基于ESP32的环境监测系统的设计与实现

摘 要：基于ESP32为主芯片设计环境监测系统，获取环境中的温湿度、光照强度、气压、海拔、紫外线强度、烟雾浓度、二氧化碳含量、甲醛含量、TVOC含量、PM2.5含量等一系列环境信息以及实时时钟信息，通过LED灯、OLED屏实现环境信息的状态显示和信息值的屏幕显示，基于语音合成模块实现环境信息的语音播报，通过RS 232串口、串口转USB、以太网、WiFi、蓝牙等多种接口将环境信息报送至上位机，通过多种接口或调试指令对ESP32的工作状态进行管理。详细介绍了该系统的整体设计、硬件设计、软件设计。通过联调演示，证明该系统各项功能正常、运行稳定，可用于办公室、农业大棚、储物仓库等场景的环境监测，也为同类方案或产品提供参考和借鉴。

关键词：ESP32；传感器；环境监测；屏幕显示；语音播报；上位机

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

ESP32是乐鑫信息科技提供的微控制器（Micro Control Unit， MCU）芯片，采用两个哈佛结构Xtensa LX6 CPU构成双核系统，片上集成通用型输入输出（General Purpose Input/Output， GPIO）、通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Reveiver Transmitter， UART）、集成电路总线（Inter Integrated Circuit， I2C）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface， SPI）、模数转换（Analog to Digital Convert， ADC）等控制器以及WiFi收发器和蓝牙收发器，兼具功能强大、性能稳定、体积精巧、价格低廉的优势[1]。本文将ESP32作为主芯片，结合一系列外部器件，设计一套环境监测系统，监测环境中的多项参数，可用于办公室内、农业大棚、储物仓库等场景的环境监测，也为同类方案或产品提供参考和借鉴[2-4]。

1 系统整体设计

整个环境监测系统由供电模块、主芯片、采集模块、状态显示模块、状态上报接口、上位机组成[5-6]，如图1所示。

供电模块负责提供主芯片及各种外围设备工作所需的电压。ESP32作为主芯片，片内充分利用处理器核、各种控制器、WiFi及蓝牙收发器等资源，对外则驱动各种外围设备。采集模块包括AHT20温湿度传感器、BH1750光照强度传感器、BMP180气压海拔传感器、S12SD紫外线强度传感器、MQ-2烟雾浓度传感器、JW01模组二氧化碳甲醛总挥发性有机化合物（Total Volatile Organic Compounds， TVOC）含量三合一传感器、ZPH02模组PM2.5含量传感器等传感器模块，以及PCF8563实时时钟、AT24C256存储芯片、4路输入按键。状态显示模块包括绿、黄、红状态显示LED灯，有源蜂鸣器，SSD1306-OLED显示屏。状态上报接口包括RS 232串口接口、串口转USB接口、基于W5500实现的RJ 45以太网接口、基于SYN6658语音合成模块实现的LINE音频线接口和语音播报喇叭，以及ESP32提供的WiFi和蓝牙接口。上位机可以是串口、网口、USB接口的PC，也可以是WiFi和蓝牙接口的手机等无线设备。ESP32的上报接口同时提供CS（客户端-服务器）和BS（浏览器-服务器）服务，上位机可以使用按协议设计的终端软件，或者使用网页浏览器，来访问ESP32的状态信息或对ESP32的工作状态进行管理。

2 硬件设计

基于ESP32芯片模组与各外围设备器件设计硬件平台，各模块的内部电路硬件均稳定，需要着重注意搭建时的硬件连接关系[7]。ESP32与各外围设备的连接关系如图2所示。

供电设计：调试阶段可以使用MINI-USB接口为ESP32供电，MINI-USB联合ESP32的电压输出管脚为采集模块、状态显示模块、状态上报接口的各器件供电，调试完成后使用可充电锂电池为主芯片和各外围设备供电。

GPIO接口的外设：选用ESP32的4路IO实现数字输入功能，外接输入按键。选用ESP32的4路IO实现数字输出功能，分别接绿色、黄色、红色的LED灯和有源蜂鸣器。

ADC接口的外设：选用ESP32的2路IO实现ADC模拟输入功能，分别外接S12SD紫外线强度传感器、MQ-2烟雾浓度传感器。ESP32以模拟量读取ADC管脚的值，当管脚上的电压为3.3 V时，读值4095为最大值，当管脚上电压为0 V时，读值0为最小值，中间区域可作线性比例处理，从而获取S12SD的紫外线强度和MQ-2的烟雾浓度。

I2C接口的外设：选用ESP32的2路IO管脚实现I2C总线，ESP32作为主机发出I2C时序控制一系列不同从机地址的I2C外围设备，从而读取AHT20的温湿度信息、BH1750的光照强度信息、BMP180的气压信息，进一步计算出海拔信息，控制OLED显示屏动态显示各状态信息，读取或设置PCF8563的实时时间信息，访问AT24C256存取工作参数。

UART接口的外设：ESP32片上有三个串口控制器（Serial0、Serial1、Serial2），通信波特率都配置为9 600 b/s，8位数据位，1位停止位，无校验位。Serial0的输出实现调试打印功能，便于调试观测代码流程，Serial0的输入实现调试命令解析功能，解析出正确的指令后可以设置PCF8563的时间、设置ESP32的工作参数并存入AT24C256。Serial1、Serial2的RX线分别接JW01模组、ZPH02模组，这两个模组正常工作时，会将获取的环境信息按协议格式以串口格式的包发出，每包定常为8字节，且包头有固定的标识，包尾有校验值。ESP32收到模组的串口包后，基于状态机即可解析出包中间的字节从而获取环境信息。Serial1的TX线分成两路，一路接串口转USB器件，一路接TTL电平转RS 232电平器件，分别对PC提供USB接口和RS 232接口的串口上报接口。Serial2的TX线接到SYN6658语音合成模块，ESP32遵照协议通过串口向SYN6658发送待合成的文字信息，文字信息由固定的汉字编码加变化的环境信息值合并而成，SYN6658实现文字转语音的合成功能，输出语音信息到LINE音频线，LINE线可以进一步接音响或耳机，同时SYN6658通过所接的喇叭播报语音。

SPI接口的外设：选用ESP32的4路IO管脚实现SPI总线，通过SPI时序控制W5500模块，W5500内部硬件集成TCP/IP协议栈，W5500模块对外提供RJ 45以太网接口[8]。W5500提供了套接字编程接口，支持TCP和UDP协议。ESP32对W5500进行UDP编程，从而对上位机提供CS服务，ESP32对W5500进行TCP编程，实现HTTP服务功能，从而对上位机提供BS服务。

WiFi接口： ESP32运行片上WiFi的AP基站功能，ESP32的WiFi具备无线局域网（Wireless Local Area Networks， WLAN）网卡属性且运行dhcpd服务程序。手机等无线设备通过WLAN接入ESP32后，ESP32为无线设备分配WLAN同网段的IP地址，在此基础上ESP32与无线设备基于TCP/IP协议互联，两者能通过UDP和TCP协议进行网口套接字通信。

蓝牙接口：ESP32可以将片上蓝牙功能虚拟化为串口，手机等无线设备的蓝牙也使用串口模式，ESP32与无线设备基于蓝牙虚拟串口进行串口通信。

3 软件设计

使用Arduino工具对ESP32进行软件开发和烧写，Arduino工具通过导入芯片包实现ESP32的底层驱动功能，用户只需调用驱动层的接口函数，即可进行业务功能的应用层开发。Arduino工具提供程序框架，提供初始调用一次的setup函数和随后轮询调度的loop函数供用户填充，用户需在setup函数里填充初始化功能，在loop函数里填充需运行的业务功能[9]。

在setup函数里，需要执行的操作如图3所示。首先初始化调试串口，然后依次初始化各类通信总线，以及对总线上所接的传感器外设进行初始化[10]。还需从AT24C256读取工作参数，例如访问外设的时间间隔，默认100 ms，以及环境信息的告警阈值，例如温度的告警上下限、二氧化碳含量的告警上下限等。初始化W5500后，配置以太网口的UDP和TCP套接字；初始化WiFi后，配置WLAN网口的UDP和TCP套接字；初始化蓝牙后，配置蓝牙虚拟串口。

在loop函数里执行业务流程如图4所示。首先从各个传感器读取环境信息和时间信息，对于I2C接口的传感器，读写交互后，从外设寄存器获取信息；对于ADC接口的传感器，读ADC功能管脚的模拟值获取信息；对于UART接口的传感器，接收串口字节后基于状态机解析后获取信息。新读的值与最近5次历史值整合计算平均值，作为当前有效值，用结构体变量存储。然后使用OLED显示屏显示环境信息，因OLED屏幕大小有限，每轮loop函数只显示所有环境信息的其中几条。同时通过LED灯显示环境状态，若环境状态值均正常，则绿灯亮；如果环境状态值稍微超出正常范围，则黄灯亮；如果环境状态值严重超出正常范围，则红灯亮，且蜂鸣器响，提醒人采取相应措施，例如通过通风降低二氧化碳含量。此外，如果检测到按键有按下动作时，经软件防抖处理后，运行相应的功能，按键1对应功能为语音播报时间信息，按键2对应功能为语音播报环境信息。再者，基于状态机解析蓝牙串口收到的字节，解析出命令包，基于套接字检测是否收到WiFi或以太网口的UDP命令包，如果是查询命令，则将环境信息结构体变量中的值按协议返回；如果是配置命令，则修改工作状态；如果是HTTP的GET请求，则返回Web页面的应答。之后，将本轮环境值通过串口报送给上位机。最后，判断是否需执行Serial0调试命令，之后进行延时等待，退出本轮loop函数，进入下一轮loop函数。

参考Linux系统的shell命令行，对Serial0的输入指令进行功能解析，当输入的指令满足一定格式时，则执行相应功能。例如“SETTIME：2023-04-10 10：53：00”是设置时间，“SETTEMPU：60”是设置温度告警上限。

为了通过上位机对环境监测系统的状态进行显示和控制，可以在上位机开发终端软件，使用软件控件调用操作系统的API，基于串口或网口编程与ESP32通信，也可以不用终端软件而直接使用网页浏览器访问ESP32。

4 联调演示

基于ESP32芯片模组与各外围设备器件实现演示板，按硬件设计连接各信号线，制作完整的演示板如图5所示。

ESP32程序正常启动运行后，LED状态灯显示正常，OLED屏翻页逐条显示各项环境信息的值，如图6所示。

PC通过以太网口接入演示板，运行PC上设计的终端软件，能更新显示环境信息，且能对ESP32的工作状态进行配置。在PC浏览器输入ESP32的以太网IP地址，ESP32会返回环境信息。手机上能搜到并接入ESP32的WiFi信号，在手机浏览器输入ESP32的WLAN的IP地址，ESP32会返回环境信息。上位机通过浏览器访问ESP32的界面如图7所示。

按下演示板上的按键1，喇叭会播报时间信息。按下演示板上的按键2，喇叭会播报环境信息。在调试串口输入设置时间、设置工作参数等命令，演示板均有正常响应。

调整演示板所处环境的温度、光照等状态，演示板上显示和上报的环境信息会随之变化，且与温度计等仪器测得的值接近一致，可见本系统各项功能均正常，且运行稳定。

5 结 语

本文设计了基于ESP32的环境监测系统，完成了多项环境信息的采集、多种方式的显示、多种接口的上报，可用于办公室内、农业大棚、储物仓库等场景的环境监测，也为同类方案或产品提供参考和借鉴。

本系统还可优化调整，例如，为了节省功耗，也许并不需要多个传感器同时工作，也不需要多种上报接口同时工作，可以在硬件上添加使能设计，在软件上规划ESP32的工作参数，做合理调度；在运行过程中，按需动态地使能访问各外围设备。

参考文献

[1]王忠. ESP32在物联网通信课程教学中的应用[J].物联网技术，2022，12（4）：128-129.

[2]何经伟.基于ESP32的办公环境信息监测系统[J].电子技术与软件工程，2019，8（24）：153-154.

[3]孔宁.基于ESP32的畜场环境监测系统设计与实现[J].现代牧业，2022，6（4）：37-43.

[4]陈星星.基于ESP32的粮仓远程温湿度监控系统[J].电子技术与软件工程，2018，7（14）：94.

[5]肖鑫海.基于STM32的环境监测系统设计[J].化工自动化及仪表，2023，50（1）：33-36.

[6]夏长权.基于STM32的环境监测系统设计[J].电子制作，2023，31（4）：3-7.

[7]任肖丽.基于STM32的环境监测系统设计[J].集成电路应用，2021，38（8）：14-15.

[8]王鹏.基于W5500以太网模块的温湿度实时在线采集系统设计[J].通讯世界，2020，27（3）：67-68.

[9]谢明玮.基于Arduino的物联网家居硬件系统设计与实现[J].物联网技术，2023，13（2）：78-81.

[10]乐万德. Arduino串口通信控制系统的研究[J].电子设计工程，2022，30（4）：69-73.

作者简介：张来洪（1989－），男，硕士，中级工程师， 研究方向为嵌入式技术、电台主控及波形。

关海伟（1989－），男，硕士，中级工程师， 研究方向为嵌入式技术、电台主控及波形。

鲁 兴（1992－），男，博士，中级工程师， 研究方向为嵌入式技术、通信技术。

张 扬（1993－），男，硕士，中级工程师， 研究方向为嵌入式技术、上位机软件设计。

收稿日期：2023-05-07 修回日期：2023-06-05