全开源、高精度室内空气质量监测仪

开源 DIY 高精度室内空气监测站，采用 ESP32-C3 主控，集成 CO₂、VOC、氮氧化物、温湿度、气压五维环境检测；独立隔离电源降低信号干扰，配套完整 PCB 与 3D 打印外壳，ESPHome 固件一键接入智能家居，本地网页实时查看空气质量数据。

全开源、高精度室内空气质量监测仪封面
oshw_hqzl2026-07-21 16:55:30CERN-OHL-S v2
13
Star

PCBA

设计文件

KiCad图标air-quality-sensor-main.zip18.71MB（0次下载）

EDA查看器

复制嵌入代码

详细介绍

开源 DIY 高精度室内空气监测站，采用 ESP32-C3 主控，集成 CO₂、VOC、氮氧化物、温湿度、气压五维环境检测；独立隔离电源降低信号干扰，配套完整 PCB 与 3D 打印外壳，ESPHome 固件一键接入智能家居，本地网页实时查看空气质量数据。

一、项目核心概述

基础信息

  • 主控：ESP32-C3-WROOM-02（Wi-Fi + 蓝牙低功耗，低功耗 IoT 芯片）

  • 传感器阵列：Sensirion + Bosch 高精度环境传感器，5 项环境参数同步采集

  • 供电：USB-C 5V 输入，板载多路 3.3V 稳压、ESD 防护、自恢复保险丝

  • 输出：WS2812 RGB 状态指示灯、内置 Web 管理页面、Home Assistant 自动发现接入

  • 载体：4 层 PCB（KiCad 设计）+ 3D 打印透明亚克力外壳，全部图纸开源

  • 固件：基于 ESPHome，开箱即用 Home Assistant 集成

可测量指标对照表

传感器型号

测量参数

作用说明

SCD41

CO₂浓度、温湿度

核心 CO₂检测，NDIR 红外原理，400~5000ppm 量程

SGP41

VOC 指数、NOx 指数

挥发性有机物、氮氧化物污染检测

SHT40

高精度温湿度

基准温湿度，用于补偿其他传感器漂移

BMP280

大气压

海拔补偿 CO₂读数，辅助环境计算

二、硬件系统架构

1. 电源子系统

  • 输入：USB-C 5V 供电

  • 防护：TPD2EUSB30 ESD 保护芯片、750mA 自恢复 PTC 保险丝

  • 三路独立 TPS7A20 3.3V LDO 稳压：

    • 一路给 ESP32 主控

    • 一路给 SCD41 高精度 CO₂传感器（隔离降噪）

    • 一路给 SGP41/SHT40/BMP280 传感器组

  • 设计优势：传感器电源独立隔离，消除数字芯片噪声干扰气体传感器读数

2. PCB 设计

  • 规格：4 层板（信号层 / 地平面 / 电源层 / 底层信号），KiCad 开源工程

  • 工艺：0402/0603 小型贴片元件，全 SMD 手工焊接

  • 特色：定制 SGP41 封装库（非标准 KiCad 库，仓库自带），底层丝印项目 Logo

3. 3D 打印外壳

外壳由三部分组成：

  1. 底座支架：容纳 PCB，预留通风开孔保障气体流通

  2. 透明亚克力顶盖：激光切割，便于观察 RGB 指示灯

  3. 尼龙支撑柱：分隔 PCB 与顶盖，保证空气对流

    全部 STL 图纸开源，支持 PLA/PETG 打印。

4. 信号总线

所有传感器共用 I2C 总线，固件内置地址自检脚本，出厂预设 I2C 地址：

  • SCD41：0x62

  • SGP41：0x59

  • SHT40：0x44

  • BMP280：0x76

三、固件与软件功能

1. 底层框架：ESPHome

  • 无需复杂编译，YAML 配置文件一键生成固件

  • 自动校准逻辑：利用 SHT40 温湿度、BMP280 气压补偿 SCD41/SGP41 读数

  • 内置上电自检流程：总线扫描、供电电压校验、传感器连通性检测

2. RGB 指示灯状态逻辑（WS2812）

直观区分空气质量等级：

  • 绿色：CO₂＜800ppm，空气质量优

  • 黄色：800~1200ppm，轻度超标

  • 橙色：1200~1500ppm，中度污染

  • 红色：＞1500ppm，严重通风不足

3. Web 管理页面

设备自带内置网页，无需 Home Assistant 即可：

  • 实时查看全部传感器原始数据、计算后空气质量指数

  • 修改阈值、Wi-Fi 配置、传感器校准参数

  • 导出历史采样日志

4. Home Assistant 深度集成

自动发现设备，提供完整实体：

  1. 传感器实体：CO₂、VOC、NOx、温湿度、气压、露点、舒适度指数

  2. 控制实体：RGB 灯亮度、污染告警阈值、采样周期开关

  3. 诊断实体：传感器运行状态、供电电压、固件版本、故障告警

    支持自动化、图表绘图、弹窗告警、通风联动逻辑。

四、制作与调试流程

1. 组装焊接

全贴片手工焊接流程：

  1. 先焊 ESP32 主控、稳压电源芯片

  2. 焊接各传感器，注意 SCD41 需低温焊接避免损坏红外腔体

  3. 焊接 USB-C 接口、RGB 指示灯、阻容元件

  4. 上电自检，运行 I2C 扫描脚本确认全部传感器在线

2. 上电校验清单

  1. 测量三路 3.3V 稳压输出电压

  2. I2C 总线地址扫描确认无冲突

  3. 读取 BMP280 气压做海拔补偿校验

  4. 验证 SCD41 自动基线校准功能

  5. 配置 Wi-Fi 刷入 ESPHome 固件

3. 故障排查机制

固件内置诊断页面，可定位：

  • 传感器 I2C 断线 / 短路

  • 供电压降异常

  • SCD41 长期未校准漂移

  • SGP41 加热丝故障

五、开源协议与配套物料

  1. 开源范围

  • PCB KiCad 工程、3D 打印 STL 外壳、ESPHome 完整配置文件、装配说明书全部开源

  • 开源协议：CERN OHL v2（开源硬件协议，允许商用、修改，仅需共享衍生设计）

  1. 物料清单

  • 主控：ESP32-C3-WROOM-02

  • 传感器：SCD41、SGP41、SHT40、BMP280

  • 电源芯片：TPS7A20、TPD2EUSB30、PTC 自恢复保险丝

  • 外设：WS2812 RGB LED、USB-C 母座

  1. 配套工具：PCB 打样文件、3D 打印图纸、手工焊接步骤文档

六、项目优势总结

  1. 高精度多参数复合监测，覆盖室内主要空气污染物

  2. 硬件隔离降噪设计，解决低成本传感器漂移问题

  3. 全栈开源，硬件 / 固件 / 外壳均可自由修改定制

  4. 原生适配 Home Assistant 智能家居生态，自动化能力强

  5. 低功耗 ESP32-C3，支持 7×24 小时不间断监测

  6. 可视化状态灯 + 本地 Web 页面，脱离智能家居也可独立使用

七、License

硬件相关文件（PCB 原理图、PCB 布局文件、外壳 3D 模型文件）遵循 CERN 开源硬件许可证第 2 版 —— 强互惠协议（CERN-OHL-S-2.0） 开源。

固件代码遵循 MIT 开源许可证 开源

八、项目地址

https://github.com/roepkefeller/air-quality-sensor