硬件编程 · CO₂ 学习专注监测台灯 · 2026-09-29

需求洞察

目标用户是备考学生、居家办公者和长时间伏案写代码的人。真实痛点很具体：门窗紧闭的房间里，人越坐越困，却总以为是“自己不够自律”。实际上，室内 CO₂ 浓度超过 1000 ppm 后，认知表现和警觉度会明显下降；超过 1500 ppm 时，头痛、嗜睡、注意力涣散接踵而来。传统台灯只负责照明，不负责提醒你“该开窗了”。这个项目值得做，因为它把环境数据变成即时、无感的灯光反馈，不打断学习节奏，却能帮你守住专注力。

方案设计

感知层：SCD41 通过 I2C 每 5 秒读取 CO₂、温度和湿度，精度 ±(30 ppm + 3%)，适合桌面场景。

控制层：ESP32-C3 运行阈值状态机，把 CO₂ 分为三段——低于 800 ppm 为绿光，800 至 1200 ppm 为黄光，高于 1200 ppm 为红光呼吸。按键用于切换“常亮/静音/夜灯”模式。

执行层：WS2812 灯环 12 颗灯珠，颜色和亮度同步变化；红光时以 2 秒周期呼吸，避免刺眼。

日志/联网层：蓝牙 BLE 广播 CO₂ 数值，手机端可用 nRF Connect 或自写 App 查看；串口同时输出日志，方便调试和长期记录。

物料清单

总成本约 105.5 元，低于 120 元目标。若已有开发板和线材，实际支出可压到 80 元以内。

接线与结构

SCD41 接 3.3 V 和 GND，SDA 接 GPIO8，SCL 接 GPIO9。WS2812 的 DIN 接 GPIO10，5 V 和 GND 分别接电源；数据线串 330 Ω 电阻，电源并 1000 µF 电容。按键一端接 GPIO3，另一端接 GND，启用内部上拉。结构上，灯环套在灯罩顶部，SCD41 从底座侧面开孔伸出，ESP32-C3 藏入底座，按键放在正面。若 WS2812 用 5 V 供电且高电平不足，可改为 3.3 V 供电或加电平转换；GPIO 保持不变，便于代码统一。

核心代码

以下为 Arduino 骨架，基于 ESP32-C3，可编译上传。

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include <SensirionI2CScd4x.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

SensirionI2CScd4x scd4x;
Adafruit_NeoPixel strip(12, 10, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
const int buttonPin = 3;
int mode = 0;
unsigned long lastRead = 0;
BLECharacteristic *pChar;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(8, 9);
  scd4x.begin(Wire);
  strip.begin();
  strip.show();

  BLEDevice::init("CO2_Lamp");
  BLEServer *pServer = BLEDevice::createServer();
  BLEService *pService = pServer->createService("0000180f-0000-1000-8000-00805f9b34fb");
  pChar = pService->createCharacteristic(
    BLECharacteristic::PROPERTY_READ | BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
  );
  pChar->addDescriptor(new BLE2902());
  pService->start();
  BLEAdvertising *pAdv = BLEDevice::getAdvertising();
  pAdv->addServiceUUID(pService->getUUID());
  pAdv->start();
}

void loop() {
  if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
    delay(50);
    if (digitalRead(buttonPin) == LOW) {
      mode = (mode + 1) % 3;
      while (digitalRead(buttonPin) == LOW);
    }
  }
  if (millis() - lastRead > 5000) {
    lastRead = millis();
    uint16_t co2;
    float temperature, humidity;
    if (co2 == 0) return;
    String msg = "CO2=" + String(co2);
    pChar->setValue(msg.c_str());
    pChar->notify();
    updateLED(co2);
  }
}

void updateLED(uint16_t co2) {
  if (mode == 1) { strip.clear(); strip.show(); return; }
  uint32_t color;
  if (co2 < 800) color = strip.Color(0, 80, 0);
  else if (co2 < 1200) color = strip.Color(80, 80, 0);
  else color = strip.Color(80, 0, 0);
  for (int i = 0; i < strip.numPixels(); i++) strip.setPixelColor(i, color);
  strip.setBrightness(80);
  strip.show();
}