描述

Github 回購

https://github.com/HomeSmartMesh/sdk-hsm-thingy53

這個(gè)項(xiàng)目解決什么問題？

Thingy53 是唯一一款集成 BME688 的即用型 DevKit，可在低功耗模式下使用可充電電池運(yùn)行，并支持低功耗開放線程網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。不幸的是，目前還沒有允許 Thingy53 使用 BME688 的現(xiàn)有項(xiàng)目，唯一現(xiàn)有的 BME680 Zephyr 驅(qū)動(dòng)程序無法讀取 BME688 氣體值。

集成 I2C 驅(qū)動(dòng)程序和讀取寄存器值也是不夠的，因?yàn)?IAQ 需要博世僅在 .a 庫中發(fā)布的高級算法。

解決方案

這個(gè)項(xiàng)目包括

• Zephyr 將 BME688 驅(qū)動(dòng)程序和二進(jìn)制庫與博世的 BSEC2 算法集成在一起，用于 IAQ（室內(nèi)空氣質(zhì)量）測量。
• 帶有 OpenThread 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為客戶端廣播 UDP 數(shù)據(jù)包并運(yùn)行傳感器服務(wù)器。
• 具有用于配置的 json 輸入和用于傳感器的輸出的 C++ 應(yīng)用程序支持服務(wù)器端點(diǎn)和廣播到 MQTT 的直接映射

輸出

在我們開始詳細(xì)的步驟描述之前，讓我們看一下您可以從該項(xiàng)目中獲得的最終結(jié)果。

這是來自 MQTT 資源管理器的屏幕截圖，Thingy53 在 x3 不同主題 state、light 和 env 上的帖子

env 的詳細(xì)信息如下，包括由 BSEC2 供應(yīng)商庫計(jì)算的 breath_voc、co2_eq、iaq 和 iaq_accuracy，以及 gas0 中的原始?xì)怏w值、濕度、壓力、溫度，如果磨合完成（第一次長時(shí)間使用） , 如果穩(wěn)定在上電后完成，最后是自上電以來的樣本計(jì)數(shù)。

開發(fā)套件

下面是一個(gè)打開的盒子 Nordic Thingy53 連接到 USB 和 j-Link 調(diào)試器

硬件

• Nordic 的Thingy53物聯(lián)網(wǎng)原型平臺(tái)
• Segger 的j-Link Edu mini （可選）

在這個(gè) repo 的示例中使用的傳感器

BME688 數(shù)字鼻子：低功耗氣體、壓力、溫度和濕度傳感器，帶 AI

• BME688 產(chǎn)品頁面
• BME688 數(shù)據(jù)表
• BME688 數(shù)字鼻子：低功率氣體、壓力、溫度和濕度傳感器，帶 AI BME688 產(chǎn)品頁面BME688 數(shù)據(jù)表

顏色傳感器 BH1749NUC

• BH1749NUC 數(shù)據(jù)表
• 測量紅色、綠色、藍(lán)色和紅外線
• 照度檢測范圍 80 klx (0.0125 lux/count)
• 顏色傳感器 BH1749NUC BH1749NUC 數(shù)據(jù)表測量紅色、綠色、藍(lán)色和 IRIlluminance 檢測范圍 80 klx (0.0125 lux/count)

回購結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)程序和庫

在此 repo 中創(chuàng)建了以下驅(qū)動(dòng)程序和庫

BME688 Zephyr 驅(qū)動(dòng)程序：在drivers/sensor/bme688

• BME68x-Sensor-API供應(yīng)商驅(qū)動(dòng)程序集成https://github.com/boschsensortec/BME68x-Sensor-API
• C語言使用Zephyr的Sensor API在BME688簡單強(qiáng)制模式下的使用
• 在并行模式下使用 BME688 并獲取所有 x10 氣體測量值的驅(qū)動(dòng)程序擴(kuò)展功能

BME688 服務(wù)器：在subsys/bme688_server中

• 用于在 json 結(jié)構(gòu)中配置 BME688 使用的 C++ 包裝器（溫度曲線和持續(xù)時(shí)間）
• 處理程序以 json 結(jié)構(gòu)（溫度、濕度、壓力、gas-0..gas-9）傳遞傳感器結(jié)果
• Bosch-BSEC2-Library.供應(yīng)商的 IAQ（室內(nèi)空氣質(zhì)量）測量二進(jìn)制集成https://github.com/boschsensortec/Bosch-BSEC2-Library

BME688 組件和數(shù)據(jù)

用法

mkdir thingy53
cd thingy53
>west init -m https://github.com/HomeSmartMesh/sdk-hsm-thingy53 --mr main
>west update

構(gòu)建樣本

cd hsm/samples/20_sensors_server
west build
west build -- -DOVERLAY_CONFIG="overlay-logging.conf"

使用附加的調(diào)試器閃爍

>west flash

手動(dòng)閃爍

• 連接USB
• 按住 SW2 開機(jī)，查看通過 USB 更新 thingy53的詳細(xì)信息
• 帶 nRFConnect 編程器閃存hsm\samples\20_sensors_server\build\zephyr\dfu_application.zip

串行端口

• USB 串行端口：通過配置，CONFIG_STDOUT_CONSOLE=y此板創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出的 UAB 虛擬 COM 端口。注意使用nRFSDK Connect Serial Terminal可以自動(dòng)檢測并重連串口，刷機(jī)后自動(dòng)恢復(fù)非常有用
• RTT 調(diào)試器串行端口：使用CONFIG_USE_SEGGER_RTT=y附加調(diào)試器可以記錄日志，而不使用板 USB 設(shè)備，但這需要以不同方式重建示例。

加入線程網(wǎng)絡(luò)

joiner 配置示例CONFIG_OPENTHREAD_JOINER_PSKD為13_ot_joiner、14_ot_udp_echo_server、15_udp_json_endpoint和20_sensors_server注意：確保在 raspberry pi commissioner 啟動(dòng)后按下 Thingy53 按鈕。該按鈕將重置設(shè)備并嘗試在新啟動(dòng)時(shí)加入線程網(wǎng)絡(luò)。

加盟信息：

• 可以eui64通過首先閃爍日志記錄版本來知道overlay-logging.conf
• 不知道eui64也可以使用“*”作為eui64參數(shù)進(jìn)行調(diào)試

在樹莓派上

sudo ot-ctl
commissioner start
commissioner joiner add * ABCDE2

注意：在實(shí)際的部署項(xiàng)目中，加入者代碼是必須保密的關(guān)鍵信息，以防止設(shè)備劫持。

有關(guān)樹莓派邊界路由器安裝的更多詳細(xì)信息，請參閱“樹莓派服務(wù)器”部分

現(xiàn)在要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)完整的傳感器服務(wù)器，您可以立即跳轉(zhuǎn)到示例 20

20_sensors_server

樣本/20_sensors_server

• OpenThread Joiner 設(shè)備
• OpenThread mesh 客戶端廣播 udp json 數(shù)據(jù)包，其中包含電壓、活動(dòng)計(jì)數(shù)器、充電狀態(tài)、環(huán)境光 RGB IR、溫度、壓力、濕度和室內(nèi)空氣質(zhì)量
• OpenThread 服務(wù)器端點(diǎn)可以接收 json 命令并發(fā)回響應(yīng)

這個(gè)回購協(xié)議是如何創(chuàng)建的

本節(jié)包含一些提示，供那些愿意使用 Zephyr 為自己的應(yīng)用程序創(chuàng)建類似項(xiàng)目的人使用。

• 第一步是熟悉 Zephyr，一個(gè)很好的參考是https://developer.nordicsemi.com/nRF_Connect_SDK/doc/latest/zephyr/develop/index.html
• 第二個(gè)是關(guān)注 west 的小節(jié)https://developer.nordicsemi.com/nRF_Connect_SDK/doc/latest/zephyr/develop/west/index.html

這個(gè)存儲(chǔ)庫針對 nRF 開發(fā)工具包，因此從 nRF 的 Zephyr 分支和其他依賴項(xiàng)中派生它更安全。步驟是：

• west.yml 依賴項(xiàng)取自https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf/blob/main/west.yml
• 默認(rèn)遠(yuǎn)程是 hsm 而不是 ncs，因此在projects:遠(yuǎn)程 ncs 中需要在適用的地方添加
• 在應(yīng)用程序中zephyr，name-allowlist有助于減少對 Zephyr 的依賴
• 另請注意，一些 Zephyr 依賴項(xiàng)可以替換為頂級項(xiàng)目，例如 mbedtls，然后從 nRF fork 而不是 Zephyr
• 在 Kconfig wanrings 的情況下，有必要與原始 repo (ncs/nrf) 進(jìn)行比較并找到使用該標(biāo)志的目錄（依賴項(xiàng)），例如缺少配置，其中定義了默認(rèn)值，顯示依賴NRF_MODEM_LIB_SHMEM_CTRL_SIZE項(xiàng)從到NRF_MODEM_SHMEM_CTRL_SIZEnrfxlib\nrf_modem\Kconfignrfconnect/nrfnrfconnect/nrfxlib

如何測量電流消耗

Thingy53 帶有電流感應(yīng)擴(kuò)展板，可以使用 Nordic PPKII（Power Profile Kit）測量實(shí)時(shí)電流消耗https://www.nordicsemi.com/Products/Development-hardware/Power-Profiler-Kit- 2個(gè)

示例測量

我們注意到 Thingy53 是如何工作的，它以短電流脈沖加載電容，然后保持降低的消耗。雖然在啟動(dòng)時(shí)我們注意到峰值約為 50 mA，但平均周期持續(xù)時(shí)間約為 5 mA。

請注意，這當(dāng)然高度依賴于使用的傳感器和無線外圍設(shè)備的使用頻率，這就是為什么在其現(xiàn)實(shí)生活條件下分析每個(gè)應(yīng)用程序很重要的原因。

樹莓派服務(wù)器

這個(gè) repo 提供了代碼和幫助程序來設(shè)置一個(gè)樹莓派 openthread 邊界路由器，它將 udp 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 MQTT

• https://github.com/HomeSmartMesh/raspi
• https://www.homesmartmesh.com/docs/networks/thread/

請注意，使用 openthread，Thingy53 獲得了自己的基于 ip 的通信能力，剩下的取決于用戶在上面使用哪種應(yīng)用程序協(xié)議。盡管 Matter 是一個(gè)選項(xiàng)，但它對于小型項(xiàng)目來說非常具有挑戰(zhàn)性，并且并不總是提供通過自定義傳感器結(jié)構(gòu)所需的靈活性。如果您的應(yīng)用程序只需要一個(gè) json 結(jié)構(gòu)，那么您可能不需要該 json 結(jié)構(gòu)的專用二進(jìn)制編碼，因?yàn)檫@是常見的應(yīng)用程序協(xié)議的用途。

這里有一個(gè)直接鏈接到將 json udp 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 MQTT 的腳本，它非常簡單并且可以根據(jù)需要進(jìn)行自定義，例如處理友好的名稱，以防您將傳感器位置從一個(gè)房間更改到另一個(gè)房間。

https://github.com/HomeSmartMesh/raspi/blob/master/py/thread_tags/thread_tags_mqtt.py

格拉法納儀表盤

現(xiàn)在我們的數(shù)據(jù)包已連接到 MQTT，剩下的就是如何將它們引入 Grafana。例如，鏈接的 Raspberry pi 服務(wù)器提供了設(shè)置自己的 influxDB 以記錄數(shù)據(jù)所需的一切。

下面是儀表板的屏幕截圖

注意：此屏幕截圖是傳感器校準(zhǔn)階段的一部分，是的，因?yàn)檫@是一個(gè) DevKit 而不是最終產(chǎn)品，因此必須由您完成校準(zhǔn)，以便您了解 IAQ 傳感器的工作原理，博世提供了出色的文檔甚至AI-Studio 玩機(jī)器學(xué)習(xí)和氣體氣味識別（這可能是未來帖子的范圍）。這里是 BME AI-Studio 手冊的鏈接https://www.bosch-sensortec.com/media/boschsensortec/downloads/application_notes_1/bst-bme688-an001.pdf

BME688并聯(lián)模式

在并行模式下，BME688 提供多達(dá) x10 的測量值和所謂的溫度曲線，請參閱數(shù)據(jù)表第 16 頁中的詳細(xì)信息https://www.bosch-sensortec.com/media/boschsensortec/downloads/datasheets/bst-bme688- ds000.pdf

下面是 Thingy53 廣播 gas-0 到 gas-9 作為連續(xù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的 json 數(shù)據(jù)包。

雖然到目前為止，這些寶貴的信息沒有任何用處，但這開辟了在服務(wù)器上運(yùn)行氣體識別智能的可能性，并且由于每個(gè) ML 項(xiàng)目都是從觀察數(shù)據(jù)開始的，這可以提供一個(gè)很好的洞察力傳感器如何工作。

Zephyr-RTOS 為什么不是 Arduino 或 microPython？

請注意，該項(xiàng)目基于 Zephyr-RTOS，與 Arduino 相比，這是一個(gè)高級環(huán)境，但它可以被視為可以在 Arduino 應(yīng)用程序框架下運(yùn)行的較低層。該應(yīng)用程序也是用 C++ 編寫的，因此一旦設(shè)置了項(xiàng)目，它也可以在應(yīng)用程序級別具有與 Arduino 類似的可訪問性，不過我想與社區(qū)成員聯(lián)系，幫助我將這些 BME688 驅(qū)動(dòng)程序和 Thingy53 Zephyr-RTOS 環(huán)境移植到Arduino 和 microPython，我確信可以將此硬件的范圍擴(kuò)展到更大的社區(qū)。