基于ESP32的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：基于ESP32為主芯片設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，獲取環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、氣壓、海拔、紫外線強(qiáng)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(huán)境信息以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息，通過LED燈、OLED屏實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的狀態(tài)顯示和信息值的屏幕顯示，基于語音合成模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的語音播報(bào)，通過RS 232串口、串口轉(zhuǎn)USB、以太網(wǎng)、WiFi、藍(lán)牙等多種接口將環(huán)境信息報(bào)送至上位機(jī)，通過多種接口或調(diào)試指令對(duì)ESP32的工作狀態(tài)進(jìn)行管理。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。通過聯(lián)調(diào)演示，證明該系統(tǒng)各項(xiàng)功能正常、運(yùn)行穩(wěn)定，可用于辦公室、農(nóng)業(yè)大棚、儲(chǔ)物倉庫等場景的環(huán)境監(jiān)測，也為同類方案或產(chǎn)品提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：ESP32；傳感器；環(huán)境監(jiān)測；屏幕顯示；語音播報(bào)；上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(gè)哈佛結(jié)構(gòu)Xtensa LX6 CPU構(gòu)成雙核系統(tǒng)，片上集成通用型輸入輸出（General Purpose Input/Output， GPIO）、通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Reveiver Transmitter， UART）、集成電路總線（Inter Integrated Circuit， I2C）、串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface， SPI）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Convert， ADC）等控制器以及WiFi收發(fā)器和藍(lán)牙收發(fā)器，兼具功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、體積精巧、價(jià)格低廉的優(yōu)勢[1]。本文將ESP32作為主芯片，結(jié)合一系列外部器件，設(shè)計(jì)一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測環(huán)境中的多項(xiàng)參數(shù)，可用于辦公室內(nèi)、農(nóng)業(yè)大棚、儲(chǔ)物倉庫等場景的環(huán)境監(jiān)測，也為同類方案或產(chǎn)品提供參考和借鑒[2-4]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由供電模塊、主芯片、采集模塊、狀態(tài)顯示模塊、狀態(tài)上報(bào)接口、上位機(jī)組成[5-6]，如圖1所示。

供電模塊負(fù)責(zé)提供主芯片及各種外圍設(shè)備工作所需的電壓。ESP32作為主芯片，片內(nèi)充分利用處理器核、各種控制器、WiFi及藍(lán)牙收發(fā)器等資源，對(duì)外則驅(qū)動(dòng)各種外圍設(shè)備。采集模塊包括AHT20溫濕度傳感器、BH1750光照強(qiáng)度傳感器、BMP180氣壓海拔傳感器、S12SD紫外線強(qiáng)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(fā)性有機(jī)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、AT24C256存儲(chǔ)芯片、4路輸入按鍵。狀態(tài)顯示模塊包括綠、黃、紅狀態(tài)顯示LED燈，有源蜂鳴器，SSD1306-OLED顯示屏。狀態(tài)上報(bào)接口包括RS 232串口接口、串口轉(zhuǎn)USB接口、基于W5500實(shí)現(xiàn)的RJ 45以太網(wǎng)接口、基于SYN6658語音合成模塊實(shí)現(xiàn)的LINE音頻線接口和語音播報(bào)喇叭，以及ESP32提供的WiFi和藍(lán)牙接口。上位機(jī)可以是串口、網(wǎng)口、USB接口的PC，也可以是WiFi和藍(lán)牙接口的手機(jī)等無線設(shè)備。ESP32的上報(bào)接口同時(shí)提供CS（客戶端-服務(wù)器）和BS（瀏覽器-服務(wù)器）服務(wù)，上位機(jī)可以使用按協(xié)議設(shè)計(jì)的終端軟件，或者使用網(wǎng)頁瀏覽器，來訪問ESP32的狀態(tài)信息或?qū)SP32的工作狀態(tài)進(jìn)行管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于ESP32芯片模組與各外圍設(shè)備器件設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，各模塊的內(nèi)部電路硬件均穩(wěn)定，需要著重注意搭建時(shí)的硬件連接關(guān)系[7]。ESP32與各外圍設(shè)備的連接關(guān)系如圖2所示。

供電設(shè)計(jì)：調(diào)試階段可以使用MINI-USB接口為ESP32供電，MINI-USB聯(lián)合ESP32的電壓輸出管腳為采集模塊、狀態(tài)顯示模塊、狀態(tài)上報(bào)接口的各器件供電，調(diào)試完成后使用可充電鋰電池為主芯片和各外圍設(shè)備供電。

GPIO接口的外設(shè)：選用ESP32的4路IO實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸入功能，外接輸入按鍵。選用ESP32的4路IO實(shí)現(xiàn)數(shù)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(shè)：選用ESP32的2路IO實(shí)現(xiàn)ADC模擬輸入功能，分別外接S12SD紫外線強(qiáng)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(dāng)管腳上的電壓為3.3 V時(shí)，讀值4095為最大值，當(dāng)管腳上電壓為0 V時(shí)，讀值0為最小值，中間區(qū)域可作線性比例處理，從而獲取S12SD的紫外線強(qiáng)度和MQ-2的煙霧濃度。

I2C接口的外設(shè)：選用ESP32的2路IO管腳實(shí)現(xiàn)I2C總線，ESP32作為主機(jī)發(fā)出I2C時(shí)序控制一系列不同從機(jī)地址的I2C外圍設(shè)備，從而讀取AHT20的溫濕度信息、BH1750的光照強(qiáng)度信息、BMP180的氣壓信息，進(jìn)一步計(jì)算出海拔信息，控制OLED顯示屏動(dòng)態(tài)顯示各狀態(tài)信息，讀取或設(shè)置PCF8563的實(shí)時(shí)時(shí)間信息，訪問AT24C256存取工作參數(shù)。

UART接口的外設(shè)：ESP32片上有三個(gè)串口控制器（Serial0、Serial1、Serial2），通信波特率都配置為9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。Serial0的輸出實(shí)現(xiàn)調(diào)試打印功能，便于調(diào)試觀測代碼流程，Serial0的輸入實(shí)現(xiàn)調(diào)試命令解析功能，解析出正確的指令后可以設(shè)置PCF8563的時(shí)間、設(shè)置ESP32的工作參數(shù)并存入AT24C256。Serial1、Serial2的RX線分別接JW01模組、ZPH02模組，這兩個(gè)模組正常工作時(shí)，會(huì)將獲取的環(huán)境信息按協(xié)議格式以串口格式的包發(fā)出，每包定常為8字節(jié)，且包頭有固定的標(biāo)識(shí)，包尾有校驗(yàn)值。ESP32收到模組的串口包后，基于狀態(tài)機(jī)即可解析出包中間的字節(jié)從而獲取環(huán)境信息。Serial1的TX線分成兩路，一路接串口轉(zhuǎn)USB器件，一路接TTL電平轉(zhuǎn)RS 232電平器件，分別對(duì)PC提供USB接口和RS 232接口的串口上報(bào)接口。Serial2的TX線接到SYN6658語音合成模塊，ESP32遵照協(xié)議通過串口向SYN6658發(fā)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(huán)境信息值合并而成，SYN6658實(shí)現(xiàn)文字轉(zhuǎn)語音的合成功能，輸出語音信息到LINE音頻線，LINE線可以進(jìn)一步接音響或耳機(jī)，同時(shí)SYN6658通過所接的喇叭播報(bào)語音。

SPI接口的外設(shè)：選用ESP32的4路IO管腳實(shí)現(xiàn)SPI總線，通過SPI時(shí)序控制W5500模塊，W5500內(nèi)部硬件集成TCP/IP協(xié)議棧，W5500模塊對(duì)外提供RJ 45以太網(wǎng)接口[8]。W5500提供了套接字編程接口，支持TCP和UDP協(xié)議。ESP32對(duì)W5500進(jìn)行UDP編程，從而對(duì)上位機(jī)提供CS服務(wù)，ESP32對(duì)W5500進(jìn)行TCP編程，實(shí)現(xiàn)HTTP服務(wù)功能，從而對(duì)上位機(jī)提供BS服務(wù)。

WiFi接口： ESP32運(yùn)行片上WiFi的AP基站功能，ESP32的WiFi具備無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks， WLAN）網(wǎng)卡屬性且運(yùn)行dhcpd服務(wù)程序。手機(jī)等無線設(shè)備通過WLAN接入ESP32后，ESP32為無線設(shè)備分配WLAN同網(wǎng)段的IP地址，在此基礎(chǔ)上ESP32與無線設(shè)備基于TCP/IP協(xié)議互聯(lián)，兩者能通過UDP和TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)口套接字通信。

藍(lán)牙接口：ESP32可以將片上藍(lán)牙功能虛擬化為串口，手機(jī)等無線設(shè)備的藍(lán)牙也使用串口模式，ESP32與無線設(shè)備基于藍(lán)牙虛擬串口進(jìn)行串口通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

使用Arduino工具對(duì)ESP32進(jìn)行軟件開發(fā)和燒寫，Arduino工具通過導(dǎo)入芯片包實(shí)現(xiàn)ESP32的底層驅(qū)動(dòng)功能，用戶只需調(diào)用驅(qū)動(dòng)層的接口函數(shù)，即可進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的應(yīng)用層開發(fā)。Arduino工具提供程序框架，提供初始調(diào)用一次的setup函數(shù)和隨后輪詢調(diào)度的loop函數(shù)供用戶填充，用戶需在setup函數(shù)里填充初始化功能，在loop函數(shù)里填充需運(yùn)行的業(yè)務(wù)功能[9]。

在setup函數(shù)里，需要執(zhí)行的操作如圖3所示。首先初始化調(diào)試串口，然后依次初始化各類通信總線，以及對(duì)總線上所接的傳感器外設(shè)進(jìn)行初始化[10]。還需從AT24C256讀取工作參數(shù)，例如訪問外設(shè)的時(shí)間間隔，默認(rèn)100 ms，以及環(huán)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(wǎng)口的UDP和TCP套接字；初始化WiFi后，配置WLAN網(wǎng)口的UDP和TCP套接字；初始化藍(lán)牙后，配置藍(lán)牙虛擬串口。

在loop函數(shù)里執(zhí)行業(yè)務(wù)流程如圖4所示。首先從各個(gè)傳感器讀取環(huán)境信息和時(shí)間信息，對(duì)于I2C接口的傳感器，讀寫交互后，從外設(shè)寄存器獲取信息；對(duì)于ADC接口的傳感器，讀ADC功能管腳的模擬值獲取信息；對(duì)于UART接口的傳感器，接收串口字節(jié)后基于狀態(tài)機(jī)解析后獲取信息。新讀的值與最近5次歷史值整合計(jì)算平均值，作為當(dāng)前有效值，用結(jié)構(gòu)體變量存儲(chǔ)。然后使用OLED顯示屏顯示環(huán)境信息，因OLED屏幕大小有限，每輪loop函數(shù)只顯示所有環(huán)境信息的其中幾條。同時(shí)通過LED燈顯示環(huán)境狀態(tài)，若環(huán)境狀態(tài)值均正常，則綠燈亮；如果環(huán)境狀態(tài)值稍微超出正常范圍，則黃燈亮；如果環(huán)境狀態(tài)值嚴(yán)重超出正常范圍，則紅燈亮，且蜂鳴器響，提醒人采取相應(yīng)措施，例如通過通風(fēng)降低二氧化碳含量。此外，如果檢測到按鍵有按下動(dòng)作時(shí)，經(jīng)軟件防抖處理后，運(yùn)行相應(yīng)的功能，按鍵1對(duì)應(yīng)功能為語音播報(bào)時(shí)間信息，按鍵2對(duì)應(yīng)功能為語音播報(bào)環(huán)境信息。再者，基于狀態(tài)機(jī)解析藍(lán)牙串口收到的字節(jié)，解析出命令包，基于套接字檢測是否收到WiFi或以太網(wǎng)口的UDP命令包，如果是查詢命令，則將環(huán)境信息結(jié)構(gòu)體變量中的值按協(xié)議返回；如果是配置命令，則修改工作狀態(tài)；如果是HTTP的GET請(qǐng)求，則返回Web頁面的應(yīng)答。之后，將本輪環(huán)境值通過串口報(bào)送給上位機(jī)。最后，判斷是否需執(zhí)行Serial0調(diào)試命令，之后進(jìn)行延時(shí)等待，退出本輪loop函數(shù)，進(jìn)入下一輪loop函數(shù)。

參考Linux系統(tǒng)的shell命令行，對(duì)Serial0的輸入指令進(jìn)行功能解析，當(dāng)輸入的指令滿足一定格式時(shí)，則執(zhí)行相應(yīng)功能。例如“SETTIME：2023-04-10 10：53：00”是設(shè)置時(shí)間，“SETTEMPU：60”是設(shè)置溫度告警上限。

為了通過上位機(jī)對(duì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制，可以在上位機(jī)開發(fā)終端軟件，使用軟件控件調(diào)用操作系統(tǒng)的API，基于串口或網(wǎng)口編程與ESP32通信，也可以不用終端軟件而直接使用網(wǎng)頁瀏覽器訪問ESP32。

4 聯(lián)調(diào)演示

基于ESP32芯片模組與各外圍設(shè)備器件實(shí)現(xiàn)演示板，按硬件設(shè)計(jì)連接各信號(hào)線，制作完整的演示板如圖5所示。

ESP32程序正常啟動(dòng)運(yùn)行后，LED狀態(tài)燈顯示正常，OLED屏翻頁逐條顯示各項(xiàng)環(huán)境信息的值，如圖6所示。

PC通過以太網(wǎng)口接入演示板，運(yùn)行PC上設(shè)計(jì)的終端軟件，能更新顯示環(huán)境信息，且能對(duì)ESP32的工作狀態(tài)進(jìn)行配置。在PC瀏覽器輸入ESP32的以太網(wǎng)IP地址，ESP32會(huì)返回環(huán)境信息。手機(jī)上能搜到并接入ESP32的WiFi信號(hào)，在手機(jī)瀏覽器輸入ESP32的WLAN的IP地址，ESP32會(huì)返回環(huán)境信息。上位機(jī)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(huì)播報(bào)時(shí)間信息。按下演示板上的按鍵2，喇叭會(huì)播報(bào)環(huán)境信息。在調(diào)試串口輸入設(shè)置時(shí)間、設(shè)置工作參數(shù)等命令，演示板均有正常響應(yīng)。

調(diào)整演示板所處環(huán)境的溫度、光照等狀態(tài)，演示板上顯示和上報(bào)的環(huán)境信息會(huì)隨之變化，且與溫度計(jì)等儀器測得的值接近一致，可見本系統(tǒng)各項(xiàng)功能均正常，且運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于ESP32的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，完成了多項(xiàng)環(huán)境信息的采集、多種方式的顯示、多種接口的上報(bào)，可用于辦公室內(nèi)、農(nóng)業(yè)大棚、儲(chǔ)物倉庫等場景的環(huán)境監(jiān)測，也為同類方案或產(chǎn)品提供參考和借鑒。

本系統(tǒng)還可優(yōu)化調(diào)整，例如，為了節(jié)省功耗，也許并不需要多個(gè)傳感器同時(shí)工作，也不需要多種上報(bào)接口同時(shí)工作，可以在硬件上添加使能設(shè)計(jì)，在軟件上規(guī)劃ESP32的工作參數(shù)，做合理調(diào)度；在運(yùn)行過程中，按需動(dòng)態(tài)地使能訪問各外圍設(shè)備。

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作者簡介：張來洪（1989－），男，碩士，中級(jí)工程師， 研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、電臺(tái)主控及波形。

關(guān)海偉（1989－），男，碩士，中級(jí)工程師， 研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、電臺(tái)主控及波形。

魯 興（1992－），男，博士，中級(jí)工程師， 研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、通信技術(shù)。

張 揚(yáng)（1993－），男，碩士，中級(jí)工程師， 研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

收稿日期：2023-05-07 修回日期：2023-06-05