基于ESP8266模块制作环境因子测量仪

张仁懿 袁建立 艾得协措

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

摘  要  利用ESP8266 Wi-Fi模块、显示屏模块和空气温湿度、气压、光照、二氧化碳、颗粒物等传感器模块，制作环境因子测量仪，具有成本低、操作简单、代码开源、易扩展等优点，可用于教室环境监测、植物生态因子监测、科技作品制作等教学活动，有利于学生深入了解生物与环境的关系，增强教学的趣味性，培养学生进行设备开发的能力。

关键词  ESP8266模块；传感器；环境因子测量仪

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）14-0038-05

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

0  引言

所有生物都处于一定的环境中，各环境因子共同影响生物的生存及分布，这些因子包括光照、空气、水分、土壤、温度等。生物作为环境的创造者和改造者，反作用于各环境因子，例如：植物可以利用环境中的二氧化碳进行光合作用，产生有机物和氧气，净化空气中的污染物，调节微环境的水汽和温度；动物的呼吸代谢消耗有机物和氧气，产生二氧化碳、水汽和热量等。为了加深了解生物与环境的关系，往往需要对环境中影响生物状态的主要因子进行测量或监测。教学活动中师生往往处于相对封闭的教室环境，通过测量或监测各项环境因子的指标，师生对环境变化的感受更加深刻，能更好地认识环境对人体健康的影响[1-2]。

目前市场上存在大量的环境监测测量仪器或方案，但监测设备成品普遍成本较高[3-4]，受经费限制难以满足教学需要，且教师使用过程中不关注设备的组成和工作原理，不利于教学实验的开展和学生科技能力的培养。随着监测技术的涌現和开源项目的开放，教学过程应更加重视课程间的交叉和理论知识的实际应用[5-6]，提高学生在教学中的主导地位。本文利用市场上常见的模块或配件，制作了一种环境因子测量仪，可用于教室、温室等环境的连续监测，具有制作成本低、操作简单、代码开源、扩展性好等优点。

1  制作材料

模块及参考型号：ESP8266无线模块（NodeMCU V3）、二氧化碳传感器（MH-Z19）、空气温湿度传感器（DHT12）、气压传感器（BMP280）、光照传感

器（BH1750）、颗粒物传感器（PMS5003）、I2C  OLED显示屏（SSD1306）。

材料及工具：杜邦线、剥线器、数据线（micro-

USB）、计算机、无线路由器。

2  无线模块设置

2.1  固件准备

该设备基于ESP Easy固件制作。从官方网站下载最新固件，解压到本地计算机备用（https：//

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

2.2  固件写入

用数据线将ESP8266模块与计算机连接，确保驱动正常安装，记下分配的串口号（COM）；运行固件包中的刷写工具“FlashESP8266.exe”，写入固件（本例为ESP_Easy_mega_20211224_normal_ESP8266_4M1M_VCC.bin，注意选择正确的COM口）。

2.3  Wi-Fi接入

完成刷写后点RST按钮重启模块，计算机（或

手机）连接“ESP_”前缀的热点（密码：confige-

sp），用浏览器打开模块地址“192.168.4.1”，在

页面中查找并连接局域网的无线网络。连接后将显

示路由器给模块分配的IP地址（本例为192.168.

123.129，如未显示，可进入路由器界面查找或通过FING等APP查看）。

2.4  打开模块Web页面

计算机连接至路由器，浏览器打开模块网址（如http：//192.168.123.129），即可进入模块的Web界面查看和设置参数。

3  传感器及模块接入

点击“Devices”进入外设接入界面，按照说

明分别将传感器接入ESP8266模块：http：//192.

168.123.129/devices。Wi-Fi模块各针脚定义如

图1a所示，模块间连接案例如图1b所示，不同版本模块的字母简写可能有变动，数据接口（GPIO）的选用可根据实际情况调整。

3.1  接入温湿度传感器

根据图1b所示将DHT12传感器与ESP8266模块连接；Devices网页界面中点击Add-“Device”选择“DHT11/12/22 SONOFF2301/7021”，进入参数设置界面；输入设备名称（本例为dht12），选

择传感器型号及数据接口，采样间隔设置为10 s，

输入参数名称（本例默认为Temperature和Humi-

dity），复选“Enabled”，点击“Submit”提交（见图2）。

3.2  接入二氧化碳传感器

二氧化碳传感器（MH-Z19）为5 V供电，串口协议占用两个GPIO接口，本例以D6和D7为例。根据图1b所示将传感器与ESP8266模块连接；Devices网页界面中点击Add-“Device”选择“CO2 MH-Z19”，进入参数设置界面；输入设备名称（本例为z19），选择传感器型号及数据接口，采样间隔设置为10 s，输入参数名称（本例默认为PPM、Temperature、U），复选“Enabled”，点击“Submit”提交（见图3）。

3.3  接入颗粒物传感器

颗粒物传感器（PMS5003）为5 V供电，串口协议占用两个GPIO接口，本例以D4和D3为例。根据图1b所示将传感器与ESP8266模块连接；Devices网页界面中点击Add-“Device”选择“PMSx

003/PMSx003ST”，进入参数设置界面；输入设备名称（本例为pm），选择传感器型号及数据接口，采样间隔设置为10 s，输入参数名称（本例默认为PM1.0、PM2.5、PM10），复选“Enabled”，点击“Submit”提交（见图4）。

3.4  接入光照传感器

光照传感器BH1750支持I2C总线协议。根据

图1b所示将传感器与ESP8266模块连接；Devices网页界面中点击Add-“Device”选择“BH1750”，进入参数设置界面；输入设备名称（本例为bh

1750），选择传感器型号及数据接口，采样间隔设置为10 s，输入参数名称（本例默认为Lux），复选“Enabled”，点击“Submit”提交。

3.5  接入气压传感器

气压传感器BMP280支持I2C总线协议。根据

图1b所示将传感器与ESP8266模块连接；Devices网页界面中点击Add-“Device”选择“BMx280”，进入参数设置界面；输入设备名称（本例为press-

ure），选择传感器型号及数据接口，采样间隔设置

为10 s，输入参数名称（本例默认为Temperature、

Humidity、Pressure），复选“Enabled”，点击“Submit”提交。

3.6  接入显示模块

OLED显示屏SSD1306支持I2C总线协议。根据

图1b所示将显示模块与ESP8266模块连接；Devi-

ces網页界面中点击Add-“Device”选择“OLED SSD1306”，进入参数设置界面；输入设备名称（本例为oled），根据官方网站提供的文档说明，设置

要显示的内容（示例：[设备名#参数名]），复选

“Enabled”，点击“Submit”提交。参考设置见图5，

其中第1行显示系统时间，第2行显示光照强度，

第3行显示空气温度，第4行显示空气湿度，第5行

显示二氧化碳浓度，第6行显示气压，第7行显示

PM2.5浓度，第8行显示模块IP地址（OLED显示屏

技术文档参考地址如下：

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

php？title=OLEDDisplay

3.7  环境因子测量

根据图1b所示完成所有模块的接入后，制作的环境因子测量设备如图6所示，实际使用过程中可延长各模块的线缆长度并固定至适宜的点位，以获取合理的测量结果。此外，还可以通过访问8266模块的网页界面获取各传感器的测量数值（见图7），或者主动推送至数据接收服务器进行发布。

4  应用案例：教室二氧化碳监测

教室是一个相对封闭的环境，尤其是冬季的教室将积累高浓度的二氧化碳。二氧化碳的过度积累，将直接影响师生的精神状态，从而降低课程教学的效率。本案例将制作的环境因子测量仪置于教室中，设置模块参数数据自动汇交至数据中心（案例中使用Home-Assistant系统），重点监测教室内二氧化碳浓度的日变化。图8所示为教室二氧化碳浓度日变化（2022-04-26）的曲线截图，上课期间（约

8：00—12：30、14：00—17：30）教室中二氧化碳持续积累，放学后（13：00左右、17：30后）趋于正常水平。通过展示教室中的二氧化碳变化规律，体验二氧化碳浓度升高后的感受，将增强人体健康的保护意识，主动开窗开门通风以改善室内环境。

5  结束语

自制环境因子测量仪并实际应用的过程中，涉及电子信息技术、生物学、健康教育等相关课程的交叉，有利于培养学生的综合素质。本文介绍的制作方法基于开源项目，兼容大量的传感器或模块，扩展性非常强，可制作功能更为丰富的设备，且可作为少儿编程、自动化控制等实践方案。

6  参考文献

[1]  顾燕.教室内二氧化碳含量检测[J].读写算，2018（14）：

215.

[2] 于子竣.验证吸烟危害人体健康的创新实验[J].实验教

学与仪器，2016，33（4）：63-64.

[3] 胡菡静，曹艺.基于物联网的教室环境监测系统的设计

[J].电子制作，2020（1）：24-25.

[4] 赵梦.智能化教室环境监测控制系统的研究及应用探析

[J].教育与装备研究，2021，37（12）：16-18.

[5] 王春武，陆欣月，张信芝，等.基于ESP8266的智能云

环境监控系统[J].吉林师范大学学报（自然科学版），

2021，42（4）：74-79.

[6] 王英杰，王扬扬，张洲，等.物联网技术在教室环境监

测系统中的应用[J].自动化技术与应用，2019，38（1）：

81-85.

项目来源：兰州大学实验技术创新项目“二氧化碳通量测定装置的制作”（2021-8）；兰州大学教育教学改革研究项目“基础生态学大实验的多元化教学实践”（JYXM-2020-2092）、“自然科学课程思政元素的提取与运用”（JYXM-2020-20153）。

作者简介：张仁懿，高级实验师；袁建立，副教授；艾得协措，讲师。