基于 ESP32-S3 的有限空间作业安全综合监测终端

二、【开发者简介】

本人具备 PCB Layout、嵌入式硬件设计及软硬件联调经验，能够根据项目需求完成器件选型、原理图设计、PCB设计、样机焊接、底层驱动开发、通信调试及技术文档整理。

在校期间参与过多项电子设计、智能硬件及工程实践项目，曾获全国大学生物理实验竞赛一等奖、工程实践与创新能力大赛一等奖等荣誉。参与及完成过环境安全监测终端、ESP32无线采集设备、LED点阵控制系统、传感器数据采集装置、电机驱动控制板等项目。

熟悉 ESP32-C3、ESP32-S3、CH32V003 等主控平台，能够完成 UART、I²C、SPI、ADC、Wi-Fi、蓝牙及蜂窝通信模块的硬件接入和程序调试。熟悉嘉立创EDA专业版及 Cadence Allegro 等 PCB 设计工具，具备从功能需求到硬件样机落地的完整项目实践经验。

三、【项目亮点】

1. 多类型环境参数同步采集

   系统集成温湿度、气压、空气质量、PM1.0、PM2.5、PM10及多路声音信号采集，可对有限空间作业环境中的多类风险因素进行集中监测。

2. 本地显示与远程监护相结合

   设备通过彩色液晶屏和双OLED屏显示实时数据，同时利用通信模块将关键监测数据上传至远程端，便于现场人员和外部监护人员同时掌握环境状态。

3. 多串口设备扩展

   通过串口扩展芯片解决 ESP32-S3 外设接口数量有限的问题，使颗粒物传感器、通信模块及其他串口设备能够协同工作。

4. 多级报警机制

   当监测数据超过设定阈值，系统可触发蜂鸣器、屏幕提示及远程告警；同时设置独立应急按钮，使现场人员在突发情况下能够主动触发求助信号。

5. 模块化软硬件架构

   将传感器采集、数据显示、报警判断、通信上传和人机交互分别设计，方便后续更换传感器、调整报警阈值或增加新的通信方式。

四、【作品简介】

有限空间作业常见于地下管廊、储罐、污水井、隧道、密闭设备及地下工程等场景。此类场所通常存在空气质量异常、颗粒物浓度升高、通风不足、噪声异常及人员求助不及时等风险。

本项目设计了一套基于 ESP32-S3 的有限空间作业安全综合监测终端，用于对作业现场的多种环境参数进行实时采集、显示、判断和上传。

系统主要具备以下功能：

• 实时采集温度、湿度、气压及空气质量等环境参数；
• 检测 PM1.0、PM2.5 和 PM10 颗粒物浓度；
• 采集多路模拟声音信号，用于判断环境声音强度变化；
• 通过彩色LCD和OLED显示实时数据及设备状态；
• 根据预设阈值进行异常判断；
• 通过蜂鸣器和屏幕信息进行本地报警；
• 支持现场应急按钮主动求助；
• 通过通信模块向远程监护端上传数据；
• 对通信超时、传感器异常等状态进行检测。

该项目目前完成了原型机设计、硬件连接、传感器驱动、显示界面、报警逻辑及通信功能验证，可用于有限空间安全监测、实验室环境监测、厂区辅助监测及物联网数据采集终端等场景。

建议在本段后面插入一张“整机正面运行照片”和一张“实际测试场景照片”。

五、【系统架构图】

系统总体由传感器采集层、主控制层、人机交互层、报警执行层和远程通信层组成。

环境传感器
├─ BME680温湿度/气压/空气质量
├─ PMS5003颗粒物传感器
└─ 四路模拟声音采集
            ↓
      ESP32-S3主控制器
       ├─ 数据滤波与处理
       ├─ 阈值及故障判断
       ├─ 数据缓存与状态管理
       └─ 外设通信控制
          ↓       ↓       ↓
   LCD/OLED显示  蜂鸣器报警  DTU远程上传
          ↑
   按键与应急按钮

系统工作过程如下：

1. 设备上电后完成主控、显示屏、传感器和通信模块初始化；
2. 主控周期性读取各传感器数据；
3. 对原始数据进行有效性检查、滤波和格式转换；
4. 将实时数据更新至LCD及OLED显示界面；
5. 将监测值与报警阈值进行比较；
6. 出现超限或异常状态时触发本地声光提示；
7. 将监测数据及报警状态通过通信模块上传；
8. 检测到应急按钮动作后，立即进入应急告警状态。

六、【硬件部分的描述】

本项目以 ESP32-S3 为核心控制器。主控负责多传感器数据采集、显示控制、报警判断、人机交互和远程通信。

1. 环境参数采集

系统使用 BME680 采集温度、湿度、气压及空气质量相关数据。传感器通过 I²C 总线与 ESP32-S3 通信，能够在占用较少引脚的情况下实现多参数采集。

颗粒物监测部分采用 PMS5003，通过串口输出 PM1.0、PM2.5 和 PM10 等颗粒物浓度数据。主控对接收到的数据帧进行帧头识别、长度判断和校验处理，避免异常数据影响显示和报警结果。

2. 声音信号采集

设备设置四路模拟声音采集通道，通过 ESP32-S3 的 ADC 对声音传感器输出进行周期性采样。程序对多次采样结果进行统计处理，用于显示各通道的相对声音强度，并辅助判断现场声音状态。

3. 串口扩展

考虑到颗粒物传感器、DTU和其他外设均需要串口通信，系统增加 WK2124 多通道串口扩展芯片。主控通过同步串行接口控制 WK2124，从而扩展多个独立UART通道。

4. 显示与交互

主显示屏采用 ST7789 驱动的 172×320 彩色液晶屏，用于显示主要环境参数、通信状态和报警信息。

设备同时配置两块 SSD1309 OLED 屏，用于分区显示声音通道、设备状态或辅助监测信息。系统设置功能按键和应急按钮，便于现场人员切换界面、调整操作状态或主动触发告警。

5. 报警及远程通信

系统设置蜂鸣器作为本地声音报警装置。当环境数据超过阈值、传感器异常或应急按钮被触发时，主控控制蜂鸣器报警，并在显示屏上突出显示异常项目。

远程通信部分采用 DTU 模块，主控通过串口向模块发送整理后的监测数据，实现环境数据和报警状态的远程上传。

6. PCB设计

硬件设计过程中对主控、传感器接口、显示接口、串口扩展、通信模块、电源及按键报警电路进行了分区设计。

PCB设计重点考虑：

• 数字电路与模拟采集电路的合理分区；
• 电源入口及各模块去耦电容的就近放置；
• 高速时钟、SPI及显示接口走线长度；
• 模拟信号远离时钟及高频通信线路；
• 连接器方向、丝印标识及样机装配空间；
• 调试接口、测试点及后期维修便利性；
• 电源线宽、电流能力和地回流路径。

EDA工具：嘉立创EDA专业版。

七、【主要器件】

八、【软件部分的描述】

系统软件采用 C/C++ 编写，按照驱动层、数据采集层、数据处理层、显示交互层、报警控制层和通信层进行划分。

软件主要包括：

• BME680传感器初始化及数据读取；
• PMS5003数据帧接收、解析和校验；
• 四路模拟声音信号周期采样；
• WK2124串口扩展控制；
• ST7789和SSD1309显示驱动；
• 页面刷新和数据显示；
• 环境参数阈值判断；
• 蜂鸣器及应急按钮逻辑；
• DTU数据封装与发送；
• 通信超时及传感器异常处理。

软件工作流程

系统上电
   ↓
初始化主控、传感器、显示屏及通信模块
   ↓
检查各模块是否正常
   ↓
循环采集环境与声音数据
   ↓
数据校验、滤波及格式转换
   ↓
更新LCD和OLED显示
   ↓
判断是否超过报警阈值
   ├─ 否：继续采集并上传数据
   └─ 是：启动蜂鸣器、显示报警并上传异常状态
   ↓
检测按键、应急按钮及通信状态
   ↓
进入下一次循环

为改善界面刷新效率，显示程序采用局部数据更新思路，减少不必要的整屏重绘。针对串口通信，程序加入数据帧校验、超时判断和异常恢复处理，提高多外设同时运行时的稳定性。