ESP32 智能环境监测站实战教程

一、项目背景

随着物联网技术在智慧家居与工业场景中的深度落地，环境数据的实时采集与远程可视化已成为嵌入式开发的基础能力。本项目以 ESP32-DevKitC 为核心控制器，外接 DHT22 温湿度传感器、MQ-2 气体传感器与 0.96 寸 OLED 显示屏，构建一套可独立运行的环境监测节点。设备通过 WiFi 接入局域网后，以 MQTT 协议将数据推送至云端 Broker，配合 Home Assistant、Node-RED 或自建 EMQX 服务即可实现手机端实时告警与历史曲线回看。整个项目涉及 GPIO 编程、I2C 总线、ADC 采集、FreeRTOS 多任务以及网络协议栈，是嵌入式开发者从单机裸机向物联网进阶的经典练手案例。

二、硬件清单

三、接线图说明

本项目实物布局采用“一”字型排布，主控板居中放置，传感器分布在两侧，方便理线。严禁带电插拔杜邦线，所有接线需在断电状态下完成。

GPIO 资源分配

实物连接步骤

1. DHT22 接线：将传感器的 VCC 接 3V3，GND 接 GND，DATA 接 GPIO4，并在 DATA 与 VCC 之间焊接 4.7kΩ 上拉电阻；若使用成品模块则已板上集成。
2. OLED 接线：四线制 I2C，VCC 接 3V3，GND 接 GND，SDA 接 GPIO21，SCL 接 GPIO22。屏幕默认地址 0x3C。
3. MQ-2 接线：VCC 接 5V（注意 ESP32 供电为 3.3V，需保证模块自带稳压），GND 接 GND，AO 模拟输出接 GPIO34。
4. 电源：使用 Micro-USB 连接电脑或 5V/1A 充电器；板载稳压芯片 AMS1117-3.3 会将电压降至 3.3V。

提示：GPIO34、35、36、39 只能作为输入引脚，本项目用 34 读取 MQ-2 模拟电压是正确选择；切勿用作输出。

四、完整代码（Arduino 框架）

在 Arduino IDE 中安装 ESP32 内核（Tools → Board → esp32 → ESP32 Dev Module），并通过库管理器安装 DHT sensor library、Adafruit Unified Sensor、Adafruit SSD1306、PubSubClient。以下代码可直接编译烧录。

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <DHT.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

// ============== 配置区 ==============
const char* WIFI_SSID = "your_ssid";
const char* WIFI_PASS = "your_password";
const char* MQTT_HOST = "broker.emqx.io";
const int   MQTT_PORT = 1883;
const char* MQTT_TOPIC = "home/env/monitor1";
const char* MQTT_USER = "";
const char* MQTT_PASS = "";

// ============== 硬件引脚 ==============
#define DHT_PIN    4
#define DHT_TYPE   DHT22
#define MQ2_PIN    34
#define LED_PIN    2
#define BUZZER_PIN 25

#define SCREEN_WIDTH  128
#define SCREEN_HEIGHT 64
#define OLED_RESET    -1

DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
WiFiClient espClient;
PubSubClient mqtt(espClient);

unsigned long lastPublish = 0;
const unsigned long PUBLISH_INTERVAL = 5000;

void connectWiFi() {
  Serial.printf("WiFi 连接中: %s", WIFI_SSID);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));
    delay(300);
    Serial.print('.');
  }
  Serial.println("\nWiFi 已连接 IP: " + WiFi.localIP().toString());
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
}

void connectMQTT() {
  while (!mqtt.connected()) {
    Serial.print("MQTT 握手...");
    String clientId = "esp32-" + String(random(0xffff), HEX);
    if (mqtt.connect(clientId.c_str(), MQTT_USER, MQTT_PASS)) {
      Serial.println("已连接");
    } else {
      Serial.print("失败 rc=");
      Serial.print(mqtt.state());
      Serial.println(" 5 秒后重试");
      delay(5000);
    }
  }
}

void publishData(float t, float h, int gas) {
  char payload[256];
    "{\"device\":\"env-monitor-1\",\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"gas\":%d,\"rssi\":%d}",
    t, h, gas, WiFi.RSSI());
  Serial.println("已发布: " + String(payload));
}

void updateOLED(float t, float h, int gas) {
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("== Env Monitor ==");
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(0, 16);
  display.printf("T:%.1fC", t);
  display.setCursor(0, 36);
  display.printf("H:%.1f%%", h);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 56);
  display.printf("Gas:%d  WiFi:%d", gas, WiFi.RSSI());
  display.display();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH);  // 关闭蜂鸣器

  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    Serial.println("OLED 初始化失败");
    while (true);
  }
  display.clearDisplay();
  display.display();

  dht.begin();
  connectWiFi();
  connectMQTT();
}

void loop() {
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED) connectWiFi();
  if (!mqtt.connected()) connectMQTT();
  mqtt.loop();

  unsigned long now = millis();
  if (now - lastPublish >= PUBLISH_INTERVAL) {
    lastPublish = now;
    float t = dht.readTemperature();
    float h = dht.readHumidity();
    int gas = analogRead(MQ2_PIN);

    if (isnan(t) || isnan(h)) {
      Serial.println("DHT22 读取异常");
      return;
    }

    updateOLED(t, h, gas);
    publishData(t, h, gas);

    if (gas > 2500 || t > 50.0) {
      digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);  // 触发蜂鸣器
    } else {
    }
  }
}