硬件编程 · CO₂ 学习专注监测台灯 · 2026-06-30

需求洞察

目标用户：长期在家或在宿舍书桌前学习、编程、阅读的学生及知识工作者。

真实痛点：密闭房间内，人呼吸产生的 CO₂ 浓度会快速上升至 1500–2500 ppm，导致头晕、注意力下降、犯困，而用户通常察觉不到。现有空气检测仪缺乏即时、直观的桌面提醒，也难以与学习专注状态联动。

为什么值得做：将 CO₂ 监测与桌面台灯融合，不增加额外设备；用灯环颜色无声告警，既能保护专注力，又能提醒开窗通风，成本低廉、功能聚焦，真实改善学习环境。

方案设计

感知层

• SCD41 传感器通过 I2C 连接 ESP32‑C3。该模块基于光声检测原理，出厂已校准，精度 ±(40 ppm + 5%)，可同时输出 CO₂、温度、湿度。
• 一颗轻触按键用于切换工作模式（普通监测 / 专注计时）。

控制层

• 主控选用 ESP32‑C3（RISC‑V 内核，内置 Wi‑Fi 与 BLE 5.0）。本项目仅使用其 GPIO、硬件 I2C 和低功耗蓝牙。
• 读取 SCD41 数据后，依据预设阈值判断空气质量等级，并控制灯环动画。同时实现蓝牙广播与 GATT 服务，便于手机读取实时数据与历史记录。

执行层

• WS2812 灯环（12 灯珠）：在书桌上提供直接视觉反馈。

- CO₂ < 600 ppm：柔和绿光呼吸，表示空气优良，可专注。

- 600–1000 ppm：黄光呼吸，提醒即将超标。

- > 1000 ppm：红光快闪，强烈提醒开窗通风。

• 按键短按切换专注模式，此时灯环亮度降低并转为暖白照明；长按 3 秒关闭所有灯效。

日志 / 联网层

• 使用 BLE 广播与 GATT 服务上报 CO₂、温度、湿度与当前模式，供手机 App 解析。无需持续连接，降低功耗。
• 未来可扩展 Wi‑Fi 将数据同步至 MQTT 或本地服务器。

物料清单

接线与结构

• SCD41 → ESP32‑C3

VCC → 3.3V，GND → GND，SDA → GPIO 8，SCL → GPIO 9。

模块自身含上拉电阻，I2C 总线无需外接。

• WS2812 灯环 → ESP32‑C3

VCC → 5V（可由 USB 供电），GND → GND，DIN → GPIO 10。

使用 5 V 供电时需确保所有 GND 共地。

• 按键 → ESP32‑C3

一端接 GND，另一端接 GPIO 3，同时通过 10kΩ 电阻上拉至 3.3V，实现低电平触发。

全部使用指定引脚，未做改动，因为这些 IO 可直接映射为硬件 I2C 与普通输出，且无复用冲突。

核心代码

以下为 PlatformIO / Arduino 骨架，使用 SparkFun_SCD4x_Arduino_Library 与 Adafruit_NeoPixel，BLE 基于 ESP32 NimBLE 库。

#include <Wire.h>
#include <SparkFun_SCD4x_Arduino_Library.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <NimBLEDevice.h>

#define LED_PIN     10
#define NUM_LEDS    12
#define BUTTON_PIN  3

SCD4x scd4x;
Adafruit_NeoPixel ring(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
NimBLEServer *pServer;
NimBLECharacteristic *pChar;

byte currentMode = 0; // 0: normal, 1: focus
uint16_t co2 = 0;

void updateLEDs() {
  uint32_t color = ring.Color(0, 255, 0); // green
  uint8_t brightness = 50;
  if (co2 > 1000) {
    color = ring.Color(255, 0, 0); // red
  } else if (co2 > 600) {
    color = ring.Color(255, 255, 0); // yellow
  }
  if (currentMode == 1) {
    color = ring.Color(255, 140, 0); // warm white focus
    brightness = 20;
  }
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    ring.setPixelColor(i, color);
  }
  ring.show();
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(8, 9); // SDA=8, SCL=9

  if (scd4x.begin(false, true, false)) { // auto calibrate off
    Serial.println("SCD41 ready");
  }

  ring.begin();
  ring.clear();
  ring.setBrightness(50);
  ring.show();

  pServer = NimBLEDevice::createServer();
  NimBLEService *pService = pServer->createService("181A"); // Environmental Sensing
  pChar = pService->createCharacteristic("2A6E", NIMBLE_PROPERTY::READ | NIMBLE_PROPERTY::NOTIFY);
  pChar->setValue((uint16_t)0);
  pService->start();
  NimBLEAdvertising *pAdv = NimBLEDevice::getAdvertising();
  pAdv->addServiceUUID(pService->getUUID());
  pAdv->start();
}

void loop() {
  static uint32_t lastRead = 0;
  if (millis() - lastRead > 5000) {
    if (scd4x.readMeasurement()) {
      co2 = scd4x.getCO2();
      Serial.printf("CO2: %d ppm\n", co2);
      pChar->setValue(co2);
      pChar->notify();
      updateLEDs();
    }
    lastRead = millis();
  }

  // 按键短按切换模式
  static uint32_t btnPressTime = 0;
  if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {
    if (btnPressTime == 0) btnPressTime = millis();
  } else {
    if (btnPressTime != 0) {
      uint32_t duration = millis() - btnPressTime;
      if (duration > 3000) { // 长按关闭灯环
        ring.clear();
        ring.show();
      } else if (duration > 50) {
        currentMode = !currentMode;
        updateLEDs();
      }
      btnPressTime = 0;
    }
  }
  delay(10);
}