測(cè)量環(huán)境參數(shù)的能力可以作為在工廠和工業(yè)應(yīng)用以及智能建筑，家電和個(gè)人產(chǎn)品中建立成熟的健康和安全特征的基礎(chǔ)。然而，為了提供這些功能，有助于滿足法規(guī)要求，開發(fā)人員需要找到有效地合并來自多個(gè)傳感器，最大限度地減少空間，功耗和成本效果的一種手段，同時(shí)確保最高的準(zhǔn)確度，精確度和可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，開發(fā)人員現(xiàn)在可以求助于復(fù)雜的傳感器融合算法，能夠產(chǎn)生大約空氣質(zhì)量，溫度，濕度，和總體舒適的信息。

本文將展示如何使用Bosch Sensortec的單個(gè)設(shè)備和軟件，特別是BME680及其相關(guān)的支持硬件和軟件，以最小的努力完成此項(xiàng)工作。

駕駛空氣傳感器發(fā)展的法規(guī)

健康和舒適水平與環(huán)境因素密切相關(guān)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出對(duì)基本參數(shù)的簡(jiǎn)單測(cè)量。舒適溫度的人類感覺不僅取決于溫度，還取決于濕度水平。健康專家將溫度和濕度結(jié)合起來，形成一個(gè)“高溫指數(shù)”，高度警示重大健康風(fēng)險(xiǎn)。正如熱指數(shù)所預(yù)測(cè)的那樣，在特定溫度的環(huán)境中工作的人在濕度升高時(shí)可能面臨嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)（圖1）。

圖1：人類受溫度和相對(duì)濕度組合的影響，使其同時(shí)測(cè)量更有用。

人為因素的專家進(jìn)一步研究，根據(jù)“有效溫度”的一個(gè)新的參數(shù)定義了一個(gè)主觀的“舒適區(qū)”，將溫度和濕度結(jié)合成一個(gè)單一的指標(biāo)。溫度或濕度的變化會(huì)迅速導(dǎo)致典型個(gè)體感到不舒服的環(huán)境（圖2）。

圖2：人類認(rèn)為溫度和相對(duì)濕度的變化使得舒適區(qū)狹窄，極端情況下會(huì)導(dǎo)致包括中暑在內(nèi)的重大健康風(fēng)險(xiǎn)。

與熱指數(shù)一樣，舒適區(qū)以外的溫度，濕度或兩者的劇烈變化都可能迅速造成不僅令人不舒服的情況。高于溫度依賴的濕度水平，個(gè)體甚至可能面臨中暑的危險(xiǎn)。工作環(huán)境中的舒適區(qū)的概念是如此重要，以至于其操作參數(shù)在由美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）批準(zhǔn)的美國加熱，制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）的標(biāo)準(zhǔn)55中規(guī)定。

盡管舒適區(qū)之外的重大短途旅行可能會(huì)影響健康，但即使溫度有限的變化也會(huì)影響人的表現(xiàn)。在對(duì)這個(gè)話題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性研究的調(diào)查中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)較窄的有效溫度范圍之外，工作性能一直在下降（圖3）。

圖3：研究人員始終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有效溫度超出相對(duì)較窄的范圍時(shí)，性能會(huì)下降。

同時(shí)，溫度和濕度決不是單獨(dú)影響健康。揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）由多種天然和人為來源引起，對(duì)空氣質(zhì)量構(gòu)成了特別隱蔽的威脅。由于空氣質(zhì)量對(duì)健康至關(guān)重要，美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）等組織將各種空氣質(zhì)量參數(shù)壓縮為單一指標(biāo)（圖4）?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（AQI）通常作為城市和較大地理區(qū)域的健康指標(biāo)呈現(xiàn)，可直接應(yīng)用于小氣候，建筑物和其他高占用率地區(qū)。大型建筑物中的高級(jí)加熱，通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)通常依賴于空氣質(zhì)量的一些度量作為其氣流過程控制設(shè)計(jì)的一部分。

圖4：環(huán)境和健康組織使用標(biāo)準(zhǔn)的空氣質(zhì)量指數(shù)來警告當(dāng)?shù)鼐用竦目諝赓|(zhì)量狀況，可能會(huì)導(dǎo)致一系列的健康風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于工程師來說，溫度，濕度和揮發(fā)性有機(jī)化合物等基本因素之間復(fù)雜的相互關(guān)系，對(duì)于健康和健康傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在最基本的層面上，設(shè)計(jì)師必須準(zhǔn)確地測(cè)量每個(gè)因素。

過去，開發(fā)人員通過將傳感器與定制信號(hào)鏈相結(jié)合來處理原始電壓和電流輸出，從而解決了這些類型的傳感問題。智能傳感器的出現(xiàn)極大地簡(jiǎn)化了傳感系統(tǒng)的開發(fā)。通過集成傳感器，傳感器信號(hào)鏈，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和控制邏輯，智能傳感器可以向主MCU提供準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)。開發(fā)人員只需通過集成傳感器通常支持的SPI或I 2 C接口將這些設(shè)備連接到MCU 。

盡管如此，對(duì)于諸如舒適區(qū)和AQI等派生分析，即使是單個(gè)智能傳感器的集合也沒有提供有效的解決方案。而且，多個(gè)傳感器的使用導(dǎo)致更大的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，更大的BOM和更大的物理足跡。這就降低了開發(fā)人員滿足客戶對(duì)更小，更高效設(shè)計(jì)的需求的能力。

也許更糟的是，使用多個(gè)傳感器，甚至是智能傳感器的設(shè)計(jì)在滿足功能要求方面面臨重大問題。即使與有效溫度一樣重要，派生測(cè)量也需要開發(fā)人員同步底層傳感器測(cè)量結(jié)果以用于傳感器融合算法。博世Sensortec BME680消除了這些設(shè)計(jì)限制，使開發(fā)人員能夠使用單個(gè)設(shè)備和相關(guān)聯(lián)的傳感器融合庫，以快速滿足健康和保健應(yīng)用的需求。

集成智能傳感器

BME680是一款集成式環(huán)境傳感器，將溫度，濕度，壓力和氣體傳感器集成在一起，尺寸僅為3 x 3 x 1 mm，采用8引腳LGA封裝。特別是，該裝置的氣體傳感器支持基于各種氣體測(cè)量的空氣質(zhì)量測(cè)量。

該器件實(shí)現(xiàn)了高線性度和高準(zhǔn)確度，而正常工作時(shí)功耗僅為微安（μA），睡眠模式下僅為0.16μA。在典型的操作過程中，BME680的溫度測(cè)量功耗僅為1.0μA。對(duì)于濕度，壓力和溫度的組合測(cè)量，器件僅使用3.7μA。對(duì)于氣體傳感，傳感器子系統(tǒng)的性質(zhì)導(dǎo)致功耗從0.09毫安（mA）到12毫安（取決于工作模式）。

氣體感測(cè)的較高功耗源自兩階段過程。氣體傳感器本身是一種基于金屬氧化物的裝置，當(dāng)它與各種各樣的VOC或其他環(huán)境污染物接觸時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化。但是，在傳感器運(yùn)行之前，氣體傳感器子系統(tǒng)中的加熱器將溫度升高到確保準(zhǔn)確測(cè)量所需的水平。在氣體傳感器子系統(tǒng)內(nèi)，加熱器控制模塊使用控制回路來控制集成數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出。反過來，DAC輸出用于調(diào)整注入電阻加熱器元件的電流量以提高溫度。

BME680為開發(fā)人員提供了幾種控制氣體感應(yīng)功耗的方法。使用三種不同的操作模式，開發(fā)者可以交換功耗的更新速率。對(duì)于需要最大更新速率的應(yīng)用，氣體傳感器可以以每秒更新一次的連續(xù)模式運(yùn)行，耗電量為12 mA。

對(duì)于更新要求較低的應(yīng)用程序，開發(fā)人員可以選擇兩種不同的模式。在低功耗模式下，氣體傳感器每3秒更新一次讀數(shù)，在此過程中消耗0.9 mA。對(duì)于功率限制大于更新速率的應(yīng)用，開發(fā)人員可以在超低功耗模式下操作氣體傳感器，該模式僅消耗0.09 mA，但每300秒更新一次。

這兩種模式除了在更新速率和功耗上的差異之外，在氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間上差別很大。在低功耗模式下，氣體傳感器子系統(tǒng)的典型響應(yīng)時(shí)間為1.4 s。超低功耗模式會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間明顯變慢，通常為92 s。

開發(fā)人員還可以通過控制加熱過程對(duì)功耗進(jìn)行一定程度的控制。通常，為了達(dá)到所需的溫度水平，在氣體傳感器測(cè)量之前，該裝置需要約30ms的加熱時(shí)間。開發(fā)人員可以通過編程加熱持續(xù)時(shí)間在1毫秒到4032毫秒范圍內(nèi)來控制加熱持續(xù)時(shí)間并影響功耗。

感測(cè)序列

為了避免不必要的功耗，BME680在睡眠模式下啟動(dòng)，等待測(cè)量命令。在大多數(shù)情況下，開發(fā)人員以強(qiáng)制模式操作設(shè)備，使設(shè)備依次自動(dòng)采樣每個(gè)傳感器（圖5）。

圖5：在強(qiáng)制模式運(yùn)行狀態(tài)下，Bosch Sensortec BME680在采樣之前，先加熱氣體傳感器，然后對(duì)其溫度，壓力和濕度傳感器進(jìn)行采樣。

在強(qiáng)制模式下，在進(jìn)行氣體傳感器測(cè)量之前所需的加熱之前，設(shè)備將完成溫度，壓力和濕度傳感器的測(cè)量。在加熱階段期間，加熱元件通常達(dá)到200℃和400℃之間的目標(biāo)溫度，并且維持該程序的加熱持續(xù)時(shí)間的溫度。通過僅在初始傳感器測(cè)量之后執(zhí)行該加熱階段，該裝置避免了加熱元件對(duì)那些傳感器測(cè)量的任何直接影響。最后，當(dāng)加熱階段達(dá)到指定的時(shí)間后，器件的ADC產(chǎn)生氣體傳感器電阻值。

BME680信號(hào)鏈為開發(fā)人員提供了優(yōu)化某些測(cè)量的方法。為了減少測(cè)量RMS噪聲，開發(fā)人員可以對(duì)器件進(jìn)行編程，以對(duì)其溫度，濕度和壓力傳感器進(jìn)行過采樣。還可以選擇啟用集成式無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器，以減少瞬態(tài)事件對(duì)溫度和壓力傳感器測(cè)量的影響。盡管內(nèi)部IIR濾波器可以降低這些測(cè)量的帶寬，但它將分辨率從16位提高到20位。請(qǐng)注意，由于他們的測(cè)量方法，這種類型的過濾不是濕度和氣體傳感器所必需的。

除了配置傳感器的測(cè)量過程之外，設(shè)計(jì)人員可以單獨(dú)啟用或禁用個(gè)別溫度，濕度和壓力傳感器的測(cè)量。但是，Bosch Sensortec建議開發(fā)人員始終啟用溫度測(cè)量，因?yàn)橄嚓P(guān)的軟件包使用溫度數(shù)據(jù)來校正其他傳感器測(cè)量值。

盡管過采樣和濾波可以降低噪聲并提高分辨率，但BME680的最終輸出最終將采用由器件內(nèi)部ADC產(chǎn)生的未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膫鞲衅髦档男问?。開發(fā)人員需要應(yīng)用存儲(chǔ)在設(shè)備中的校準(zhǔn)參數(shù)來產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。幸運(yùn)的是，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包含處理該任務(wù)的應(yīng)用程序編程接口（API）。

用BME680設(shè)計(jì)和開發(fā)

為了幫助啟動(dòng)設(shè)計(jì)，Bosch Sensortec提供了一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)程序和API，簡(jiǎn)化了使用BME680進(jìn)行設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)。對(duì)于數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)然静僮鳎_發(fā)人員只需要為每個(gè)傳感器調(diào)用不同的API函數(shù)。例如，calc_gas_resistance函數(shù)的調(diào)用參數(shù)包括氣體傳感器ADC輸出和BME60數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（清單1），用于訪問存儲(chǔ)在設(shè)備中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

struct bme680_dev {

/*！ Chip Id */

uint8_t chip_id;

/*！ Device Id */

uint8_t dev_idDK;

/*！ SPI/I2C interface */

enum bme680_intf intf;

/*！ Memory page used */

uint8_t mem_page;

/*！ Ambient temperature in Degree C*/

int8_t amb_temp;

/*！ Sensor calibration data */

struct bme680_calib_data calib;

/*！ Sensor settings */

struct bme680_tph_sett tph_sett;

/*！ Gas Sensor settings */

struct bme680_gas_sett gas_sett;

/*！ Sensor power modes */

uint8_t power_mode;

/*！ New sensor fields */

uint8_t new_fields;

/*！ Store the info messages */

uint8_t info_msg;

/*！ Burst read structure */

bme680_com_fptr_t read;

/*！ Burst write structure */

bme680_com_fptr_t write;

/*！ Delay in ms */

bme680_delay_fptr_t delay_ms;

/*！ Communication function result */

int8_t com_rslt;

};

清單1：Bosch Sensortec開源BME680驅(qū)動(dòng)程序提供了與BME680交互的所有基本軟件支持，并說明了包含關(guān)鍵配置值的關(guān)鍵軟件結(jié)構(gòu)。（代碼來源：Bosch Sensortec）

根據(jù)設(shè)備中存儲(chǔ)的參數(shù)，該功能返回修正后的氣體傳感器結(jié)果（清單2）。

static uint32_t calc_gas_resistance（uint16_t gas_res_adc， uint8_t gas_range， const struct bme680_dev *dev）

{

int64_t var1;

uint64_t var2;

int64_t var3;

uint32_t calc_gas_res;

var1 = （int64_t） （（1340 + （5 * （int64_t） dev-》calib.range_sw_err）） *

（（int64_t） lookupTable1［gas_range］）） 》》 16;

var2 = （（（int64_t） （（int64_t） gas_res_adc 《《 15） - （int64_t） （16777216）） + var1）;

var3 = （（（int64_t） lookupTable2［gas_range］ * （int64_t） var1） 》》 9）;

calc_gas_res = （uint32_t） （（var3 + （（int64_t） var2 》》 1）） / （int64_t） var2）;

return calc_gas_res;

}

清單2：BME680驅(qū)動(dòng)程序包含傳感器特定的例程，例如此功能，該功能可使用存儲(chǔ)在設(shè)備內(nèi)的傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)將原始?xì)怏w傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為校準(zhǔn)讀數(shù)。（代碼來源：Bosch Sensortec）

然而，如前所述，從原始溫度，濕度和氣體傳感器數(shù)據(jù)算法得出更有用的量，如有效溫度，舒適度和空氣質(zhì)量。例如，空氣質(zhì)量不僅取決于來自氣體傳感器的VOC讀數(shù)，還取決于有效溫度，取決于這些傳感器的溫度和濕度結(jié)果。除了這個(gè)算法復(fù)雜性之外，傳感器的自然漂移要求定期使用校準(zhǔn)方法來保持精確的結(jié)果。在博世軟件環(huán)境集群（黑海經(jīng)濟(jì)合作組織）軟件包解決這些問題，使開發(fā)人員能夠輕松地生成健康和保健應(yīng)用程序所需的復(fù)雜信息。

基于開源BME680驅(qū)動(dòng)程序集，BSEC是一個(gè)封閉的二進(jìn)制包，實(shí)現(xiàn)了傳感器融合所需的算法。例如，使用BME680傳感器讀數(shù)，BSEC算法會(huì)生成一個(gè)反映圖4所示標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量指標(biāo)的室內(nèi)空氣質(zhì)量指標(biāo)。

博世傳感器提供了黑海經(jīng)濟(jì)合作組織作為主要的指令集架構(gòu)，包括ARM二進(jìn)制分發(fā)?的Cortex ? -M，Espressif系統(tǒng)ESP8266和瑞薩 RL78 MCU的。BESC發(fā)行版還包括用于BESC API的C語言頭文件以及說明BSEC傳感器融合API使用的示例軟件。例如，示例主程序（清單3）演示了一個(gè)完整的傳感器程序，僅使用兩個(gè)函數(shù)來初始化設(shè)備并定期對(duì)BME680傳感器進(jìn)行采樣。

int main（）

{

/* Call to the function which initializes the BSEC library

* Switch on low-power mode and provide no temperature offset */

bsec_iot_init（BSEC_SAMPLE_RATE_LP， 0.0f， bus_write， bus_read， sleep）;

/* Call to endless loop function which reads and processes data based on sensor settings */

bsec_iot_loop（sleep， get_timestamp_us， output_ready）;

return 0;

}

清單3：博世軟件環(huán)境集群（BSEC）軟件分發(fā)包括示例軟件，例如說明設(shè)備初始化和傳感器采樣的主程序。（代碼來源：Bosch Sensortec）

開發(fā)人員使用該bsec_iot_init函數(shù)來指定采樣率，溫度偏移以及樣本之間的睡眠時(shí)間。兩個(gè)額外的參數(shù)，bus_write， bus_read允許開發(fā)人員交換不同的總線訪問方法來讀取和寫入BME680寄存器。

作為系統(tǒng)配置的一部分，開發(fā)人員可以指定自己的軟件例程來進(jìn)行總線寫入和讀取。例如，他們可以使用Arduino Wire庫進(jìn)行總線I / O（清單4），在Arduino平臺(tái)上輕松運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序或BESC包。驅(qū)動(dòng)程序和BESC每個(gè)都使用包含指向這些自定義I / O例程的指針的設(shè)備結(jié)構(gòu)。在程序執(zhí)行期間，工作代碼使用設(shè)備結(jié)構(gòu)中的指針引用的軟件I / O例程執(zhí)行總線操作。

#include 《Wire.h》

int8_t bus_write（uint8_t dev_addr， uint8_t reg_addr， uint8_t *reg_data_ptr， uint8_t data_len）

{

Wire.beginTransmission（dev_addr）;

Wire.write（reg_addr）; /* Set register address to start writing to */

/* Write the data */

for （int index = 0; index 《 data_len; index++） {

Wire.write（reg_data_ptr［index］）;

}

return （int8_t）Wire.endTransmission（）;

}

清單4：使用Bosch Sensortec BME680驅(qū)動(dòng)程序和BESC軟件包，開發(fā)人員可以使用其特定于平臺(tái)的總線I / O軟件例程，例如此總線寫入例程，該例程使用Arduino Wire庫在Arduino兼容的硬件平臺(tái)上操作。（代碼來源：Bosch Sensortec）

對(duì)于開發(fā)平臺(tái)本身，用戶可以利用兼容Arduino的評(píng)估板以及Bosch Sensortec提供的板卡。該公司的BME680穿梭板簡(jiǎn)單地提出了BME680器件的V DD模擬電源，地，V DDIO數(shù)字電源，地和串行接口（片選，串行數(shù)據(jù)輸入，串行數(shù)據(jù)輸出，串行時(shí)鐘輸入）。開發(fā)人員可以在自己定制的基于MCU的設(shè)計(jì)中使用穿梭板，或者將穿梭板插入Bosch Sensortec自己的應(yīng)用板。

對(duì)于Arduino開發(fā)人員，MikroElektronika MIKROE-2467 MikroBUS點(diǎn)擊板為連接兼容的開發(fā)板提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇。隨著BME680，點(diǎn)擊板添加一個(gè)USB接口和電源穩(wěn)壓器。開發(fā)人員可以單獨(dú)使用點(diǎn)擊板，或者將其插入MikroElektronika MIKROE-2340開發(fā)板（如圖6）等MikroBUS兼容硬件。

圖6：通過將MikroElektronika MIKROE-2467 MikroBUS點(diǎn)擊板插入MikroElektronika MIKROE-2340開發(fā)板，開發(fā)人員可以快速開始開發(fā)基于BME680的應(yīng)用程序，該開發(fā)板在板的一側(cè)提供MikroBUS連接器，在另一側(cè)提供Arduino連接器。（圖片來源：MikroElektronika）

該電路板包含Microchip Technology 32位PIC32MZ2048EFH100 MCU，該器件將高性能MIPS32 M級(jí)處理器內(nèi)核，浮點(diǎn)單元，2 MB閃存，512 KB SRAM，豐富的模擬外設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口。除了標(biāo)準(zhǔn)連接器外，MIKROE-2340板還帶有開發(fā)端口，并提供用于簡(jiǎn)單用戶通知的LED指示燈。

該電路板的獨(dú)特功能是支持MikroBus和Arduino連接器，可在該雙面電路板的任一側(cè)使用。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)，該開發(fā)板支持chipKIT，一個(gè)兼容Arduino的開源嵌入式開發(fā)環(huán)境。使用熟悉的Arduino環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以利用廣泛的Arduino生態(tài)系統(tǒng)快速實(shí)施環(huán)境感測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)論

Bosch Sensortec BME680與博世軟件環(huán)境集群和驅(qū)動(dòng)程序結(jié)合使用，大大降低了環(huán)境傳感的硬件和軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，成本和占地面積。

這種組合提供了對(duì)空氣質(zhì)量，有效溫度和舒適度的數(shù)值評(píng)估，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，以滿足工業(yè)，城市和家庭應(yīng)用中與健康有關(guān)的健康和安全要求。