989－），男，碩士，中級工程師， 研究方向為嵌入式技術、電臺主控及波形。

關海偉（1989－），男，碩士，中級工程師， 研究方向為嵌入式技術、電臺主控及波形。

魯 興（1992－），男，博士，中級工程師， 研究方向為嵌入式技術、通信技術。

張 揚（1993－），男，碩士，中級工程師， 研究方向為嵌入式技術、上位機軟件設計。

收稿日期：2023-05-07 修回日期：2023-06-05