張仁懿 袁建立 艾得協(xié)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(huán)境因子測(cè)量?jī)x，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、代碼開(kāi)源、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可用于教室環(huán)境監(jiān)測(cè)、植物生態(tài)因子監(jiān)測(cè)、科技作品制作等教學(xué)活動(dòng)，有利于學(xué)生深入了解生物與環(huán)境的關(guān)系，增強(qiáng)教學(xué)的趣味性，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行設(shè)備開(kāi)發(fā)的能力。

關(guān)鍵詞? ESP8266模塊；傳感器；環(huán)境因子測(cè)量?jī)x

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(huán)境中，各環(huán)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(huán)境的創(chuàng)造者和改造者，反作用于各環(huán)境因子，例如：植物可以利用環(huán)境中的二氧化碳進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生有機(jī)物和氧氣，凈化空氣中的污染物，調(diào)節(jié)微環(huán)境的水汽和溫度；動(dòng)物的呼吸代謝消耗有機(jī)物和氧氣，產(chǎn)生二氧化碳、水汽和熱量等。為了加深了解生物與環(huán)境的關(guān)系，往往需要對(duì)環(huán)境中影響生物狀態(tài)的主要因子進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)測(cè)。教學(xué)活動(dòng)中師生往往處于相對(duì)封閉的教室環(huán)境，通過(guò)測(cè)量或監(jiān)測(cè)各項(xiàng)環(huán)境因子的指標(biāo)，師生對(duì)環(huán)境變化的感受更加深刻，能更好地認(rèn)識(shí)環(huán)境對(duì)人體健康的影響[1-2]。

目前市場(chǎng)上存在大量的環(huán)境監(jiān)測(cè)測(cè)量?jī)x器或方案，但監(jiān)測(cè)設(shè)備成品普遍成本較高[3-4]，受經(jīng)費(fèi)限制難以滿(mǎn)足教學(xué)需要，且教師使用過(guò)程中不關(guān)注設(shè)備的組成和工作原理，不利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和學(xué)生科技能力的培養(yǎng)。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的涌現(xiàn)和開(kāi)源項(xiàng)目的開(kāi)放，教學(xué)過(guò)程應(yīng)更加重視課程間的交叉和理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用[5-6]，提高學(xué)生在教學(xué)中的主導(dǎo)地位。本文利用市場(chǎng)上常見(jiàn)的模塊或配件，制作了一種環(huán)境因子測(cè)量?jī)x，可用于教室、溫室等環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測(cè)，具有制作成本低、操作簡(jiǎn)單、代碼開(kāi)源、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

1? 制作材料

模塊及參考型號(hào)：ESP8266無(wú)線(xiàn)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(xiàn)、剝線(xiàn)器、數(shù)據(jù)線(xiàn)（micro-

USB）、計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)路由器。

2? 無(wú)線(xiàn)模塊設(shè)置

2.1? 固件準(zhǔn)備

該設(shè)備基于ESP Easy固件制作。從官方網(wǎng)站下載最新固件，解壓到本地計(jì)算機(jī)備用（https：//

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

2.2? 固件寫(xiě)入

用數(shù)據(jù)線(xiàn)將ESP8266模塊與計(jì)算機(jī)連接，確保驅(qū)動(dòng)正常安裝，記下分配的串口號(hào)（COM）；運(yùn)行固件包中的刷寫(xiě)工具“FlashESP8266.exe”，寫(xiě)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(xiě)后點(diǎn)RST按鈕重啟模塊，計(jì)算機(jī)（或

手機(jī)）連接“ESP_”前綴的熱點(diǎn)（密碼：confige-

sp），用瀏覽器打開(kāi)模塊地址“192.168.4.1”，在

頁(yè)面中查找并連接局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。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(jìn)入路由器界面查找或通過(guò)FING等APP查看）。

2.4? 打開(kāi)模塊Web頁(yè)面

計(jì)算機(jī)連接至路由器，瀏覽器打開(kāi)模塊網(wǎng)址（如http：//192.168.123.129），即可進(jìn)入模塊的Web界面查看和設(shè)置參數(shù)。

3? 傳感器及模塊接入

點(diǎn)擊“Devices”進(jìn)入外設(shè)接入界面，按照說(shuō)

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(jiǎn)寫(xiě)可能有變動(dòng)，數(shù)據(jù)接口（GPIO）的選用可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

3.1? 接入溫濕度傳感器

根據(jù)圖1b所示將DHT12傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網(wǎng)頁(yè)界面中點(diǎn)擊Add-“Device”選擇“DHT11/12/22 SONOFF2301/7021”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；輸入設(shè)備名稱(chēng)（本例為dht12），選

擇傳感器型號(hào)及數(shù)據(jù)接口，采樣間隔設(shè)置為10 s，

輸入?yún)?shù)名稱(chēng)（本例默認(rèn)為T(mén)emperature和Humi-

dity），復(fù)選“Enabled”，點(diǎn)擊“Submit”提交（見(jiàn)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(xié)議占用兩個(gè)GPIO接口，本例以D6和D7為例。根據(jù)圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網(wǎng)頁(yè)界面中點(diǎn)擊Add-“Device”選擇“CO2 MH-Z19”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；輸入設(shè)備名稱(chēng)（本例為z19），選擇傳感器型號(hào)及數(shù)據(jù)接口，采樣間隔設(shè)置為10 s，輸入?yún)?shù)名稱(chēng)（本例默認(rèn)為PPM、Temperature、U），復(fù)選“Enabled”，點(diǎn)擊“Submit”提交（見(jiàn)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(xié)議占用兩個(gè)GPIO接口，本例以D4和D3為例。根據(jù)圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網(wǎng)頁(yè)界面中點(diǎn)擊Add-“Device”選擇“PMSx

003/PMSx003ST”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；輸入設(shè)備名稱(chēng)（本例為pm），選擇傳感器型號(hào)及數(shù)據(jù)接口，采樣間隔設(shè)置為10 s，輸入?yún)?shù)名稱(chēng)（本例默認(rèn)為PM1.0、PM2.5、PM10），復(fù)選“Enabled”，點(diǎn)擊“Submit”提交（見(jiàn)圖4）。

3.4? 接入光照傳感器

光照傳感器BH1750支持I2C總線(xiàn)協(xié)議。根據(jù)

圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網(wǎng)頁(yè)界面中點(diǎn)擊Add-“Device”選擇“BH1750”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；輸入設(shè)備名稱(chēng)（本例為bh

1750），選擇傳感器型號(hào)及數(shù)據(jù)接口，采樣間隔設(shè)置為10 s，輸入?yún)?shù)名稱(chēng)（本例默認(rèn)為L(zhǎng)ux），復(fù)選“Enabled”，點(diǎn)擊“Submit”提交。

3.5? 接入氣壓傳感器

氣壓傳感器BMP280支持I2C總線(xiàn)協(xié)議。根據(jù)

圖1b所示將傳感器與ESP8266模塊連接；Devices網(wǎng)頁(yè)界面中點(diǎn)擊Add-“Device”選擇“BMx280”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；輸入設(shè)備名稱(chēng)（本例為press-

ure），選擇傳感器型號(hào)及數(shù)據(jù)接口，采樣間隔設(shè)置

為10 s，輸入?yún)?shù)名稱(chēng)（本例默認(rèn)為T(mén)emperature、

Humidity、Pressure），復(fù)選“Enabled”，點(diǎn)擊“Submit”提交。

3.6? 接入顯示模塊

OLED顯示屏SSD1306支持I2C總線(xiàn)協(xié)議。根據(jù)

圖1b所示將顯示模塊與ESP8266模塊連接；Devi-

ces網(wǎng)頁(yè)界面中點(diǎn)擊Add-“Device”選擇“OLED SSD1306”，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；輸入設(shè)備名稱(chēng)（本例為oled），根據(jù)官方網(wǎng)站提供的文檔說(shuō)明，設(shè)置

要顯示的內(nèi)容（示例：[設(shè)備名#參數(shù)名]），復(fù)選

“Enabled”，點(diǎn)擊“Submit”提交。參考設(shè)置見(jiàn)圖5，

其中第1行顯示系統(tǒng)時(shí)間，第2行顯示光照強(qiáng)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(shù)文檔參考地址如下：

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

php？title=OLEDDisplay

3.7? 環(huán)境因子測(cè)量

根據(jù)圖1b所示完成所有模塊的接入后，制作的環(huán)境因子測(cè)量設(shè)備如圖6所示，實(shí)際使用過(guò)程中可延長(zhǎng)各模塊的線(xiàn)纜長(zhǎng)度并固定至適宜的點(diǎn)位，以獲取合理的測(cè)量結(jié)果。此外，還可以通過(guò)訪問(wèn)8266模塊的網(wǎng)頁(yè)界面獲取各傳感器的測(cè)量數(shù)值（見(jiàn)圖7），或者主動(dòng)推送至數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布。

4? 應(yīng)用案例：教室二氧化碳監(jiān)測(cè)

教室是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)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(guò)度積累，將直接影響師生的精神狀態(tài)，從而降低課程教學(xué)的效率。本案例將制作的環(huán)境因子測(cè)量?jī)x置于教室中，設(shè)置模塊參數(shù)數(shù)據(jù)自動(dòng)匯交至數(shù)據(jù)中心（案例中使用Home-Assistant系統(tǒng)），重點(diǎn)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)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(xiàn)截圖，上課期間（約

8：00—12：30、14：00—17：30）教室中二氧化碳持續(xù)積累，放學(xué)后（13：00左右、17：30后）趨于正常水平。通過(guò)展示教室中的二氧化碳變化規(guī)律，體驗(yàn)二氧化碳濃度升高后的感受，將增強(qiáng)人體健康的保護(hù)意識(shí)，主動(dòng)開(kāi)窗開(kāi)門(mén)通風(fēng)以改善室內(nèi)環(huán)境。

5? 結(jié)束語(yǔ)

自制環(huán)境因子測(cè)量?jī)x并實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，涉及電子信息技術(shù)、生物學(xué)、健康教育等相關(guān)課程的交叉，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。本文介紹的制作方法基于開(kāi)源項(xiàng)目，兼容大量的傳感器或模塊，擴(kuò)展性非常強(qiáng)，可制作功能更為豐富的設(shè)備，且可作為少兒編程、自動(dòng)化控制等實(shí)踐方案。

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項(xiàng)目來(lái)源：蘭州大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“二氧化碳通量測(cè)定裝置的制作”（2021-8）；蘭州大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)大實(shí)驗(yàn)的多元化教學(xué)實(shí)踐”（JYXM-2020-2092）、“自然科學(xué)課程思政元素的提取與運(yùn)用”（JYXM-2020-20153）。

作者簡(jiǎn)介：張仁懿，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師；袁建立，副教授；艾得協(xié)措，講師。