项目背景
感谢贸泽和硬禾联合举办的M-Design活动，本项目完成的任务方向是 方向三：无线通信、物联网 -> 蓝牙。具体实现的功能是arduino nano开发板通过i2c接口获取板载温湿度传感器NSTH30温湿度数据采集并通过蓝牙BLE上传到微信小程序并动态展示。微信小程序也有开关按钮可以控制板载的LED小灯。
系统框图：
程序流程图：
主要模块介绍：
主控单元Arduino Nano Matter开发板：
Arduino Nano Matter 板采用 SiLabs MGM240SD22VNA 微控制器构建，该微控制器包含一个运行频率高达 78MHz 的 32 位 Arm Cortex-M33 内核，并具有数字信号处理（DSP）和浮点单元（FPU）加速功能。板载 256kB 静态随机存取存储器（SRAM）和 1536kB 大容量闪存，以及 IEEE 802.15.4 和蓝牙 5.3 低功耗（BLE）无线电模块，前者支持 Thread 等协议，后者支持蓝牙 Mesh。
该板采用面包板友好型设计，具有 22 个外露的通用输入 / 输出（GPIO）引脚，所有引脚均支持外部中断和脉冲宽度调制（PWM）输出，但同时只能使用五个 PWM 输出。20 个引脚可作为 12 位模数转换器（ADC）的输入，其中四个引脚可提供 8 至 12 位分辨率的数模转换（DAC）。Arduino 称，每个引脚在 3.3V 时可提供 40mA 电流和吸收 28mA 电流
需要注意的是目前这款板子有社区预览版和正式版，在购买的时候需要仔细查看一下。细微的区别在于板子能否输出5V电压，社区预览版无此功能。
在编译代码的时候，需要正确选择所使用的协议栈，否则会出现编译错误。
传感器扩展板
（资料：https://www.eetree.cn/platform/2590）是硬禾学堂推出的传感器模块，方便进行快速原型开发。
扩展板搭载了几款常见传感器和功能模块，包括为初学者准备的麦克风、蜂鸣器、、红外收发、霍尔效应开关、加热电阻，为进阶操作准备的温湿度传感器、六轴传感器、接近/环境光/IR传感器、颜色传感器。其中温湿度传感器、六轴传感器、接近传感器、颜色传感器可拆卸为单个模块，通过杜邦线等连接线延伸其使用的空间范围。出厂默认传感器正面朝上使用。若需背面朝上使用，则自行焊接排母后按指示方向插入。
本项目着重使用的是板载的纳芯微公司的NSHT30温湿度传感器。NSHT30是一款基于CMOS-MEMS的相对湿度 （%RH）和温度（T）传感器。它在单芯片上 集成了一个完整的传感器系统，包括电容式的 相对湿度传感器、COMS温度传感器和信号处 理器以及I 2 C数字通信接口，采用 2.5mm×2.5mm×0.9mm的DFN空腔封装。 其I2C接口的通信方式、极小的封装和低功耗 特性使得NSHT30可以更广泛地集成到各种应 用中。
NSHT30 有两种工作模式，其中Single shot mode 为单次测量模式，用户可发送hex code:2400（high） /240B（Medium）/2416（low）触发该模式，不同指令对应不同的可重复性配置，详见下表。
芯片接受到单次转换命令后，根据指令对应的Repeatability配置，进行一次温湿度测量，并在测量完成 后更新一次测量数据，测量数据包含温度值，温度CRC值，湿度值和湿度CRC值。用户可通过I2 C总线，从 芯片I2C地址回读6Bytes数据，根据CRC校验结果判定无异常后，根据转换公式转换为温度值，相对湿度 值；具体可参考DataSheet及Demo Code部分。
首先要初始化NSHT30，其地址为0x44：
if (!sht31.begin(0x44)) { // Set to 0x44 for alternate i2c addr
Serial.println("Couldn't find SHT31");
while (1) delay(1);
}
/**
* Initialises the I2C bus, and assigns the I2C address to us.
*
* @param i2caddr The I2C address to use for the sensor.
*
* @return True if initialisation was successful, otherwise False.
*/
bool Adafruit_SHT31::begin(uint8_t i2caddr) {
if (i2c_dev) {
delete i2c_dev; // remove old interface
}
i2c_dev = new Adafruit_I2CDevice(i2caddr, _wire);
if (!i2c_dev->begin()) {
return false;
}
reset();
return readStatus() != 0xFFFF;
}
接下来是温湿度数据的获取：
float temperature = sht31.readTemperature();
float humidity = sht31.readHumidity();
/**
* Internal function to perform a temp + humidity read.
*
* @return True if successful, otherwise false.
*/
bool Adafruit_SHT31::readTempHum(void) {
uint8_t readbuffer[6];
if (!writeCommand(SHT31_MEAS_HIGHREP))
return false;
delay(20);
if (!i2c_dev->read(readbuffer, sizeof(readbuffer)))
return false;
if (readbuffer[2] != crc8(readbuffer, 2) ||
readbuffer[5] != crc8(readbuffer + 3, 2))
return false;
int32_t stemp = (int32_t)(((uint32_t)readbuffer[0] << 8) | readbuffer[1]);
// simplified (65536 instead of 65535) integer version of:
// temp = (stemp * 175.0f) / 65535.0f - 45.0f;
stemp = ((4375 * stemp) >> 14) - 4500;
temp = (float)stemp / 100.0f;
uint32_t shum = ((uint32_t)readbuffer[3] << 8) | readbuffer[4];
// simplified (65536 instead of 65535) integer version of:
// humidity = (shum * 100.0f) / 65535.0f;
shum = (625 * shum) >> 12;
humidity = (float)shum / 100.0f;
return true;
}
串口可以打印温湿度数据：
07:17:39.011 -> Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.57
如果要使用BLE传输至微信小程序，还需要增加如下代码：
/**************************************************************************/ /**
* Sends a BLE indication with the current temperature to the connected device
* if enabled, then waits for a second
*****************************************************************************/
static void handle_temperature_indication() {
// Return immediately if indications are not enabled
if (!indication_enabled) {
return;
}
uint8_t buffer[4];
// Get the current CPU temperature
float temperature = sht31.readTemperature();
float humidity = sht31.readHumidity();
int32_t TenMillicelsius = (int32_t)(temperature * 100);
int32_t TenMillihumidity = (int32_t)(humidity * 100);
buffer[0] = (uint8_t)(TenMillicelsius / 10);
buffer[1] = (uint8_t)TenMillicelsius % 10;
buffer[2] = (uint32_t)(humidity*100)/100;
buffer[3] = (uint32_t)(humidity*100)%100;
// Send the indication
sl_bt_gatt_server_send_indication(connection_handle, temp_measurement_characteristic_handle, sizeof(buffer), buffer);
if (! isnan(temperature)) { // check if 'is not a number'
Serial.print("Temp *C = "); Serial.print(temperature); Serial.print("\t\t");
} else {
Serial.println("Failed to read temperature");
}
if (! isnan(humidity)) { // check if 'is not a number'
Serial.print("Hum. % = "); Serial.println(humidity);
} else {
Serial.println("Failed to read humidity");
}
// Wait for a second
delay(1000);
}
代码中之所以要先扩大100倍，就是想把小数部分也传输过去。
微信小程序部分主要是作为BLE 主机来扫描周围BLE设备，然后发起连接。连接成功后，作为GATT 客户端来获取GATT服务器侧的温湿度数据（特性值）。核心代码如下：
getBLEDeviceCharacteristics(deviceId, serviceId) {
wx.getBLEDeviceCharacteristics({
deviceId,
serviceId,
success: (res) => {
console.log('getBLEDeviceCharacteristics success', res.characteristics)
for (let i = 0; i < res.characteristics.length; i++) {
let item = res.characteristics[i]
if (item.properties.read) {
wx.readBLECharacteristicValue({
deviceId,
serviceId,
characteristicId: item.uuid,
})
}
if (item.properties.write) {
this.setData({
canWrite: true
})
this._deviceId = deviceId
this._serviceId = serviceId
this._characteristicId = item.uuid
this.writeBLECharacteristicValue()
}
if (item.properties.notify || item.properties.indicate) {
wx.notifyBLECharacteristicValueChange({
deviceId,
serviceId,
characteristicId: item.uuid,
state: true,
})
}
}
},
fail(res) {
console.error('getBLEDeviceCharacteristics', res)
}
})
// 操作之前先监听，保证第一时间获取数据
wx.onBLECharacteristicValueChange((characteristic) => {
const idx = inArray(this.data.chs, 'uuid', characteristic.characteristicId)
const data = {}
if (idx === -1) {
data[`chs[${this.data.chs.length}]`] = {
uuid: characteristic.characteristicId,
value: ab2hex(characteristic.value)
}
} else {
data[`chs[${idx}]`] = {
uuid: characteristic.characteristicId,
value: ab2hex(characteristic.value)
}
}
if(characteristic.characteristicId == '0000FE42-8E22-4541-9D4C-21EDAE82ED19' ||characteristic.characteristicId == '00002A1C-0000-1000-8000-00805F9B34FB' )
{
let dataView = new DataView(characteristic.value)
const temp = ((dataView.getUint8(0))*10 + dataView.getUint8(1))*1.0/100.0;
const hum = ((dataView.getUint8(2))*100 + dataView.getUint8(3))*1.0/100.0;
this.setData({
humidity: hum,
temperature: temp,
})
}
this.setData(data);
})
}
实物展示部分如下所示
系统上电后，打卡微信小程序，点击开始扫描，可以发现名称为“EETREE M-Design”的BLE广播名称，点击进行连接。
点击EETREE M-Desgin发起连接：
与此同时，串口也输出相应的调试信息：
Connection opened
BLE event: 0x20600A0
Value Len: 1
027
BLE event: 0x40600A0
Value Len: 1
027
BLE event: 0x80600A0
Value Len: 175
10
BLE event: 0x900A0
Value Len: 175
10
BLE event: 0x90600A0
Value Len: 0
728
BLE event: 0x20600A0
Value Len: 1
0251
BLE event: 0x20600A0
Value Len: 1
0251
Temperature indication enabled
Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.13
BLE event: 0xA00A0
Value Len: 2
10
BLE event: 0x40600A0
Value Len: 15
00
Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.13
Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.14
Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.13
Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.15
Temp *C = 14.63 Hum. % = 58.23
除了实时温湿度蓝牙上报，还具有蓝牙开关灯的功能。
心得体会：
之前对贸泽的了解不是很多，通过这次活动也了解了更多的采购渠道，借助本次活动，成功了完成了自己对BLE传输温湿度数据的小目标。期待后续活动能够持续下去，然后借助比赛，提高自己对能力。
再次感谢硬禾和贸泽电子。
参考：
- 小程序部分参考了刘工（网友：lulugl）分享的小程序模板
- Nano Matter https://docs.arduino.cc/hardware/nano-matter/
- 温湿度传感器-NSHT30
爱洗头的程序员
littlestudent
枫雪天