ESP32 自制空气质量监测器：烟霾季追踪 PM2.5 趋势与 CO2

要用 ESP32 自制空气质量监测器，把 GP2Y1010AU0F 光学灰尘 sensor 接到 ADC1 pin 读 PM2.5 趋势，SCD30 CO2 sensor 接到 I2C bus，再把两组读数显示在 0.96 寸 OLED 上。整个项目只需一个 sketch——完整代码在下面。这个装置显示的是你家里空气的趋势，不能代替官方 API（Indeks Pencemar Udara，马来西亚官方空气污染指数）读数。

为什么这个项目要用两个 sensor？

GP2Y1010AU0F 灰尘 sensor 和 SCD30 CO2 sensor 回答的是两个不同的问题。烟霾季节，问题是”到底有多少细颗粒飘进我家”——这是灰尘 sensor 的工作，它靠红外光在空气中颗粒上的反射来检测。而关紧门窗开冷气的房间，问题变成另一个：”这里的新鲜空气够不够”——CO2 正是最可靠的通风指标。

先认清每个零件的样子。灰尘 sensor 是铝制外壳，中间有个圆孔，配一条 6 芯红色排线、白色 JST 插头。SCD30 则是绿色 breakout PCB，上面有黑色 sensor 模块——它的 castellation 焊盘没有预装排针，需要自己动手焊。如果这是你第一次焊接，先看我们的排针焊接教程。大脑是 NodeMCU-32S（micro-USB，CP2102 USB 芯片），显示则用 0.96 寸 OLED——白色像素、蓝色 PCB。

有一点很重要：这个灰尘 sensor 必须搭配一颗 150Ω 电阻和一颗 220µF 电解电容——这两个数值是 Sharp datasheet 明文规定的，不是随便选的。两者都是普通的工作台零件，大多数 maker 手上早就有存货，所以我们没有放进上面的清单。想常备这类基础零件，我们的 component starter kit 是最省事的起点。

这个装置能给出像官方报告那样的 API 读数吗？

马来西亚的 API 由环境局（Jabatan Alam Sekitar）根据经过校准的参考监测站计算得出。它不是原始的 PM2.5 读数——每种主要污染物（包括 PM2.5、PM10、臭氧、SO2、NO2 和 CO）各有一个分指数，最高的那个分指数才是 API 数字。而 PM2.5 的分指数是按 24 小时平均值计算的，不是当下那一秒的读数。

GP2Y1010AU0F 这类红外光学 sensor 给出的是相对趋势，不是校准过的测量值。它的读数会受湿度影响——而马来西亚正好常年潮湿——所以千万别把它的数字当成”我家的 API”来引用。

那它有什么用？其实用处很多。邻居烧垃圾时，你能亲眼看到房间空气变差；可以验证关窗、开 air purifier 是不是真的有效；可以观察一整天的趋势；也可以为学校科学项目收集真实数据。SCD30 讲的则完全是另一回事：它是通风指标——这个房间闷不闷——和外面的烟霾是两个不同的问题。别把两者混为一谈。

所有 sensor 的线要怎么接？

ESP32 有两组 ADC pin，这里选对 pin 非常关键。ADC2 的 pin 与 WiFi 射频共用——WiFi 一启用，ADC2 的读数就会卡住。这个项目以后多半会加 WiFi，所以灰尘 sensor 的模拟输出必须接 ADC1（GPIO32 到 GPIO39）——我们用 GPIO34。

还有一点：Sharp datasheet 显示灰尘浓度高时 sensor 输出可以冲到 3.4V 以上，超过 ESP32 的 3.3V 输入上限。解决方法是一个简单的分压电路——10kΩ 串联、20kΩ 接 GND——让 ADC 只看到实际电压的三分之二（最高约 2.3V，稳稳落在 ADC 量程内）。

零件	Pin / 线	接到
灰尘 sensor（6 芯，按 JST 顺序）	线 1（V-LED）	150Ω 电阻 → VIN（5V）。220µF 电容从线 1 接到 GND，负极脚在 GND
	线 2（LED-GND）	GND
	线 3（LED）	GPIO25
	线 4（S-GND）	GND
	线 5（Vo）	10kΩ → GPIO34，再从 GPIO34 用 20kΩ 接到 GND
	线 6（Vcc）	VIN（5V）
SCD30	VDD	3V3
	GND	GND
	TX/SCL	GPIO22
	RX/SDA	GPIO21
OLED 0.96 寸	GND	GND
	VCC	3V3
	SCL	GPIO22
	SDA	GPIO21

注意我们这款 OLED 排针印的顺序是 GND、VCC、SCL、SDA——不太常见。VCC 和 GND 一旦接反可能当场烧掉模块，通电前务必再核对一遍。

SCD30 和 OLED 挂在同一条 I2C bus 上（SDA=GPIO21、SCL=GPIO22——ESP32 的默认 I2C pin），地址不同：SCD30 是 0x61，OLED 是 0x3C，所以互不冲突。SCD30 上的 SEL 焊盘要留空——那正是选择 I2C 模式的开关。技术小注：SCD30 使用 I2C clock stretching（每次读取 30ms，每天一次可长达 150ms）——ESP32 默认的 100kHz 正好是 SCD30 的上限，通常运行顺畅；如果读取经常失败，Sensirion 建议降到 50kHz 或更低（在 Wire.begin() 之后加一行 Wire.setClock(50000);）。

同时读取 PM2.5 和 CO2 的代码怎么写？

这个 sketch 需要从 Arduino Library Manager 装三个 library：Adafruit SCD30（弹窗询问时接受 Adafruit BusIO 和 Adafruit Unified Sensor 两个 dependency）、Adafruit GFX Library 和 Adafruit SSD1306。基本套路和我们的 DHT11 + OLED 温湿度监测器一样。

最关键的部分是红外 LED 的脉冲。Sharp datasheet 规定周期 10ms、脉宽 0.32ms，采样点在 LED 点亮后 0.28ms。读数变成乱码的头号原因，就是这个 timing 弄错了。

// 空气质量监测器：灰尘（GP2Y1010AU0F）+ CO2（SCD30）+ OLED
// Board：ESP32 Dev Module / NodeMCU-32S
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SCD30.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

const int PIN_LED_IR = 25;        // 灰尘 sensor 线 3（IR LED 控制，低电平有效）
const int PIN_VO     = 34;        // 线 5 -> 分压电路 -> GPIO34（ADC1）
const float FAKTOR_DIVIDER = 1.5; // 10k/20k 分压：实际电压 = 读数 x 1.5

Adafruit_SCD30 scd30;
Adafruit_SSD1306 oled(128, 64, &Wire, -1);

float voltanBaseline = 3.3;       // 自动跟踪：最低电压 = 最干净的空气
float co2 = 0, suhu = 0, lembap = 0;

// 按 Sharp datasheet 打一个脉冲：LED ON -> 0.28ms -> 采样 -> LED OFF -> 补满 10ms
float bacaVoltanDebu() {
  digitalWrite(PIN_LED_IR, LOW);              // LOW = 点亮 IR LED
  delayMicroseconds(280);                     // 等 0.28ms 再采样
  uint32_t mv = analogReadMilliVolts(PIN_VO); // ADC 读数，单位毫伏（已校准）
  digitalWrite(PIN_LED_IR, HIGH);             // 熄灭 LED（脉宽约 0.32ms）
  delayMicroseconds(9620);                    // 补满约 10ms 的周期
  return (mv * FAKTOR_DIVIDER) / 1000.0;      // Vo pin 上的实际电压
}

float purataVoltanDebu() {
  float jumlah = 0;
  for (int i = 0; i < 30; i++) jumlah += bacaVoltanDebu(); // 30 个脉冲取平均
  return jumlah / 30.0;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(PIN_LED_IR, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_LED_IR, HIGH);   // 先确保 IR LED 熄灭
  Wire.begin(21, 22);               // SDA=21, SCL=22（ESP32 默认）

  if (!oled.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) { // OLED 的 I2C 地址
    Serial.println("OLED tak dijumpai - semak wiring");
    while (true) delay(10);
  }
  if (!scd30.begin()) {             // SCD30 的 I2C 地址是 0x61
    Serial.println("SCD30 tak dijumpai - semak solder dan wiring");
    while (true) delay(10);
  }

  oled.clearDisplay();
  oled.setTextSize(1);
  oled.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  oled.setCursor(0, 0);
  oled.println("Sensor memanas...");
  oled.display();
  delay(2000);
}

void loop() {
  float voltanDebu = purataVoltanDebu();

  // 干净空气 baseline：出现过的最低电压
  if (voltanDebu < voltanBaseline) voltanBaseline = voltanDebu;

  // 灰尘估算：典型灵敏度 0.5V per 0.1mg/m3（Sharp datasheet）
  float debu = (voltanDebu - voltanBaseline) / 0.005; // ug/m3 - 仅供趋势参考的估算值
  if (debu < 0) debu = 0;

  if (scd30.dataReady() && scd30.read()) {
    co2    = scd30.CO2;
    suhu   = scd30.temperature;
    lembap = scd30.relative_humidity;
  }

  oled.clearDisplay();
  oled.setCursor(0, 0);
  oled.print("Debu: "); oled.print(debu, 0);   oled.println(" ug/m3");
  oled.print("CO2 : "); oled.print(co2, 0);    oled.println(" ppm");
  oled.print("Suhu: "); oled.print(suhu, 1);   oled.println(" C");
  oled.print("RH  : "); oled.print(lembap, 0); oled.println(" %");
  oled.display();

  Serial.printf("V=%.2fV debu=%.0fug/m3 CO2=%.0fppm\n", voltanDebu, debu, co2);
  delay(2000);
}

怎么看懂读数、又要怎么 calibrate？

GP2Y1010AU0F 即使在干净空气中也会输出典型约 0.9V（依个体差异在 0 到 1.5V 之间），之后每 0.1mg/m³ 灰尘大约升高 0.5V。所以干净空气的 baseline 至关重要：先在家里最干净的房间开机，让 sketch 把最低电压记录为零点。没有 baseline，你的 µg/m³ 数字就是悬在半空的。

看趋势，别抠数字。烟霾天开窗后显示读数翻倍，那是真实的信号；至于它到底是 80 还是 95 µg/m³，不是这个级别的 sensor 能回答的问题。高湿度也会推高读数，所以清晨潮湿时段的飙升不必惊慌。

至于 SCD30，Sensirion datasheet 标明在 400 到 10,000ppm 范围内精度为 ±(30ppm + 读数的 3%)——做通风决策绰绰有余。它的 automatic self-calibration（ASC）功能则有前提：sensor 需要连续通电至少 7 天，而且每天至少 1 小时吸到新鲜空气（约 400ppm）。如果你的装置 24 小时待在密闭房间，ASC 就没有参考点——每天开一会儿窗，或者干脆让 ASC 保持关闭（sensor 的出厂默认就是关闭）。

我们最常见到哪些错误？

GP2Y1010AU0F 和 SCD30 出问题的套路总是那几个，怀疑 sensor 坏掉之前，先对照这份清单。

跳过电阻和电容。没有那组 150Ω/220µF 网络，IR LED 的脉冲不稳定，读数会完全随机。这不是”锦上添花”的零件——它是 sensor 电路的一部分。

灰尘输出接在 ADC2 pin。测试时一切正常，一开 WiFi 读数突然死掉。搬到 GPIO32 到 39，问题立刻消失。

OLED 的 VCC/GND 接反。GND、VCC、SCL、SDA 这个顺序确实容易让习惯 VCC 排头的人搞混——而这个错误可能当场烧掉模块。

SCD30 在 0x61 检测不到。几乎都是 castellation 焊盘上的冷焊。把每个焊点重新加热一遍再试。

给灰尘 sensor 供 3.3V。它是 5V 的 sensor——USB 供电时要从 VIN pin 取电，输出电压才有意义。

Arduino IDE 完全认不到板子。NodeMCU-32S 用的是 CP2102 芯片，需要 SiLabs driver。照我们的 ESP32 无法识别 / 上传失败教程走一遍。

常见问题

我可以用这些读数来报 API 吗？

不可以。API 是环境局参考监测站计算出来的指数，取多种污染物中最高的分指数，PM2.5 用的是 24 小时平均值。这个光学 sensor 给的是未经校准的相对趋势——对你家非常有用，但不是 API 数字。

为什么房间看起来很干净，灰尘读数还是上下跳？

三个常见原因：湿度高（细小水滴也会反射 IR 光）、baseline 还没稳定、ADC 天生的噪声。Sketch 里 30 个脉冲取平均已经帮了不少——想更平稳可以再加移动平均。

这些 sensor 需要 calibrate 吗？

灰尘 sensor 只需要干净空气 baseline——在干净的地方开机，sketch 会自动记录。SCD30 出厂就校准好了；ASC 是可选功能，只有 sensor 经常吸到新鲜空气才有效。

可以把读数发到手机吗？

可以——所以我们才选自带 WiFi 的 ESP32。把读数发到 Blynk、Home Assistant 或 MQTT broker 之类的平台。记得让灰尘 sensor 的输出留在 ADC1 pin，WiFi 和 ADC 才不会打架。

适合学校项目或 FYP 吗？

非常适合。它结合了脉冲式模拟读取、两个设备共用的 I2C bus 和实时显示——烟霾季节收集的趋势数据更是报告里货真价实的分析素材。只是要在报告里诚实写明：这是趋势指示器，不是参考级仪器。

最后更新：2026年8月。有问题？WhatsApp 联系我们。