ESP32与DHT11温湿度传感器：从基础连接到物联网应用

1. ESP32与DHT11温湿度传感器简介

ESP32是一款功能强大的Wi-Fi和蓝牙双模芯片，内置两个高性能的Xtensa 32位LX6微处理器，主频高达240MHz。它拥有丰富的外设接口，包括GPIO、ADC、DAC、SPI、I2C等，非常适合物联网应用开发。DHT11则是一款经济实惠的数字温湿度传感器，采用单总线通信协议，能够同时测量环境温度和相对湿度。

DHT11的主要技术参数如下：

• 温度测量范围：0-50℃ ±2℃
• 湿度测量范围：20-90%RH ±5%RH
• 工作电压：3.3V-5V
• 采样周期：≥1秒
• 数字信号输出

在实际项目中，我经常推荐初学者使用DHT11作为入门传感器，因为它价格便宜（通常不到10元）、接线简单，而且有成熟的库支持。不过需要注意的是，DHT11的测量精度相对较低，如果对精度要求较高，可以考虑升级到DHT22或SHT3x系列传感器。

2. 硬件连接与注意事项

2.1 所需材料清单

在开始项目前，我们需要准备以下硬件：

• ESP32开发板（如ESP32-WROOM-32）
• DHT11温湿度传感器模块
• 面包板和杜邦线若干
• 4.7kΩ电阻（如果使用裸DHT11传感器）
• USB数据线（用于供电和程序下载）

2.2 接线示意图

DHT11模块通常有三个引脚（有些版本有四个引脚，其中NC引脚不用连接）：

1. VCC：接ESP32的3.3V引脚
2. GND：接ESP32的GND引脚
3. DATA：接ESP32的任意GPIO引脚（如GPIO4）

如果使用的是不带PCB的DHT11传感器，需要在DATA引脚和VCC之间连接一个4.7kΩ的上拉电阻。这个电阻非常重要，它能确保信号线在空闲时保持高电平状态。我曾经遇到过因为忘记加上拉电阻导致读取数据失败的情况，排查了好久才发现问题所在。

2.3 电源选择注意事项

虽然DHT11可以工作在3.3V-5V电压范围，但我建议使用ESP32的3.3V供电，原因有二：

1. ESP32的GPIO耐压只有3.3V，如果DHT11用5V供电，其DATA引脚输出也是5V电平，可能损坏ESP32
2. 3.3V供电时传感器功耗更低，适合电池供电场景

如果必须使用5V供电，建议在DATA线上添加电平转换电路，或者使用分压电阻将信号电压降到3.3V。

3. 软件环境配置

3.1 Arduino IDE设置

首先需要安装Arduino IDE和ESP32开发板支持包：

1. 下载并安装最新版Arduino IDE
2. 打开"文件"->"首选项"，在"附加开发板管理器网址"中添加：

   https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

3. 打开"工具"->"开发板"->"开发板管理器"，搜索"esp32"并安装

3.2 安装DHT传感器库

在Arduino IDE中，打开"工具"->"管理库"，搜索"DHT sensor library"，选择最新版本安装。这个库同时支持DHT11、DHT22等传感器。

此外，建议一并安装"Adafruit Unified Sensor"库，它提供了传感器数据的标准化接口。安装方法与DHT库相同。

3.3 基础测试代码

下面是一个最简单的DHT11读取示例：

#include <DHT.h> #define DHTPIN 4 // 定义DHT11连接的GPIO引脚 #define DHTTYPE DHT11 // 定义传感器类型 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void setup() { Serial.begin(115200); dht.begin(); } void loop() { delay(2000); // 等待2秒，DHT11采样周期需要1秒以上 float humidity = dht.readHumidity(); float temperature = dht.readTemperature(); if (isnan(humidity) || isnan(temperature)) { Serial.println("读取DHT11失败！"); return; } Serial.print("湿度: "); Serial.print(humidity); Serial.print("%\t温度: "); Serial.print(temperature); Serial.println("°C"); }

上传这段代码后，打开串口监视器（波特率115200），应该能看到每隔2秒输出的温湿度数据。如果显示"读取DHT11失败"，请检查硬件连接是否正确。

4. 数据采集优化与错误处理

4.1 提高读取成功率

在实际使用中，DHT11的读取失败率可能较高。我们可以通过以下方法提高稳定性：

1. 增加读取重试机制：

#define MAX_RETRIES 3 bool readDHT(float *temp, float *hum) { for(int i=0; i<MAX_RETRIES; i++) { *hum = dht.readHumidity(); *temp = dht.readTemperature(); if(!isnan(*hum) && !isnan(*temp)) { return true; } delay(100); } return false; }

2. 确保足够的采样间隔：DHT11两次读取之间至少需要1秒间隔，建议设置为2秒

3. 避免在中断服务程序中读取传感器，因为时序要求严格

4.2 温度单位转换

DHT库默认返回摄氏温度，如果需要华氏温度，可以使用：

float fahrenheit = dht.readTemperature(true);

或者自行转换：

float celsius = dht.readTemperature(); float fahrenheit = celsius * 1.8 + 32;

4.3 计算热指数

热指数（体感温度）可以通过以下公式计算：

float hic = dht.computeHeatIndex(temperature, humidity, false);

这个计算考虑了湿度和温度对人体的综合影响，在气象应用中很有参考价值。

5. 物联网平台集成

5.1 选择物联网平台

常见的物联网平台有：

• ThingsCloud
• Blynk
• MQTT Broker（如Mosquitto）
• 阿里云IoT
• 腾讯云IoT

这里以ThingsCloud为例，介绍如何将数据上传到云端。

5.2 MQTT协议集成

首先安装ThingsCloud的ESP32 SDK库，然后在代码中添加：

#include <ThingsCloudWiFiManager.h> #include <ThingsCloudMQTT.h> const char *ssid = "你的WiFi名称"; const char *password = "你的WiFi密码"; ThingsCloudMQTT client( "mqtt.thingscloud.xyz", // MQTT服务器地址 "你的设备访问令牌", // 设备访问令牌 "你的项目KEY" // 项目KEY ); void setup() { // ...之前的DHT初始化代码... client.enableDebuggingMessages(); client.setWifiCredentials(ssid, password); } void pubSensors() { float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); if (isnan(h) || isnan(t)) { Serial.println("读取传感器失败"); return; } DynamicJsonDocument obj(512); obj["temperature"] = t; obj["humidity"] = h; char attributes[512]; serializeJson(obj, attributes); client.reportAttributes(attributes); } void loop() { client.loop(); static unsigned long lastReport = 0; if (millis() - lastReport > 60000) { // 每分钟上报一次 lastReport = millis(); pubSensors(); } delay(100); }

5.3 数据可视化

在ThingsCloud控制台可以：

1. 创建数据看板
2. 设置阈值告警
3. 生成移动端APP
4. 配置自动化规则

6. 进阶应用与扩展

6.1 多传感器网络

可以扩展多个DHT11传感器，构建分布式监测网络：

#define DHT1_PIN 4 #define DHT2_PIN 5 #define DHT3_PIN 18 DHT dht1(DHT1_PIN, DHTTYPE); DHT dht2(DHT2_PIN, DHTTYPE); DHT dht3(DHT3_PIN, DHTTYPE); void readAllSensors() { float t1 = dht1.readTemperature(); float h1 = dht1.readHumidity(); // ...读取其他传感器... }

6.2 低功耗优化

对于电池供电的应用，可以：

1. 使用ESP32的深度睡眠模式
2. 定时唤醒读取传感器
3. 通过WiFi上报数据后立即休眠

示例代码：

#define uS_TO_S_FACTOR 1000000 #define SLEEP_DURATION 300 // 休眠5分钟 void setup() { esp_sleep_enable_timer_wakeup(SLEEP_DURATION * uS_TO_S_FACTOR); // 读取传感器并上传数据... esp_deep_sleep_start(); } void loop() {} // 不需要loop代码

6.3 本地显示与报警

可以添加OLED屏幕显示实时数据，或通过蜂鸣器在超出阈值时报警：

#include <Wire.h> #include <Adafruit_GFX.h> #include <Adafruit_SSD1306.h> #define SCREEN_WIDTH 128 #define SCREEN_HEIGHT 64 Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1); void setup() { display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); display.clearDisplay(); // 显示温湿度数据 display.setTextSize(1); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(0,0); display.print("温度: "); display.print(temperature); display.println(" C"); display.print("湿度: "); display.print(humidity); display.println(" %"); display.display(); }

7. 常见问题排查

7.1 读取失败问题

如果频繁出现读取失败，可以：

1. 检查接线是否正确，特别是上拉电阻
2. 缩短数据线长度（建议不超过20米）
3. 尝试不同的GPIO引脚
4. 增加读取间隔时间

7.2 数据异常问题

如果数据明显异常：

1. 检查电源是否稳定，可以并联100uF电容
2. 确保传感器没有暴露在结露环境中
3. 尝试更换传感器，可能是硬件损坏

7.3 WiFi连接问题

物联网应用中常见的WiFi问题：

1. 确保SSID和密码正确
2. 检查路由器设置，某些企业网络可能需要额外认证
3. 调整ESP32的WiFi功率：

WiFi.setTxPower(WIFI_POWER_19_5dBm); // 降低功耗

8. 项目案例：智能温室监控系统

结合以上知识，我们可以构建一个完整的智能温室监控系统：

1. 硬件组成：

   • ESP32主控
   • 多个DHT11传感器（分布在温室不同位置）
   • 继电器控制模块（控制通风、灌溉等）
   • OLED显示屏
   • 蜂鸣器报警器

2. 软件功能：

   • 实时监测温湿度
   • 数据上传云端
   • 超限本地报警
   • 自动控制设备调节环境
   • 手机APP远程监控

3. 核心逻辑代码片段：

void checkThresholds() { if(temperature > 30.0) { digitalWrite(FAN_PIN, HIGH); // 开启风扇降温 sendAlert("温度过高！当前温度：" + String(temperature)); } else { digitalWrite(FAN_PIN, LOW); } if(humidity < 40.0) { digitalWrite(WATER_PUMP_PIN, HIGH); // 开启灌溉 delay(5000); // 灌溉5秒 digitalWrite(WATER_PUMP_PIN, LOW); } }

这个系统可以扩展加入光照传感器、土壤湿度传感器等，构建更完善的农业物联网解决方案。在实际部署时，建议使用防水型DHT11传感器，并做好电路板的防潮处理。