描述

Github 回購

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

這個項目解決什么問題？

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行，并支持低功耗開放線程網狀網絡。不幸的是，目前還沒有允許 Thingy53 使用 BME688 的現有項目，唯一現有的 BME680 Zephyr 驅動程序無法讀取 BME688 氣體值。

集成 I2C 驅動程序和讀取寄存器值也是不夠的，因為 IAQ 需要博世僅在 .a 庫中發布的高級算法。

解決方案

這個項目包括

• Zephyr 將 BME688 驅動程序和二進制庫與博世的 BSEC2 算法集成在一起，用于 IAQ（室內空氣質量）測量。
• 帶有 OpenThread 的網狀網絡作為客戶端廣播 UDP 數據包并運行傳感器服務器。
• 具有用于配置的 json 輸入和用于傳感器的輸出的 C++ 應用程序支持服務器端點和廣播到 MQTT 的直接映射

輸出

在我們開始詳細的步驟描述之前，讓我們看一下您可以從該項目中獲得的最終結果。

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 的詳細信息如下，包括由 BSEC2 供應商庫計算的 breath_voc、co2_eq、iaq 和 iaq_accuracy，以及 gas0 中的原始氣體值、濕度、壓力、溫度，如果磨合完成（第一次長時間使用） , 如果穩定在上電后完成，最后是自上電以來的樣本計數。

開發套件

下面是一個打開的盒子 Nordic Thingy53 連接到 USB 和 j-Link 調試器

硬件

• Nordic 的Thingy53物聯網原型平臺
• Segger 的j-Link Edu mini （可選）

在這個 repo 的示例中使用的傳感器

BME688 數字鼻子：低功耗氣體、壓力、溫度和濕度傳感器，帶 AI

• BME688 產品頁面
• BME688 數據表
• BME688 數字鼻子：低功率氣體、壓力、溫度和濕度傳感器，帶 AI BME688 產品頁面BME688 數據表

顏色傳感器 BH1749NUC

• BH1749NUC 數據表
• 測量紅色、綠色、藍色和紅外線
• 照度檢測范圍 80 klx (0.0125 lux/count)
• 顏色傳感器 BH1749NUC BH1749NUC 數據表測量紅色、綠色、藍色和 IRIlluminance 檢測范圍 80 klx (0.0125 lux/count)

回購結構

驅動程序和庫

在此 repo 中創建了以下驅動程序和庫

BME688 Zephyr 驅動程序：在drivers/sensor/bme688

• BME68x-Sensor-API供應商驅動程序集成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 氣體測量值的驅動程序擴展功能

BME688 服務器：在subsys/bme688_server中

• 用于在 json 結構中配置 BME688 使用的 C++ 包裝器（溫度曲線和持續時間）
• 處理程序以 json 結構（溫度、濕度、壓力、gas-0..gas-9）傳遞傳感器結果
• Bosch-BSEC2-Library.供應商的 IAQ（室內空氣質量）測量二進制集成https://github.com/boschsensortec/Bosch-BSEC2-Library

BME688 組件和數據

用法

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

構建樣本

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

使用附加的調試器閃爍

>west flash

手動閃爍

• 連接USB
• 按住 SW2 開機，查看通過 USB 更新 thingy53的詳細信息
• 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此板創建一個標準輸出的 UAB 虛擬 COM 端口。注意使用nRFSDK Connect Serial Terminal可以自動檢測并重連串口，刷機后自動恢復非常有用
• RTT 調試器串行端口：使用CONFIG_USE_SEGGER_RTT=y附加調試器可以記錄日志，而不使用板 USB 設備，但這需要以不同方式重建示例。

加入線程網絡

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 啟動后按下 Thingy53 按鈕。該按鈕將重置設備并嘗試在新啟動時加入線程網絡。

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eui64參數進行調試

在樹莓派上

sudo ot-ctl
commissioner start
commissioner joiner add * ABCDE2

注意：在實際的部署項目中，加入者代碼是必須保密的關鍵信息，以防止設備劫持。

有關樹莓派邊界路由器安裝的更多詳細信息，請參閱“樹莓派服務器”部分

現在要創建一個完整的傳感器服務器，您可以立即跳轉到示例 20

20_sensors_server

樣本/20_sensors_server

• OpenThread Joiner 設備
• OpenThread mesh 客戶端廣播 udp json 數據包，其中包含電壓、活動計數器、充電狀態、環境光 RGB IR、溫度、壓力、濕度和室內空氣質量
• OpenThread 服務器端點可以接收 json 命令并發回響應

這個回購協議是如何創建的

本節包含一些提示，供那些愿意使用 Zephyr 為自己的應用程序創建類似項目的人使用。

• 第一步是熟悉 Zephyr，一個很好的參考是https://developer.nordicsemi.com/nRF_Connect_SDK/doc/latest/zephyr/develop/index.html
• 第二個是關注 west 的小節https://developer.nordicsemi.com/nRF_Connect_SDK/doc/latest/zephyr/develop/west/index.html

這個存儲庫針對 nRF 開發工具包，因此從 nRF 的 Zephyr 分支和其他依賴項中派生它更安全。步驟是：

• west.yml 依賴項取自https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf/blob/main/west.yml
• 默認遠程是 hsm 而不是 ncs，因此在projects:遠程 ncs 中需要在適用的地方添加
• 在應用程序中zephyr，name-allowlist有助于減少對 Zephyr 的依賴
• 另請注意，一些 Zephyr 依賴項可以替換為頂級項目，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) 進行比較并找到使用該標志的目錄（依賴項），例如缺少配置，其中定義了默認值，顯示依賴NRF_MODEM_LIB_SHMEM_CTRL_SIZE項從到NRF_MODEM_SHMEM_CTRL_SIZEnrfxlib\nrf_modem\Kconfignrfconnect/nrfnrfconnect/nrfxlib

如何測量電流消耗

Thingy53 帶有電流感應擴展板，可以使用 Nordic PPKII（Power Profile Kit）測量實時電流消耗https://www.nordicsemi.com/Products/Development-hardware/Power-Profiler-Kit- 2個

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。雖然在啟動時我們注意到峰值約為 50 mA，但平均周期持續時間約為 5 mA。

請注意，這當然高度依賴于使用的傳感器和無線外圍設備的使用頻率，這就是為什么在其現實生活條件下分析每個應用程序很重要的原因。

樹莓派服務器

這個 repo 提供了代碼和幫助程序來設置一個樹莓派 openthread 邊界路由器，它將 udp 數據包轉發到 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用程序協議。盡管 Matter 是一個選項，但它對于小型項目來說非常具有挑戰性，并且并不總是提供通過自定義傳感器結構所需的靈活性。如果您的應用程序只需要一個 json 結構，那么您可能不需要該 json 結構的專用二進制編碼，因為這是常見的應用程序協議的用途。

這里有一個直接鏈接到將 json udp 數據包轉發到 MQTT 的腳本，它非常簡單并且可以根據需要進行自定義，例如處理友好的名稱，以防您將傳感器位置從一個房間更改到另一個房間。

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

格拉法納儀表盤

現在我們的數據包已連接到 MQTT，剩下的就是如何將它們引入 Grafana。例如，鏈接的 Raspberry pi 服務器提供了設置自己的 influxDB 以記錄數據所需的一切。

下面是儀表板的屏幕截圖

注意：此屏幕截圖是傳感器校準階段的一部分，是的，因為這是一個 DevKit 而不是最終產品，因此必須由您完成校準，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 玩機器學習和氣體氣味識別（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并聯模式

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

下面是 Thingy53 廣播 gas-0 到 gas-9 作為連續存儲在數據庫中的 json 數據包。

雖然到目前為止，這些寶貴的信息沒有任何用處，但這開辟了在服務器上運行氣體識別智能的可能性，并且由于每個 ML 項目都是從觀察數據開始的，這可以提供一個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，該項目基于 Zephyr-RTOS，與 Arduino 相比，這是一個高級環境，但它可以被視為可以在 Arduino 應用程序框架下運行的較低層。該應用程序也是用 C++ 編寫的，因此一旦設置了項目，它也可以在應用程序級別具有與 Arduino 類似的可訪問性，不過我想與社區成員聯系，幫助我將這些 BME688 驅動程序和 Thingy53 Zephyr-RTOS 環境移植到Arduino 和 microPython，我確信可以將此硬件的范圍擴展到更大的社區。