基于ESP8266模塊制作環境因子測量儀

張仁懿 袁建立 艾得協措

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.14.038

摘? 要? 利用ESP8266 Wi-Fi模塊、顯示屏模塊和空氣溫濕度、氣壓、光照、二氧化碳、顆粒物等傳感器模塊，制作環境因子測量儀，具有成本低、操作簡單、代碼開源、易擴展等優點，可用于教室環境監測、植物生態因子監測、科技作品制作等教學活動，有利于學生深入了解生物與環境的關系，增強教學的趣味性，培養學生進行設備開發的能力。

關鍵詞? ESP8266模塊；傳感器；環境因子測量儀

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）14-0038-05

Environmental Factor Measuring Instrument Based on ESP8266 Module//ZHANG Renyi， YUAN Jianli， AIDE Xiecuo

0? 引言

所有生物都處于一定的環境中，各環境因子共同影響生物的生存及分布，這些因子包括光照、空氣、水分、土壤、溫度等。生物作為環境的創造者和改造者，反作用于各環境因子，例如：植物可以利用環境中的二氧化碳進行光合作用，產生有機物和氧氣，凈化空氣中的污染物，調節微環境的水汽和溫度；動物的呼吸代謝消耗有機物和氧氣，產生二氧化碳、水汽和熱量等。為了加深了解生物與環境的關系，往往需要對環境中影響生物狀態的主要因子進行測量或監測。教學活動中師生往往處于相對封閉的教室環境，通過測量或監測各項環境因子的指標，師生對環境變化的感受更加深刻，能更好地認識環境對人體健康的影響[1-2]。

目前市場上存在大量的環境監測測量儀器或方案，但監測設備成品普遍成本較高[3-4]，受經費限制難以滿足教學需要，且教師使用過程中不關注設備的組成和工作原理，不利于教學實驗的開展和學生科技能力的培養。隨著監測技術的涌現和開源項目的開放，教學過程應更加重視課程間的交叉和理論知識的實際應用[5-6]，提高學生在教學中的主導地位。本文利用市場上常見的模塊或配件，制作了一種環境因子測量儀，可用于教室、溫室等環境的連續監測，具有制作成本低、操作簡單、代碼開源、擴展性好等優點。

1? 制作材料

模塊及參考型號：ESP8266無線模塊（NodeMCU V3）、二氧化碳傳感器（MH-Z19）、空氣溫濕度傳感器（DHT12）、氣壓傳感器（BMP280）、光照傳感

器（BH1750）、顆粒物傳感器（PMS5003）、I2C? OLED顯示屏（SSD1306）。

材料及工具：杜邦線、剝線器、數據線（micro-

USB）、計算機、無線路由器。

2? 無線模塊設置

2.1? 固件準備

該設備基于ESP Easy固件制作。從官方網站下載最新固件，解壓到本地計算機備用（https：//

www.letscontrolit.com/wiki/index.php/ESPEasy）。

2.2? 固件寫入

用數據線將ESP8266模塊與計算機連接，確保驅動正常安裝，記下分配的串口號（COM）；運行固件包中的刷寫工具“FlashESP8266.exe”，寫入固件（本例為ESP_Easy_mega_20211224_normal_ESP8266_4M1M_VCC.bin，注意選擇正確的COM口）。

2.3? Wi-Fi接入

完成刷寫后點RST按鈕重啟模塊，計算機（或

手機）連接“ESP_”前綴的熱點（密碼：confige-

sp），用瀏覽器打開模塊地址“192.168.4.1”，在

頁面中查找并連接局域網的無線網絡。連接后將顯

示路由器給模塊分配的IP地址（本例為192.168.

123.129，如未顯示，可進入路由器界面查找或通過FING等APP查看）。

2.4? 打開模塊Web頁面

計算機連接至路由器，瀏覽器打開模塊網址（如http：//192.168.123.129），即可進入模塊的Web界面查看和設置參數。

3? 傳感器及模塊接入

點擊“Devices”進入外設接入界面，按照說

明分別將傳感器接入ESP8266模塊：http：//192.

168.123.129/devices。Wi-Fi模塊各針腳定義如

圖1a所示，模塊間連接案例如圖1b所示，不同版本模塊的字母簡寫可能有變動，數據接口（GPIO）的選用可根據實際情況調整。

3.1? 接入溫濕度傳感器

根據圖1b所示將DHT12傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網頁界面中點擊Add-“Device”選擇“DHT11/12/22 SONOFF2301/7021”，進入參數設置界面；輸入設備名稱（本例為dht12），選

擇傳感器型號及數據接口，采樣間隔設置為10 s，

輸入參數名稱（本例默認為Temperature和Humi-

dity），復選“Enabled”，點擊“Submit”提交（見圖2）。

3.2? 接入二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器（MH-Z19）為5 V供電，串口協議占用兩個GPIO接口，本例以D6和D7為例。根據圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網頁界面中點擊Add-“Device”選擇“CO2 MH-Z19”，進入參數設置界面；輸入設備名稱（本例為z19），選擇傳感器型號及數據接口，采樣間隔設置為10 s，輸入參數名稱（本例默認為PPM、Temperature、U），復選“Enabled”，點擊“Submit”提交（見圖3）。

3.3? 接入顆粒物傳感器

顆粒物傳感器（PMS5003）為5 V供電，串口協議占用兩個GPIO接口，本例以D4和D3為例。根據圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網頁界面中點擊Add-“Device”選擇“PMSx

003/PMSx003ST”，進入參數設置界面；輸入設備名稱（本例為pm），選擇傳感器型號及數據接口，采樣間隔設置為10 s，輸入參數名稱（本例默認為PM1.0、PM2.5、PM10），復選“Enabled”，點擊“Submit”提交（見圖4）。

3.4? 接入光照傳感器

光照傳感器BH1750支持I2C總線協議。根據

圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網頁界面中點擊Add-“Device”選擇“BH1750”，進入參數設置界面；輸入設備名稱（本例為bh

1750），選擇傳感器型號及數據接口，采樣間隔設置為10 s，輸入參數名稱（本例默認為Lux），復選“Enabled”，點擊“Submit”提交。

3.5? 接入氣壓傳感器

氣壓傳感器BMP280支持I2C總線協議。根據

圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網頁界面中點擊Add-“Device”選擇“BMx280”，進入參數設置界面；輸入設備名稱（本例為press-

ure），選擇傳感器型號及數據接口，采樣間隔設置

為10 s，輸入參數名稱（本例默認為Temperature、

Humidity、Pressure），復選“Enabled”，點擊“Submit”提交。

3.6? 接入顯示模塊

OLED顯示屏SSD1306支持I2C總線協議。根據

圖1b所示將顯示模塊與ESP8266模塊連接；Devi-

ces網頁界面中點擊Add-“Device”選擇“OLED SSD1306”，進入參數設置界面；輸入設備名稱（本例為oled），根據官方網站提供的文檔說明，設置

要顯示的內容（示例：[設備名#參數名]），復選

“Enabled”，點擊“Submit”提交。參考設置見圖5，

其中第1行顯示系統時間，第2行顯示光照強度，

第3行顯示空氣溫度，第4行顯示空氣濕度，第5行

顯示二氧化碳濃度，第6行顯示氣壓，第7行顯示

PM2.5濃度，第8行顯示模塊IP地址（OLED顯示屏

技術文檔參考地址如下：

https：//www.letscontrolit.com/wiki/index.

php？title=OLEDDisplay

3.7? 環境因子測量

根據圖1b所示完成所有模塊的接入后，制作的環境因子測量設備如圖6所示，實際使用過程中可延長各模塊的線纜長度并固定至適宜的點位，以獲取合理的測量結果。此外，還可以通過訪問8266模塊的網頁界面獲取各傳感器的測量數值（見圖7），或者主動推送至數據接收服務器進行發布。

4? 應用案例：教室二氧化碳監測

教室是一個相對封閉的環境，尤其是冬季的教室將積累高濃度的二氧化碳。二氧化碳的過度積累，將直接影響師生的精神狀態，從而降低課程教學的效率。本案例將制作的環境因子測量儀置于教室中，設置模塊參數數據自動匯交至數據中心（案例中使用Home-Assistant系統），重點監測教室內二氧化碳濃度的日變化。圖8所示為教室二氧化碳濃度日變化（2022-04-26）的曲線截圖，上課期間（約

8：00—12：30、14：00—17：30）教室中二氧化碳持續積累，放學后（13：00左右、17：30后）趨于正常水平。通過展示教室中的二氧化碳變化規律，體驗二氧化碳濃度升高后的感受，將增強人體健康的保護意識，主動開窗開門通風以改善室內環境。

5? 結束語

自制環境因子測量儀并實際應用的過程中，涉及電子信息技術、生物學、健康教育等相關課程的交叉，有利于培養學生的綜合素質。本文介紹的制作方法基于開源項目，兼容大量的傳感器或模塊，擴展性非常強，可制作功能更為豐富的設備，且可作為少兒編程、自動化控制等實踐方案。

6? 參考文獻

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81-85.

項目來源：蘭州大學實驗技術創新項目“二氧化碳通量測定裝置的制作”（2021-8）；蘭州大學教育教學改革研究項目“基礎生態學大實驗的多元化教學實踐”（JYXM-2020-2092）、“自然科學課程思政元素的提取與運用”（JYXM-2020-20153）。

作者簡介：張仁懿，高級實驗師；袁建立，副教授；艾得協措，講師。