硬件编程 · CO₂ 学习专注监测台灯 · 2026-07-22

需求洞察

目标用户：需要在书桌或自习室长时间学习、编程、写作的学生与知识工作者。

真实痛点：封闭房间学习超过一小时，空气 CO₂ 浓度会从 400 ppm 上升到 1500 ppm 甚至更高，导致困倦、注意力下降、头痛，而人往往不自知。传统的台灯只管照明，无法提示环境质量。

为什么值得做：

• 市面上的 CO₂ 报警器多为工业黑盒子，没有与学习场景深度融合。
• 台灯是书桌上的固定器物，天然适合承载传感器与视觉反馈。
• 用灯光颜色直观表达空气质量，让“通风提醒”无声融入学习过程，比手机推送更无感。
• ESP32-C3 成本低、生态成熟，结合国产 SCD41 模组，能以极低成本实现准确测量和蓝牙数据联动。
• 项目兼具软硬件教学意义，可扩展到物联网课程、创客竞赛或宿舍好物。

方案设计

整体系统分为四层：

1. 感知层

- SCD41 传感器通过 I²C 连接 ESP32-C3，每 5 秒读取一次 CO₂、温度、湿度。

- 机械按键接 GPIO3，内部上拉，短按切换专注模式（开启/关闭浓度告警），长按复位蓝牙。

1. 控制层

- ESP32-C3 运行 FreeRTOS 任务：传感器采集任务、灯光刷新任务、蓝牙通信任务。

- 浓度阈值分级：<800 ppm 优秀，800‑1200 ppm 良好，1200‑1600 ppm 一般，>1600 ppm 差。

- 灯光映射：根据当前阈值区间，动态改变 WS2812 灯环的颜色与亮度，并在超过阈值时加入呼吸闪烁。

1. 执行层

- WS2812 灯环（12 颗或 16 颗），除显示 CO₂ 等级颜色外，还保留一个灯位模拟台灯照明效果（暖白恒亮）。

- 当 CO₂ 浓度超过 1600 ppm 时，灯环全部变为红色并快速脉冲，提醒立即开窗。

1. 日志/联网层

- BLE 服务包含“环境数据”特征值，每 10 秒广播一次当前 CO₂、温度、湿度和灯光状态。

- 配套简易网页 App（使用 Web Bluetooth API）或手机端蓝牙调试助手，可查看实时折线图与历史记录（ESP32 内部 RTC 存储最近 24 小时数据）。

系统框图（文字描述）：

SCD41 → I²C → ESP32-C3 → GPIO10 控制 WS2812；按键 → GPIO3；BLE 天线 → 手机。

物料清单

目标成本 120 元，还有约 9 元余量可升级灯环到 16 位或增加光敏传感器。

接线与结构

按照给定规划，微调说明：

• SCD41：Vin→3.3V，GND→GND，SDA→GPIO8，SCL→GPIO9。使用 I²C 1 号控制器，无需外加上拉电阻（模组已内置）。
• WS2812：数据引脚→GPIO10，VCC→5V（取自 USB 5V），GND→共地。为保证色彩稳定，在 5V 与 GND 间并联 100 μF 电解电容（物料中可加，成本忽略）。
• 按键：一脚接 GPIO3，另一脚接 GND，并启用内部上拉。若使用机械按键滤波不佳，可在 GPIO3 对地并接 100 nF 电容（可选）。
• 供电：USB‑C 提供 5V，ESP32 板载 LDO 输出 3.3V，SCD41 使用 3.3V，WS2812 使用 5V 直供。

结构：设计圆形灯罩，中心放置 WS2812 灯环，电路板固定在灯罩底部。ESP32 与 SCD41 绑在底座内部，侧壁开孔保证空气流通。按键外露于底座侧边。

核心代码

以下为 Arduino / PlatformIO 骨架，使用 ESP32‑C3 Arduino 环境。使用 FastLED 驱动 WS2812，SparkFun SCD4x 库驱动传感器。

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <SparkFun_SCD4x_Arduino_Library.h>
#include <FastLED.h>

#define LED_PIN     10
#define NUM_LEDS    12
#define BUTTON_PIN  3
#define I2C_SDA     8
#define I2C_SCL     9

CRGB leds[NUM_LEDS];
SCD4x scd41;
bool focusMode = true;      // 专注模式默认开启

void setCO2Color(uint16_t co2) {
    CRGB color;
    if (co2 < 800)       color = CRGB::Green;
    else if (co2 < 1200) color = CRGB::Yellow;
    else if (co2 < 1600) color = CRGB::Orange;
    else                 color = CRGB::Red;

    if (!focusMode) {
        // 非专注模式下仅微亮指示
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) leds[i].nscale8(80);
    }
    if (co2 >= 1600) {
        // 脉冲闪烁
        uint8_t brightness = beatsin8(30, 50, 255);
        for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) leds[i] = color;
    } else {
        FastLED.setBrightness(100);
    }
    FastLED.show();
}

void buttonISR() {
    static unsigned long lastPress = 0;
    if (millis() - lastPress < 200) return;
    lastPress = millis();
    focusMode = !focusMode;
    Serial.printf("Focus mode: %d\n", focusMode);
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Wire.begin(I2C_SDA, I2C_SCL);
    FastLED.addLeds<WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, NUM_LEDS);
    FastLED.clear(true);

    if (scd41.begin()) {
    } else {
        Serial.println("SCD41 not found! Check wiring.");
    }
}

void loop() {
    if (scd41.readMeasurement()) {
        uint16_t co2 = scd41.getCO2();
        float temp = scd41.getTemperature();
        float hum = scd41.getHumidity();
        Serial.printf("CO2: %d ppm, Temp: %.1f C, Hum: %.1f %%\n", co2, temp, hum);
        setCO2Color(co2);
        // BLE 数据更新略，可在实际工程中加入 NimBLE 特征值更新
    }
    delay(5000);
}