实战：环境监测站

项目概述与硬件清单

本章构建一个室内/室外环境监测站，具备以下功能：实时采集温度、湿度、气压和空气质量；在本地 E-ink 显示屏上显示当前数值；通过 MQTT 上报到云端并展示在 Web Dashboard；支持 OTA 远程升级；深度睡眠省电，电池可用数月。

系统架构设计

项目文件结构

env_monitor/
├── CMakeLists.txt
├── partitions.csv        # 自定义分区表，含 OTA + LittleFS
├── sdkconfig.defaults    # 预设 menuconfig 选项
├── data/                 # LittleFS 内容（烧录时打包）
│   └── index.html        # Web Dashboard 页面
└── main/
    ├── CMakeLists.txt
    ├── main.c            # app_main，系统初始化
    ├── sensor.c / .h     # BME280 + MQ135 驱动封装
    ├── display.c / .h    # E-ink 显示逻辑
    ├── mqtt_client.c / .h
    ├── http_server.c / .h # Web Dashboard HTTP 服务器
    ├── ota.c / .h
    ├── storage.c / .h    # NVS 配置读写封装
    └── power.c / .h      # 深度睡眠控制

核心数据结构

/* sensor.h */
#pragma once
#include "esp_err.h"

typedef struct {
    float    temperature;    // °C
    float    humidity;       // %RH
    float    pressure;       // hPa
    uint16_t aqi_raw;        // MQ135 ADC 原始值 0~4095
    uint32_t timestamp;      // Unix 时间戳
    int      battery_mv;     // 电池电压 mV
} env_data_t;

typedef struct {
    char     wifi_ssid[33];
    char     wifi_pass[65];
    char     mqtt_uri[128];
    char     device_id[20];
    uint32_t sleep_seconds;   // 深度睡眠时长，默认 600
    bool     eink_enabled;
} app_config_t;

esp_err_t sensor_init(void);
esp_err_t sensor_read(env_data_t *data);

多任务架构实现

/* main.c — 系统初始化与任务编排 */
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "freertos/event_groups.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "sensor.h"
#include "storage.h"

#define EVT_WIFI_UP   BIT0
#define EVT_TIME_SYNC BIT1

QueueHandle_t       g_data_queue;
EventGroupHandle_t  g_system_events;
app_config_t        g_config;

/* 传感器任务：每 5 秒读一次，发队列 */
static void sensor_task(void *arg)
{
    sensor_init();
    env_data_t data;
    while (1) {
        if (sensor_read(&data) == ESP_OK) {
            xQueueOverwrite(g_data_queue, &data);   // 覆盖旧数据（取最新）
            ESP_LOGI("SNS", "T=%.1f H=%.1f P=%.1f AQI=%d",
                data.temperature, data.humidity, data.pressure, data.aqi_raw);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
    }
}

/* 显示任务：等待新数据后刷新 E-ink */
static void display_task(void *arg)
{
    eink_init();
    env_data_t data;
    while (1) {
        if (xQueuePeek(g_data_queue, &data, pdMS_TO_TICKS(10000))) {
            eink_display_env(&data);    // 刷新 E-ink 显示，约 1~2 秒
        }
    }
}

/* MQTT 上报任务：连接成功后定期发布 */
static void mqtt_task(void *arg)
{
    xEventGroupWaitBits(g_system_events,
        EVT_WIFI_UP | EVT_TIME_SYNC, pdFALSE, pdTRUE, portMAX_DELAY);

    mqtt_app_start(g_config.mqtt_uri, g_config.device_id);

    env_data_t data;
    while (1) {
        if (xQueuePeek(g_data_queue, &data, pdMS_TO_TICKS(1000))) {
            mqtt_publish_env_data(&data);
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(30000));   // 每 30 秒上报一次
    }
}

void app_main(void)
{
    /* 基础初始化 */
    nvs_flash_init();
    storage_load_config(&g_config);

    /* 共享资源 */
    g_data_queue    = xQueueCreate(1, sizeof(env_data_t));
    g_system_events = xEventGroupCreate();

    /* Wi-Fi + NTP */
    wifi_init_sta(g_config.wifi_ssid, g_config.wifi_pass, g_system_events);
    sntp_init(g_system_events);

    /* 启动任务 */
    xTaskCreatePinnedToCore(sensor_task,  "sensor",  4096, NULL, 6, NULL, 1);
    xTaskCreatePinnedToCore(display_task, "display", 4096, NULL, 4, NULL, 1);
    xTaskCreatePinnedToCore(mqtt_task,    "mqtt",    8192, NULL, 5, NULL, 0);

    /* HTTP 服务器（Web Dashboard + OTA）*/
    http_server_start();
}

Web Dashboard（ESP32 做 HTTP 服务器）

ESP32 可以用 esp_http_server 组件在局域网内托管一个简单的 Web Dashboard，手机浏览器直接访问 ESP32 的 IP 即可查看实时数据，无需云端。

#include "esp_http_server.h"

/* GET /api/data → 返回 JSON */
static esp_err_t api_data_handler(httpd_req_t *req)
{
    env_data_t data;
    xQueuePeek(g_data_queue, &data, 0);

    char resp[256];
    snprintf(resp, sizeof(resp),
        "{\"temperature\":%.1f,\"humidity\":%.1f,"
        "\"pressure\":%.1f,\"aqi\":%d,\"battery\":%d}",
        data.temperature, data.humidity, data.pressure,
        data.aqi_raw, data.battery_mv);

    httpd_resp_set_type(req, "application/json");
    httpd_resp_set_hdr(req, "Access-Control-Allow-Origin", "*");
    return httpd_resp_sendstr(req, resp);
}

/* GET / → 返回 LittleFS 中的 index.html */
static esp_err_t index_handler(httpd_req_t *req)
{
    FILE *f = fopen("/littlefs/index.html", "r");
    if (!f) {
        httpd_resp_send_404(req);
        return ESP_OK;
    }
    httpd_resp_set_type(req, "text/html");
    char buf[512];
    size_t n;
    while ((n = fread(buf, 1, sizeof(buf), f)) > 0) {
        httpd_resp_send_chunk(req, buf, n);
    }
    fclose(f);
    return httpd_resp_send_chunk(req, NULL, 0);
}

void http_server_start(void)
{
    httpd_config_t config = HTTPD_DEFAULT_CONFIG();
    config.stack_size = 8192;
    httpd_handle_t server = NULL;
    httpd_start(&server, &config);

    httpd_uri_t uri_index = { .uri = "/",         .method = HTTP_GET, .handler = index_handler };
    httpd_uri_t uri_data  = { .uri = "/api/data", .method = HTTP_GET, .handler = api_data_handler };
    httpd_register_uri_handler(server, &uri_index);
    httpd_register_uri_handler(server, &uri_data);
}

OTA 自动升级集成

在 HTTP 服务器上增加 OTA 端点，或定时检查 OTA 服务器，实现远程自动升级：

#include "esp_https_ota.h"

/* POST /ota → 触发 OTA 升级 */
static esp_err_t ota_trigger_handler(httpd_req_t *req)
{
    char url[256];
    int ret = httpd_req_recv(req, url, sizeof(url) - 1);
    if (ret <= 0) return ESP_FAIL;
    url[ret] = '\0';

    esp_http_client_config_t ota_http_cfg = {
        .url     = url,
        .timeout_ms = 30000,
    };
    esp_https_ota_config_t ota_cfg = { .http_config = &ota_http_cfg };

    httpd_resp_sendstr(req, "OTA 开始，设备将重启...");

    esp_err_t err = esp_https_ota(&ota_cfg);
    if (err == ESP_OK) {
        esp_restart();
    }
    return ESP_OK;
}

电路接线参考

项目扩展思路