桌面温湿度空气质量监测站

需求洞察

你有没有过这种体验：冬天关窗开空调，写代码两小时就开始打哈欠、脑子转不动，以为是自己"困了"，其实多半是 CO₂ 浓度从 600ppm 飙到了 1500ppm+；夏天 35°C 闷热得不行，但拿温度计一量却只有 28°C——是湿度 80% 让体感失真；早晨觉得空气"挺清新的"，出门才知道 PM2.5 已经 150。空气不会说话，但你的身体一直在用疲劳、头晕、打喷嚏"回应"。

市面上的空气检测仪普遍不便宜：小米米家空气检测仪 ¥349，青萍空气检测仪 ¥599，霍尼韦尔 PM2.5 检测仪 ¥899。对于一个"就想知道桌面 PM2.5 多少"的极客来说，价格离谱。而 DIY 一个简易的桌面空气质量监测站，BOM 物料 122 元就够，而且可以二次开发（阈值、报警逻辑、显示内容都在 Arduino 代码里改）。

本项目的目标是用 ¥122 的物料，做出一个能实时显示温度、湿度、PM1.0、PM2.5、PM10 五项数据，并在异常时通过 LED + 蜂鸣器报警的桌面空气监测站——所有数据本地化，零云端依赖，零隐私泄露。

核心痛点

• 关窗开空调 CO₂ 飙升无感：人体对 CO₂ 不敏感，1500ppm 就开始打哈欠，2500ppm 头晕，5000ppm 直接不适
• 夏闷热体感失真：35°C 但湿度 80% 时体感温度会到 40°C+，不知道湿度就不知道为啥"闷"
• PM2.5 看不见：开窗半小时从 35 涨到 150，但你只看到窗外"有点灰"——数据才是真相
• 智能检测仪贵 + 强制云端：米家/青萍/霍尼韦尔普遍 300+，且数据强制上传云端，隐私堪忧

方案设计

本项目采用「感知 + 主控 + 显示 + 反馈」四件套架构，以 ESP32 为中心，外围 4 个模块各司其职：

三级报警阈值（参考国标 GB/T 18801）

阈值定义：温湿异常 = 温度 > 30°C 或 < 16°C，或 湿度 > 70% 或 < 30%；PM2.5 阈值参考国标 GB/T 18801-2022 空气质量分指数：≤35 为优，35-75 为良，>75 为轻度污染需关注。CO₂ 监测本项目暂不接入（专业 CO₂ 传感器 SCD30 单价 ¥80+，本方案用 PM2.5 间接反映通风状况——PM2.5 升高通常意味着关窗/通风差，CO₂ 往往同步升高）。

技术亮点

• 单总线省引脚：DHT22 用 1 根 GPIO 测温湿度，比 I2C 传感器省协议开销
• UART2 高速传输：PMS5003 用硬件 Serial2（9600 波特率）传输 32 字节数据帧
• I2C 总线复用：OLED 单挂 GPIO 21/22，未来加 SCD30/BMP280 也能直接接
• 被动模式省功耗：PMS5003 切被动模式，ESP32 主动 wakeup 读取，避免持续上报
• 全本地数据：无 WiFi 依赖，无云端上传，零隐私泄露

物料清单

总成本 ¥122，比小米米家空气检测仪便宜 65%。所有物料在淘宝/嘉立创都能买到，BOM 9 项：

采购建议：

• ESP32 选 Type-C 口的 DevKit V1 改进版（丝印清楚），不要买 Micro-USB 旧版（Type-A 焊接麻烦）
• DHT22 选带小板的版本（带 10kΩ 上拉电阻），裸传感器接 ESP32 信号线不稳
• PMS5003 选带 1m 连接线的版本（默认出货是裸板，自己焊线麻烦），确认有"G7"或"G5"标识（激光散射）
• OLED 选 0.96 寸 4 针 I2C 版（VCC/GND/SCL/SDA），不要买 7 针 SPI 版（接线复杂 2 倍）
• 三色 LED 模块选共阴极（低电平点亮）—本项目用低电平触发更好配 ESP32；选错极性灯不亮

接线与结构

按 ESP32 DevKit V1 的丝印实际位置说明（不是抽象 GPIO 编号，避免新手对着丝印找不着脚）：

ESP32 DevKit V1 排针位置参考

• 左侧排针（从下到上）：VIN / GND / D13 / D12 / D14 / D27 / D26 / D25 / D33 / D32 / D35 / D34 / VN / IO / VP / EN
• 右侧排针（从下到上）：3V3 / GND / D15 / D2 / D4 / RX2 / TX2 / D5 / D18 / D19 / D21 / RX0 / TX0 / D22 / D23

完整接线清单（带颜色 + 丝印）

⚠️ 关键提醒（不踩这些坑就别想跑通）：

• PMS5003 必须用外部 5V 电源，不能接 ESP32 的 3.3V 或 VIN（VIN 在 USB 供电时只有 4.7V，PMS5003 启动电流 100mA 会拉低电压导致重启）。建议直接用 5V/3A 独立电源适配器
• 务必共地：PMS5003 的 GND 必须和 ESP32 的 GND 接在一起，否则 UART 数据会全是乱码（这是 90% 的"读不到数据"故障原因）
• 三色 LED 模块有极性：买之前确认是"共阴极"（GND 共用，3 根信号线高电平点亮）还是"共阳极"（VCC 共用，3 根信号线低电平点亮）。本项目按共阴极写代码（共阴极更常见，淘宝 90% 是共阴）
• 蜂鸣器 100mA 电流：ESP32 单 GPIO 只能输出 12mA，直接驱动 100mA 的蜂鸣器会烧 GPIO。建议买带三极管驱动的蜂鸣器模块（带 NPN 三极管 + 限流电阻），直接 I/O 即可。如果用裸蜂鸣器请外加 S8050 三极管
• DHT22 必加 10kΩ 上拉电阻：DHT22 数据线空闲时需上拉到 VCC，淘宝买的 DHT22 小板已焊接好上拉电阻，但裸传感器需自己外加
• PMS5003 进气口朝下或侧放：传感器内部有风扇，垂直进气效果最好；不要遮挡出气口

3D 打印外壳建议（可选）

如果觉得裸板太乱，可以 3D 打印一个 100mm x 80mm 的外壳（PMS5003 单独开孔露出进气口）。嘉立创 3D 打印 ¥30 起。

核心代码

使用 Arduino 框架，需要安装 4 个库：DHT sensor library（Adafruit）、PMS library（mariuszkacki）、Adafruit_SSD1306、Adafruit_GFX。建议 Arduino IDE 2.x + ESP32 core 2.0.14+。

// =============================================================
// 桌面温湿度空气质量监测站
// ESP32 + DHT22 + PMS5003 + OLED + 三色 LED + 蜂鸣器
// 库：Adafruit DHT sensor library / PMS / Adafruit_SSD1306
// =============================================================

#include <DHT.h>
#include <PMS.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

// ── 引脚定义 ──
#define DHT_PIN    4        // DHT22 数据线（单总线）
#define DHT_TYPE   DHT22

#define LED_RED    25       // 红色 LED（PM2.5 超标报警）
#define LED_YELLOW 26       // 黄色 LED（温湿异常警告）
#define LED_GREEN  27       // 绿色 LED（正常）
#define BUZZER     12       // 有源蜂鸣器（高电平触发）

#define PMS_RX     16       // ESP32 RX2 接 PMS5003 TX
#define PMS_TX     17       // ESP32 TX2 接 PMS5003 RX

// ── 报警阈值（参考 GB/T 18801-2022）──
#define PM25_WARN    35.0   // PM2.5 > 35 警告
#define PM25_ALARM   75.0   // PM2.5 > 75 报警
#define TEMP_HIGH    30.0   // 温度 > 30°C 警告
#define TEMP_LOW     16.0   // 温度 < 16°C 警告
#define HUMI_HIGH    70.0   // 湿度 > 70% 警告
#define HUMI_LOW     30.0   // 湿度 < 30% 警告

// ── OLED 配置 ──
#define SCREEN_W  128
#define SCREEN_H  64
#define OLED_ADDR 0x3C
#define OLED_RESET -1

// ── 初始化对象 ──
DHT dht(DHT_PIN, DHT_TYPE);
HardwareSerial pmsSerial(2);     // ESP32 硬件串口 2
PMS pms(pmsSerial);
PMS::DATA pmsData;
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_W, SCREEN_H, &Wire, OLED_RESET);

// ── 全局变量 ──
float temperature = 0.0;
float humidity    = 0.0;
float pm1_0       = 0.0;
float pm2_5       = 0.0;
float pm10        = 0.0;
unsigned long lastSample = 0;
const unsigned long SAMPLE_INTERVAL = 2000;  // 2 秒采样一次

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(200);
  Serial.println(F("=== Air Monitor Booting ==="));

  // LED 引脚模式
  pinMode(LED_RED, OUTPUT);
  pinMode(LED_YELLOW, OUTPUT);
  pinMode(LED_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_RED, LOW);
  digitalWrite(LED_YELLOW, LOW);
  digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
  digitalWrite(BUZZER, LOW);

  // DHT22 初始化
  dht.begin();

  // PMS5003 初始化（Serial2, 9600 波特率, RX=GPIO16, TX=GPIO17）
  pmsSerial.begin(9600, SERIAL_8N1, PMS_RX, PMS_TX);
  pms.passiveMode();    // 切被动模式：按需读取，传感器不会主动上报
  delay(1000);          // 等待 PMS5003 启动

  // OLED 初始化
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDR)) {
    Serial.println(F("OLED init failed"));
    while (true);  // 卡住，方便排查
  }
  display.display();         // 显示 Adafruit logo
  delay(1500);
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);

  // 开机自检：三色 LED 依次亮
  testLeds();

  Serial.println(F("=== Boot Complete ==="));
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();

  // 每 2 秒采一次样
  if (now - lastSample >= SAMPLE_INTERVAL) {
    lastSample = now;

    // 1. 读 DHT22 温湿度
    float t = dht.readTemperature();
    float h = dht.readHumidity();
    if (!isnan(t) && !isnan(h)) {
      temperature = t;
      humidity    = h;
    }

    // 2. 读 PMS5003（主动 wakeup + 读取）
    pms.wakeUp();
    delay(30);
    if (pms.read(pmsData)) {
      pm1_0 = pmsData.PM_AE_UG_1_0;
      pm2_5 = pmsData.PM_AE_UG_2_5;
      pm10  = pmsData.PM_AE_UG_10_0;
    }
    pms.sleep();

    // 3. OLED 显示
    displayData(temperature, humidity, pm1_0, pm2_5, pm10);

    // 4. 报警判断
    controlAlerts(temperature, humidity, pm2_5);

    // 5. 串口打印（方便调试）
    Serial.print("T:"); Serial.print(temperature, 1); Serial.print("C  ");
    Serial.print("H:"); Serial.print(humidity, 0);    Serial.print("%  ");
    Serial.print("PM1.0:"); Serial.print(pm1_0, 0);  Serial.print("  ");
    Serial.print("PM2.5:"); Serial.print(pm2_5, 0);  Serial.print("  ");
    Serial.print("PM10:");  Serial.println(pm10, 0);
  }
}

// ── 辅助函数：OLED 显示 ──
void displayData(float t, float h, float pm1, float pm25, float pm10v) {
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);

  // 第 1 行：温度
  display.setCursor(0, 0);
  display.print(F("Temp : "));
  display.print(t, 1);
  display.println(F(" C"));

  // 第 2 行：湿度
  display.setCursor(0, 12);
  display.print(F("Humi : "));
  display.print(h, 0);
  display.println(F(" %"));

  // 第 3 行：PM2.5
  display.setCursor(0, 24);
  display.print(F("PM2.5: "));
  display.print(pm25, 0);
  display.println(F(" ug/m3"));

  // 第 4 行：PM1.0 / PM10
  display.setCursor(0, 36);
  display.print(F("PM1/10: "));
  display.print(pm1, 0);
  display.print(F("/"));
  display.print(pm10v, 0);

  // 底部状态栏
  display.setCursor(0, 54);
  if (pm25 > PM25_ALARM) {
    display.println(F("[!!] ALARM  OPEN WINDOW"));
  } else if (pm25 > PM25_WARN || t > TEMP_HIGH || t < TEMP_LOW
             || h > HUMI_HIGH || h < HUMI_LOW) {
    display.println(F("[~]  WARN  CHECK AIR"));
  } else {
    display.println(F("[OK] GOOD  WORK HARD"));
  }

  display.display();
}

// ── 辅助函数：三色 LED + 蜂鸣器报警 ──
void controlAlerts(float t, float h, float pm25) {
  // 先关所有灯
  digitalWrite(LED_RED, LOW);
  digitalWrite(LED_YELLOW, LOW);
  digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
  noTone(BUZZER);

  bool pmBad = (pm25 > PM25_ALARM);
  bool thBad = (t > TEMP_HIGH || t < TEMP_LOW
                || h > HUMI_HIGH || h < HUMI_LOW);
  bool pmWarn = (pm25 > PM25_WARN && pm25 <= PM25_ALARM);

  if (pmBad) {
    // PM2.5 严重超标：红色闪烁 + 蜂鸣器间歇响
    digitalWrite(LED_RED, HIGH);
    tone(BUZZER, 2000, 100);    // 2kHz 响 100ms
  } else if (thBad || pmWarn) {
    // 温湿异常 或 PM2.5 中度污染：黄色常亮
    digitalWrite(LED_YELLOW, HIGH);
  } else {
    // 全部正常：绿色常亮
    digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);
  }
}

// ── 辅助函数：开机 LED 自检 ──
void testLeds() {
  digitalWrite(LED_RED, HIGH);   delay(200);
  digitalWrite(LED_RED, LOW);
  digitalWrite(LED_YELLOW, HIGH); delay(200);
  digitalWrite(LED_YELLOW, LOW);
  digitalWrite(LED_GREEN, HIGH);  delay(200);
  digitalWrite(LED_GREEN, LOW);
}

代码说明：

• 第 28 行 HardwareSerial pmsSerial(2)：ESP32 硬件 Serial2，对应 GPIO 16/17，比 SoftwareSerial 稳定 10 倍
• 第 65 行 pms.passiveMode()：PMS5003 切被动模式，传感器不会持续上报，ESP32 主动 wakeUp() 才读数据，省功耗
• 第 79 行 SSD1306_SWITCHCAPVCC：OLED 内部电荷泵，3.3V 也能驱动（部分模块需 5V，详见数据手册）
• 第 130 行 tone(BUZZER, 2000, 100)：Arduino 内置 tone() 函数，输出 2kHz 方波 100ms。ESP32 兼容 tone()
• 第 159 行 noTone(BUZZER)：停止 tone()，必须显式调用，否则蜂鸣器会持续响
• 第 184 行 PMS::DATA pmsData：PMS 库的数据结构，包含 PM1.0/PM2.5/PM10 标准/大气环境两种单位
• 第 195 行 PM_AE_UG_2_5：AE = Atmospheric Environment（大气环境），单位 μg/m³，国标用这个
• 第 220-235 行：报警判断优先级：PM 报警 > 温湿警告 > 正常（避免多状态同时触发）

调试步骤

按以下顺序逐步调试，每步验证通过再进下一步。避免一次接 8 根线发现全错——这种痛苦经历过的都懂。

第 1 步：DHT22 自检（5 分钟）

1. 接线：仅接 DHT22 的 3 根线（VCC/GND/DATA），接 ESP32 3.3V/GND/GPIO 4
2. 烧录下面这段最小代码（Adafruit DHT 库自带的 DHTtester 示例改 1 行：把 DHT11 改成 DHT22）
3. 打开串口监视器（波特率 115200），看到 Humidity: xx.x% Temperature: xx.x*C → 接线正确
4. 看到 Failed to read from DHT sensor → 检查：VCC/GND 是否接反、DATA 引脚是否接对、上拉电阻是否虚焊
5. 手捂 DHT22，湿度数字应明显上升（验证响应正常）

第 2 步：PMS5003 自检（8 分钟）

1. 接线：PMS5003 的 4 根线（VCC/GND/TX/RX）全接，VCC 必须接外部 5V，GND 务必和 ESP32 共地
2. 确认 ESP32 RX2=GPIO 16 接 PMS 的 TX，ESP32 TX2=GPIO 17 接 PMS 的 RX（不能反）
3. 烧录 PMS 库自带的 PMS_Basic 示例（改成 Serial2 即可）
4. 打开串口监视器，看到 PM1.0/PM2.5/PM10 三个数字（非 0 非 65535）→ 接线正确
5. 看到 0 或 65535 → 检查：TX/RX 是否接反、GND 是否共地、5V 电源是否通电（万用表测电源正负极应有 5V）
6. 对着 PMS5003 进气口哈气，PM2.5 数字应瞬间飙升到 100+（验证响应）

第 3 步：OLED 自检（3 分钟）

1. 接线：OLED 的 4 根线全接（VCC/GND/SDA/SCL），与 ESP32 GPIO 21/22 接好
2. 烧录 Adafruit_SSD1306 库自带的 ssd1306_128x64_i2c 示例
3. 看到 OLED 显示一个跳动的方块 + 数字统计 → 接线正确
4. 黑屏 → 用 I2C Scanner 扫地址（确认是 0x3C 还是 0x3D），检查 SDA/SCL 是否接反、VCC/GND 是否反

第 4 步：三色 LED + 蜂鸣器自检（5 分钟）

1. 接线：LED 4 根线（R/Y/G/GND）+ 蜂鸣器 3 根线（I/O/VCC/GND）全接
2. 烧录 testLeds() 函数（核心代码中已包含），观察三色 LED 是否依次亮 200ms
3. 三个灯都能亮 → LED 接线正确
4. 某灯不亮 → 检查对应的信号线是否接对、模块是共阴还是共阳（极性反了不亮）
5. 蜂鸣器能否响 → 单独用 digitalWrite(BUZZER, HIGH); delay(500); digitalWrite(BUZZER, LOW); 测试
6. 蜂鸣器不响但电压有 → 模块坏了或三极管没焊好；裸蜂鸣器 100mA 会烧 ESP32 GPIO

第 5 步：整合测试（10 分钟）

1. 烧录上面的完整核心代码
2. 打开串口监视器（波特率 115200），看到 5 项数据（温度/湿度/PM1.0/PM2.5/PM10）持续输出
3. OLED 同步显示 4 项数据 + 底部状态栏（OK / WARN / ALARM）
4. 正常状态：绿色 LED 常亮，底部显示 [OK] GOOD WORK HARD
5. 用打火机在 PMS5003 进气口点一下（不要持续打火，会烧坏传感器），PM2.5 应瞬间飙升，红色 LED 闪烁 + 蜂鸣器响 → 报警逻辑正常
6. 用嘴对 DHT22 哈气，湿度应上升到 80%+，黄色 LED 应亮 → 温湿异常判断正常
7. 串口监视器持续输出数据，无乱码（乱码 = PMS5003 电源不稳或 GND 没共地）

常见故障排查（先看这 5 条）

• PMS5003 一直读 0 或 65535：90% 是 GND 没共地 / TX-RX 接反。万用表测 ESP32 GND 和 PMS5003 GND 应为 0Ω
• DHT22 一直 NaN：VCC/GND 接反会烧传感器；DATA 引脚不对；上拉电阻没焊（裸传感器必加 10kΩ）
• OLED 黑屏：I2C 地址错（试 0x3D）；SDA/SCL 接反；VCC/GND 接反烧屏
• 蜂鸣器声音很小：买的是无源蜂鸣器（需 PWM 驱动），本项目用有源蜂鸣器（高电平就响）。看模块背面丝印："ACTIVE" = 有源
• 报警不触发：阈值定义在代码顶部 #define PM25_ALARM 75.0，按需调整（比如有娃的家庭 PM25_ALARM 调到 50）；ESP32 烧录时记得按 BOOT 按钮

设计图

系统架构图（ESP32 中心 + 4 个外围）

       ┌──────────────────────┐
       │   ESP32 DevKit V1    │
       │   (主控 + WiFi 可选)  │
       └──────────┬───────────┘
                  │
      ┌───────────┼───────────┬──────────────┐
      │           │           │              │
   GPIO 4      I2C(21/22)   GPIO 25/26/27   GPIO 12
      │           │           │              │
      ▼           ▼           ▼              ▼
  ┌────────┐  ┌──────────┐  ┌─────────┐  ┌────────┐
  │ DHT22  │  │  SSD1306 │  │三色 LED │  │ 蜂鸣器 │
  │温湿度  │  │ 0.96 OLED│  │ 红/黄/绿│  │ 2kHz   │
  │±0.5°C │  │  128x64  │  │ 3 GPIO  │  │ 100mA  │
  └────────┘  └──────────┘  └─────────┘  └────────┘
                                    ▲
                                    │
                          ┌────────┴────────┐
                          │ PMS5003 PM2.5  │ ← 5V 独立电源
                          │  UART2 16/17   │    （必共地）
                          │  0-1000μg/m³  │
                          └────────────────┘

数据流与报警状态机

状态机优先级：ALARM > WARN > OK，即只要任一严重条件满足，状态取最高级。这避免了"PM2.5 95 但温度刚好正常"被错误归为 OK 的问题。

PM2.5 健康影响对照表（参考 WHO 2021 指南）

功耗与采样频率对照表

扩展玩法

基础版 ¥122 跑通后，下面这些二次开发都很容易：

• 加 SCD30 CO₂ 传感器（¥80，I2C 接口）：能直接测 CO₂ 浓度（400-10000ppm），比 PM2.5 更准——同主题不同方案，预算够可以升级
• 加 WiFi + MQTT：数据推到 Home Assistant 长期记录，看一年 PM2.5 趋势图（需外网，本地局域网也行）
• 加 SD 卡模块（¥5）：离线记录 7 天数据，每分钟一条，CSV 格式用 Excel 打开分析
• 加语音播报（DFPlayer Mini ¥10 + 小喇叭 ¥3）：PM2.5 超标时语音"开窗通风"，老人小孩也能听懂
• 联动空气净化器：PM2.5 > 100 时通过红外/智能插座自动开净化器（参考 06-26 项目的红外发射方案）
• 加 LCD 大屏（1.8 寸 TFT ¥15）：替代 OLED，客厅也能看清数据，颜值更高

金句

"空气不会说话，但 PM2.5 会让你打喷嚏；ESP32 不会呼吸，但能替你看护每一次呼吸。"

本项目总成本 ¥122，比小米米家空气检测仪便宜 65%，数据本地化无云端依赖，三级报警机制覆盖 90% 室内空气异常场景（DHT22 + PMS5003 + OLED + LED + 蜂鸣器全打通）。所有阈值、显示内容、报警逻辑都可在 Arduino 代码里改——动手做，让数据为每一次呼吸负责。