如何通过ESP8266和各种传感器创建天气和空气质量监视器

步骤1：所需的组件

以下组件列表用于构建天气和空气质量监视器。您也可以使用功能相同的组件。

ESP8266 D1 Mini

TFT ILI9341 240x320 SPI接口

锂电池

锂电池USB充电模块

3.3V输出DC-to-DC模块

5V输出DC-to-DC模块

小型开关x 2

HDC1080湿度传感器

BMP180温度和气压传感器

CCS811 TVOC传感器

SenseAir S8 CO2传感器

PM2。 5/PM10红外传感器

电路板，自动换线工具和电线

步骤2：构建电源电路

1。将锂电池，电池充电器，3.3V和5V DC-DC转换器连接在一起。您可能想在锂电池与3.3V和5V DC-DC电源转换器之间添加一个ON/OFF开关。

2。测试锂电池是否可以充电。

3。确认可以获得稳定的3.3V和5V电源。

步骤3：为各种用途分配ESP8266 D1迷你引脚

首先，创建您的设计。为各种目的分配ESP8266 D1迷你引脚。 D1 Mini的针脚数量有限，我们需要仔细进行分配。那些可以保存大头针的应该被保存。例如，某些传感器只会通过TTL发送数据，而不会接收数据，因此我们不需要将接收引脚连接到D1 Mini。

以下是我的引脚分配：

/* PIN Assignment

A0 - Not Used

D0 - TFT CS

D1 - I2C CLK

D2 - I2C SDA

D3 - TFT C/D

D4 - PM2.5 CS

D5 - TFT SCK

D6 - S8 SenseAir TX+RX tied

D7 - TFT SDI（MOSI）

D8 - Not Used

TX - Debug Console

RX - PM2.5 Tx

*/

步骤4：通过SPI总线将D1 Mini与240x320 TFT相连

连接D1带有SPI总线的240x320 TFT微型。使用以下引脚：

D0 - TFT CS

D3 - TFT C/D

D5 - TFT SCK

D7 - TFT SDI（MOSI）

请注意，MISO引脚未接线。原因是我们使用的TFT库不会从TFT获取任何数据。因此，我们可以节省1针用于其他用途。 UTFT ESP8266库用于在SPI模式下驱动支持ILI9341的TFT。如果您的TFT使用其他芯片组，则可能需要使用其他TFT库。关键是您需要选择一个支持SPI总线的TFT。否则，D1 Mini将没有足够的引脚与之连接。

要与TFT一起成功运行，关键是要以正确的格式正确声明UTFT对象。这是我们使用的方法：

// TFT Display

#include

#include

// UTFT：：UTFT（byte model， int RS=SDI（MOSI）， int WR=SCK， int CS=CS， int RST=NOTINUSE， int SER=DC）

UTFT myGLCD （ ILI9341_S5P， D7， D5， D0， NOTINUSE， D3）; //ILI9341 in SPI

步骤5：将湿度传感器连接到I2C总线

ESP8266 D1 Mini支持IIC总线。引脚D1用于时钟（SCL或CLK），引脚D2用于数据（SDA）。 IIC总线可以同时支持位于不同地址的多个设备。您可以将传感器连接到3.3V电源以及D1 Mini的SCL和SDA酒吧。

HDC1080用于感测湿度。我们使用 ClosedCube库。

temperature［idx］ = hdc1080.readTemperature（）;

if （ temperature［idx］ 》 80.0） //Abnormal Reading， reset the chip

hdc1080.reset（）;

Serial.print（“HDC_Temp = ”）; Serial.print（temperature［idx］）; Serial.print（“ ”）;

//-------------------------------

humidity［idx］ = hdc1080.readHumidity（）;

Serial.print（“HDC_Humidity = ”）; Serial.print（humidity［idx］）; Serial.print（“ ”）;

步骤6：将温度和气压传感器连接至IIC总线

ESP8266 D1 Mini支持IIC总线。引脚D1用于时钟（SCL或SCK），引脚D2用于数据（SDA）。 IIC总线可以同时支持位于不同地址的多个设备。您可以将传感器与3.3V电源以及D1 Mini的SCL和SDA酒吧相连。

BMP180用于感测温度和气压。我们使用 Sparkfun库。

if （（status = bmp180.startTemperature（）） ！= 0） {

delay（status）;

if （bmp180.getTemperature（T） ！= 0） {

temperature［idx］ = T; // Over-ride the inaccurate temperature from HDC1080

if （（status = bmp180.startPressure（3）） ！= 0） {

delay（status）;

if （bmp180.getPressure（P， T） ！= 0）

pressure［idx］ = P;

}

}

}

Serial.print（“bmp180Temp = ”）; Serial.print（temperature［idx］）; Serial.print（“ ”）;

Serial.print（“PRS = ”）; Serial.print（pressure［idx］）; Serial.print（“ ”）;

步骤7：将TVOC传感器连接到IIC总线

ESP8266 D1 Mini支持IIC总线。引脚D1用于时钟（SCL或SCK），引脚D2用于数据（SDA）。 IIC总线可以同时支持位于不同地址的多个设备。您可以将传感器与3.3V电源以及D1 Mini的SCL和SDA酒吧相连。

我们使用的TVOC传感器是CCS811， Adafruit库可以读取数据。

但是，我们需要注意CCS811的自校准过程，以便快速获取数据。添加了一个额外的例程以将BASELINE数据记录在ESP8266的EEPROM中。 CCS811会自动连续调整BASELINE。我们定期将BASELINE记录到EEPROM。在下一次系统启动时，我们在CCS811预热后读入最后记录的BASELINE。详细逻辑可从CCS811数据表中获得。

示例代码如下：

setup（）{

// Sensor Initilization

hdc1080.begin（0x40）;

hdc1080.reset（）;

bmp180.begin（）;

ccs811.begin（）;

S8Serial.begin（9600）;

S8_begin（&S8Serial）;

//==== CCS811 BASELINE MANAGEMENT ====

EEPROM.begin（512）;

copyCurrentTime（&curr_epoch， &curr_remain_millis）; // Get the current time in Epoch

if （startup_epoch == 0） // initialize startup_epoch = curr_epoch;

if （last_eeprom_write_epoch == 0） // initialize

last_eeprom_write_epoch = curr_epoch;

// Read all the BASELINE records and pick the best one to use

score = 0; best_score = 0; lowest_score = 4294967295; //2^32-1

for （int j = 0; j 《 BASELINEREC_MAX; j++） { // Check all records in the EEPROM

// Read the BASELINE record

int baselinerec_addr_read = sizeof（uint16_t） + sizeof（struct baselinerec） * j;

for （int i = 0; i 《 sizeof（struct baselinerec）; i++）

* （（uint8_t*）&_baselinerec_read + i） = （uint8_t）EEPROM.read（baselinerec_addr_read + i）;

// Calculate the score of each record

if （_baselinerec_read.signature ！= 0xABAB） // record not initialized

score = 0;

else if （ （curr_epoch - _baselinerec_read.epoch） 》 28 * 24 * 3600） // record too old

score = 0;

else if （ _baselinerec_read.uptime 《 4 * 3600） // record was obtained over a too short period

score = 0;

else // score formula can be customized

score = _baselinerec_read.uptime + （（28 * 24 * 3600 - （curr_epoch - _baselinerec_read.epoch）） / 2）;

Serial.print（“j=”）; Serial.print（j）;

Serial.print（“ signature=”）; Serial.print（_baselinerec_read.signature）;

Serial.print（“ epoch=”）; Serial.print（_baselinerec_read.epoch）;

Serial.print（“ uptime=”）; Serial.print（_baselinerec_read.uptime）;

Serial.print（“ avg_tvoc=”）; Serial.print（_baselinerec_read.avg_tvoc）;

Serial.print（“ score=”）; Serial.println（score）;

delay（100）; // prevent D1 Mini software reset due to too much I/O

// Select the one with the highest score for read

if （score 》 best_score） {

best_score = score;

baseline_idx_read = j;

}

// Select the one with the highest score for write

if （score 《 lowest_score） {

lowest_score = score;

baseline_idx_write = j;

}

}

Serial.print（“baseline_idx_read=”）; Serial.print（baseline_idx_read）;

show_text（“baseline_idx_read=%.0f”， （float）baseline_idx_read， GEN_COLOR， CHART_LEFT， CHART_TOP + 96， 0）;

Serial.print（“ baseline_idx_write=”）; Serial.println（baseline_idx_write）;

show_text（“baseline_idx_write=%.0f”， （float）baseline_idx_write， GEN_COLOR， CHART_LEFT， CHART_TOP + 112， 0）;

// Read in the best record

if （best_score ！= 0） {

int baselinerec_addr_read = sizeof（uint16_t） + sizeof（struct baselinerec） * baseline_idx_read;

for （int i = 0; i 《 sizeof（struct baselinerec）; i++）

* （（uint8_t*）&_baselinerec_read + i） = （uint8_t）EEPROM.read（baselinerec_addr_read + i）;

}

// update the eeprom baseline index to record where is the current record

if （eeprom_baseline_idx_updated == false） {

EEPROM.write（0， baseline_idx_write 》》 8）;

EEPROM.write（1， （baseline_idx_write 《《 8） 》》 8）;

eeprom_baseline_idx_updated = true;

}

EEPROM.commit（）;

}

//The code below should be put in the loop（） part of the sketch to write the lastly recorded BASELINE to CCS811

//and record the tunned BASELINE periodically.

//==== CCS811 BASELINE MANAGEMENT ====

// Get curr_epoch & uptiime for the operation below

copyCurrentTime（&curr_epoch， &curr_remain_millis）;

uptime = curr_epoch - startup_epoch;

// write the best BASELINE to CCS811 after uptime 》 X minutes

if （ccs811_baseline_updated == false && best_score ！= 0 && uptime 》= 600） {

ccs811.writeBaseline（_baselinerec_read.baseline）;

ccs811_baseline_updated = true;

}

// write to EEPROM periodically - Y minutes

uint8_t baseline［2］;

ccs811.readBaseline（baseline）;

if （ curr_epoch - last_eeprom_write_epoch 》= 900） {

_baselinerec_write.epoch = curr_epoch;

_baselinerec_write.baseline［0］ = baseline［0］;

_baselinerec_write.baseline［1］ = baseline［1］;

_baselinerec_write.uptime = uptime;

int baselinerec_addr_write = sizeof（uint16_t） + sizeof（struct baselinerec） * baseline_idx_write;

for （int i = 0; i 《 sizeof（struct baselinerec）; i++）

EEPROM.write（baselinerec_addr_write + i， *（（uint8_t*）&_baselinerec_write + i））;

EEPROM.commit（）;

last_eeprom_write_epoch = curr_epoch;

}

步骤8：连接PM2.5/PM 10 TTL RX接口的传感器

我们使用的传感器来自中国制造商（六度空气）。它通过TTL接口提供数据。每秒生成PM2.5和PM10读数。无需将命令发送到传感器即可触发输出。因此，只需将传感器上的TX引脚和D1 Mini上的RX引脚连接在一起。

请注意，D1 Mini依靠其TX和RX引脚来更新草图。将RX引脚与传感器连接会影响草图下载。因此，在草图下载过程中实现了一个断开RX连接的开关。不使用传感器时，小风扇会消耗功率。传感器处有一个启用（CS）引脚，用于打开/关闭风扇和数据输出。使能（CS）引脚连接到D1 Mini的D4。

以下是从传感器获取数据的代码：

//--------------------------

// PM2.5

//Serial.println（“PM Begin ”）;

digitalWrite（PM25_CS， HIGH）;

delay（9000）; //64 byte buffer only; 7 byte per sample; 64/7=9 max if 1 sec per sample.

while （Serial.available（） 》 0） {

do {

incomingByte = Serial.read（）;

//Serial.print（incomingByte， HEX）;

} while （incomingByte ！= 0xAA）;

if （incomingByte == 0xAA） {

Serial.readBytes（buf， 6）;

if （buf［5］ == 0xFF && （buf［0］ + buf［1］ + buf［2］ + buf［3］） == buf［4］） { //0xFF = term char; checksum

PM2_5Value = （（buf［0］ 《《 8） + buf［1］） / 10.0;

PM10Value = （（buf［2］ 《《 8） + buf［3］） / 10.0;

}

}

}

//Serial.println（“PM End”）;

digitalWrite（PM25_CS， LOW）;

pm25［idx］ = （float）PM2_5Value;

pm10［idx］ = （float）PM10Value;

Serial.print（“PM2.5 = ”）; Serial.print（pm25［idx］）; Serial.print（“ ”）;

Serial.print（“PM10 = ”）; Serial.println（pm10［idx］）;

步骤9：将CO2传感器连接到软件序列

SensorAir S8通过TTL接口输出CO2浓度。由于D1 Mini的RX引脚用于PM2.5/PM 10传感器，因此我们需要使用CO2传感器的软件串行。

D1 Mini没有太多的引脚。我们几乎用完了别针。幸运的是，我们可以将CO2传感器的TX和RX引脚连接在一起，并通过单工模式与之通信。 AirSense S8的数据表中没有对此进行记录，但是可以使用！因此，与CO2传感器通信仅在D1 Mini上消耗了一个引脚。

到目前为止，我们还没有看到来自Internet的用于SensorAir S8的Arduino库。因此，为此目的创建了软件串行功能。首先，我们需要为ABC周期初始化SensorAir S8。然后，我们可以自动从传感器读取CO2值。

初始化代码：

void S8_begin（SoftwareSerialx *ss） {

//byte ch， cmd［］ = {0xFE， 0x6， 0x0， 0x1F， 0x0， 0xB4， 0xAC， 0x74}; // Set ABC Period to be 180 hours

//byte ch， cmd［］ = {0xFE， 0x6， 0x0， 0x1F， 0x0， 0x30， 0xAC， 0x17}; // Set ABC Period to be 48 hours

byte ch， cmd［］ = {0xFE， 0x6， 0x0， 0x1F， 0x0， 0x18， 0xAC， 0x09}; // Set ABC Period to be 24 hours

ss-》enableTx（true）;

for （int i = 0; i 《 8; i++）

ss-》write（cmd［i］）;

ss-》enableTx（false）;

delay（250）;

if （ss-》available（）） {

Serial.print（“SenseAir Response：”）;

while （ss-》available（）） {

ch = （byte） ss-》read（）;

Serial.print（ch 《 0x01 ？ “ 0” ： “ ”）;

Serial.print（ch， HEX）;

}

Serial.println（）;

}

}

读取代码：

int S8_getCO2（SoftwareSerialx *ss， uint16_t*S8_CO2， uint16_t*S8_meterstatus） {

int i;

//byte ch， cmd［］ = {0xFE， 0x4， 0x0， 0x03， 0x0， 0x1， 0xD5， 0xC5}; //Get CO2 Only

byte ch， cmd［］ = {0xFE， 0x4， 0x0， 0x0， 0x0， 0x4， 0xE5， 0xC6}; //Get MeterStatus and CO2

byte result［20］;

ss-》enableTx（true）;

for （int i = 0; i 《 8; i++）

ss-》write（cmd［i］）;

ss-》enableTx（false）;

delay（250）;

while （！ss-》available（）） // wait until data is available

delay（100）;

while （ ss-》available（）） {

if （ （ch = ss-》read（）） == 0xFE） // wait until the header is available

i = 0;

result［i］ = ch;

i++;

}

*S8_CO2 = result［9］ * 256 + result［10］;

*S8_meterstatus = result［3］ * 256 + result［4］;

return *S8_meterstatus;

}

步骤10：将草图下载到D1 Mini

将草图下载到D1 Mini并完成。下载草图时，请记住要断开PM2.5/PM10传感器的连接。

步骤11：给电池充电并打开

它将首先连接到WiFi，然后发送NTP数据包并获得Internet时间。然后，扫描其EEPROM以获取CCS811的最佳BASELINE设置。

步骤12：让它自己运行。..

让它自己运行一段时间。您将看到测量的图表和实时指标！！！
       责任编辑：wv