Systemy dla Internetu Rzeczy (36). Pomiar jakości powietrza, ciśnienia, wilgotności i temperatury czujnikiem BME680 dołączonym do zestawu startowego CC1352R1 LaunchPad

Układ scalony BME680 jest jak kilka układów w jednym: czujnik ciśnienia i temperatury (jak w układzie BMP280) z rozszerzeniem o czujnik wilgotności (jak w układzie BME280) i z dodatkowym czujnikiem gazu [S34].Czujnik wilgotności względnej jest wykonany w technologii MEMS z zastosowaniem pomiaru zmian pojemności kondensatora z polimerową folią [S32]. Czujnik ciśnienia barometrycznego jest wykonany w technologii MEMS z zastosowaniem pomiaru rezystancji cienkiej membrany. Pomiar temperatury jest wykonywany poprzez pomiar zmian napięcia diody krzemowej. Każda struktura scalona zastosowana w układzie scalonym BM680 zawiera czujnik temperatury. Układ scalony BME680 został zastosowany w najnowszym zestawie Thingy:91 firmy Nordic Semiconductor przeznaczonym dla mobilnego Internetu Rzeczy [S31].

Fotografia 1. Płytka BME680 Environmental Sensor [6]

Indeks jakości powietrza IAQ

IAQ (Indoor Air Quality) jest liczbą która informuje o jakości powietrza we wnętrzach. Obecnie nie ma globalnego standardu definiującego IAQ [3]. Niektóre kraje mają lokalne podejście i opublikowały badania, które podają wskaźniki czystego powietrza i jego implikacje. Niestety, nie ma zgodności w zastosowaniu skali, liczby poziomów, nazw ani kolorów.

„Umweltbundesamt” (UBA, German Federal Environmental Agency) to niemiecka agencja ochrony środowiska, która od wielu lat prowadzi badania dotyczące powietrza w pomieszczeniach i TVOC. Na podstawie badań z roku 2007 określiła standard pomiarów TVOC oraz zalecenia dotyczące jakości powietrza w pomieszczeniach Są one bardzo przydatne, ponieważ nie tylko identyfikują poziomy potencjalnych zagrożeń, ale także dostarczają wskazówek, jakie działania są zalecane na podstawie tych poziomów TVOC [S34]. Na tej podstawie firma Bosch opracowała indeks IAQ obliczany dla czujnika BME680 przez firmową bibliotekę BSEC [2]. Klasyfikacja została pokazana w tabeli 1.

Kolorami zaznaczony jest poziom jakości powietrza oraz dodano najczęściej stosowane nazwy angielskie.

Uproszczony sposób obliczania IAQ dla tego układu opracował i udostępnił David Bird [4]. W najprostszej wersji wskaźnik jest funkcją wilgotności, która daje 25% wartości indeksu oraz stężeń gazu, które dają pozostałe 75%. Wartości składowe są funkcją odchylenia od wartości optymalnej. Wilgotność mierzy się od 0 do 100% i jest powszechnie uznawana za optymalną, gdy wynosi 40%. Wtedy jej udział w wartości indeksu będzie wynosił 0. Wzrasta on liniowo do wartości maksymalnej przy wzroście lub obniżaniu się wilgotności.

Rysunek 1. Sposób obliczania indeksu IAQ [4]

Podobny sposób obliczania indeksu IAQ z dodatkowym uwzględnieniem poziomu temperatury został pokazany na rysunku 1. Stężenie gazu dla normalnego powietrza bez zanieczyszczeń (bez gazów szkodliwych) odpowiada najwyższej rezystancji wyjściowej czujnika wynoszącej 50 kV lub więcej. Układ BME680 zwykle odczytuje wartość rezystancji czujnika gazu w zakresie od 50 V do 50 kV i więcej [4]. Zakłada się, że zmiana jest liniowa i udział w wartości indeksu wynosi odpowiednio między 75% a 0%. Rezultatem sumowania udziału pomiarów wilgotności i gazu jest indeks jakościowy skalowany w zakresie 0...500. Gdzie wartość 500 oznacza złą jakość powietrza, a wartości opisowe są stosowane przedziałami od dobrej do niebezpiecznej jakości powietrza (jak w tabeli 1).

Praca układu BME680

Układ scalony BME680 pracuje w dwóch stanach: uśpienia (sleep) oraz pracy (forced mode). Tryb pracy jest ustawiany na bitach 1:0 rejestru Config (pod adresem 0x75). Wpis 00b oznacza ustawienie stanu uśpienia a wpis 01b ustawienie stanu pracy. Układ po włączeniu zasilania automatycznie ustawia tryb uśpienia. W tym stanie nie wykonywany jest pomiar i pobierana jest minimalna moc ze źródła zasilania.

W stanie pracy wykonywany jest pojedynczy pomiar w sekwencji: temperatura, ciśnienie, wilgotność, rozpoczęcie podgrzewania czujnika gazu, wykonanie pomiaru gazu i zakończenie grzania. Można ustawić w rejestrach układu scalonego 10 konfiguracji pracy (set-point) czujnika gazu G0 do G9.

Na konfigurację składa się ustawienie rezystancji docelowej grzejnika, czasu podgrzewania oraz wartości prądu grzejnika. Czas podgrzewania jest liczony od momentu włączenia grzejnika do momentu rozpoczęcia pomiaru rezystencji czujnika gazu. Czas ten można ustawiać w zakresie od 1 do 4032 ms. Typowo ustawia się temperaturę pracy czujnika gazu na poziom pomiędzy 200 a 400°C. Wewnętrzna pętla sterowania grzejnika pracuje z uwzględnieniem zmian rezystancji grzejnika. Program użytkownika musi na podstawie wymaganej temperatury wyliczyć ustawienia rejestrów sterujących. W dokumentacji podane są wzory obliczeniowe oraz wskazane są rejestry z wartościami parametrów do tych obliczeń [2]. Po zakończeniu pomiaru gazu układ automatycznie powraca do stanu uśpienia.

Sposób pracy i odpowiednie wzory obliczeniowe dla pomiaru temperatury, ciśnienia i wilgotności są opisane w literaturze [2]. Odczyt danych pomiarowych trzeba rozpocząć od odczytu rejestru stanu Eas_status_0 (0x1D) z polami bitowymi:

• 7 – New data, dane nowego pomiaru są zapisane w rejestrach,
• 6 – Gas measuring, zmiana stanu na zero sygnalizuje zakończenie pomiaru gazu,
• 5 – Measuring, zmiana stanu na zero sygnalizuje zakończenie wszystkich pomiarów,
• 3:0 – Gas meas index, numer konfiguracji pracy czujnika gazu.

Następnie trzeba sprawdzić stan bitów gas_valid oraz heat_stab rejestru gas_valid_r (0x2B) aby ustalić czy dane pomiarowe są poprawne oraz czy grzejnik pracował stabilnie.

Odczytane dane z rejestrów danych układu należy przeliczyć z uwzględnieniem danych z rejestrów kalibracyjnych układu.

W przypadku wykonywania przez układ BME680 pomiaru gazu włączany jest wewnętrzny grzejnik czujnika gazu. W stabilnych warunkach długiej sekwencji pomiarów powoduje to wystąpienie stałego podwyższenia mierzonej temperatury oraz obniżonego odczytu wilgotności. Można to zjawisko skompensować poprzez uwzględnienie stałej poprawki lub odczytu z dodatkowych czujników zewnętrznych.

Rejestry wewnętrzne

Układ zawiera wiele 8-bitowych rejestrów: kalibracji, sterowania, danych, statusu oraz rejestry zarezerwowane. Dostępna jest przestrzeń adresowa z zakresu 0x00 do 0xFF. Rejestry mają inny adres przy dostępnie poprzez interfejs I2C oraz SPI:

• Podczas pracy z interfejsem I2C stosowany jest adres 8-bitowy z dostępem do całej przestrzeni adresowej,
• Podczas pracy z interfejsem SPI stosowany jest adres 7-bitowy z dostępem dwóch stron wybieranych przez ustawienia rejestru spi_mem_page. Po włączeniu zasilania wybrana jest strona zerowa (0x80 do 0xFF). Wpisanie do rejestru spi_mem_page wartości 1 powoduje wybranie strony 1 (0x00 do 0x7F).

Mapa i opis rejestrów jest zamieszczony w dokumencie BME680 Datasheet [2]. Mapa nie zawiera wszystkich rejestrów, a opis nie zawiera omówienia niektórych istotnych rejestrów układu.

Interfejs komunikacyjny

Interfejs komunikacyjny układu BME680 ma osobne wyprowadzenie zasilania VDDIO. Poziom wysoki sygnałów wejściowych interfejsu cyfrowego odnosi się do poziomu napięcia na wyprowadzeniu VDDIO [2]. Układ może pracować w trzech konfiguracjach wyprowadzeń (w standardzie: I2C, SPI (4 linie) lub SPI (3 linie)):

• Wyprowadzenie SCK pracuje zawsze jako wejście,
• Wyprowadzenie SDI pracuje jako wejście (SPI 4 linie), wejście/wyjście SPI (3 linie) lub jako linia dwukierunkowa danych (I2C),
• Wyprowadzenie SDO pracuje jako wyjście (SPI 4 linie) lub jako wejście wyboru adresu (I2C),
• Wyprowadzenie CSB pracuje zawsze jako wejście. Pełni rolę wejścia wyboru (chip select) dla pracy SPI.

Wybór standardu komunikacyjnego jest wykonywany na podstawie stanu wejścia CSB. Jeśli podczas włączenia zasilania układu wyprowadzenie CSB jest dołączone do napięcia VDDIO (podczas włączania zasilania układu) to wybierany jest standard I2C. Poziom niższy niż VDDIO spowoduje trwałą pracę ze standardem SPI. Po podaniu na wejście CSB poziomu niskiego (nawet jeden impuls) aktywowany jest na stałe interfejs SPI.

Interfejs I2C

Układ obsługuje cyfrową komunikację w standardzie I2C oraz SPI jako układ „slave”, która pozwala na odczyt lub wpis do rejestrów. Podczas pracy układu BME680 w standardzie I2C do komunikacji używane są trzy wyprowadzenia (rysunek 2):

• SCK – jako wejście zegara, linia SCL,
• SDI – jako dwukierunkowa linia danych SDA, musi być zewnętrznie dołączona do napięcia zasilania poprzez rezystor podciągający (min. 4,7 kV).
• SDO – jako wejście ustawiające wartość bitu LSB adresu:
  • GND = L, adres 1110110 (0x76),
  • VDDIO = H, adres 1110111 (0x77).

Rysunek 2. Konfiguracja wyprowadzeń podczas pracy w standardzie I2C [2]

Jeśli wyprowadzenie SDO pozostanie niepodłączone to adres jest niezdefiniowany.

Interfejs I2C obsługuje trzy tryby pracy: Standard, Fast oraz High Speed. Maksymalna częstotliwość zegara wynosi 3,4 MHz, gdzie minimalny czas poziomu niskiego wynosi Tlow=160 ns (dla typowego zasilania VDDIO=1,62 V) [2]. Interfejs I2C używa adresowania 7-bitowego.

Wpis bajtu danych do rejestru układu

Schemat transmisji podczas wpisu bajów jest pokazany na rysunku 3. Podczas wpisu danych do rejestrów układu transmisja rozpoczyna się od wystawienia przez układ Master (M) stanu Start (S) i 7-bitowego adresu układu (0x76 lub 0x77) z bitem RW=0 (write). Po wystawieniu przez układ BME680 (Slave, SL) bitu potwierdzenia (Acknowledge, ACKS) master wysyła dwa bajty: adres rejestru, oraz po otrzymaniu potwierdzenia ACKS daną do wpisu (z potwierdzeniem). Wystawienie stanu Stop (P) kończy wpis pojedynczego bajtu.

Rysunek 3. Wpis pojedynczego bajtu lub wpis wielokrotny bajtów (bez autoinkrementacji) poprzez I2C [2]

Master może wysyłać kolejne pary bajów, do wpisu danych pod kolejne adresy rejestrów. Nie jest stosowana autoikrementacja adresów. Przykład zapisu bajtu jest pokazany dalej na rysunku 11.

Odczyt bajtu danych z rejestru układu

Schemat transmisji podczas odczytu bajów jest pokazany na rysunku 4. Podczas odczytu danych z rejestrów układu transmisja rozpoczyna się od wystawienia przez układ Master (M) stanu Start (S) i 7-bitowego adresu układu (0x76 lub 0x77) z bitem RW=0 (write), czyli w trybie zapisu. Po wystawieniu przez układ BME680 (Slave, SL) bitu potwierdzenia (Acknowledge, ACKS) master wysyła bajt adresu rejestru. Po otrzymaniu potwierdzenia ACKS Master wystawia stan Strat (lub Restart) z 7-bitowym adresem układu i bitem RW=1 (read), czyli w trybie odczytu. Układ BME680 (Slave, SL) wystawia bit potwierdzenia (ACKS) oraz bajt danych.

Rysunek 4. Odczyt wielokrotny bajtów (z autoinkrementacją) poprzez I2C [2]

Układ Master może:

• wystawić potwierdzenie (ACKS) – wtedy układ wyśle bajt odczytany z rejestru następnym wyższym adresie (autoinkrementacja),
• wystawić NACKM (not acknowdlege) – wtedy zostanie zakończona transmisja.

Przykład odczytu sekwencji bajtów jest pokazany dalej na rysunku 12.

Biblioteka Bosch Sensortec drivers

Firmowe drivery dla układu BME680 są dostępne na stronie Bosch Sensortec drivers [10].

Repozytorium BoschSensortec Github udostępnia dwa komplety drajwerów:

• BME680 sensor driver/API – drivery z opisem i przykładami,
• BSEC-Arduino – biblioteka do Arduino dla integracji biblioteki firmowej BSEC.

Pakiet programowy BME680 sensor driver/API zapewnia niskopoziomową komunikację z układem BME680 oraz kalibrację wartości odczytu z sensorów. Uwalania to użytkownika od konieczności zajmowania obsługą poszczególnych rejestrów układu scalonego.

Pobierany z repozytorium plik BME680_driver-master.zip zawiera trzy pliki źródłowe:

• bme680_defs.h – zawiera stałe, makra i deklaracje,
• bme680.h – zawiera deklaracji funkcji API,
• bme680.c – zawiera definicje funkcji API,
• REDAME.md – Zawiera opis sposobu dołączania drajwerów do projektu użytkownika.

Dodatkowo jest pobierany folder Self test z dwoma plikami:

• bme680_selftest.h – zawiera stałe, makra i deklaracje funkcji,
• bme680_selftest.c – zawiera definicje funkcji wykonywania testu i analizy danych.

Pakiet BME680 sensor driver/API obsługuje komunikację z układem BME680 w dwóch standardach: I2C oraz SPI (4 linie). Na stronie repozytorium zamieszczony jest przykładowy kod inicjalizacji układu (dla obu standardów komunikacji), skonfigurowania układu oraz wykonania pojedynczego pomiaru i odczytania wyników.

W nocie aplikacyjnej AN-014 [3] została opisana praca układu scalonego oraz postępowanie podczas wykonywania testowania układu: weryfikacja identyfikacji struktury scalonej, weryfikacja danych kalibracyjnych, generacji CRC, pomiar danych z czujników, weryfikacja danych pomiarowych.

Biblioteka pomiarowa BSEC

Biblioteka Bosch Sensortec Environmental Cluster (BSEC) [11] jest przeznaczona do obsługi pracy z czujnikiem BME680. Komunikację oraz kompensację danych zapewnia driver firmowy [10]. Algorytmy biblioteki zapewniają również dodatkową kompensację pomiarów czujnika gazu z uwzględnieniem wilgotności oraz dryftu. Kod z biblioteki jest zamknięty. Pobierany z repozytorium plik bsec_1-4-7-4_generic_release.zip zawiera pliki źródłowe oraz dokument „Integration Guide, Bosch Software Environmental Cluster (BSEC)” z dokładnym opisem.

Biblioteka BSEC udostępnia cztery tryby pracy z czujnikiem [średni pobór prądu]:

• Tryb bardzo niskiego poboru mocy – pomiary są wykonywane co 300 s (0,09 mA),
• Tryb szybki bardzo niskiego poboru mocy – pomiary T, P, H są wykonywane co 3 s, a pomiar gazu co 300 s (0,1 mA),
• Tryb niskiego poboru mocy – pomiary są wykonywane co 3 s (0,9 mA),
• Tryb ciągły– pomiary są wykonywane co 1 s (raczej do testowania) (12 mA).

Dla każdego trybu pracy są osobne konfiguracje dla pracy z napięciem zasilania 1,8 V oraz 3,3 V. Dodatkowo dla każdej konfiguracji możliwa jest kompensacja długoterminowa z uwzględnieniem okresu 4 lub 28 dni.

Biblioteka BSEC udostępnia kilka istotnych parametrów:

• Surowa wartość rezystancji – wartość pobrana z czujnika,
• Skompensowana wartość rezystancji [V] – wartość obliczona z uwzględnieniem temperatury i wilgotności,
• Indeks IAQ (IAQ) – wartości 0...500, używany algorytm automatycznego trymowania,
• Statyczne IAQ (s-IAQ) – bez trymowania,
• Poziom CO2 (eCO2) [ppm] – estymowany poziom CO2 na podstawie poziomu VOC,
• Poziom VOC (b-VOC) [ppm] – estymowany poziom VOC dla powietrza wydychanego (breath),
• Poziom gazu [%] – aktualny poziom rezystancji odniesiony do zapamiętanego najniższego odczytu (0%) oraz najwyższego odczytu (100%).

Moduł czujnikowy BME680 Environmental Sensor

Kilka firm oferuje moduły czujnikowe z układem scalonym BME680. Typowo zawierają one układ scalony BME680 oraz dodatkowo (opcjonalnie) układy interfejsu cyfrowego oraz regulator napięcia zasilania. Typowym przykładem jest moduł czujnikowy BME680 Environmental Sensor (DFRobot SEN0248) [6] oferowany również przez Kamami [7].

Opis płytki zestawu oraz przykładowy kod programu jest zamieszczony na firmowej stronie Wiki [8]. Schemat modułu jest dostępny ze strony Kamami [7]. Układ scalony BME680 (U3) jest zasilany z napięcia 3V3 dostarczanego przez regulator napięcia LP5907. Napięcie jest stałe i wynosi 3,3 V. Do tego napięcia dołączona jest dioda LED, sygnalizująca obecność zasilania. Układ regulatora jest zasilany z napięcia wejściowego VCC o wartości maksymalnej 5,5 V. Wartość minimalna wynosi ok. 3,3 V. Napięcie VCC zasilania modułu może być pobierane ze złącza P1 lub P2 (rysunek 5). Wyprowadzenia cyfrowe układu scalonego BME680 (U3) są dołączone do układów konwersji poziomów logicznych.

Rysunek 5. Moduł BME680 Environmental Sensor, schemat toru komunikacji cyfrowej [7]

Sygnały komunikacji ze standardem SPI są dołączane do złącza P2 płytki. Sygnały wejściowe CSB oraz SCK układu U3 (odpowiednio SPI_CS i SPI_SCK na złączu P2) są dołączone do wyjścia bufora SN74HC125 (U2) zasilanego z napięcia 3V3. Po stronie napięcia VCC maja one dołączone rezystory podciągania 10 kV. Wejście SDI (odpowiednio SPI_MOSI) jest dołączone do wyjścia bufora U2 poprzez szeregowy rezystor 1 kV.

Wyprowadzenie SDO układu scalonego poprzez szeregowy rezystor 1 kV jest dołączone do złącza P2.1 (MISO). Ma ono dołączony rezystor podciągający 10 kV do napięcia 3,3 V. Przy pracy układu scalonego z obsługą komunikacji I2C wyprowadzenie SDO jest wejściem adresowym. Rezystor podciągający ustawia jego stan na wysoki co oznacza wybór adresu 0x77 na szynie I2C.

Sygnały komunikacji ze standardem I2C są dołączane do złącza P1 płytki. Obie linie mają rezystory podciągające 10 kV dołączone do napięcia VCC. Sygnał SCK_5V tego złącza jest bezpośrednio podawany na wejście bufora SN74HC125 (U2) i dalej do wejścia SCK układu U3. Sygnał dwukierunkowy SDI_5V jest ze złącza P1 podawany na układ konwersji poziomów zrealizowanego na tranzystorze Q1 i dalej do wejścia SDI układu U3.

Bardzo podobnie zorganizowany jest moduł Adafruit BME680 [9]. Jest ciekawy ze względu na rozbudowane wsparcie programowe dla modułu tej firmy. Kolejny bardzo „minimalistyczny” moduł czujnika BME680 oferuje firma Niettigo [5].

Zestaw startowy CC1352R1 LaunchPad (Texas Instruments)

Zestaw startowy SimpleLink Multi-Band CC1352R Wireless MCU LaunchPad Development Kit (LAUNCHXL-CC1352R1) jest wyposażony w układ scalony CC1352R1F3 [S15]. Zestaw jest przeznaczony do pracy w pasmach 868 MHz/915 MHz oraz 2,4 GHz. Cała elektronika zestawu CC1352R1 LaunchPad jest umieszczona na jednej wielowarstwowej płytce drukowanej. Płytka jest podzielona na dwie części: u góry płytki jest emulator sprzętowy standardu XDS110 oraz układ monitora zasilania a na dole układ scalony CC1352R.

Na złączach J1...J2, umieszczonych po obu bokach płytki drukowanej, jest udostępnionych 26 wyprowadzeń wejścia-wyjścia (GPIO) układu scalonego CC1352R oznaczane „DIOxx”, gdzie xx-numery od 01 do 31. Dodatkowo na dole płytki są umieszczone dwa potrójne złącza z wyprowadzoną masą „GND” oraz zasilaniem „3V3”.

Połączenia sprzętowe

W komplecie z płytką BME680 Environmental Sensor jest dostarczony przewód połączeniowy Gravity, z wtyczką pasującą do złącza P1 płytki. Po drugiej stronie przewodów są zamontowane pojedyncze wtyczki żeńskie IDC. Dołączanie przewodów do zestawu startowego CC1352R LaunchPad [S15]:

• Przewód czarny (GND, P1.3) na GND (P1.3) płytki CC1352R1 LP
• Przewód czerwony (3V3, P1.4) na 3,3V (J1.1) płytki CC1352R1 LP
• Przewód zielony (SDI, P1.1) na DIO05 (J1.19, SDA) płytki CC1352R1 LP
• Przewód niebieski (SCK, P1.2) na DIO04 (J1.18, SCL) płytki CC1352R1 LP

Sposób podłączenia kabelków jest pokazany na runku tytułowym. Dodatkowo jest tam pokazany zestaw uruchomieniowy SHT31 Smart Gadget firmy Sensirion zastosowany do referencyjnego pomiaru temperatury i wilgotności [S32].

Pakiet programowy SimpleLink Sensor and Actuator Plugin (Texas Instruments)

Do obsługi układu BME280 z zastosowaniem różnych procesorów służy darmowy pakiet programowy SimpleLink Sensor and Actuator Plugin firmy Texas Instruments [13]. Pakiet zawiera przykładowy projekt i2cbme280, który korzysta z firmowego pakietu BME280 sensor driver/API firmy Bosch. Jest on kompatybilny z pakietem BME680 sensor driver/API. Trochę zamieszania wprowadza stosowanie w opisach pakietu zamiennie nowej nazwy SimpleLink Sensor and Actuator Plugin (nowej) oraz starej nazwy Sensor Actuator Interface Layer(SAIL). Na przykład tak nazywa się folder z zainstalowanym pakietem na dysku.

Pakiet SimpleLink Sensor and Actuator Plugin (1.50.00.00) ma następujące wymagania [13]:

• Windows 7, Windows 8, Windows 10, Ubuntu 14.04, Mac OS X El Capitan,
• Code Composer Studio 9.2, lepiej zastosować najnowszą wersję CCS v9.3,
• simplelink_cc13x2_26x2_sdk_3_40_00_02 SDK, lub nowsza wersja [12].

Tworzenie projektu obsługi czujnika BME680

Poniżej zostanie opisany sposób dołączenia czujnika BME680 do procesora CC1352R1. Czujnik jest zamontowany na płytce drukowanej modułu BME680 Environmental Sensor [6], a procesor na płytce drukowanej zestawu startowego CC1352R1 LaunchPad [S15]. Jako środowisko programowe zostanie zastosowany Code Composer Studio w najnowszej wersji (9.3). Można go darmowo pobrać ze strony producenta Texas Instruments. Po zainstalowaniu CCS trzeba doinstalować pakiet SimpleLink Sensor and Actuator Plugin (1.50.00.00) [13] oraz pakiet SimpleLink cc13x2 26x2 SDK (3.40.00.02) [12].

Pracę rozpoczynamy od użycia projektu i2cbme280_CC1352R1_LAUNCHXL_tirtos_ccs z pakietu SimpleLink Sensor and Actuator Plugin. Projekt jest przeznaczony do obsługi czujnika BME280. Ma on taki sam interfejs programowy jak czujnik BME680. Różni się trochę zawartością mapy adresowej rejestrów oraz dodaniem pomiaru gazu.

Program wysyła napisy poprzez łącze UART do portu wirtualnego COM komputera dołączonego do zestawu startowego CC1352R1 LaunchPad. Umożliwia oglądanie na bieżąco aktualnych danych pobranych z czujnika. Opis projektu i parametrów jest zamieszczony w pliku REDAME.html w folderze projektu.

1. Dołącz zestaw startowy CC1352R1 LaunchPad kablem USB do komputera.
2. Wystartuj środowisko CCS.
3. Utwórz folder roboczy o nazwie work_BME680 w ścieżce C:\home_dir. Taki sposób nazywania i umieszczania folderu roboczego ułatwia potem orientację wśród wielu folderów o podobnych nazwach. Umożliwia też przenoszenie foldera roboczego projektu pomiędzy komputerami o tej samej strukturze folderów.
4. Zaimportuj projekt i2cbme280_CC1352R1_LAUNCHXL_tirtos_ccs z pakietu SimpleLink Sensor and Actuator Plugin.
5. Zmień nazwę projektu na i2cbme680_CC1352R1_LAUNCHXL_tirtos_ccs. W oknie Project Explorer kliknij prawym klawiszem na linię projektu, z podręcznego menu wybierz Rename i zmień nazwę.
6. Pobierz pliki drajwera firmowego Bosch Sensortec drivers z repozytorium Github [10]. Na stronie repozytorium kliknij przycisk Clone or download a następnie Download ZIP. Rozpakuj archiwum w eksploratorze plików.
7. Dodaj pliki do projektu. Po kolei zaznacz pliki źródłowe i przeciągnij (drag and drop) na linię projektu i2cbme680_ CC1352R1_LAUNCHXL_tirtos_ccs w oknie Project Explorer. Pozostaw wybraną opcję Copy files.
8. Zmień nazwę pliku i2cbme280.c na i2cbme680.c. Zmodyfikuj kod źródłowy pliku i2cbme680.c według opisu w pliku REDAME pakietu drivera firmowego Bosch Sensortec drivers.

• Należy zastąpić linię kodu #include <ti/sail/bme280/bme280.h> na #include “bme680.h”.
• Pod definicjami zmiennych globalnych należy umieścić kod funkcji służących do obsługi komunikacji szyną I2C: user_delay_ms, user_i2c_rea oraz user_i2c_writ. Są to funkcje realizowane przez użytkownika specjalnie dla zastosowanego procesora.
• Poniżej należy umieścić funkcję getIAQ obliczającą IAQ.
• Należy zmodyfikować funkcję główną aplikacji.
• Tych modyfikacji jest sporo. Dlatego najprościej jest wymienić plik i2cbme680.c na pobrany ze strony FTP. Plik i2cbme680.c ze zmianami jest dostępny do pobrania ze strony FTP.
  
  

Funkcja mainThread() została poważnie zmodyfikowana w stosunku do wersji w pliku readme. Zostało dodane sporo wydruków opisujących błędy występujące podczas pracy. Bardzo ułatwia to uruchamianie programu oraz umożliwia lepsze orientowanie się w działaniu czujnika.

Pierwszy fragment kodu funkcji wykonuje inicjalizację modułu peryferyjnego I2C procesora CC1352R1. Następnie wykonywana jest inicjalizacja czujnika BME680. Dane potrzebne do konfigurowania czujnika BME680 są przechowywane w strukturze gas_sensor typu bme680_dev (zdefiniowanej w pliku bme680_defs.h). Po ustawieniu w strukturze parametrów czujnika wykonywana jest funkcja bme680_init, która wysyła do czujnika polecenie resetu programowego oraz odczytuje identyfikator układu scalonego (rysunek 9) a następnie dane kalibracyjne (zaczynając od adresu 0x89, brak opisu rejestrów) oraz inne współczynniki. Następnie konfigurowane są rejestry sterujące czujnika BME680. Ustawiane są parametry pomiaru wilgotności, ciśnienia, temperatury i gazu (w tej kolejności). Dla czujnika gazu ustawiana jest temperatura pracy na 320°C oraz czas podgrzewania na 150 ms (typowe warunki pracy).

Teraz wysyłana jest komenda (rysunek 6, linia 319) wystartowania pomiaru (rysunek 10).

Rysunek 6. Głowna pętla pomiarowa w funkcji mainThread

Następnie w funkcji bme680_get_profile_dur (linia 328) jest obliczany i ustawiany dokładny czas podgrzewania (profil). Dla powyższych ustawień wynosi on typowo 183 ms. Jego wartość jest bardzo ważna bo co najmniej tyle czasu trzeba po wystartowaniu pomiaru czekać na dostęp do zwalidowanych i stabilnych danych.

Praca układu jest zorganizowana w pętli nieskończonej (linia 339). Teraz już można odczytać (linia 343) skalibrowane dane pomiarowe (rysunek 11). Są one wysyłane do portu UART (linia 353). Następnie wysyłana jest komenda wykonania kolejnego pomiaru (linia 363) i procesor jest wprowadzany w uśpienie na czas 1 sekundy (linia 367). Po wybudzeniu procesora program powraca do wykonywania pętli nieskończonej i wysyła do portu UART dane ostatniego pomiaru. W ten sposób unika się czekania 183 ms na dostęp do danych oraz oszczędza energię zasilania.

Uruchamianie projektu obsługi czujnika BME680

9. Zbuduj projekt przyciskiem Build. Nie powinny być zasygnalizowane żadne błędy kompilacji i powinien być wygenerowany plik i2cbme680_CC1352R1_LAUNCHXL_tirtos_ccs.out (rysunek 7).

Rysunek 7. Projekt obsługi czujnika BME680 po zbudowaniu

Projekt zawiera już gotową definicję modułu sprzętowego (w folderze targetConfigs).
10. Zaprogramuj przyciskiem Debug pamięć Flash procesora wygenerowanym kodem. Projekt jest zorganizowany z zastosowaniem systemu operacyjnego TIRTOS. Po załadowaniu kodu wykonywany jest reset procesora i program jest uruchamiany do pierwszej linii kodu funkcji main() w pliku main_tirtos.c (rysunek 8, linia 57).

Rysunek 8. Projekt obsługi czujnika BME680 po zaprogramowaniu pamięci Flash procesora CC1352R1

W funkcji main wykonywana jest inicjalizacja procesora (linia 65) i tworzone jest zadanie (wątek) mainThread (z kodem w pliku i2cbme680.c). Na koniec działania funkcji main() rozpoczyna działać system operacyjny i zostaje uruchamiane wykonanie jedynego zadania (task) mainThread (rysunek 6).
11. Sprawdź w Menedżerze Urządzeń systemu Windows jaki numer portu COM został przypisany do kanału XDS110 Class Application/User UART. Do tego portu dołącz terminal znakowy, na przykład PuTTy. Wymagane ustawienia 115200/8/1/N.
12. Rozpocznij wykonywanie programu przyciskiem Resume.

Przykładowy wydruk podczas pracy projektu obsługi czujnika BME680 pokazuje listing 1. Wartości temperatury, ciśnienia i wilgotności są pokazywane (nadmiarowo) z czterema miejscami po przecinku ponieważ wystąpiły kłopoty z obsługą formatowania wydruku liczb ułamkowych przez bibliotekę firmową.

Uruchamianie obsługi czujnika BME680

Projekt jest bardzo łatwy do debugowania w środowisku CCS. Po uruchomieniu działania programu można go zatrzymać w każdej chwili przyciskiem Suspend. Teraz powrót do stanu bezpośrednio po załadowaniu kodu programu (przyciskiem Debug) jest prosty. Trzeba kliknąć na ikonkę System Reset a następnie ikonkę Restat.

Po wykonaniu restartu działanie programu jest ponownie zatrzymywane w pierwszej linii kodu funkcji main().

W każdej linii kodu (nie komentarza) w plikach ic2bme60.c oraz bme680.c można ustawiać pułapki (sprzętowe). Wystarczy dwuklinąć na pasku z numeracją linii kodu źródłowego. Dostępna jest też praca krokowa z wchodzeniem do wywoływanych w linii kodu funkcji lub bez. Najechanie kursorem na nazwę funkcji z przyciśniętym klawiszem CTRL pozwala, po kliknięciu na nią, na przeniesienie się do miejsca definicji tej funkcji. Tak samo jest z deklaracjami zmiennych i stałych.

Uruchamianie pracy czujnika BME680 okazało się dosyć trudne. Bardzo w tym pomógł oscyloskop z analizą protokołu I2C. Odczyt rejestru identyfikatora układu scalonego 0x61 spod adresu 0xD0 jest pokazany na rysunku 9.

Rysunek 9. Odczyt rejestru ID układu BME680

Najpierw na szynie I2C jest pod adres układu 0x77 wysyłany w trybie zapisu adres rejestru ID (0xD0). Następnie w trybie odczytu jest pobierana zawartość (0x61). Potwierdzenia odbioru (a – acknowdlege) wystawia układ scalony (slave). Kończy transmisję Not acknowdlege (~a) wystawiane przez procesor (master).

Wystartowanie pomiaru jest bardziej złożone (rysunek 10). Najpierw odczytywany jest stan rejestru Ctrl_meas (adr. 0x74). Pole bitowe mode1:0 tego rejestru musi mieć wartość 0x00, co oznacza, ze nie jest wykonywany pomiar. Dopiero teraz można w pole mode wpisać wartość 0x01, bez zmiany stanu pozostałych bitów.

Rysunek 10. Odczyt i zapis rejestru Ctrl_meas (komenda wystartowania pomiaru)

Sekwencja odczytu danych pomiarowych trwa 517 ms, a czas powtarzania ok. 1008 ms (rysunek 11). Najpierw na szynie I2C jest pod adres układu 0x77 wysyłany w trybie zapisu adres rejestru Eas_status_0 (0x1D). Następnie w trybie odczytu jest pobierana zawartość (0x80). Oznacza to, że są gotowe nowe dane. W kolejnym rejestrze (0x1E) są następne znaczniki, ale już nie ma ich opisu. O ich znaczeniu można wnioskować z kodu biblioteki firmowej. Zawartość kolejnych rejestrów jest już lepiej opisana.

Rysunek 11. Sekwencja odczytu danych pomiarowych

Eksperymenty z obsługą czujnika BME680

Zrealizowany zestaw był eksploatowany przez dłuższy czas. Do referencyjnego pomiaru temperatury i wilgotności został zastosowany zestaw uruchomieniowy SHT31 Smart Gadget firmy Sensirion zastosowany [S32]. Wartości odczytane z czujnika BME680 były porównywane z pomiarami wykonywanymi przez czujnik SHT31 firmy Sensirion. Typowo temperatura odczytywana przez czujnik jest wyższa od temperatury otoczenia o ok. 1,2°C, a odczytywana wilgotność niższa o ok. 2,3%.

Drugi zastosowany do porównania moduł czujnikowy to Thingy:52 firmy Nordic Semicoductor [S21]. Zastosowano w nim czujnik ciśnienia LPS22HB firmy ST Microelectronics, czujnik wilgotności względnej i temperatury HTS221 firmy ST Microelectronics oraz jakości powietrza CCS811 firmy AMS. Układ CCS811 pozwala na wykrywanie w powietrzu bardzo niskiego stężenia dwutlenku węgla (CO2) oraz lotnych związków organicznych VOC. Na podstawie rezystancji czujnika MOX obliczany jest pomiar przez wewnętrzny mikroprocesor:

• eCO2 – równoważny (equivalent) poziom dwutlenku węgla, w zakresie od 400 do 32768 ppm,
• eTVOC – równoważny całkowity (equivalent Total) poziom lotnych związków organicznych w zakresie 0 ppb do 32768 ppb.

Odczyty ciśnienia obu czujników były prawie identyczne. Czujnik SHT31 pokazywał najniższą temperaturę. Ma on największą dokładność i jest zamontowany na „wysepce” płytki drukowanej. Thingy:52 pokazywał najwyższą wilgotność, o ok. 3% wyższą niż czujnik SHT31. Dotyczyło to także innych egzemplarzy tego modułu czujnikowego.

Układ CCS811 pokazywał bardzo niski poziom eTVOC. Kierunek zmian tego poziomu był skorelowany ze zmianami rezystancji czujnika BME680. Jednak w trakcie prób wystąpił problem z określeniem górnego i dolnego zakresu pomiaru rezystancji czujnika gazu układu BME680. Nie udało się znaleźć takiej informacji w dokumentacji firmowej. W sieci podawana jest wartość górna ok. 50 kV. Badania pokazały wartości sięgające 950 kV, a nawet ponad 1 MV. Ustalenie górnej wartości jest istotne dla określenia skali do obliczeń indeksu IAQ.

Po włączeniu zasilania i rozpoczęciu wykonywania pomiarów w regularnych odstępach (tutaj 1 s) odczytywana wartość rezystancji czujnika gazu zaczyna rosnąć i stabilizuje się po pewnym czasie. W opisach podawana jest nawet konieczność odczekania 30 minut [9]. Wydaje się, że dopiero zastosowanie firmowej biblioteki BSEC i obliczanie estymowanego poziomu VOC może pozwolić na porównanie działania obu czujników jakości powietrza. Jednorazowa próba w niekontrolowanych warunkach nie może być podstawą do wyciągania wniosków.

Podsumowanie

Pierwsza próba podłączenia układu BME680 do procesora CC1352R1 została podjęta w ramach projektów studenckich przedmiotu Systemy dla Internetu Rzeczy na wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Pozwoliła ona na opracowanie sposobu użycia firmowych driwerów dla modułu I2C procesora.

Integracja tego kodu z biblioteką Bosch Sensortec drivers wymagała ciągłego zaglądania do kodu źródłowego. Spowodowane jest to brakiem opisu biblioteki. Na szczęście jest on dosyć dobrze skomentowany. Dodatkową trudność sprawia brak w dokumentacji firmowej pełnego opisu wszystkich rejestrów układu BME680. O działaniu niektórych rejestrów sterujących można się dowiedzieć tylko na podstawie zachowania programu. Próby z zastosowaniem kodu funkcji selftest dołączonej do biblioteki Bosch Sensortec drivers nie bardzo się powiodły. Zostaną one ponowione przy okazji uruchamiania obsługi czujnika BME680 z zastosowaniem protokołu komunikacyjnego SPI. Nie została, na razie, podjęta próba wykorzystania firmowej biblioteki BSEC.

Tak jak się można było spodziewać, problemy z zastosowaniem czujnika gazu dotyczyły kalibracji. Procedury postępowania kalibracyjnego takich czujników są dosyć skomplikowane. Typowo wymagają one wystawienia czujnika na czyste powietrze. Wtedy taki minimalny poziom jest traktowany jako poziom referencyjny. Potrzebne jest do tego odpowiednie oprogramowanie i możliwość przechowywania/zapisu danych kalibracyjnych. A i tak procedurę należy okresowo powtarzać.

Zaskakująco dobrze wygląda debugowanie działania programu. Kod biblioteki Bosch Sensortec drivers jest tak przejrzyście zorganizowany, że bardzo łatwo można śledzić działanie programu, nawet na poziomie pracy krokowej.

Dłuższy okres ciągłego działania układu BME680 dołączonego do procesora pokazuje stabilną pracę z występowaniem małych fluktuacji surowej wartości pomiaru rezystancji czujnika gazu. Ale aktualnym celem było tylko uzyskanie stabilnej pracy oprogramowania z użyciem procesora CC1352R1. Pozytywny wynik daje podstawę do wykonania prób dołączenia kolejnych czujników i rozbudowania oprogramowania.

Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki, Politechnika Warszawska