室内舒适度监测传感器站（CoMoS）

热舒适度与光舒适度在办公场所及住宅领域的重要性日益凸显。核心挑战在于个体热感知差异大：相同环境下，有人觉热、有人觉冷。这是因为个体热感知受多重因素影响，包括空气温度、相对湿度、风速、周围表面辐射温度等物理因素，以及衣物穿着、代谢活动、年龄、性别、体重等个体因素。

尽管个体因素给暖通控制带来不确定性，但物理因素可通过传感器精准测量。空气温度、相对湿度、风速、黑球温度可直接作为建筑控制输入，还能用于计算 “预测平均投票指数（PMV）”。PMV 指数取值范围为 - 3（寒冷）至 + 3（炎热），0 代表中性状态，用于描述特定环境下人群平均热感知，是建筑热环境质量的常用评价指标。CoMoS 可测量计算 PMV 所需的全部环境参数。

若需深入了解热舒适度、黑球温度与平均辐射温度、PMV 指数及美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）标准，可参考：

1. 维基百科：热舒适度（Thermal Comfort）
2. ISO 7726《热环境工效学》
3. ASHRAE NPO

此外，个性化环境调节设备（如桌面风扇、暖脚器、冷暖通风座椅等）可改善局部热环境，其自动控制也可基于本地传感器数据实现。更多相关信息可参考 “Living Lab 智能办公空间：个性化环境”、加州大学伯克利分校、ZEN 个性化冷暖设备报告（PDF）及伍伦贡大学 SBRC 研究成果。

本设备开发的核心目标是打造一款无线、紧凑、低成本的传感器，用于监测开放式办公空间中至少 10 个独立工位的室内环境。系统采用 ESP32-WROOM-32 控制器（自带 Wi-Fi 功能，支持多种传感器总线类型），传感器站通过独立 IoT Wi-Fi 网络，将采集的数据经服务器上的 PHP 脚本传输至 MariaDB 数据库，还可可选安装 Grafana 实现数据可视化。

本文重点介绍传感器站本身，同时也会提供 PHP 文件及 SQL 连接说明，确保读者能完整搭建、连接并使用 CoMoS。此外，文末还将介绍带 SD 卡存储、内置 Wi-Fi 热点及移动网页应用的独立版本搭建方法。

1. 电子元件

2. 外壳零件（若有 3D 打印机，仅需乒乓球，可跳过此部分，详见步骤 5）

1. 圆形亚克力板（50×4mm）[1]
2. 圆形钢板（40×10mm）[2]
3. 亚克力管（50×5×140mm）[3]
4. 圆形亚克力板（40×5mm）[4]
5. 亚克力管（12×2×50mm）[5]
6. 乒乓球 [6]

3. 其他材料

白色喷漆、哑光黑色喷漆、胶带、绝缘棉（或棉球等类似物）

4. 工具

电钻、8mm 钢板钻头、6mm 木 / 塑料钻头、12mm 木 / 塑料钻头、细手锯、砂纸、剪线钳、剥线钳、电烙铁及焊锡、强力胶或热熔胶枪

5. 软件与库（括号内为测试验证版本，新版本通常兼容）

1. Arduino IDE（1.8.5）
2. ESP32 Core 库
3. BH1750FVI 库
4. Adafruit_Si7021 库（1.0.1）
5. Adafruit_NeoPixel 库（1.1.6）
6. DallasTemperature 库（3.7.9）
7. OneWire 库（2.3.3）

CoMoS 采用纤细的立式外壳，多数传感器安装在上部，仅温湿度传感器靠近底部，传感器位置设计遵循测量参数的特定要求：

1. Si7021 温湿度传感器：安装于外壳外部靠近底部处，确保空气自由流通，减少壳内控制器散热的影响；
2. BH1750 照度传感器：安装于外壳平整顶部，符合工位照度测量的标准要求（水平表面照度）；
3. Rev. C 风速传感器：上部安装，电子元件置于壳内，带热风速计与温度传感器的探头暴露于顶部周围空气；
4. DS18B20 温度传感器：安装于设备顶端的黑色喷漆乒乓球内，顶部位置可最小化传感器站自身对黑球温度测量的辐射影响。

关于平均辐射温度及黑色乒乓球作为黑球温度传感器的适用性，可参考文献：

1. Wang, Shang & Li, Yuguo. (2015). 《亚克力与铜制黑球温度计在日间户外环境的适用性》，《建筑与环境》，89 卷；
2. de Dear, Richard. (1987). 《用于平均辐射温度测量的乒乓球黑球温度计》，《H & Eng.》，60 卷。

1. 标准零件规格

1. 主体外壳：亚克力（PMMA）管，外径 50mm、壁厚 5mm、高度 140mm；
2. 底板：圆形亚克力板（直径 50mm、厚度 4mm），用作状态 LED 的导光板；
3. 配重块：圆形钢板（直径 40mm、厚度 10mm），置于底板上方并嵌入主体外壳下端，防止设备倾倒并固定底板；
4. 顶板：圆形亚克力板（直径 40mm、厚度 5mm），嵌入主体外壳；
5. 顶部立管：亚克力管（外径 10mm、壁厚 2mm、长度 50mm）。

2. 制作与组装步骤

1. 钻孔：钢板钻 8mm 通孔（用于 LED 与导线）；主体外壳钻 6mm 孔（用于 USB 线、传感器线穿入及通风，数量与位置可自定义，建议背面上下各 3 个、正面上下各 1 个）；顶板需钻 1 个 12mm 中心通孔（装顶部立管）、1 个 6mm 偏心孔（装照度传感器线）、1 条 1.5mm 宽 ×18mm 长的狭缝（装风速传感器）；乒乓球钻 6mm 孔（装黑球温度传感器与导线）。
2. 喷漆：除底板外，所有亚克力零件喷白色漆；乒乓球喷哑光黑漆（确保热学与光学特性）。
3. 粘接：钢板居中粘于底板；顶部立管粘入顶板 12mm 孔；乒乓球粘于立管顶端（孔与立管内孔对齐，便于后续穿传感器）。
4. 组装：将所有零件拼接，过紧可打磨，过松可贴薄胶带调整。

3D 打印外壳更简便，仍分为顶壳、主体壳、底壳三部分，便于接线与组装。3D 打印文件及打印参数可在 Thingiverse（https://www.thingiverse.com/）搜索 “CoMoS” 获取。

1. 打印要求

1. 顶壳与主体壳：建议用白色 filament（ filament，打印材料），避免阳光直射下外壳过热导致测量误差；
2. 底壳：用透明 filament，便于 LED 状态显示。

2. 配重与固定

无需圆形钢板配重，可在透明底壳内放置轴承滚珠或金属垫片（底壳边缘设计有卡槽固定配重），也可用双面胶将设备固定于安装位置。

注：Thingiverse 文件夹中包含微型 SD 卡读卡器的 3D 打印外壳文件（可选，用于独立版本，详见步骤 9）。

ESP32、传感器、LED 及 USB 线需按电路原理图焊接，以下为与后续示例代码匹配的引脚分配（导线颜色仅供参考）：

关键说明

1. 传感器供电：Si7021、BH1750、DS18B20 + 通过 ESP32 的 IO 引脚供电，因传感器最大电流低于 ESP32 单引脚最大供电电流，且该设计可在传感器通信出错时切断电源复位（详见 ESP 代码注释）。
2. 导线预处理：Si7021、BH1750 传感器及 USB 线需先穿入外壳对应孔再焊接；用 Wago 接线端子连接 USB 线与各组件电源（均为 5V DC 供电，兼容 ESP32 的 3.3V 逻辑电平）。若需在外壳闭合状态下向 ESP32 传输代码，可将 USB 线的数据引脚重新连接至 ESP32 的 Micro USB 接口；否则需在组装前用另一条完好的 Micro USB 线完成代码烧录。
3. 传感器安装：
4. Si7021 温湿度传感器：粘于外壳背面靠近底部处，避免壳内热量导致读数偏差；
5. BH1750 照度传感器：粘于顶板；
6. 风速传感器：插入顶板狭缝，过松可在传感器中部缠胶带固定；
7. DS18B20 温度传感器：通过顶部立管穿入乒乓球并置于球心，立管内填充绝缘棉，下端用胶带或热熔胶密封（防止热传导 / 对流影响黑球温度测量）；
8. LED：嵌入钢板通孔，朝向底板（实现底板导光）。
9. 最终组装：将所有导线、接线端子、ESP32 放入主体壳，拼接所有外壳零件。

1. ESP32 编程

使用 Arduino IDE 及 Espressif 提供的 ESP32 Core 库对 ESP32 进行编程（ESP32 IDE 配置教程可参考网络资源，如https://randomnerdtutorials.com/installing-the-esp32-board-in-arduino-ide-windows-instructions/）。

代码烧录后需在 “用户配置区” 修改关键参数（示例代码片段如下）：

代码核心功能：

1. 支持自定义数据读取 / 发送周期、Wi-Fi 参数、服务器地址；
2. 包含通过 10 台传感器校准得到的平均校准系数（详见步骤 10）；
3. 集成错误处理（如 ESP32 常见的 I2C / 单总线通信错误）；
4. 通过 LED 颜色反馈设备状态（详见步骤 8）。

2. PHP 脚本配置

将 PHP 文件（示例代码见下文）放置于数据库服务器根目录（访问路径为 “服务器 IP/sensor.php”），需修改 “数据库配置区” 参数以匹配实际环境：

PHP 脚本作用：接收 ESP32 发送的传感器数据，验证数据有效性后写入数据库，需确保脚本中的数据库表名（默认 “data”）与 ESP32 代码一致。

3. MariaDB 数据库搭建

在服务器上创建 MariaDB 数据库（默认名 “sensorstation”），并建立表 “data”，包含 13 个字段（对应传感器数据类型）：

1. UTCDate（UTC 时间）、ID（传感器站 ID）、UID（设备唯一标识）、Temp（空气温度）、Hum（相对湿度）、Globe（黑球温度）、vel（风速）、velMin（最小风速）、velMax（最大风速）、MRT（平均辐射温度）、Illum（照度）、IllumMin（最小照度）、IllumMax（最大照度）。

可选安装 Grafana 平台实现数据可视化（本文不展开，可参考 Grafana 官方文档）。

完成接线、组装、编程与环境配置后，传感器站会定期向数据库发送数据，LED 颜色通过底板反馈设备运行状态：

1. 启动阶段：黄色 LED（等待 Wi-Fi 连接）；
2. 连接成功：蓝色 LED（持续亮）；
3. 数据传输：每次成功发送数据时，绿色 LED 闪烁 600 毫秒；
4. 错误状态：红色、紫色或淡黄色 LED（对应不同错误类型），错误累积到一定程度后，设备自动复位传感器并重启（重启时 LED 恢复黄色）。

目前，10 台 CoMoS 传感器站已在 “Living Lab 智能办公空间” 部署并持续运行。

CoMoS 独立版本无需数据库服务器与外部 Wi-Fi，核心新增功能如下：

1. 数据存储：传感器数据以 Excel 兼容的 CSV 格式存储于内置微型 SD 卡；
2. 无线访问：内置 Wi-Fi 热点，支持移动设备连接；
3. 本地应用：基于 ESP32 内置 Web 服务器的网页应用（无需联网），可查看实时数据、修改设置、下载 SD 卡中的 CSV 文件。

1. 搭建步骤

1. 外壳准备：按步骤 4 或 5 制作外壳，可选 3D 打印 SD 卡读卡器外壳（或直接将读卡器放入主体壳）；
2. 新增组件接线：在原有接线基础上，增加微型 SD 卡读卡器（亚马逊可购）与 DS3231 实时时钟模块（adafruit.com），注意上拉电阻与单总线的引脚分配与原始版本不同（参考本步骤附带的接线图）；
3. 代码配置：修改 Arduino 代码中的 Wi-Fi 热点参数（默认 SSID 为 “CoMoS_AP”，密码 “12345678”，可自定义）；
4. 部署运行：插入微型 SD 卡，烧录代码并通过 SPIFFS 文件上传工具（参考下文）将 “data” 文件夹上传至 ESP32；移动设备连接 CoMoS 的 Wi-Fi 热点，在浏览器中输入 “192.168.4.1” 即可访问应用。

2. 关键工具与应用功能

1. 所需库：
2. Espressif 的 SPIFFS 库
3. me-no-dev 的 SPIFFS 文件上传工具
4. Pedroalbuquerque 的 ESP32WebServer 库
5. 网页应用功能：
6. 首页：显示实时温湿度、平均辐射温度、风速、照度及趋势图；
7. 设置页：调整本地时间、数据存储间隔（SD 卡）、数据更新间隔（在线）、图表数据点数、LED 状态显示；
8. 存储页：列出 SD 卡中 “/data/” 目录下的 CSV 文件（默认显示最近 14 个），点击可直接下载至移动设备，文件按日期命名（如 “181204_C.csv”）。

独立版本仍在研发中，适合有 ESP32 SPIFFS 文件系统、HTML/CSS/JavaScript 基础的用户。如果您有兴趣了解更多详情或帮助，请随时通过评论或直接通过 LinkedIn 联系通讯作者。

1. 已知问题

1. 传感器精度与校准：所用传感器成本低但精度较高，自带降噪与数字总线接口，无需频繁校准；但传感器安装于外壳后，需对设备整体校准。作者通过 10 台 CoMoS 与 “德图 480（TESTO 480）” 专业传感器对比，得出示例代码中的校准系数，建议用户对每台设备单独校准以提升精度。相关校准研究论文正处于同行评审阶段，后续将在作者网站更新。
2. ESP32 运行稳定性：部分 Arduino 传感器库与 ESP32 兼容性不佳（尤其是 I2C / 单总线通信稳定性），作者通过 “IO 引脚供电 + 断电复位” 方案解决该问题（传感器由 ESP32 IO 引脚供电，出错时切断电源复位），该方案已稳定运行数月，仍在持续研究优化。

2. 展望

作者将通过论文发表、会议报告推广 CoMoS 技术，推动开源应用；同时持续优化设备设计（提升可制造性）与校准方案（提升测量精度），未来可能更新本文内容。最新信息可访问作者网站或通过 LinkedIn 联系：

1. 通讯作者：Mathias Kimmling
2. 第二作者：Konrad Lauenroth
3. 研究导师：Sabine Hoffmann 教授