Funpack第八期：基于Arduino Nano 33 BLE Sense的小型环境监测站

内容介绍

硬件介绍

Arduino Nano 33 BLE Sense是一款基于nRF52840 ARM-32位处理器的微型开发板，处理器包含Cortex M4F和用于BLE和Bluetooth 5通信的NINA B306模块。

1、这款开发板的名称本身提供了一些信息：之所以称为“Nano”，是因为其尺寸、引脚排列和形状因数与经典的Arduino Nano非常相似，可以在现有项目中将其用作Arduino Nano的替代品，这款开发板工作电压可以为3.3V，所以称为“33”；名称“BLE”表示模块支持低功耗蓝牙（BLE5 5.0）；名称“ sense”表示具有板载传感器（如九轴姿态传感器、温湿度传感器等）。

2、由Nordic nRF52840处理器提供支持的Arduino Nano 33 BLE板具有以下技术规格参数：

Fqj_OeHxw4DAickMNj-nUs4c0TCU

3、开发板所带传感器信息：

LSM9DSI——ST——9姿态轴传感器，3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计；

HTS221——ST——温湿度传感器；

LPS22HB——ST——压力计；

APDS9960——Broadcom/Avago——手势检测、接近检测、数字环境光感（ALS）和色感（RGBC）；

MP34DT05-A——ST——数字麦克风；

Fg9YgZVL-A-Gf6K7oREAADCKLEFN

本期Funpack活动任务：利用NANO-33 BLE的传感器, 搭建一个小型环境监测站用于监测户外环境。

开发工具：本次任务选择Arduino IDE进行开发；

1、待监测的参数，所使用的传感器及相应的库:

周边环境温度（精度：±0.1°C, ±0.1°F）——HTS221 温湿度传感器：数据手册 、Arudino库
周边环境湿度（精度：±1%）：——HTS221 温湿度传感器
大气压强（精度：±0.1kPa, ±0.1psi）——LPS22HB 压力传感器：数据手册 、Arduino库
日照强度（用于判断白天/夜晚）——APDS9960 数字环境光感：数据手册 、Arduino库
周边平均噪声（精度：±1dB）——MP34DT05-A 数字麦克风：数据手册 、PDM库

通过对开发板外接SSD1306显示屏（128*64）(I2C)显示——U8g2库 、U8g2库解读

2、相应监测参数功能及代码片段：

1）监测周边环境温及湿度：使用板载的 HTS221 温湿度传感器采集温湿度数据，并存入temperature、humidity中；

头文件：

#include <Arduino_HTS221.h>//使用Arduino_HTS221库，驱动HTS221温湿度传感器读取环境温度和相对湿度，温度范围： -40 至 120°C，湿度范围： 0 至 100%rH

初始化：

void setup() {
  HTS.begin();//初始化温度湿度传感器HTS221；
}

获取数据：读取传感器浮点温度值、湿度值

void loop() {
  float temperature = HTS.readTemperature();  //读取温度；
  float humidity = HTS.readHumidity();//读取湿度； 
}

板载温度传感器会由于开发板发热，长时间直接通电测得的温度会比实际的温度偏高。

2）监测周边环境大气压强：使用板载的 LPS22HB 压力传感器采集大气压强，并存入pressure中；

头文件：

#include <Arduino_LPS22HB.h>//使用Arduino_LPS22HB库，驱动LPS22HB压力传感器读取气压，绝对压力范围：260 至 1260 hPa；

初始化：

void setup() {
  BARO.begin();//初始化气压传感器LPS22HB；
}

读取传感器压强：

void loop() {
  float pressure = BARO.readPressure();//读取压强；
}

3）监测周边环境日照强度：使用板载的 APDS9960 数字环境光感采集光照强度，并做出相应判断，同时为了便于观察判断，加入一个外置LED灯，判断白天黑夜（白天熄灯，晚上亮灯）；

头文件及定义：

#include <Arduino_APDS9960.h>//使用Arduino_APDS9960库，驱动APDS9960光线传感器读取光强度；

int LEDLight = A1;//定义A1引脚为LED灯正极；

初始化：

void setup() {
  APDS.begin();//初始化光线传感器APDS9960；
  pinMode(LEDLight, OUTPUT);//初始化LED灯；
}

环境光检测（带部分显示代码,同时判断LED灯是否点亮）：若a>15则为白天，若a<15则为夜晚

void loop() {
  while (! APDS.colorAvailable()) {
    delay(5);
  }
  int r, g, b, a;
  APDS.readColor(r, g, b, a);


if(a>15){
u8g2.print("白天");
digitalWrite(LEDLight, LOW);//白天路灯关闭；
} 
else{
u8g2.print("夜晚");
digitalWrite(LEDLight, HIGH);//夜晚路灯打开；
 }
}

4)监测环境噪声：使用数字麦克风单位时间内获取最大的振幅计算当前环境的噪音

头文件及定义

#include <PDM.h>//使用PDM库，驱动MP34DT05麦克风，处理音频信号；

short sampleBuffer[512];
volatile int samplesRead;

初始化并采集数据：使用单通道数据

void setup() {
  PDM.onReceive(onPDMdata);//初始化麦克风MP34DT05；
  PDM.begin(1, 16000);//
}

//声音采集，使用单通道数据
void onPDMdata() {
  int bytesAvailable = PDM.available();  //查询可用字节数；
  PDM.read(sampleBuffer, bytesAvailable);  //存入缓冲区；
  samplesRead = bytesAvailable / 2;
}

计算分贝：选取值最大的一个作为当前的环境噪声，对该最大值乘5，再取以10为底的对数，乘24即为当前的环境噪声（分贝）。

void loop() {
  while (!samplesRead);
  uint32_t sound_max = 0;
  int i;
  for (i = 0; i < samplesRead; i++) {
    if(sampleBuffer[i] < 0)
      sampleBuffer[i] = -sampleBuffer[i];
    if(sampleBuffer[i] > sound_max) 
      sound_max= sampleBuffer[i];  
  }
  uint32_t sound = 24*log10(sound_max*5)); //得出分贝；
}

5）显示部分：本次显示模块为SSD1306 128*64，I2C协议，使用U8g2库驱动屏幕显示，使用分页模式显示；

头文件及定义：

#include <Arduino.h>
#include <U8g2lib.h>//使用u8g2 OLED库，点亮屏幕；
#ifdef U8X8_HAVE_HW_SPI
#include <SPI.h>
#endif
#ifdef U8X8_HAVE_HW_I2C
#include <Wire.h>
#endif

U8G2_SSD1306_128X64_NONAME_2_HW_I2C u8g2(U8G2_R0, /* reset=*/ U8X8_PIN_NONE);//使用I2c驱动12864屏幕；

初始化：环境监测所需传感器初始化成功后显示“Funpack”

void setup() {
  u8g2.begin();//调用u8g2库，初始化oled屏幕；
  u8g2.enableUTF8Print();//启用UTF8打印；

  if(HTS.begin() && APDS.begin())//初始化显示画面
  if(BARO.begin() && PDM.begin(1, 16000))
  {
    u8g2.firstPage();
    do {
    u8g2.setFont(u8g2_font_inb19_mr);
    u8g2.drawStr(0,40,"Funpack");
    } while ( u8g2.nextPage() );
  }
  delay(3000);//显示画面延时
}

环境监测数据显示

void loop() {
  u8g2.setFont(u8g2_font_funpack);  // 使用制作生成的中文字库；
  u8g2.setFontDirection(0);//设置字体方向；
  u8g2.firstPage();//绘制屏幕内容；
  do {
    u8g2.setCursor(0, 15);
    u8g2.print("温度:");
    u8g2.print(temperature);
    u8g2.print("℃");
    u8g2.setCursor(0, 30);
    u8g2.print("湿度:");
    u8g2.print(humidity);	
    u8g2.print("%rH");	
    u8g2.setCursor(0, 45);
    u8g2.print("压强:");
    u8g2.print(pressure);	
    u8g2.print("kPa");
    u8g2.setCursor(0, 60);
    u8g2.print("分贝:");
    u8g2.print(sample);
    u8g2.print("dB");
    u8g2.setCursor(80, 60);
    if(a>15){
      u8g2.print("白天");
      digitalWrite(LEDLight, LOW);//白天路灯关闭；
    } 
    else{
      u8g2.print("夜晚");
      digitalWrite(LEDLight, HIGH);//夜晚路灯打开；
    }
       
  } while ( u8g2.nextPage() );
  delay(1000);//延时；
}

制作所需显示的中文字库：工具详附件，制作方式详见视频；

将生成的“u8g2_font_funpack.c”文件中的内容复制到U8g2库中的“u8g2_fonts.c”文件中；

同时在U8g2库的头文件“u8g2.h”定义添加：

extern const uint8_t u8g2_font_funpack[] U8G2_FONT_SECTION("u8g2_font_funpack");

然后选择此字体显示相应的数据

功能演示及说明

接线：

LED	正极	负极
Nano 33 Ble	A1引脚	GND引脚

*OLED12864屏幕**	GND	VCC	SCL	SDA
Nano 33 Ble	GND引脚	3.3V	A5(SCL)	A4(SDA)

初始化显示：各传感器初始化成功后屏幕显示“Funpack”

FvQ6WxprQzp0oBLAu2agRyVChNYB

白天模式：温度、湿度、压强、分贝显示，白天LED灯熄灭：

Fh4GLINHj6pzXkW8lo5XoyWyCZlY

夜晚模式：温度、湿度、压强、分贝显示，夜晚LED灯打开：

FoNkJ8_TCgUp0TzzSTOlOxmWzZT0

心得与体会

通过本次活动使我认识到了学习Arduino可以完全不需要了解其内部硬件结构和寄存器设置，仅仅知道它的端口作用即可；可以不懂硬件知识，只要会简单的C语言，就可用Arduino编写程序，大大降低了初学者的学习使用门槛。同时Arduino是开源的，意味着使用者可以从相关网站、博客，论坛里得到大量的共享资源，在共享资讯的辅助下，通过资源整合，能够加快创作作品的速度及效率。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，具有丰富的接口，有数字I/O口，模拟I/O口，同时支持SPI,IIC,UART串口通信，可拓展性也很高！

建议：希望能学到更多的传感器功能使用，如手势识别，蓝牙模块，加速度及陀螺仪的使用！

鸣谢主办方硬禾学堂与得捷电子举办本次Funpack活动！