第2课 智能教室空气质量监测系统#
让我们用 ENS160 空气质量传感器模块和SK6812 RGB灯模块，打造一个智能教室空气质量监测系统，当空气质量不佳时，RGB 灯会发出警报，为师生创造一个健康舒适的学习环境！
2.1 SK6812 RGB灯模块#
我们这款 SK6812 RGB灯模块集成了四个可编程 RGB灯 ，支持多种颜色和动态效果，可通过简单的信号控制实现丰富的灯光效果。
2.1.1 参数#
工作电压：DC 3.3 ~ 5V
最大功率：1W
IC型号：4颗/SK6812
灰度等级：25
发光角度：180°
发光颜色：可以通过控制器调为白，红，黄，蓝，绿等
工作温度：-10°C ~ +50°C
尺寸：32mm x 23mm x 8mm
定位孔大小：直径为 4.8 mm
接口：间距2.54 mm，3pin防反接口
2.1.2 原理#
SK6812 RGB灯模块采用单线串行通信协议，每个灯珠内置驱动IC，通过数据线逐级传输信号，可独立控制每颗灯珠的亮度和颜色，形成动态光效。
每个灯珠包含红（R）、绿（G）、蓝（B）三个颜色的 LED，可以通过调节三原色的亮度混合出任意颜色。
灯珠序号：
2.1.3 实验代码#
2.1.4 代码说明#
1. 初始化设置
定义控制信号引脚为主板的 IO4 引脚， LED 灯珠的数量为 4 个。
设置 LED 灯珠的亮度，范围为 0（最暗）到 255（最亮）。
2. 主循环
设置指定序号的灯珠颜色，灯珠的序号从0开始。这个代码块的意思是：设置第一个灯珠为红色。
设置多个连续灯珠的颜色，从0号灯珠到3号灯珠连续亮4颗灯珠。
更新到灯珠
这个代码块必须调用！
所有亮灯指令仅停留在内存，未发送到硬件，调用此代码块后才会实际更新显示。
设置4颗灯珠依次亮红色、绿色、蓝色和白色，持续 1 秒，然后灭，持续1秒。
2.1.5 实验结果#
外接电源，选择好正确的开发板板型（ESP32 Dev Module）和 适当的串口端口（COMxx），然后单击按钮
上传代码。上传代码成功后，你能看到循环过程：
4 个 LED 灯珠会依次点亮为红色、绿色、蓝色和白色，持续 1 秒，由于速度过快你可能看不到依次点亮的这个过程。
然后所有灯珠关闭，持续 1 秒。
2.2 ENS160空气质量传感器#
ENS160 是一款高精度数字空气质量传感器，能够实时检测空气中的挥发性有机化合物（VOCs）、二氧化碳（CO₂）和空气质量指数（AQI）。该传感器专为室内空气质量检测而设计，能直接输出多种IAQ（TVOC、eCO2、AQI）数据。广泛应用于环境监测、智能家居和健康设备中。
2.2.1 参数#
工作电压：DC 3.3 ~ 5V
工作电流：29 mA
预热时间：< 3 分钟
通讯接口：I2C
I2C地址：默认为0x53，可修改为0x52
工作温度：-10°C ~ +50°C
工作湿度：5 %RH ~ 95 %RH
eCO₂测量范围：400 ppm ~ 65000 ppm
TVOC测量范围：0 ppb ~ 65000 ppb
尺寸：32mm x 23mm x 8mm
定位孔大小：直径为 3.2 mm
接口：间距2.54 mm，4pin防反接口
2.2.2 原理#
ENS160 的工作原理
ENS160 通过内置的金属氧化物半导体传感器检测空气中的气体成分，具体原理如下：
VOCs 检测：
检测原理
传感器表面的金属氧化物与空气中的 VOCs 发生化学反应，导致电阻变化，通过测量电阻变化来检测 VOCs 浓度。
不过，它无法区分具体是哪种 VOCs，而是将所有可检测的 VOCs 混合信号 折算为总挥发性有机物（TVOC）浓度（单位ppb）输出。
因此，ENS160 直接提供的是 TVOC 数据，而非单一 VOCs 成分，适合快速评估空气整体污染水平，但无法精确分析具体气体种类。
TVOC检测范围
输出单位：ppb（parts per billion，十亿分之一）
检测范围：0 ~ 65,000 ppb（注：实际有效精度范围通常为0 ~ 10,000 ppb）
TVOC（总挥发性有机物浓度）等级参考
TVOC浓度 (ppb)
等级划分
健康影响与建议
0-250
优秀
空气质量极佳，对人体无影响，适合长时间停留
250-500
良好
空气质量良好，敏感人群可能出现轻微不适，建议适度通风
500-1000
轻度污染
空气质量可接受，长期暴露可能导致头痛、疲劳，需加强通风
1000-3000
中度污染
空气质量不佳，可能引发眼喉刺激、嗜睡，建议减少暴露并排查污染源
>3000
重度污染
严重污染，可能导致神经系统损伤、肝肾毒性，必须立即通风或撤离
CO₂ 估算：
估算原理
ENS160 无法直接测量 CO₂，而是通过检测空气中的 VOCs（挥发性有机物）浓度，结合内置算法估算出 eCO₂（等效二氧化碳）。eCO₂ 是一种间接的 CO₂ 近似值，适用于趋势监测，但精度不如专业 CO₂ 传感器。
eCO₂输出范围
单位：ppm（parts per million，百万分之一）
检测范围：400 ~ 65,000 ppm（注：实际有效精度范围通常为400 ~ 5,000 ppm）
eCO₂等级参考
eCO₂
等级
建议
400-600
优秀
空气质量极佳，通风良好，
适合长时间停留600-800
良好
空气质量可接受，建议适度通风
800-1000
轻度污染
空气质量下降，需加强通风
1000-1500
重度污染
明显闷浊感，
建议减少人员密度或强制换气>1500
危险
严重缺氧环境，必须立即通风或撤离
IAQ 计算
计算原理
根据 TVOC 和 eCO₂ 的浓度，结合内置算法计算出室内空气质量指数（AQI）。
AQI（空气质量指数）等级参考
AQI指数
AQI等级
健康影响
1
优秀
空气清新，无健康风险
2
良好
基本安全，敏感人群或轻微不适
3
中等
可察觉异味，可能引发头痛、疲劳
4
较差
明显刺激眼喉，长期暴露有害健康
5
极差
强烈不适，急性健康风险高
ENS160 的控制原理
ENS160 的控制原理基于 I²C 通信协议，通过发送和接收特定的命令和数据来控制传感器并读取测量结果。
I²C 通信地址
默认 I²C 通信地址为 0x53。
如需更改为 0x52，可在模块的 0X52 空焊盘处焊接一个 0603 封装的 0Ω 电阻，同时修改代码中的设备地址。
2.2.3 实验代码#
2.2.4 代码说明#
1. 初始化设置
初始化串口通信，设置波特率为9600。
2. 主循环
依次读取三种关键参数：
获取1-5级的综合空气质量指数
检测挥发性有机物浓度
测量等效二氧化碳值
将数据通过串口输出显示，并以每秒采集一次的频率，形成完整的空气质量监测循环。
2.2.5 实验结果#
外接电源，选择好正确的开发板板型（ESP32 Dev Module）和 适当的串口端口（COMxx），然后单击按钮上传代码。上传代码成功后，单击KidsBlock IDE右下角的
，设置串口波特率为 9600。
传感器首次上电需预热3-5分钟达到稳定，稳定后可以对着ENS160空气质量传感器哈气(吹气)，可以看到打印数据，
⚠️ 特别提醒：如果串口监视器打印数据都是0，请按一下ESP32主控板上的复位键，等待几秒钟。
2.2.6 常见问题解决#
1. 代码上传成功后串口监视器无任何信息打印？
确保模块已接线且正确接线，然后按下主板的复位键：
2.3 智能教室空气质量监测系统#
在前面的课程中，我们已经掌握了 SK6812 RGB灯模块 的色彩控制原理和 ENS160空气质量传感器 的数据采集方法。现在，让我们将这些技术结合起来，动手制作一个智能教室空气质量监测系统！
通过这个项目，我们将实现一个能够实时监测教室内的 eCO₂浓度（等效二氧化碳浓度）的智能装置。当空气质量下降（eCO₂浓度过高）时，系统会自动触发 RGB灯闪烁红色警报，提醒师生及时通风换气，保障健康的学习环境。
让我们一起打造这个既实用又富有科技感的智能监测系统吧！
2.3.1 流程图#
2.3.2 实验代码#
2.3.3 代码说明#
串口初始化、SK6812 RGB灯初始化
从ENS160传感器读取 eCO₂ 浓度值，打印在串口监视器
根据eCO₂浓度选择不同的显示效果，4种显示模式对应4个空气质量等级：
优/良状态：绿色常亮
一般状态：蓝色常亮
差状态：黄色常亮
严重污染状态：红色常亮
2.3.4 实验结果#
外接电源，选择好正确的开发板板型（ESP32 Dev Module）和 适当的串口端口（COMxx），然后单击按钮上传代码。代码上传成功后，代码上传成功后，单击Arduino IDE右上角的，打开串口监视器，设置波特率为 9600。
对着ENS160空气质量传感器哈气(吹气)，ENS160传感器每2秒读取一次eCO₂浓度值。
⚠️ 特别提醒：如果串口监视器打印数据都是0，请按一下ESP32主控板上的复位键，等待几秒钟。
根据eCO₂浓度值分为4个等级，并通过 RGB LED 灯直观显示当前空气质量等级：
优/良(≤800ppm)：绿灯常亮
一般(≤1000ppm)：蓝灯常亮
差(≤1500ppm)：黄灯常亮
严重污染(>1500ppm)：红灯常亮
您可以通过深吸气后向ENS160传感器缓慢呼气来模拟空气质量变化，此时eCO₂浓度值将上升，同时可观察到RGB LED灯的颜色和动态效果随之改变。对着模块呼气并不能将eCO2浓度值达到严重污染的级别。
2.3.5 常见问题解决#
1. 代码上传成功后SK6812 RGB灯不亮？
确保ENS160传感器和RGB LED灯已接线且正确接线，然后按下主板的复位键：