如何使用AVNET Azure Sphere套件

描述

介绍

本教程展示了如何使用 AVNET Azure Sphere 套件来：

• 从 CCS811 传感器读取空气质量数据 (CO2/VOC)
• 从 BME280 传感器读取温度和湿度
• 使用 PCA9685 控制器控制 RGB LED 二极管

这些 I2C 模块没有用于 Azure Sphere 的公共软件驱动程序，因此我们将开发基于 Arduino 库的库。

作为将所有东西组装在一起的一部分，我们将构建自己的 microBUS 兼容空气质量模块。

我们会将数据发送到 Azure Cloud。无论如何，我不会详细介绍如何设置 Azure Sphere 设备并将其与 Azure IoT Central 连接，因为这里已经有很棒的教程可供遵循：

*将 Azure Sphere 连接到 Azure IoT Central

* Azure Sphere 和 Mikroe 空气质量发送到 IoT Central

最后但并非最不重要的一点 - 我们会将整个项目放在适合婴儿的情况下.. :)

1. 组件

我对廉价的 I2C arudino 模块有一些经验，所以我想用 Azure Sphere 板试试它们。对于室内空气质量监测设备，我将使用 CCS811 传感器和 BME280 传感器。为了控制 RGB LED 模块，我将使用 PCA9685 控制器。LED 指示灯将是显示实际室内空气质量水平的简便方法。将有3个级别。

1.1 CCS811传感器模块

CCS811 是一种超低功耗数字气体传感器解决方案，集成了金属氧化物 (MOX) 气体传感器，可通过微控制器单元 (MCU) 检测各种挥发性有机化合物 (VOC)，用于室内空气质量监测，其中包括模数转换器 (ADC) 和 I2C 接口。

CCS811 支持智能算法处理原始传感器测量值，以输出等效的总 VOC (eTVOC) 和等效的 CO2 (eCO2) 值，其中 VOC 的主要原因来自人类。

eCO2 CCS811 的等效 CO2 (eCO2) 输出范围为 400ppm 至 29206ppm。CCS811 的等效总挥发性有机化合物 (eTVOC) 输出范围为 0ppb 至 32768ppb。

CCS811支持温湿度变化补偿。对于温度和湿度检测，我们将使用 BME280 传感器模块。

更多信息：CCS811 数据表

我们可以在 eBay 上购买的廉价分线模块看起来像这样：

连接到 Azure Sphere 很简单：

• 传感器 I2C SDA <------> mikroBUS I2C SDA
• 传感器 I2C SCL <------> mikroBUS I2C SCL
• 传感器 GND <------> mikroBUS GND
• 传感器 WAK <------> mikroBUS GND [CCS811 传感器将始终开启]
• 传感器 VCC <------> mikroBUS 3.3V

1.2 BME280传感器模块

BME280 是一款组合式数字温度、湿度和气压传感器。它同时提供 I2C 和 SPI 接口。

• 温度范围：-40 至 +85°C
• 湿度范围：0% 至 100% 相对值。湿度
• 压力范围：300hPa 至 1100hPa

更多信息：BME 数据表

便宜的分线模块，你可以在 eBay 上买到，看起来像这样：

连接到 Azure Sphere 很简单：

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

1.3 PCA9685控制器模块

PCA9685 是一款 I²C 总线控制的 16 通道 LED 控制器，针对红/绿/蓝/琥珀色 (RGBA) 彩色背光应用进行了优化。每个 LED 输出都有自己的 12 位分辨率（4096 级）固定频率独立 PWM 控制器，以可编程频率运行，典型频率为 24 Hz 至 1526 Hz，占空比可在 0 % 至 100 % 范围内调节，以允许LED 被设置为特定的亮度值。所有输出都设置为相同的 PWM 频率。每个 LED 输出都可以关闭或打开（无 PWM 控制）或设置为其单独的 PWM 控制器值。

更多信息：PCA9685 数据表

可以在 eBay 或 Aliexpress 上购买的廉价分线模块如下所示：

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

1.4 RGB LED模组

模组采用5050全彩超高亮LED，并带有限流电阻，防止烧毁LED。LED驱动方式可以：共阴极（-）驱动或共阳极（+）驱动。

您可以在此处找到有关使用共阴极/共阳极 RGB LED 的更多信息。

1.5 自制mikroBUS空气质量模块

好的，我可以直接用杜邦线将 I2C 模块与 Azure Sphere 连接起来，但是如何制作自己的“mikroBUS”板呢？我们是黑客，所以让我们来吧。我只需要通用 PCB、单排公头易断排针、电线、焊锡丝和烙铁。

MicroBUS 引出线：

焊接很容易，我只是用分线模块连接了 SDA、SCL、+3.3V 和 GND。我还将 GND 连接到 CCS811 的 WAK 引脚。务必打磨右下角以获得正确的模块方向。

结果：

1.5 组装

对于住房，我将使用宜家的儿童灯。

我用螺丝固定电路板，但你也可以使用扎带或胶水。结果看起来像这样：

我们将附加到“窗口”区域内的 RGB LED 模块。

2. 软件

这些 I2C 模块没有适用于 Azure Sphere 的公共软件驱动程序，因此我必须开发库。首先，为了了解传感器的工作原理，我研究了规格表。但为什么要从零开始重新发现一切！？我可以基于 Arduino 库为 CCS811/BME280/PCA9685 创建自己的库。

2.1 CCS811 驱动程序

我的 Azure Sphere 驱动程序有几个公共函数：

bool ccs811_begin(void);

用于传感器初始化

uint8_t ccs811_readData(void);

用于读取测量值（它同时读取 eCO2 和 eTVOC，为了获取值，我还有其他功能。

uint16_t ccs811_geteCO2(void);

得到eCO2。输出范围从 400ppm 到 29206ppm。

uint16_t ccs811_geteTVOC(void);

获取 eTVOC。输出范围从 0ppb 到 32768ppb。

void css811_setEnvironmentalData(double humidity, double temperature);

设置因温度和湿度变化而引起的环境数据。用于补偿。

2.2 BME280驱动

我的 Azure Sphere 驱动程序有几个公共函数：

bool bme280_begin(void);

用于传感器初始化。

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

获取温度、压力和湿度。

2.3 PCA9685驱动

void pca9685_begin(void);

用于传感器初始化。

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

设置 PCA9685 引脚之一（0 到 15）的 PWM 输出 - 在 4096 部分周期中的哪个点打开和关闭 PWM 输出。

2.4 将 Azure Sphere 连接到 Azure IoT Central

关于连接到 Azure Sphere IoT Central 的精彩教程在这里。

我也是这样做的，只是将 i2c.c 中的遥测 json 消息修改为：

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

2.5 应用

对于这个项目，Avnet 提供的演示代码是一个很好的起点：

https://github.com/Avnet/AvnetAzureSphereStarterKitReferenceDesign

我对 main.c、i2c.c 进行了自己的修改，并添加了传感器驱动程序（sensor_ccs280.c、sensor_ccs280.h、sensor_bme280.c、sensor_bme280.h、sensor_pca9685.c 和 sensor_pca9685.h）。

在主要。根据实际 eCO2 值控制 RGB LED 有变化：

/* 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 中有代码，它从传感器读取值并将值发送到 Azure IoT Central。

最终代码可在 GitHub 上获得。