描述

介紹

本教程展示了如何使用 AVNET Azure Sphere 套件來：

• 從 CCS811 傳感器讀取空氣質量數據 (CO2/VOC)
• 從 BME280 傳感器讀取溫度和濕度
• 使用 PCA9685 控制器控制 RGB LED 二極管

這些 I2C 模塊沒有用于 Azure Sphere 的公共軟件驅動程序，因此我們將開發基于 Arduino 庫的庫。

作為將所有東西組裝在一起的一部分，我們將構建自己的 microBUS 兼容空氣質量模塊。

我們會將數據發送到 Azure Cloud。無論如何，我不會詳細介紹如何設置 Azure Sphere 設備并將其與 Azure IoT Central 連接，因為這里已經有很棒的教程可供遵循：

*將 Azure Sphere 連接到 Azure IoT Central

* Azure Sphere 和 Mikroe 空氣質量發送到 IoT Central

最后但并非最不重要的一點 - 我們會將整個項目放在適合嬰兒的情況下.. :)

1. 組件

我對廉價的 I2C arudino 模塊有一些經驗，所以我想用 Azure Sphere 板試試它們。對于室內空氣質量監測設備，我將使用 CCS811 傳感器和 BME280 傳感器。為了控制 RGB LED 模塊，我將使用 PCA9685 控制器。LED 指示燈將是顯示實際室內空氣質量水平的簡便方法。將有3個級別。

1.1 CCS811傳感器模塊

CCS811 是一種超低功耗數字氣體傳感器解決方案，集成了金屬氧化物 (MOX) 氣體傳感器，可通過微控制器單元 (MCU) 檢測各種揮發性有機化合物 (VOC)，用于室內空氣質量監測，其中包括模數轉換器 (ADC) 和 I2C 接口。

CCS811 支持智能算法處理原始傳感器測量值，以輸出等效的總 VOC (eTVOC) 和等效的 CO2 (eCO2) 值，其中 VOC 的主要原因來自人類。

eCO2 CCS811 的等效 CO2 (eCO2) 輸出范圍為 400ppm 至 29206ppm。CCS811 的等效總揮發性有機化合物 (eTVOC) 輸出范圍為 0ppb 至 32768ppb。

CCS811支持溫濕度變化補償。對于溫度和濕度檢測，我們將使用 BME280 傳感器模塊。

更多信息：CCS811 數據表

我們可以在 eBay 上購買的廉價分線模塊看起來像這樣：

連接到 Azure Sphere 很簡單：

• 傳感器 I2C SDA <------> mikroBUS I2C SDA
• 傳感器 I2C SCL <------> mikroBUS I2C SCL
• 傳感器 GND <------> mikroBUS GND
• 傳感器 WAK <------> mikroBUS GND [CCS811 傳感器將始終開啟]
• 傳感器 VCC <------> mikroBUS 3.3V

1.2 BME280傳感器模塊

BME280 是一款組合式數字溫度、濕度和氣壓傳感器。它同時提供 I2C 和 SPI 接口。

• 溫度范圍：-40 至 +85°C
• 濕度范圍：0% 至 100% 相對值。濕度
• 壓力范圍：300hPa 至 1100hPa

更多信息：BME 數據表

便宜的分線模塊，你可以在 eBay 上買到，看起來像這樣：

連接到 Azure Sphere 很簡單：

• 傳感器 I2C SDA <------> mikroBUS I2C SDA
• 傳感器 I2C SCL <------> mikroBUS I2C SCL
• 傳感器 GND <------> mikroBUS GND
• 傳感器 VCC<------> mikroBUS 3.3V

1.3 PCA9685控制器模塊

PCA9685 是一款 I2C 總線控制的 16 通道 LED 控制器，針對紅/綠/藍/琥珀色 (RGBA) 彩色背光應用進行了優化。每個 LED 輸出都有自己的 12 位分辨率（4096 級）固定頻率獨立 PWM 控制器，以可編程頻率運行，典型頻率為 24 Hz 至 1526 Hz，占空比可在 0 % 至 100 % 范圍內調節，以允許LED 被設置為特定的亮度值。所有輸出都設置為相同的 PWM 頻率。每個 LED 輸出都可以關閉或打開（無 PWM 控制）或設置為其單獨的 PWM 控制器值。

更多信息：PCA9685 數據表

可以在 eBay 或 Aliexpress 上購買的廉價分線模塊如下所示：

• 傳感器 I2C SDA <------> mikroBUS I2C SDA
• 傳感器 I2C SCL <------> mikroBUS I2C SCL
• 傳感器 GND <------> mikroBUS GND
• 傳感器 VCC <------> mikroBUS 3.3V
• 傳感器 V+ <------> mikroBUS 3.3V

1.4 RGB LED模組

模組采用5050全彩超高亮LED，并帶有限流電阻，防止燒毀LED。LED驅動方式可以：共陰極（-）驅動或共陽極（+）驅動。

您可以在此處找到有關使用共陰極/共陽極 RGB LED 的更多信息。

1.5 自制mikroBUS空氣質量模塊

好的，我可以直接用杜邦線將 I2C 模塊與 Azure Sphere 連接起來，但是如何制作自己的“mikroBUS”板呢？我們是黑客，所以讓我們來吧。我只需要通用 PCB、單排公頭易斷排針、電線、焊錫絲和烙鐵。

MicroBUS 引出線：

焊接很容易，我只是用分線模塊連接了 SDA、SCL、+3.3V 和 GND。我還將 GND 連接到 CCS811 的 WAK 引腳。務必打磨右下角以獲得正確的模塊方向。

結果：

1.5 組裝

對于住房，我將使用宜家的兒童燈。

我用螺絲固定電路板，但你也可以使用扎帶或膠水。結果看起來像這樣：

我們將附加到“窗口”區域內的 RGB LED 模塊。

2. 軟件

這些 I2C 模塊沒有適用于 Azure Sphere 的公共軟件驅動程序，因此我必須開發庫。首先，為了了解傳感器的工作原理，我研究了規格表。但為什么要從零開始重新發現一切！？我可以基于 Arduino 庫為 CCS811/BME280/PCA9685 創建自己的庫。

2.1 CCS811 驅動程序

我的 Azure Sphere 驅動程序有幾個公共函數：

bool ccs811_begin(void);

用于傳感器初始化

uint8_t ccs811_readData(void);

用于讀取測量值（它同時讀取 eCO2 和 eTVOC，為了獲取值，我還有其他功能。

uint16_t ccs811_geteCO2(void);

得到eCO2。輸出范圍從 400ppm 到 29206ppm。

uint16_t ccs811_geteTVOC(void);

獲取 eTVOC。輸出范圍從 0ppb 到 32768ppb。

void css811_setEnvironmentalData(double humidity, double temperature);

設置因溫度和濕度變化而引起的環境數據。用于補償。

2.2 BME280驅動

我的 Azure Sphere 驅動程序有幾個公共函數：

bool bme280_begin(void);

用于傳感器初始化。

double bme280_readTemperature(void);
double bme280_readPressure(void);
double bme280_readHumidity(void);

獲取溫度、壓力和濕度。

2.3 PCA9685驅動

void pca9685_begin(void);

用于傳感器初始化。

void pca9685_setPWM(uint8_t num, uint16_t on, uint16_t off);

設置 PCA9685 引腳之一（0 到 15）的 PWM 輸出 - 在 4096 部分周期中的哪個點打開和關閉 PWM 輸出。

2.4 將 Azure Sphere 連接到 Azure IoT Central

關于連接到 Azure Sphere IoT Central 的精彩教程在這里。

我也是這樣做的，只是將 i2c.c 中的遙測 json 消息修改為：

snprintf(pjsonBuffer, JSON_BUFFER_SIZE, "{"temperature": "%.2f", "pressure": "%.2f", "humidity": "%.2f", "eco2": "%d", "etvoc": "%d"}", temperature, pressure, humidity, eCO2, eTVOC);

2.5 應用

對于這個項目，Avnet 提供的演示代碼是一個很好的起點：

https://github.com/Avnet/AvnetAzureSphereStarterKitReferenceDesign

我對 main.c、i2c.c 進行了自己的修改，并添加了傳感器驅動程序（sensor_ccs280.c、sensor_ccs280.h、sensor_bme280.c、sensor_bme280.h、sensor_pca9685.c 和 sensor_pca9685.h）。

在主要。根據實際 eCO2 值控制 RGB LED 有變化：

/* LED color based on eCO2 */
airQuality = geteCO2();
if (airQuality > 0 && airQuality < 800) {
// blue
GPIO_SetValue(userLedRedFd, GPIO_Value_High);
GPIO_SetValue(userLedGreenFd, GPIO_Value_High);
GPIO_SetValue(userLedBlueFd, GPIO_Value_Low);
pca9685_setPWM(0, 0, 4095); // red off
pca9685_setPWM(1, 0, 4095); // green off
pca9685_setPWM(2, 0, 0); // blue on (common anode)
}
else if (airQuality >= 800 && airQuality < 1200) {
// green
GPIO_SetValue(userLedRedFd, GPIO_Value_High);
GPIO_SetValue(userLedGreenFd, GPIO_Value_Low);
GPIO_SetValue(userLedBlueFd, GPIO_Value_High);
pca9685_setPWM(0, 0, 4095); // red off
pca9685_setPWM(1, 0, 0); // green on (common anode)
pca9685_setPWM(2, 0, 4095); // blue off
}
else if (airQuality >= 1200) {
// red
GPIO_SetValue(userLedRedFd, GPIO_Value_Low);
GPIO_SetValue(userLedGreenFd, GPIO_Value_High);
GPIO_SetValue(userLedBlueFd, GPIO_Value_High);
pca9685_setPWM(0, 0, 0); // red (common anode)
pca9685_setPWM(1, 0, 4095); // green
pca9685_setPWM(2, 0, 4095); // blue
}
else {
GPIO_SetValue(userLedRedFd, GPIO_Value_High);
GPIO_SetValue(userLedGreenFd, GPIO_Value_High);
GPIO_SetValue(userLedBlueFd, GPIO_Value_High);
// no measurement yet
pca9685_setPWM(0, 0, 4095); // red off
pca9685_setPWM(1, 0, 4095); // green off
pca9685_setPWM(2, 0, 4095); // blue off
}

在 i2c.c 中有代碼，它從傳感器讀取值并將值發送到 Azure IoT Central。

最終代碼可在 GitHub 上獲得。