aZholtikov/zh_avr_bme280_sensor
1
0 Fork 0
Code Issues Pull Requests Actions Packages Projects Releases Wiki Activity
Files
ce85a11d4ccef1f7d22a337dc9027f2021c8d71e
zh_avr_bme280_sensor/wiki_ru.md
T
aZholtikov 36491e9a9e feat: initial
2026-10-22 21:39:05 +03:00

23 KiB
Raw Blame History

Описание компонента zh_avr_bme280_sensor

Общие сведения

zh_avr_bme280_sensor — прошивка для AVR-микроконтроллеров ATMega168/328, реализующая беспроводной датчик климата на базе датчика BME280 и трансивера nRF24L01+.

Компонент работает в режиме глубокого сна (Power-down), просыпается по таймеру (watchdog), измеряет температуру, влажность и давление на датчике BME280 (интерфейс I2C) и передаёт на шлюз пакет с идентификатором устройства и уровнем заряда батареи.

Основные возможности

  1. Сверхнизкое энергопотребление — около 5 мкА в режиме сна.
  2. Измерение климата — температура, влажность и атмосферное давление датчиком BME280 по шине I2C.
  3. Передача уровня заряда батареи — измерение напряжения через внутренний АЦП с опорным напряжением 1,1 В.
  4. Работа по протоколу nRF24L01+ — передача через SPI, адресная доставка на шлюз.
  5. Поддержка нескольких МК — ATMega168/168P/168PB/328/328P/328PB.
  6. Пробуждение по watchdog-таймеру — WDT с интервалом ~8 секунд, цикл работы каждые WDT_WAKE_COUNT (38) прерываний ≈ 5 минут.
  7. Автономная работа — не требует внешних подтягивающих резисторов.

Внутреннее устройство

Структура данных

Компонент не использует динамическое выделение памяти и сложные структуры данных. Все данные передаются как массив int16_t фиксированной длины.

Формат передаваемого пакета

Пакет формируется в глобальной переменной transmitted_data типа zh_rf_sensor_transmitted_data_t из внешней библиотеки zh_rf_config и передаётся побайтово как массив байтов (sizeof структуры — 14 байт).

Поле Тип Описание
id int16_t Идентификатор устройства (DEVICE_ID = 6)
type int16_t Тип устройства (ZH_RF_SENSOR_BME280)
value_1 int16_t Влажность (%, например 45 = 45 %)
battery_voltage int16_t Напряжение батареи × 100 (например, 330 = 3.30 В)
value_2 int16_t Температура (°C, например 25 = 25 °C)
value_3 int16_t Давление (мм рт. ст.)
value_4 int16_t Зарезервировано (равно 0)

Тип устройства задаётся значением перечисления ZH_RF_SENSOR_BME280 из библиотеки zh_rf_config.

Конфигурационные макросы

Макрос Значение Описание
GATEWAY_CHANNEL 120 Радиоканал шлюза
GATEWAY_ADDRESS 0xDDEEFF 3-байтовый адрес шлюза
DEVICE_ID 6 Уникальный идентификатор устройства
WDT_WAKE_COUNT 38 Количество прерываний WDT до пробуждения (≈ 5 минут)
ZH_TWI_TWBR 32 Значение регистра TWBR для задания скорости аппаратного TWI
BME280_ADDR 0x76 7-битный адрес датчика BME280 на шине I2C

Управление памятью

Компонент не использует динамическую память. Все данные хранятся в статической области и регистрах микроконтроллера. Глобальная переменная transmitted_data объявлена как static и заполняется при старте (идентификатор и тип). В цикле обновляются все поля данных: battery_voltage, value_1 (влажность), value_2 (температура), value_3 (давление).

API (интерфейс)

Все функции являются static и доступны только внутри модуля main.c.

Инициализация

Функция Описание
zh_wdt_init() Инициализация watchdog-таймера (~8 сек, прерывание WDT_vect) для периодического пробуждения
zh_i2c_init() Инициализация аппаратного TWI (I2C) на пинах PC4 (SDA), PC5 (SCL), TWBR = 32
zh_bme280_init() Инициализация датчика BME280: проверка CHIP_ID, сброс, чтение калибровки, настройка режима
zh_spi_init() Инициализация аппаратного SPI в режиме мастера (Fosc/2)
zh_nrf24_init() Инициализация трансивера nRF24L01+ в режим передачи

Измерение

Функция Описание
zh_get_battery_voltage() Измерение напряжения батареи через внутренний АЦП с опорой 1,1 В (две конверсии, усреднение)

Чтение данных BME280

Функция Описание
zh_bme280_read() Чтение 8 сырых байт из BME280 и распаковка ADC значений температуры, давления, влажности
zh_bme280_compensate_temperature() Компенсация сырой температуры по калибровочным коэффициентам (результат в °C)
zh_bme280_compensate_pressure() Компенсация сырого давления по калибровочным коэффициентам (результат в Па)
zh_bme280_compensate_humidity() Компенсация сырой влажности по калибровочным коэффициентам (результат в %, диапазон [0, 100])

Передача данных

Функция Описание
zh_nrf24_send() Передача буфера через nRF24L01+: Power Up, FLUSH_TX, W_TX_PAYLOAD, импульс CE, ожидание IRQ с таймаутом 100 мс, сброс статуса

Низкоуровневые SPI-операции

Функция Описание
zh_spi_transfer() Обмен одного байта по SPI (полный дуплекс)
zh_nrf24_write_register() Запись одного байта в регистр nRF24L01+
zh_nrf24_write_buff_register() Запись многобайтового буфера в регистр nRF24L01+
zh_nrf24_write_buffer() Запись буфера данных с указанной командой (CSN управляется вручную через PB2)
zh_nrf24_send_command() Отправка однобайтовой команды и чтение статуса

Низкоуровневые TWI-операции (аппаратный I2C)

Функция Описание
zh_i2c_wait() Ожидание флага TWINT с таймаутом 65535 итераций (возвращает false при зависании шины)
zh_i2c_start() Генерация стартового (или повторного стартового) условия, проверка статусов 0x08/0x10
zh_i2c_stop() Генерация стоп-условия с ограниченным ожиданием сброса бита TWSTO
zh_i2c_write() Передача одного байта через TWDR, проверка статусов ACK (0x18, 0x28, 0x40)
zh_i2c_read_ack() Чтение байта из TWDR с подтверждением ACK (возвращает 0xFF при таймауте)
zh_i2c_read_nack() Чтение последнего байта из TWDR без подтверждения NACK (возвращает 0xFF при таймауте)

Служебные TWI-функции BME280

Функция Описание
zh_bme280_write_reg() Запись одного байта в регистр BME280 (start, адрес, регистр, данные, stop, задержка 2 мс)
zh_bme280_read_reg() Чтение нескольких байт из регистров BME280 (repeated-start, ACK/NACK)

Потокобезопасность

Компонент работает на bare-metal AVR без RTOS. Единственная точка синхронизации — ISR watchdog-таймера (ISR(WDT_vect)), которая увеличивает wdt_wake_count (объявлен как static volatile uint8_t). Главный цикл проверяет этот счётчик после выхода из сна. Атомарная запись одного байта на AVR гарантирует отсутствие состояний гонки при инкременте. Весь остальной обмен с периферией (I2C, SPI, АЦП) выполняется последовательно в главном цикле.

Алгоритмы

Алгоритм инициализации BME280

  • Задержка 100 мс после включения.
  • Проверка CHIP_ID (регистр BME280_REG_ID, ожидается 0x60).
  • Сброс записью 0xB6 в регистр BME280_REG_RESET.
  • Чтение калибровочных коэффициентов: 26 байт из BME280_REG_CALIB00 и 7 байт из BME280_REG_CALIB26 (всего 33 байта, массив bme280_calib).
  • Конфигурация влажности: ctrl_hum = 0x01 (oversampling x1).
  • Конфигурация режима: config = 0x00 (фильтр off, standby off).
  • Конфигурация измерения: ctrl_meas = 0x25 (temp/pressure oversampling x16, forced mode).

Алгоритм компенсации BME280

Сырые ADC-значения пересчитываются в физические величины по алгоритмам производителя из datasheet BME280.

  • Температура: zh_bme280_compensate_temperature() — вычисляет bme280_t_fine (используется для давления и влажности), возвращает результат в °C. Деление на dig_t1 не выполняется (проверка dig_t1 == 0 не реализована).
  • Давление: zh_bme280_compensate_pressure() — возвращает результат в Па. При var1 == 0 (знаменатель ноль) возвращает 0.0.
  • Влажность: zh_bme280_compensate_humidity() — результат ограничивается диапазоном [0, 419430400] на промежуточном шаге, затем делится на 1024.0 и возвращается в процентах.

Алгоритм аппаратного TWI

  • Инициализация: TWSR = 0x00 (предделитель 1), TWBR = ZH_TWI_TWBR (32), включение модуля битом TWEN. Скорость: F_CPU / (16 + 2·TWBR·prescaler) ≈ 100 кГц при 8 МГц.
  • Стартовое/повторное стартовое условие: установка TWSTA, ожидание TWINT, проверка статуса (0x08 — START, 0x10 — REPEATED START).
  • Передача байта: запись в TWDR, сброс TWINT, ожидание завершения, проверка статусов подтверждения (0x18/0x28 — данные, 0x40 — адрес чтения).
  • Приём байта: установка TWEA для всех байт кроме последнего, чтение TWDR после TWINT.
  • Останов: установка TWSTO, ограниченное ожидание (1000 итераций) сброса бита аппаратно.
  • Обработка ошибок: каждая операция возвращает false при таймауте ожидания или неверном статусе, вызывающая сторона выполняет zh_i2c_stop().

Алгоритм передачи через nRF24L01+

  • Переход в Power Up (бит PWR_UP в CONFIG).
  • Ожидание 5 мс (время стартования осциллятора).
  • Очистка TX FIFO командой FLUSH_TX.
  • Загрузка полезной нагрузки командой W_TX_PAYLOAD.
  • Импульс CE длительностью 20 мкс для запуска передачи.
  • Ожидание завершения по пину IRQ (PD2) с таймаутом 100 мс.
  • Сброс флагов статуса, очистка FIFO, переход в Power Down.

Алгоритм сна и пробуждения

  • Инициализация WDT: прерывание по таймауту ~8 секунд (WDP3 | WDP0), без сброса MCU.
  • ISR WDT_vect: увеличивает wdt_wake_count, заново включает бит WDIE.
  • Главный цикл: переход в Power-down (sleep_cpu()). После пробуждения проверяется wdt_wake_count >= WDT_WAKE_COUNT (38 × 8 с ≈ 5 минут).
  • При достижении порога: обнуление счётчика, повторная инициализация BME280 (если датчик недоступен), чтение показаний и передача пакета через nRF24L01+.
  • Первое измерение выполняется сразу после инициализации перед входом в цикл.

Примеры использования

Типовой цикл работы (main)

int main(void)
{
    cli();
    zh_i2c_init();
    bme280_present = zh_bme280_init();
    zh_spi_init();
    zh_nrf24_init();
    zh_wdt_init();
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
    sei();

    int32_t adc_t = 0, adc_p = 0, adc_h = 0;

    // Первое измерение сразу после инициализации
    if (bme280_present == true) {
        if (zh_bme280_read(&adc_t, &adc_p, &adc_h) == true) {
            transmitted_data.battery_voltage =
                (int16_t)lroundf(zh_get_battery_voltage() * 100.0);
            transmitted_data.value_2 =
                (int16_t)lroundf(zh_bme280_compensate_temperature(adc_t));
            transmitted_data.value_3 =
                (int16_t)lroundf(zh_bme280_compensate_pressure(adc_p) * 0.00750062);
            transmitted_data.value_1 =
                (int16_t)lroundf(zh_bme280_compensate_humidity(adc_h));
            zh_nrf24_send((uint8_t *)&transmitted_data,
                          sizeof(transmitted_data));
        } else {
            bme280_present = false;
        }
    }

    for (;;)
    {
        sleep_enable();
        sleep_cpu();
        sleep_disable();
        if (wdt_wake_count >= WDT_WAKE_COUNT) {
            wdt_wake_count = 0;
            if (bme280_present == false) {
                bme280_present = zh_bme280_init();
            }
            if (bme280_present == true) {
                if (zh_bme280_read(&adc_t, &adc_p, &adc_h) == true) {
                    transmitted_data.battery_voltage =
                        (int16_t)lroundf(zh_get_battery_voltage() * 100.0);
                    transmitted_data.value_2 =
                        (int16_t)lroundf(zh_bme280_compensate_temperature(adc_t));
                    transmitted_data.value_3 =
                        (int16_t)lroundf(zh_bme280_compensate_pressure(adc_p) * 0.00750062);
                    transmitted_data.value_1 =
                        (int16_t)lroundf(zh_bme280_compensate_humidity(adc_h));
                    zh_nrf24_send((uint8_t *)&transmitted_data,
                                  sizeof(transmitted_data));
                } else {
                    bme280_present = false;
                }
            }
        }
    }
}

Изменение конфигурации под другое устройство

// Измените идентификатор для нового устройства
#define DEVICE_ID 7          // Уникальный ID в сети
#define GATEWAY_CHANNEL 120
#define GATEWAY_ADDRESS 0xDDEEFF
// Тип устройства задаётся перечислением ZH_RF_SENSOR_BME280

Подключение по SPI и I2C (схема выводов)

// Назначение пинов AVR:
// nRF24L01+ (SPI):
// PB2        -> CSN (управление SPI-селектом, выход)
// PB3        -> MOSI (назначается аппаратным SPI)
// PB5        -> SCK  (назначается аппаратным SPI)
// PB1        -> CE   (управление передачей, выход)
// PD2        -> IRQ  (вход, активный низкий, с подтяжкой к VCC)
// BME280 (I2C, аппаратный TWI):
// PC4        -> SDA (аппаратный TWI, pull-up)
// PC5        -> SCL (аппаратный TWI, pull-up)

Логирование

Логирование отсутствует.

Ошибки

Компонент не возвращает коды ошибок. Функции zh_bme280_init, zh_bme280_read, zh_bme280_write_reg, zh_bme280_read_reg возвращают bool (true при успехе). Остальные функции имеют тип void или возвращают однобайтовый статус SPI (uint8_t).

Условие Поведение
Нулевое показание АЦП zh_get_battery_voltage() возвращает 0.0
Неверный CHIP_ID BME280 zh_bme280_init() возвращает false, флаг bme280_present = false, при следующем цикле предпринимается повторная попытка инициализации
Таймаут ожидания TWINT zh_i2c_wait() возвращает false, операция TWI прерывается
Неверный статус TWI (NACK, ошибка шины) zh_i2c_start() / zh_i2c_write() возвращают false, вызывающая функция выполняет zh_i2c_stop()
Таймаут при чтении TWI zh_i2c_read_ack() / zh_i2c_read_nack() возвращают 0xFF
Ошибка чтения BME280 zh_bme280_read() возвращает false, пакет не формируется, bme280_present = false
var1 == 0 при компенсации давления zh_bme280_compensate_pressure() возвращает 0.0
Превышение таймаута передачи (~100 мс) Цикл ожидания IRQ прерывается, передача может быть неполной

Ограничения

  1. Только передача (TX-only) — компонент не принимает данные, шлюз не может отправить подтверждение на уровне приложения.
  2. Отсутствие шифрования — CRC включён, но AES-шифрование не используется. Пакеты могут быть перехвачены.
  3. Жёстко зашитый адрес шлюза — смена адреса требует перепрошивки.
  4. Таймаут передачи ~100 мс — если шлюз недоступен, передача прерывается. Аппаратные ретрансмиты nRF24L01+ (SETUP_RETR = 0xFF: 15 попыток с интервалом до 500 мс) включены.
  5. Отсутствие валидации dig_t1 — в zh_bme280_compensate_temperature() нет проверки dig_t1 == 0, что может привести к делению на ноль.
  6. Точность измерения батареи — зависит от стабильности внутреннего опорного напряжения 1,1 В.
  7. Программные задержки в TWI — обмен с BME280 выполняется на аппаратном TWI, но ожидание TWINT реализовано поллингом с таймаутом; прерывания TWI не используются.
  8. Задержка между измерениями ~5 минут — определяется произведением WDT_WAKE_COUNT (38) на интервал WDT (~8 секунд). В течение этого времени пакет не передаётся.
  9. Давление в мм рт. ст. — zh_bme280_compensate_pressure() возвращает давление в Паскалях, для перевода в пакет умножается на 0.00750062 (коэффициент пересчёта Па → мм рт. ст.).
  10. Температура и влажность без масштабирования — значения передаются как целые числа (°C и %), дробная часть теряется.

Требования для сборки

  • PlatformIO с плагином platform-atmelavr
  • AVR-GCC (входит в состав PlatformIO)
  • Библиотека zh_rf_config (подключается через lib_deps в platformio.ini)
  • Программатор USBasp (или совместимый)
  • Фьюзы: LFUSE=0xE2, HFUSE=0xDF, EFUSE=0x07 (8 МГц, без делителя)

Установка

Сборка и прошивка через PlatformIO

pio run -e ATmega328P -t upload

Подключение в проекте

Компонент является самодостаточной прошивкой — не подключается как библиотека. Для интеграции в другой проект скопируйте src/main.c, добавьте зависимость zh_rf_config и адаптируйте макросы конфигурации.

; platformio.ini
lib_deps =
    https://github.com/aZholtikov/zh_rf_config

// Зависимости: стандартные заголовки AVR-libc, математика и конфигурация протокола
#include "avr/io.h"
#include "avr/sleep.h"
#include "avr/fuse.h"
#include "avr/interrupt.h"
#include "util/delay.h"
#include "math.h"
#include "zh_rf_config.h"
Reference in new issue View Git Blame Copy Permalink