硬件编程 · CO₂ 学习专注监测台灯 · 2026-09-06

需求洞察

目标用户是居家办公/备考学生、儿童房书桌场景下的长期伏案人群。这些人每天在书桌前连续待 4-8 小时，尤其冬天开暖气或夏天开空调时门窗紧闭，室内 CO₂ 浓度很容易从室外 400-500ppm 飙升至 1500-2000ppm。

真实痛点在于：CO₂ 浓度超过 1000ppm 后人会开始感到昏沉、注意力分散，超过 1500ppm 时甚至出现轻度头痛。但大多数人不知道是空气质量导致效率低，只会怪自己不够专注，导致困了强撑、累了刷手机，效率越来越差。

为什么值得做：市面上有 CO₂ 检测仪，但摆在那里也只是个数字，和「学习专注」没有直接情感关联。台灯是书桌天然标配，把环境数据转化为灯的色调和亮度变化，人类天然对光线变化有潜意识反馈——灯变红了，就意味着「该开窗了」。这比看仪表盘更直觉化。此外成本控制在 120 元内，对 DIY 玩家毫无压力，成品价值却远超物料，值得动手。

方案设计

整个系统分四层：

• 感知层：SCD41 负责 CO₂ 和温湿度采集。用 I2C 通讯（软 I2C 走 GPIO8/9），数据更新频率设为每 10 秒一次，因为 CO₂ 本身变化很慢，没必要高速采样。SCD41 支持单次测量模式，可降低功耗，不过台灯本身一直插电，功耗不是核心指标。
• 控制层：ESP32-C3 做主控，接收 SCD41 的原始数据并进行滤波（简单滑动平均，取 5 次采集中位数），维护一个 airQualityLevel 枚举状态（0=优秀 / 1=一般 / 2=较差 / 3=危险），按键按下时切换运行模式。
• 执行层：WS2812 灯环 24 颗灯珠作为台灯光源 + 状态指示。不同模式下灯环呈现不同颜色布局：

- 专注模式（常亮）：统一暖白色 2700K，亮度可调。

- 智能自动模式：CO₂ < 800ppm 显示淡青色（清爽），800-1000ppm 显示淡黄色（轻微注意），1000-1500ppm 显示橙色（轻度预警），> 1500ppm 显示红色呼吸灯（强通风提醒）。

- 彩灯模式：用户自定义循环渐变色，纯粹调节心情。

• 日志/联网层：BLE 低功耗蓝牙。ESP32-C3 作为 BLE Peripheral 设备，建立自定义 Service（UUID 0000FFF0-0000-1000-8000-00805F9B34FB），包含两个 Characteristic：一个可读的「环境数据」字段（CO₂+温度+湿度打包成 6 字节），另一个可写的「模式控制」字段（接收手机端下发模式指令）。手机打开 BLE Scanner 或简易小程序即可看实时数据。由于本方案目标是低成本离线设备，不做 WiFi 云上传统计，后期可加。

物料清单

注：SCD41 模块购买时尽量选带 I2C 电平转换的版本，因为 ESP32-C3 的 GPIO 是 3.3V，SCD41 原片需要 2.4-5.5V 供电，通讯逻辑电平 2.4-3.6V，直接连模块通常 OK。如果买的是裸片+分压电路，则必须加转换，但本清单预算按安全模块版设计，超出的 1 元用于可焊接的排针或胶水。

接线与结构

接线定义（默认无洞洞板裸接逻辑）：

接线微调说明：原定 I2C 用 8/9，SCD41 模块上电需要 20ms 稳定时间，GPIO8/9 在 ESP32-C3 上是普通 I/O，没有特殊禁止位。关于 GPIO3，在 ESP32-C3 数据手册中它是带内部上拉的模式引脚（可作为按键）。不过 GPIO3 在下载时有特殊作用（某些开发板用于 BOOT 指示），实际开发时若不方便按 BOOT 键重新烧录，建议改用 GPIO4。如果你手头板子 GPIO3 引脚被 Flash 占用或带电感，可以微调至 GPIO4 并同时把逻辑改掉。本方案初稿按 GPIO3 来写，若编译烧录时遇到不能自动下载，将按键线从 GPIO3 拔掉焊到 GPIO4 即可，无需改代码（用宏定义切换）。

结构安装：

1. 找一个底部直径略大于灯环外径的金属/纸质台灯罩，将 WS2812 灯环面朝上平放于底座中央，用热熔胶固定边缘。
2. 在灯罩侧面开一个小孔（直径 5mm），把 SCD41 露出来，保证传感器通风口不被壳体完全挡住。CO₂ 传感器需要气体扩散，不要直接塞进密闭底座内部，否则测的是机器内部废气。建议将 SCD41 通过排线引出，固定在灯罩上沿接近桌面呼吸带高度（约 20-30cm 高处）。
3. EC11 旋转编码器嵌在灯座侧面，方便随手旋转调节亮度、按下开关灯或切换模式。光敏电阻放灯罩顶部朝上（测环境光）并用热缩管做挡光避免台灯自带光源直射导致误判。
4. ESP32-C3 主控板双面胶贴在底座内部远离发热区（SCD41 虽有自动加热但本体温度低）。

核心代码

// CO2 Desk Lamp for ESP32-C3 (Arduino Framework)
#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#include "Adafruit_SCD4x.h"  // SCD41 库

// ---- 引脚配置 ----
#define I2C_SDA   9
#define I2C_SCL   8
#define LED_PIN   10
#define BTN_PIN   3
#define PHOTO_ADC 0   // 光敏电阻 ADC

#define NUMPIXELS 24

// ---- 全局对象 ----
TwoWire myWire = TwoWire(0);  
Adafruit_SCD4x scd4x;
Adafruit_NeoPixel strip(NUMPIXELS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

// ---- 状态 ----
volatile bool btnPressed = false;
uint8_t mode = 1;  // 0: 专注白光, 1: 智能自动, 2: 呼吸彩灯
uint16_t co2 = 0;  float temp = 0; float hum = 0;
int brightness = 100;  // 0-255 近似亮度百分比

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(500);
  
  // LED 灯环
  strip.begin(); strip.show();  // 初始化全灭
  strip.setBrightness(50);

  // 按键

  // I2C + SCD41（地址默认 0x62）
  if (!scd4x.begin(&myWire;)) {
    Serial.println("SCD41 not found!");
    while (1) { delay(10); } // 错误指示用红灯闪烁代替
  }
  if (!scd4x.startPeriodicMeasurement()) {
  }
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 按键可以切换模式
  if (btnPressed) {
    btnPressed = false;
    mode = (mode + 1) % 3;
    // 切换模式闪烁一下确认
  }

  // 读取光敏电阻调节全局亮度（可选）
  int photo = analogRead(PHOTO_ADC);
  int autoBright = map(photo, 0, 4095, 255, 40);
  strip.setBrightness(autoBright);  // 自动亮度调节

  if (scd4x.readMeasurement()) {
    co2 = scd4x.getCO2();
    temp = scd4x.getTemperature();
    hum = scd4x.getHumidity();
    
    // 三种执行逻辑
    switch(mode) {
      case 0: renderFocusLight(); break;      // 固定暖白灯
      case 1: renderCO2Feedback(); break;     // 根据CO2变色/呼吸
      case 2: renderBreathRainbow(); break;   // 彩色呼吸
    }
    printDebugInfo();
  } else {
    // 若没有数据，让灯环稍微降低亮度闪烁（不喧宾夺主）
  }
  
  delay(500); // 2Hz 查询频率够用，但实际SCD41周期测量约5秒完一次
}

void renderFocusLight() {
  // 暖白 (R 255, G 200, B 150)可以近似模拟白炽灯
  uint32_t warmWhite = strip.Color(255, 190, 120);
  fillSolid(warmWhite);
}

void renderCO2Feedback() {
  uint32_t c;
  if (co2 < 800) c = strip.Color(120, 255, 180);  // 翠绿偏舒适
  else if (co2 < 1000) c = strip.Color(200, 255, 120); // 黄绿
  else if (co2 < 1500) c = strip.Color(255, 150, 30);  // 橙红预警
  else {  // >1500 红色呼吸
    int breath = (sin(millis() * 0.002) * 0.5 + 0.5) * 200 + 55;
    return;
  }
  fillSolid(c);
}

void renderBreathRainbow() {
  int hue = (millis() / 20) % 65535;  // 色相渐变循环
  uint32_t rgb = strip.gamma32(strip.ColorHSV(hue, 255, brightness));
  fillSolid(rgb);
}

void fillSolid(uint32_t color) {
  for(int i=0; i<NUMPIXELS; i++) strip.setPixelColor(i, color);
  strip.show();
}

void colorWipe(uint32_t color, int wait) {
  for(int i=0; i<NUMPIXELS; i++) {
  }
}

void IRAM_ATTR onButton() {
  btnPressed = true;  // 中断中不执行耗时操作
}

void printDebugInfo() {
  Serial.printf("CO2: %d ppm, Temp: %.1f°C, RH: %.0f%%\n", co2, temp, hum);
}