利用AE-BME280和Raspberry Pi讀取溫度、濕度和壓力值

Published by Deviceplus 編輯團隊 at 2020.03.24

AE-BME280

圖 1: AE-BME280 / © Akizuki Denshi

使用BME280的溫度/濕度/壓力感測器模組套件BME280 (日語)
憑藉搭載Bosch Sensortec BMP280的感測器模組，您可以同時測量溫度、濕度和氣壓。該模組還可以透過I2C或SPI與微控制器通信。

我們將在本課程中使用這款超精巧型AE-BME280壓力感測器（尺寸：16x10mm）。該模組採購於日本零件供應商Akizuki Denshi，您也可以使用具有相同晶片的Adafruit BME280模組。請注意，Adafruit的引腳佈局略有不同，因此連線時請務必參考其技術規格書。

Adafruit BME280 技術規格書

BME280——一塊位於元件中心的微小銀晶片——承擔了大部分工作。該模組表面上還有一個非常小的開口，其作用是讀取數值，因此切勿遮蓋這個開口。

AE-BME280板和排針買來就是分開的。連接Raspberry Pi的最簡單方法就是將兩者組裝在一起，如圖1所示。這需要焊接。我購買的排針有10個引腳，但是連接AE-BME280只需6個引腳，所以應剪掉第6個引腳後面的排針。

技術規格請參見AE-BME280的日語手冊。

您可以用I2C或SPI進行通訊。由於我之前已經用過SPI，所以這次我將嘗試使用I2C。

I2C – 維基百科
I2C (積體電路匯流排)是一種由Philips Semiconductor（現為NXP Semiconductors）發明的序列匯流排。I2C代表I-平方-C。由於純文字環境中的字元限制，我們將其稱為I2C或IIC。該協定通常用於將低速週邊IC連至主機板、嵌入式系統和手機等裝置。

圖 2: 引腳編號和功能–摘自AE-BME280技術規格書

連接I2C或SPI是不同的，所以我們必須注意引腳接法。請參閱AE-BME280 技術規格書 (日語) 或 Adafruit BME280 技術規格書 (英語)。

如圖2所示，使用I2C時，我們需要焊接 J3 跳線。我們必須在此跳線處填充焊料。請注意，這僅適用於AE-BME280晶片。Adafruit晶片不需要設定此跳線。

焊接!

圖 3: 焊接裝置

現在，是時候焊接了！首先應加熱烙鐵。

焊料 – 維基百科
焊料是一種主要由鉛和錫組成的合金，與電烙鐵配合使用。主要用於連接金屬元件，以及將電氣元件焊接到電路板上。根據其成分，焊料會在4-10度時變成超導體。

我在這個項目中用的是這種焊料。這種焊料非常柔韌，容易洩漏，因此只能一點一點地送錫。我們還應準備一個吸錫器，以防萬一。如果送錫過多，可以用吸錫器吸掉多餘的焊料，所以要小心！

圖 4: 焊接 J3

首先，我們應焊接圖4所示的J3跳線。J3與相鄰引腳靠的很近，所以要小心不要焊接在一起。送錫時要小心仔細！

圖 5: 焊接排針

下一步是連接排針。我從電路板背面焊接排針。引腳之間的間隙非常小，因此很難將電烙鐵塞入。電路板兩端引腳的焊料結塊範例如圖5所示。

焊接技巧是先用烙鐵頭稍稍加熱引腳，然後再送錫。如果烙鐵尖過熱，焊料會燃燒並形成結塊。因此，我建議焊完一個引腳後，從電源插座上拔下電烙鐵並冷卻後再焊接下一個引腳。不必著急。小心不要將引腳焊接在一起。慢慢來！

圖 6: 連至麵包板的 AE-BME280

完成！排針焊接完畢，現在電路板垂直插在麵包板上。

焊接時，我不小心碰到了排針末端並稍微燙了一下，但幸運的是這並沒有影響讀數。

接線

現在，讓我們將Raspberry Pi連接到AE-BME280。連接示意圖如圖7所示，因為我們使用的是I2C通信。

圖 7: I2C 連接方法–摘自AE-BME280技術規格書

在Raspberry Pi上，“SDA”連至GPIO2（引腳3），“SCL”連到GPIO3（引腳5）。VDD連接到引腳1，這樣前3個GPIO引腳按順序排列（參見圖8）。接線時容易記憶。

圖 8: 接線示意圖

我將AE-BME280上的引腳5（SDO）連至GND，您也可以將其連至VDD。（請注意，如果這樣做，資料收集位址會發生變化）。

設定 Raspberry Pi

Raspberry Pi默認禁用I2C。啟用I2C的方法與啟用SPI的方法相同，請參閱上一個課程：Raspberry Pi WebIOPi 物聯網，類比輸入程式設計。在功能表中選擇[Preferences] – [Raspberry Pi Configuration]，然後打開“Settings ”螢幕。

點擊[Interfaces]選項卡，將[I2C]設為[Enable]

必須重新開機系統該設定才能生效，因此請在快顯視窗中按一下“Yes”。重啟後，I2C傳輸已啟用。

bme280

(OS: 2015年11月21日發佈的Raspbian Jessie版本)

接下來，我們安裝使用I2C所需的套裝軟體。我們需要在命令列中使用[i2c-tools]，在Python中使用[python-smbus]。

安裝命令
sudo apt-get install i2c-tools
sudo apt-get python-smbus

如果運行命令“i2cdetect”，系統會檢測透過I2C方式連接的所有裝置。

sudo i2cdetect -y 1

76是十六進位數；代表0x76

注：選擇I2C位址時，如果電路板（SDO）上的引腳5連至GND，那麼默認為[0x76]；如果連至VDD，則默認為[0x77]。

我將SDO連接到GND，因此顯示0x76，但如果連至VDD，則會顯示0x77。

此外，i2Cdetect命令中的最後一個參數取決於Raspberry Pi的版本。Revision 1（2012年10月14日之前發貨的Raspberry Pi Model B）使用0，而Revision 2指定使用1。我用的是Raspberry Pi 2 Model B，因此參數值為1。

我運行程式時發生了以下錯誤：

發生錯誤後，我查看了dev目錄，看到有一個名為[i2c-1]而不是[i2c-0]的檔。我無法打開這個檔，但我認為該檔包含記錄的測量值。

sudo i2cdump -y 1 0x76

bme280

上圖是我用i2Cdump命令輸出暫存器值的結果。看起來裝置讀取了很多數值，但是我無法分辨哪些值來自哪裡以及為什麼是這樣子的。

我很難對這些值進行轉換/計算，所以我從Switch Science程式館中借用了一些Python原始程式碼：

SWITCHSCIENCE/BME280

按一下右上角的“Download ZIP”連結，將Python27資料夾中的“bme_280_sample.py”文件放在Raspberry Pi的相應位置。注意：此程式需要“python-smbus”套裝軟體才能運行。

python /home/pi/bme280_sample.py

準備工作完成後，運行程式！成功運行之後，您會看到三行輸出：溫度、壓力和濕度。

bme280

注意：您必須具有root許可權才能運行smbus套裝軟體。和往常一樣，我嘗試用PHP運行，但是出現錯誤，所以我放棄了。bme_280_sample.py 原始程式碼中有很多複雜的計算，雖然我Python經驗很少，但是我仍然設法修改了輸出部分。我的部分客製化代碼如下：

/home/pi/bme280_custom.py

#coding: utf-8

import smbus
import time

bus_number  = 1
i2c_address = 0x76

bus = smbus.SMBus(bus_number)

digT = []
digP = []
digH = []

t_fine = 0.0

def writeReg(reg_address, data):
    bus.write_byte_data(i2c_address,reg_address,data)

def get_calib_param():
    calib = []

    for i in range (0x88,0x88+24):
        calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))
    calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,0xA1))
    for i in range (0xE1,0xE1+7):
        calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

    digT.append((calib[1] << 8) | calib[0])
    digT.append((calib[3] << 8) | calib[2])
    digT.append((calib[5] << 8) | calib[4])
    digP.append((calib[7] << 8) | calib[6])
    digP.append((calib[9] << 8) | calib[8])
    digP.append((calib[11]<< 8) | calib[10])
    digP.append((calib[13]<< 8) | calib[12])
    digP.append((calib[15]<< 8) | calib[14])
    digP.append((calib[17]<< 8) | calib[16])
    digP.append((calib[19]<< 8) | calib[18])
    digP.append((calib[21]<< 8) | calib[20])
    digP.append((calib[23]<< 8) | calib[22])
    digH.append( calib[24] )
    digH.append((calib[26]<< 8) | calib[25])
    digH.append( calib[27] )
    digH.append((calib[28]<< 4) | (0x0F & calib[29]))
    digH.append((calib[30]<< 4) | ((calib[29] >> 4) & 0x0F))
    digH.append( calib[31] )

    for i in range(1,2):
        if digT[i] & 0x8000:
            digT[i] = (-digT[i] ^ 0xFFFF) + 1

    for i in range(1,8):
        if digP[i] & 0x8000:
            digP[i] = (-digP[i] ^ 0xFFFF) + 1

    for i in range(0,6):
        if digH[i] & 0x8000:
            digH[i] = (-digH[i] ^ 0xFFFF) + 1 

def readData():
    data = []
    for i in range (0xF7, 0xF7+8):
        data.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))
    pres_raw = (data[0] << 12) | (data[1] << 4) | (data[2] >> 4)
    temp_raw = (data[3] << 12) | (data[4] << 4) | (data[5] >> 4)
    hum_raw  = (data[6] << 8)  |  data[7]

    #compensate_T(temp_raw)
    #compensate_P(pres_raw)
    #compensate_H(hum_raw)
    t = compensate_T(temp_raw)
    p = compensate_P(pres_raw)
    h = compensate_H(hum_raw)
    return p + "," + t + "," + h

def compensate_P(adc_P):
    global  t_fine
    pressure = 0.0

    v1 = (t_fine / 2.0) - 64000.0
    v2 = (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 2048) * digP[5]
    v2 = v2 + ((v1 * digP[4]) * 2.0)
    v2 = (v2 / 4.0) + (digP[3] * 65536.0)
    v1 = (((digP[2] * (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 8192)) / 8)  + ((digP[1] * v1) / 2.0)) / 262144
    v1 = ((32768 + v1) * digP[0]) / 32768

    if v1 == 0:
        return 0
    pressure = ((1048576 - adc_P) - (v2 / 4096)) * 3125
    if pressure < 0x80000000:         pressure = (pressure * 2.0) / v1     else:         pressure = (pressure / v1) * 2     v1 = (digP[8] * (((pressure / 8.0) * (pressure / 8.0)) / 8192.0)) / 4096     v2 = ((pressure / 4.0) * digP[7]) / 8192.0     pressure = pressure + ((v1 + v2 + digP[6]) / 16.0)        #print "pressure : %7.2f hPa" % (pressure/100)     return "%7.2f" % (pressure/100)     def compensate_T(adc_T):     global t_fine     v1 = (adc_T / 16384.0 - digT[0] / 1024.0) * digT[1]     v2 = (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * digT[2]     t_fine = v1 + v2     temperature = t_fine / 5120.0     #print "temp : %-6.2f ℃" % (temperature)     return "%.2f" % (temperature)   def compensate_H(adc_H):     global t_fine     var_h = t_fine - 76800.0     if var_h != 0:         var_h = (adc_H - (digH[3] * 64.0 + digH[4]/16384.0 * var_h)) * (digH[1] / 65536.0 * (1.0 + digH[5] / 67108864.0 * var_h * (1.0 + digH[2] / 67108864.0 * var_h)))     else:         return 0     var_h = var_h * (1.0 - digH[0] * var_h / 524288.0)     if var_h > 100.0:
        var_h = 100.0
    elif var_h < 0.0:
        var_h = 0.0
    #print "hum : %6.2f ％" % (var_h)
    return "%.2f" % (var_h)

def setup():
    osrs_t = 1            #Temperature oversampling x 1
    osrs_p = 1            #Pressure oversampling x 1
    osrs_h = 1            #Humidity oversampling x 1
    mode   = 3            #Normal mode
    t_sb   = 5            #Tstandby 1000ms
    filter = 0            #Filter off
    spi3w_en = 0            #3-wire SPI Disable

    ctrl_meas_reg = (osrs_t << 5) | (osrs_p << 2) | mode
    config_reg    = (t_sb << 5) | (filter << 2) | spi3w_en
    ctrl_hum_reg  = osrs_h

    writeReg(0xF2,ctrl_hum_reg)
    writeReg(0xF4,ctrl_meas_reg)
    writeReg(0xF5,config_reg)

setup()
get_calib_param()

if __name__ == '__main__':
    try:
        readData()
    except KeyboardInterrupt:
        pass

100

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121

#coding: utf-8

import smbus

import time

bus_number = 1

i2c_address = 0x76

bus = smbus.SMBus(bus_number)

digT = []

digP = []

digH = []

t_fine = 0.0

def writeReg(reg_address, data):

bus.write_byte_data(i2c_address,reg_address,data)

def get_calib_param():

calib = []

for i in range (0x88,0x88+24):

calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,0xA1))

for i in range (0xE1,0xE1+7):

calib.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

digT.append((calib[1] << 8) | calib[0])

digT.append((calib[3] << 8) | calib[2])

digT.append((calib[5] << 8) | calib[4])

digP.append((calib[7] << 8) | calib[6])

digP.append((calib[9] << 8) | calib[8])

digP.append((calib[11]<< 8) | calib[10])

digP.append((calib[13]<< 8) | calib[12])

digP.append((calib[15]<< 8) | calib[14])

digP.append((calib[17]<< 8) | calib[16])

digP.append((calib[19]<< 8) | calib[18])

digP.append((calib[21]<< 8) | calib[20])

digP.append((calib[23]<< 8) | calib[22])

digH.append( calib[24] )

digH.append((calib[26]<< 8) | calib[25])

digH.append( calib[27] )

digH.append((calib[28]<< 4) | (0x0F & calib[29]))

digH.append((calib[30]<< 4) | ((calib[29] >> 4) & 0x0F))

digH.append( calib[31] )

for i in range(1,2):

if digT[i] & 0x8000:

digT[i] = (-digT[i] ^ 0xFFFF) + 1

for i in range(1,8):

if digP[i] & 0x8000:

digP[i] = (-digP[i] ^ 0xFFFF) + 1

for i in range(0,6):

if digH[i] & 0x8000:

digH[i] = (-digH[i] ^ 0xFFFF) + 1

def readData():

data = []

for i in range (0xF7, 0xF7+8):

data.append(bus.read_byte_data(i2c_address,i))

pres_raw = (data[0] << 12) | (data[1] << 4) | (data[2] >> 4)

temp_raw = (data[3] << 12) | (data[4] << 4) | (data[5] >> 4)

hum_raw = (data[6] << 8) | data[7]

#compensate_T(temp_raw)

#compensate_P(pres_raw)

#compensate_H(hum_raw)

t = compensate_T(temp_raw)

p = compensate_P(pres_raw)

h = compensate_H(hum_raw)

return p + "," + t + "," + h

def compensate_P(adc_P):

global t_fine

pressure = 0.0

v1 = (t_fine / 2.0) - 64000.0

v2 = (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 2048) * digP[5]

v2 = v2 + ((v1 * digP[4]) * 2.0)

v2 = (v2 / 4.0) + (digP[3] * 65536.0)

v1 = (((digP[2] * (((v1 / 4.0) * (v1 / 4.0)) / 8192)) / 8) + ((digP[1] * v1) / 2.0)) / 262144

v1 = ((32768 + v1) * digP[0]) / 32768

if v1 == 0:

return 0

pressure = ((1048576 - adc_P) - (v2 / 4096)) * 3125

if pressure < 0x80000000: pressure = (pressure * 2.0) / v1 else: pressure = (pressure / v1) * 2 v1 = (digP[8] * (((pressure / 8.0) * (pressure / 8.0)) / 8192.0)) / 4096 v2 = ((pressure / 4.0) * digP[7]) / 8192.0 pressure = pressure + ((v1 + v2 + digP[6]) / 16.0) #print "pressure : %7.2f hPa" % (pressure/100) return "%7.2f" % (pressure/100) def compensate_T(adc_T): global t_fine v1 = (adc_T / 16384.0 - digT[0] / 1024.0) * digT[1] v2 = (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * (adc_T / 131072.0 - digT[0] / 8192.0) * digT[2] t_fine = v1 + v2 temperature = t_fine / 5120.0 #print "temp : %-6.2f ℃" % (temperature) return "%.2f" % (temperature) def compensate_H(adc_H): global t_fine var_h = t_fine - 76800.0 if var_h != 0: var_h = (adc_H - (digH[3] * 64.0 + digH[4]/16384.0 * var_h)) * (digH[1] / 65536.0 * (1.0 + digH[5] / 67108864.0 * var_h * (1.0 + digH[2] / 67108864.0 * var_h))) else: return 0 var_h = var_h * (1.0 - digH[0] * var_h / 524288.0) if var_h > 100.0:

var_h = 100.0

elif var_h < 0.0:

var_h = 0.0

#print "hum : %6.2f ％" % (var_h)

return "%.2f" % (var_h)

def setup():

osrs_t = 1 #Temperature oversampling x 1

osrs_p = 1 #Pressure oversampling x 1

osrs_h = 1 #Humidity oversampling x 1

mode = 3 #Normal mode

t_sb = 5 #Tstandby 1000ms

filter = 0 #Filter off

spi3w_en = 0 #3-wire SPI Disable

ctrl_meas_reg = (osrs_t << 5) | (osrs_p << 2) | mode

config_reg = (t_sb << 5) | (filter << 2) | spi3w_en

ctrl_hum_reg = osrs_h

writeReg(0xF2,ctrl_hum_reg)

writeReg(0xF4,ctrl_meas_reg)

writeReg(0xF5,config_reg)

setup()

get_calib_param()

if __name__ == '__main__':

try:

readData()

except KeyboardInterrupt:

pass

我並沒有修改太多代碼，只是對主要的“處理”部分進行了一些小的調整。我將“print”改為“return”並進行了相關編輯，使得程式以CSV格式返回數值（帶逗號）。

/home/pi/bme280.py

#coding: utf-8

 

import bme280_custom

import datetime

import os

 

dir_path = '/home/pi/bme280-data'

 

now = datetime.datetime.now()

filename = now.strftime('%Y%m%d')

label = now.strftime('%H:%M')

csv = bme280_custom.readData()

 

if not os.path.exists('/home/pi/bme280-data'):

    os.makedirs('/home/pi/bme280-data')

f = open('/home/pi/bme280-data/'+filename+'.csv','a')

f.write("'"+label+"',"+csv+"\n")

f.close()

#coding: utf-8

import bme280_custom

import datetime

import os

dir_path = '/home/pi/bme280-data'

now = datetime.datetime.now()

filename = now.strftime('%Y%m%d')

label = now.strftime('%H:%M')

csv = bme280_custom.readData()

if not os.path.exists('/home/pi/bme280-data'):

os.makedirs('/home/pi/bme280-data')

f = open('/home/pi/bme280-data/'+filename+'.csv','a')

f.write("'"+label+"',"+csv+"\n")

f.close()

我創建了另一個py，從之前修改過的“bme280_custom.py”中調用readData()函數。這會將讀取的數值保存在CSV檔中。文件的設定如下：記錄一整天的資料，以日期作為檔案名保存。

我用cron登記了這個程式並進行了設定，讓它定期運行。現在完成了！
sudo crontab -e

0-59/10 * * * * /home/pi/bme280.py

注：我將其設定為每10分鐘運行一次。

接下來，我將創建一個PHP檔來顯示資料。我用 DS18B20 溫度感測器製作溫度計時做過類似事情。

/var/www/html/bme280.php

<?php

$today  = date("Ymd");

$csv_dir  = '/home/pi/bme280-data/';

$csv_file = $today.'.csv';

$grapgh   = '';

if (($handle = fopen($csv_dir.$csv_file, "r")) !== false) {

    while (($line = fgets($handle)) !== false) {

    $grapgh .= '['.rtrim($line).'],'.PHP_EOL;

    }

    fclose($handle);

}else{

    echo 'no data';

}

?>

<html>

<head>

<script type="text/javascript" src="https://www.google.com/jsapi"></script>

<script type="text/javascript">

    google.load("visualization", "1", {packages:["table"]});

    google.setOnLoadCallback(drawTable);

 

    function drawTable() {

    var data = new google.visualization.DataTable();

    data.addColumn('string', 'Time');

    data.addColumn('number', 'Pressure');

    data.addColumn('number', 'Temperature');

    data.addColumn('number', 'Humidity');

    data.addRows([

 

<?php echo $grapgh; ?>

 

    ]);

 

      var table = new google.visualization.Table(document.getElementById('table_div'));

      table.draw(data, {showRowNumber: true});

    }

</script>

</head>

<body>

 

<div id="table_div"></div>

 

</body>

</html>

<?php

$today = date("Ymd");

$csv_dir = '/home/pi/bme280-data/';

$csv_file = $today.'.csv';

$grapgh = '';

if (($handle = fopen($csv_dir.$csv_file, "r")) !== false) {

while (($line = fgets($handle)) !== false) {

$grapgh .= '['.rtrim($line).'],'.PHP_EOL;

}

fclose($handle);

}else{

echo 'no data';

}

<html>

<head>

google.load("visualization", "1", {packages:["table"]});

google.setOnLoadCallback(drawTable);

function drawTable() {

var data = new google.visualization.DataTable();

data.addColumn('string', 'Time');

data.addColumn('number', 'Pressure');

data.addColumn('number', 'Temperature');

data.addColumn('number', 'Humidity');

data.addRows([

<?php echo $grapgh; ?>

]);

var table = new google.visualization.Table(document.getElementById('table_div'));

table.draw(data, {showRowNumber: true});

}

</script>

</head>

<body>

</body>

</html>

我創建了一個簡單的PHP檔，在表中顯示相關資料（您必須安裝“php5”套裝軟體才能使用PHP）。

bme280

透過這種方式，我可以用瀏覽器——導航至 http://localhost/bme280.php —— 查看CSV檔的內容。即使每隔10分鐘，壓力也會發生巨大變化！

Raspbian最新版本預裝了一個名為“LibreOffice”的辦公套件。如果您只是想查看資料，那麼可以使用“LibreOffice Calc”（按兩下CSV檔），然後您會看到如下內容：

總結

今天，我們用AE-BME280感測器構建了一個簡單模組來測量多個數值（壓力、濕度和溫度）。這麼小的感測器可以測量多達三個不同的參數，真是太神奇了。感測器非常微小，但非常強大！

這個項目還讓我提高了焊接技巧。AE-BME280上的引腳非常小，彼此非常靠近，我當時還擔心可能會把多個引腳焊接在一起。最後，成品的引腳焊接得很好，我很高興。需要焊接的專案可能比較困難，但是值得！

Deviceplus 編輯團隊

Device Plus適合所有電子設計和機電一體化發燒友。

利用AE-BME280和Raspberry Pi讀取溫度、濕度和壓力值

AE-BME280

焊接!

接線

設定 Raspberry Pi

Deviceplus 編輯團隊

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